王玄豐，趙 悟，湯 釗，王 敬

(長安大學 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗，陜西 西安 710064)

0 引 言

水泥混凝土是根據(jù)工程要求、結(jié)構(gòu)形式以及施工條件等將水泥、砂、石、水以及各種外加劑按一定級配比例和順序投入攪拌設(shè)備中經(jīng)過一定時間攪拌形成的均勻膠凝性混合物。水泥混凝土被廣泛應(yīng)用于各種土建工程中，是目前運用最為廣泛的建筑材料之一[1]。如何做到既經(jīng)濟環(huán)保、又能確保和提高其使用性能一直是業(yè)界專家討論研究的重要課題[2]。實驗研究表明：在混凝土生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備的工作性能直接影響混凝土的攪拌質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

目前市面上生產(chǎn)混凝土的攪拌設(shè)備主要分為自落式與強制式，在強制式攪拌設(shè)備中又可分為臥軸式攪拌機和立軸式攪拌機[3]?，F(xiàn)市面上普遍的立軸式攪拌機以單立軸式攪拌機與立軸行星式攪拌機為主。單立軸式攪拌機被普遍應(yīng)用于細骨料、輕骨料、干硬性混凝土及水泥砂漿的拌和[4]；立軸行星式攪拌機被廣泛應(yīng)用于對流動度要求較大的混凝土攪拌領(lǐng)域[5-6]。而鑒由愛立許公司推出的攪拌設(shè)備，在拌缸傾角方面的獨特設(shè)計，如圖1，引發(fā)筆者對立軸攪拌機拌缸傾角的思考。

圖1 愛立許攪拌機樣機

筆者所在課題組在單立軸攪拌機的基礎(chǔ)上提出并設(shè)計了雙立軸攪拌機，以該試驗樣機為模型研究分析雙立軸強制攪拌機在不同拌缸傾角狀態(tài)下對攪拌混合物料均勻性的影響，通過PROE三維建模軟件建立試驗樣機三維模型，并利用EDEM離散元仿真軟件對物料在不同拌缸傾角狀態(tài)下的物料攪拌進行模擬仿真，對比分析混合物料顆粒的均勻性，從而得到不同拌缸傾角對雙立軸強制攪拌機攪拌物料均勻性的影響情況，進而取得較佳的拌缸傾角，為雙立軸強制攪拌機設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 雙立軸強制式混凝土攪拌機概況

混凝土生產(chǎn)制備的過程中攪拌的作用就是將各種集料拌合均勻，各種物料顆粒相互分散，均勻分布，符合相關(guān)的力學性能要求和結(jié)施工要求的混合物[7]。立軸強制式混凝土攪拌機是一種適用于攪拌干硬性、高強和輕質(zhì)混凝土的攪拌機[8-9]。雙立軸攪拌機在傳統(tǒng)立軸攪拌機的基礎(chǔ)上增加了攪拌軸，強化了混和物料在拌缸內(nèi)的循環(huán)運動。如圖2、3所示的雙立軸攪拌機的兩根攪拌軸上分別裝有一對側(cè)、中、內(nèi)攪拌臂，并且在側(cè)、中、內(nèi)拌臂上分別裝有側(cè)攪拌葉片、中攪拌葉片、內(nèi)攪拌葉片。

雙立軸強制式攪拌機對混合物料的攪拌過程中，由于對混泥土拌合料的剪切和對流作用，拌缸內(nèi)存在多樣的料流循環(huán)，即能在較短的時間里使得混凝土的各種顆粒達到均勻分布的狀態(tài)。

圖2 攪拌裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 雙立軸攪拌桶攪拌裝置布置示意圖

當改變攪拌機拌缸的放置傾角后，拌缸內(nèi)的攪拌裝置也隨之傾斜，為充分利用拌缸，拌缸放置的傾斜角度不能無限增大，為考慮拌缸利用率，拌缸傾斜角度最大為45°。隨著傾角的不斷增大，此時攪拌機內(nèi)的混合物料在攪拌裝置的攪拌作用下不僅具有雙立軸攪拌機的交匯作用，同時，由于拌缸傾斜，攪拌裝置上的葉片還會對混合物料進行拋灑作用，增加拌缸內(nèi)的物料運動，從而使混合物料能在較短的時間內(nèi)攪拌均勻。

2 PROE三維模型建立與EDEM離散元建模模擬仿真

2.1 EDEM軟件簡介

EDEM是全球首款多用途離散元素法建模軟件，可用于工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)處理及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過程的仿真和分析。EDEM基于離散元分析原理，用來模擬和分析顆粒處理和生產(chǎn)操作，用戶可以利用EDEM輕松快速地創(chuàng)建顆粒實體的參數(shù)化模型。利用EDEM可以解決諸如物料均勻性、能量損耗等諸多問題。

