（机械设计及理论专业论文）双卧轴振动搅拌机的试验研究.pdf

摘要 本文首先从混凝土搅拌概念和振动搅拌理论出发，通过对前期振动搅拌方 案的分析比较，提出了本文的研究课题。参照以往的成果，提出了双卧轴振动 搅拌机的设计方案，并详细阐述了振动参数和搅拌参数的设计。通过试验研究， 确定了搅拌机工作机构和几何、运动参数的合理组合，并检测了搅拌机的性能， 回归分析得到了振动、搅拌机构的功率消耗计算公式。最后，根据理论分析和 试验研究结果，给出了结论和建议。 关键词：混凝土搅拌机双卧轴优化设计振动搅拌 理论分析振动响应试验研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h em i x i n gc o n c e p t i o no fc o n c r e t ea n dv i b r a t i n gm i x i n g t h e o r y ，a n dt h r o u g ha n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gt h ee x i s t i n gv i b r a t i n gm i x i n gp r o j e c t ，t h e a u t h o rp u t sf o r w a r dt h er e s e a r c ht a s ko f t h i st h e s i s o nt h eb a s i so f p a s tp r o d u c t i o n ， p u t s f o r w a r dt h ed e s i g n i n gp r o j e c to fd o u b l eh o r i z o n t a ls h a f tv i b r a t i n gm i x e r , a n d c o n c r e t e l ye x p l i c a t e s t h ev i b r a t i n ga n dm i x i n gp a r a m e t r i cd e s i g n t h r o u g ht e s t i n g r e s e a r c h ，m a k e sc e r t a i nt h eb e s tc o m b i n a t i o no ft h em i x e rw o r k i n gm e c h a n i s m a n d g e o m e t r i c - - m o t i o n a lp a r a m e t e r s ，a n dc h e e ku p t h ec a p a b i l i t yo ft h em i x e r , f i n d so u t t h ef o r m u l a so ft h ev i b r a t i n ga n dm i x i n gm e c h a n i s mp o w e rc o n s u m p t i o nb yu s i n g r e g r e s s i o na n a l y s i s f i n a l l y , t h ea u t h o rc o m b i n e st h e r e s e a r c ha n a l y s i sa n dt h et e s t r e s e a r c hr e s u l t ，a l s og i v e sc o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s i k e yw o r d s ：c o n c r e t e m i x e r v i b r a t i n gm i x i n g t e s tr e s e a r c h d o u b l eh o r i z o n t a ls h a ：f to p t i m u md e s i g n t h e o r e t i c a la n a l y s i sv i b r a t i n gr e s p o n s e 第一章综述 1 1 混凝土的搅拌概念 搅拌就是通过物料问的相互碰撞、对流和扩散，促进物料颗粒，特别是水泥颗 粒的弥散分布，达到混凝土宏观及微观上匀质的目的。混合料在搅拌过程中有着复 杂的变化，除有强烈的物理作用外，尚伴随着一定的化学作用。不仅混合物总容积 发生了量的变化，而且其状态和性能也发生了质的变化。新拌混凝土即使在宏观上 达到均匀，在显微镜下仍有1 0 3 0 0 a 的水泥颗粒团聚体。因此，混凝土的搅拌必 须提供不仅宏观匀质，而且要微观相对匀质的混合料。 水泥混凝土是极具分散性的多相混合物，各相界面间的表面现象对混合物的形 成过程有很大的影响。相表面间不仅存在着物理吸附作用，还存在着水化反应等作 用。而影响表面现象的最主要的因素是相表面间的吸附和扩散的速度。这取决于骨 料颗粒的移动性、活化的相表面积的大小、粘性组分的分散程度、搅拌过程的工序 特点和其他因素。众所周知，水泥混凝土是分散的介质分子的水化物薄膜层粘结各 相颗粒而形成的胶凝结构。这种结构是具有高的剪切强度、粘性、弹性模量、内应 力释放时间等物理一化学性能的空间结构。前两者使得混合物各组分均匀分散的搅 拌过程变得特别困难。因此，只有当所有组分均匀分布和每一骨料颗粒都被水化物 薄膜包围时，换言之，各相组分从微观上也达到均匀分布时，混合物的胶凝结构才 最稳定。这样的结构消除了混凝土内部的宏观及微观缺陷，凝固后才会具有最大强 度t 2 。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于陀： ( 1 ) 各组分均匀分布，达到宏观及微观上均匀； ( 2 ) 破环水泥粒子团聚现象，使其各颗粒表面被水浸润，促使弥散现象的发展： ( 3 ) 破坏水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹层； ( 4 ) 由于集料表面常覆盖一薄层灰尘及粘土，有碍界面集合层的形成，故应使物 料颗粒间多次碰撞和互相摩擦，以减少灰尘薄膜的影响； ( 5 ) 提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹的交叉频率，以加速达到匀 质化。 为了达到上述搅拌目的，搅拌过程中物料的位移必须由对流运动和扩散运动来 实现。对流运动使各组分在宏观上达到均匀分布，这种运动在搅拌过程中是最主要 的，也是最基本的；扩散运动使各相表面间结合良好，达到微观上的均匀。换言之， 比较完善的搅拌过程，物料的位移必需由良好配合的对流运动和扩散运动来完成。 这就是混凝土搅拌的概念。 1 2 混凝土搅拌机概述 搅拌机是生产混凝土的主机，通过它可以把物料搅拌成均匀的符合质量要求的 混凝土。相对于人工搅拌，它有着效率高、减轻劳动强度和提高搅拌质量的优点， 是现代高质量混凝土生产中必不可少的设备。 目前生产的搅拌机有两种形式，一是独立使用的搅拌单机；另一是搅拌楼( 站) 的配套搅拌主机。虽然两种搅拌机的应用场合和配套设备有所不同，但它们的搅拌 装置是一致的。为了满足不同混凝土的搅拌要求，已发展了多种机型，各机型在结 构和性能上各具特色，可以从不同角度进行分类，其中按搅拌原理可分为自落式和 强制式两类。 自落式搅拌机是依据物料的自落原理进行搅拌。