利用EDEM后處理中分析顆?；旌暇鶆蚨鹊墓δ?，進而來判斷比較拌缸傾角對水泥混凝土攪拌均勻性的影響。

2.2 100 L雙立軸攪拌機模型建立

利用PROE三維建模軟件建立仿真用的虛擬樣機，建立的虛擬樣機是根據(jù)實驗室設(shè)計加工的100 L雙立軸間歇強制攪拌機，其基本參數(shù)為：出料容積100 L，入料容積150 L，拌缸內(nèi)徑690 mm，兩軸間距為520 mm，整臺實驗樣機中有兩套攪拌裝置，每套攪拌裝置中有6個攪拌臂，每個攪拌臂對應(yīng)一個攪拌葉片，其中有兩個內(nèi)攪拌葉片，兩塊中攪拌葉片，兩塊側(cè)攪拌臂，兩個攪拌葉片，葉片形狀如圖4、5所示。

圖4 攪拌葉片樣式

圖5 PROE三維模型攪拌缸

兩個攪拌裝置由1臺功率為11 kW的Y160M-4的異步電動機通過同步鏈傳動帶動兩個攪拌裝置反向轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)速1 440 r/min。由于攪拌混凝土時，攪拌裝置的最大線速度應(yīng)在1.4～1.7 m/s之間[10]，設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為55 r/min。

2.3 EDEM仿真參數(shù)設(shè)置

為了得到能夠真實反映混凝土攪拌的真實過程，選用了軟球模型和具有黏結(jié)力碰撞的Hertz-Mindlin With JKR接觸模型。根據(jù)實際中常用的骨料顆粒直徑選取了3種不同直徑的小球顆粒來模擬連續(xù)級配的混合料，其中直徑為6 mm的5 000顆，直徑為18 mm的4 000顆，以及直徑25 mm的3 000顆。除了不同直徑的小球顆粒設(shè)為石料(stone)外，攪拌裝置和攪拌筒等材料均為鋼材(steel)，顆粒與攪拌裝置參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

整個模擬仿真的時間設(shè)置為30 s，為了保證模擬仿真的結(jié)構(gòu)具有可對比性，三次仿真除攪拌桶的傾斜角度設(shè)置不同外，其余參數(shù)設(shè)置和仿真條件均一致。

表1 模擬仿真材料屬性設(shè)置表

表2 模擬仿真接觸模擬設(shè)置表

3 仿真結(jié)果處理與分析

3.1 均勻性指標

在國家標準GB/T9142-2000《混凝土機械》中規(guī)定，均質(zhì)混凝土中砂漿密度的相對誤差不大于0.8%、

單位體積混凝土中骨料質(zhì)量的相對誤差不大于5%[11]。因此混合均勻就成為衡量混凝土攪拌設(shè)備的一個重要指標。離散系數(shù)反映了某種粒徑顆粒在攪拌中的混合均勻程度，離散系數(shù)越小表示混合物均勻度越好。

模擬仿真完成后，對整個模型進行大小相同的方體網(wǎng)格劃分，如圖6所示。在攪拌過程中取3 s、6 s、9 s、12 s、15 s、18 s、21 s、24 s、27 s、30 s 10個不同時刻點的各個網(wǎng)格中的顆粒總數(shù)及各種顆粒在每個網(wǎng)格所占的個數(shù)，對網(wǎng)格進行篩分，為了保證網(wǎng)格的有效性，去掉顆粒數(shù)少于25的網(wǎng)格[12]。

圖6 模擬仿真網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

6 mm、18 mm、25 mm三種不同粒徑顆粒仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，圖7～9為仿真結(jié)果圖。

表3 仿真數(shù)據(jù)整理

圖7 25 mm顆粒的離散系數(shù)

圖9 6 mm顆粒的離散系數(shù)

觀察上面仿真的結(jié)果圖7～9，就整個攪拌過程而言，在達到同一均勻度的前提下，隨著拌缸傾角的不斷變化，所需要的攪拌時間也不同。其中在拌缸傾角為45°時所需的攪拌時間最短。從最終完成的三種不同顆粒離散系數(shù)來看，45°傾角時的離散系數(shù)分別為0.331、0.244、0.088；30°傾角時的離散系數(shù)0.425、0.285、0.092；0°傾角時的離散系數(shù)0.429、0.301、0.126。前面已經(jīng)討論過，用顆粒的離散系數(shù)來衡量攪拌的均勻性。上面的仿真結(jié)果表明，拌缸傾角為45°時攪拌出的顆粒離散系數(shù)總體較小，也就是說在這種狀態(tài)下攪拌混合物料能更快的達到均勻狀態(tài)且比0°傾角和30°傾角所達到的均勻性更好。

4 結(jié) 論

通過EDEM模擬仿真軟件對不同拌缸傾角狀態(tài)的攪拌過程進行模擬仿真，結(jié)果表明：與30°、0°拌缸傾角相比，45°拌缸傾角的物料顆粒在拌缸內(nèi)的運動過程更復雜，既有類似臥軸攪拌機的拋灑作用，又有雙立軸攪拌機的劇烈交匯作用，對物料顆粒有較好的拌和作用。因此拌缸內(nèi)的物料顆粒能在較短的時間內(nèi)達到要求的均勻度。

進而，對雙立軸攪拌機，采用不同的拌缸傾角對混凝土均勻性有著重要影響，不僅影響物料攪拌的均勻程度，而且影響物料攪拌均勻所需的時間，影響生產(chǎn)效率。為往后雙立軸攪拌機的設(shè)計就拌缸傾角方面提供一定的參考價值。