工作时利用搅拌筒内壁固定的 叶片对搅拌筒内物料进行分割和提升，物料则依靠自身的重力洒落和冲击，从而使 各部分物料的相互位置不断地进行重新分布而获得均匀搅拌。该机型结构简单、功 率消耗和叶片磨损均较小，对粗骨料粒径要求不严格，但其搅拌不够剧烈，搅拌质 量难以保证，生产率较低，只适用于搅拌普通塑性混凝土，现仍广泛地应用于中小 型建筑工地。这种类型的搅拌机主要有：鼓筒式搅拌机、锥形反转出料搅拌机、锥 形( 双锥形和梨形) 倾翻出料搅拌机等。其中的鼓筒式搅拌机由于不能满足混凝土 生产性能要求，已经于1 9 8 7 年被列为淘汰产品。 强制式搅拌机是在自落式搅拌机之后，随着混凝土从塑性发展到干硬性，搅拌 机家族又相应的增加了强制式这一品种。与自落式搅拌机不同，它不是主要通过重 力作用进行搅拌，而是借助旋转的叶片对物料进行剪切、挤压、翻滚和揉搓等强制 作用，使物料在剧烈的相对运动中得到均匀搅拌。与自落式相比，该机型产品整机 设计结构合理，搅拌作用强烈，搅拌质量好，效率高，布局新颖，使用维修方便， 适用于搅拌干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、轻骨料混凝土以及各种灰 浆、砂浆等。这类机型主要有：涡浆式搅拌机、单卧轴搅拌机、双卧轴搅拌机、行 星式( 固定和转盘行星式) 搅拌机等。 随着对混凝土生产质量要求的不断提高和各种新技术应用于搅拌机中，近年来， 出现了各式的新型搅拌机，主要包括：连续式搅拌机、二次搅拌装置、无搅拌叶片 的摆盘式搅拌机、蒸气加热搅拌机、超临界转速搅拌机、声波搅拌机、自落一强制 式搅拌机和振动搅拌机等。但总的来说，搅拌机的发展是与混凝土的发展密切相关 的，并进一步向大型化、多功能方向发展。 1 3 振动搅拌理论 1 3 1 现有搅拌机的不足之处 应用自落式和强制式搅拌机搅拌混凝土，一般在较短的时间内就可以达到宏观 上的均匀。但在微观上并没有达到均匀。如把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥 浆放在显微镜下，发现水泥颗粒并没有 纂三姜釜篓詈墨竺_ 篡棠囊橐穗- - - o 季霪- 型 水泥颗粒三三两两聚在一起，形成微小三c 乒岛弋； 1 o 。；芝 淼昙磊雾基募黧茎藜三譬蓬爹影响混凝土的和易性和强度的提高，且一鼍蔓 皇一。一2 s 芋 这种水泥颗粒的团聚问题是现有搅拌机a ) b 1 无法解决的，必需采用新的搅拌技术把图1 1 水泥颗粒分布情况 团聚的水泥颗粒分开，使其尽可能地接 近图1 1 b 所示的理想分布状态，进一步促进水泥的水化作用，提高混凝土的质量。 1 3 2 振动搅拌技术 众所周知，在混凝土生产过程中施以振动，使水泥颗粒处于颤动状态，从而破 坏了水泥凝聚团，使水泥颗粒充分均匀分布。同时振动使水泥颗粒的运动速度增大， 增加了有效碰撞次数，加速了水泥水化反应。此外，还可以净化集料表面，增加水 泥和集料间的粘结力。因此振动搅拌能有效地提高混凝土的强度，混凝土混合料的 流动性也有所改善。而且在振动作用下，物料颗粒间的粘性和内摩擦力会大大减少， 增加了物料的剪切运动和对流运动次数，缩短搅拌时间，提高生产率，减少搅拌功 1 9 3 0 年，前苏联首先使用了在普通搅拌机壳体上附加激振器的方法，来拌和水 泥砂浆和预拌水泥浆体；1 9 3 7 年又用配有振动搅拌叶片的自落式搅拌机来生产水泥 混凝土。再后来，前苏联又在转盘式强制搅拌机中安装了两台频率为7 5 0 0 r m i n ，功 率为0 3 7 k w 的插入式振动器进行了搅拌试验，试验结果见表1 1 。 可以看出。当水泥用量不变对，2 8 d 抗压强度提高约5 0 ，流动性略有提高； 当混凝土强度不变时，大约可节约水泥3 0 。这一事实在列宁格勒建筑工程学院的 试验中再次得到证实t 2 1 。 2 0 世纪4 0 5 0 年代开始，美国、德国和f t 本等国也相继进行了振动搅拌机的 研究。2 0 世纪4 0 年代末，前苏联曾用振动短槽来拌和与输送水泥混凝土。图1 2 为配有3 个h 一8 7 型外部振动器的振动短槽。短槽长度为2 2 0 0 r a m ，用3 m m 厚的 钢板制成，振动器用螺栓刚性固定在一个焊接在短槽上的1 0 c m 1 0 c m 角钢上。为 了固定起见，短槽焊有4 个用5 m m 厚钢板做成的箍，短槽用绳索自由地悬挂起来， 表1 1振动搅拌的效果 塌工 混凝水泥 搅拌时间 落作 抗压强度( m p a ) 土标用量度度 蒸养 ( k e , m )( r a m ) ( s ) ( 1 2 h ) l d3 d7 d2 8 d 在c 一3 7 1 搅拌机 1 1 14 61 1 71 3 82 0 7 3 2 0 中，普通搅拌3 m i n c 2 0 在c 一3 7 l 搅拌机 5 02 2 63 62 02 3 13 0 2 2 4 0中，振动搅拌3 r a i n5 01 8 15 91 3 91 8 62 3 1 在c 一3 5 5 搅拌机 9 02 4 36 71 4 22 6 23 0 6 4 5 0 中普通搅拌5 m i n c 3 0 在c 一3 5 5 搅拌机 7 53 6 81 2 2 2 53 6 85 0 中，振动搅拌5 r a i n 5 3 1 57 52 5 69 51 52 83 2 8 其倾斜角为1 5 。设计者强调，必须选用足以保证短槽长度上振幅最均匀的振动器 位置。当3 个振动器全开动时，空载工作的平均振幅a c p = 0 5 9 0 m m ，满载时a c p = 0 5 2 2 m m ，振动频率为5 8 h z 。 并未发生离析现象t 2 1 2 0 世纪7 0 年代末，前苏联又 研制成功了振动螺旋式搅拌器。用 其进行的试验研究证明，它能大大 强化物料的搅拌，缩短搅拌时间， 提高生产率。用它搅拌混凝土、砂 浆、钢纤维混凝土及沥青碎石混合 物，搅拌时间不超过4 0 s ，就能保 证良好的搅拌质量。用它制配混凝 使用这种短槽的实践证明，在振动力作用下物料 图1 - 2 振动短槽及三个振动器的安装位置 土和砂浆，其强度比普通强制式搅拌高出1 5 2 5 ，离差系数减少一半：在振动 螺旋器中补加3 钢纤维而配置的混凝土混合料，使弯曲强度提高了5 0 ；搅拌沥 青碎石时，由于沥青分布均匀，可节约沥青1 5 2 0 ，而且石料间的粘结性能还 得到了提高如。 4 1 4 前期试验成果 我校已经对周期式振动搅拌机们、连续式振动搅拌机和立轴式振动搅拌机蚓 进行了一些试验研究，证实振动搅拌技术在混凝制各上有明显的优越性。下面对 前期试验方案予以介绍。 1 4 i 周期式振动搅拌机 周期式振动搅拌机只有振动机构，而没 有附加的强制搅拌机构。其工作原理如图i 3 所示。它主要由激振器1 、搅拌筒2 、搅 拌叶片3 和隔振弹簧4 等组成。动力由电机 3 输入，驱动振动轴高速旋转，使振动轴上的 偏心块i 和偏心块i i 产生周期变化的离心 力f l 、f 2 ，激振器上下两端的偏心块被调整 成一夹角口。离心力f 1 、r 的合力使物料 绕振动槽的轴线旋转，而n 、足对物料的图1 - - 3 周期式振动搅拌机试验原理 力矩将使其产生翻滚运动。因此，在合力和 1 - 激振器2 一搅拌筒3 一搅拌叶片4 - 隔振弹簧 合力矩的共同作用下，物料作循环的螺旋运动，在运动中又经叶片不断地分割和洒 落。同时可将叶片的固有频率设计成和激振频率相同，使叶片处在共振状态，进 步强化了物料的运动。混合料在这样循环的螺旋运动中得到均匀拌和。 1 4 2 连续式振动搅拌机 图l 4 所示为连续式振动搅拌 机的工作原理简图。其主要由产生圆 周振动或直线振动的两个激振器、搅 拌槽、搅拌叶片、隔振弹簧等组成。 由电动机驱动两个激振器，使搅拌槽 产生圆周方向和直线方向两种振动 作用，促使槽内物料作逐渐向前的螺 旋运动，在运动中又经搅拌叶片不断 地分割和穿插。同时，将搅拌叶片的 图1 4 连续式振动搅拌机工作原理图 1 圆周振动激振器2 叶片3 一搅拌槽4 一隔振弹簧 5 直线振动激振嚣 固有频率设计成和激振频率相同- 使叶片处在共振状态，进一步强化了物料的运动 使混合料得到均匀拌合并顺利地连续出料。 1 4 3 立轴式振动搅拌机 图l 一5 所示为立轴式振动搅拌机 的工作原理图。它主要由搅拌叶片驱动 机构、搅拌叶片、激振器、激振器驱动 轴、搅拌筒、上料口、出料口等组成。 该机有两套驱动机构，即振动驱动机构 和搅拌叶片驱动机构。振动机构动力由 电机输出，经激振器驱动轴输给振动轴， 偏心振动轴高速旋转使激振器壳体发生 振动，从而对搅拌筒内物料旌加了振动 作用。搅拌机构动力由电机输出，经减 速器和齿轮传动减速后输给搅拌叶片 d 图1 5 立轴式振动搅拌机工作原理图 1 搅拌叶片驱动机构2 激振器驱动轴3 一上料口 4 搅拌筒5 一搅拌叶片6 激振器7 出料口 轴，使搅拌叶片旋转，对物料进行搅拌。这样在振动和叶片搅拌的共同作用下，实 现了物料的均匀搅拌。 综上所述，振动搅拌技术在混凝土制备上有明显的经济效益和良好的应用前 景，因此有必要综合前期各方案的优点，研制新型的混凝土搅拌机。 1 5 双卧轴振动搅拌机的课题提出 双卧轴搅拌机是综台性能最好的机型之一，混凝土适应范围广，搅拌质量好， 生产率高。我校课题组已经对a i i i - 轴搅拌机川进行了一些试验研究，得出了相应的 结论，并建议进行双卧轴搅拌机的振动搅拌及振动作用下搅拌机参数优化的研究。 双卧轴搅拌机作为当前最主要的机型在混凝土制备上有许多优越性，主要有以下几 点 ： ( 1 ) 搅拌时间短，生产率高，实现了国外“3 0 s 搅拌”的先进技术指标； ( 2 ) 搅拌转速低，叶片和衬板磨损小； ( 3 ) 混凝土适应范围广，搅拌时物料受到对流、冲击和剪切作用，运动剧烈，而 且物料运动区域相对集中于两轴之间，物料作轴向循环运动和径向圆周运动，混凝 土之间产生挤压作用，有利于各种物料搅拌均匀： ( 4 ) 搅拌机外形尺寸小、高度低、布置紧凑，装载运输便利，i ii e i 结构合理坚固， 工作可靠性高。 综上所述，双卧轴搅拌机能保证混凝土宏观上的匀质性，振动作用又提高了混 凝土的微观匀质性，因而把搅拌和振动结合起来，是研制新型混凝土搅拌机的一种 探索。 6 鉴于此，笔者提出了双卧轴振动搅拌机的试验研究的课题，设计制造了试验样 机。 1 6 本文研究内容和方法 为了推动振动搅拌技术的研究和发展，加快新型水泥混凝土搅拌机的商品化， 本文提出以下研究内容： ( 1 ) 振动参数的设计和搅拌参数优化的理论分析； ( 2 ) 试验样机的设计： ( 3 ) 混凝土的振动响应： ( 4 ) 混凝土的物理参数与搅拌机工作机构的几何、运动参数匹配的试验研究； ( 5 ) 振动搅拌的工业应用。 为了达到本课题研究的目的及振动搅拌机的生产率、能耗、搅拌所得混凝土技 术性能等各项性能指标的要求，研究采用理论分析和试验研究相互结合，相互补充 的方法。首先，对振动搅拌进行分类，确定试验样机设计方案，确定工作机构几何、 运动参数的合理取值范围，为试验研究提供理论依据，提出试验的优化目标和需要 优化的参数。其次，对试样样机进行设计计算。再次，对混凝土的激振方式、混凝 土振动特性和混凝土中的振动传播进行了分析，为试验结果分析提供理论依据。最 后，对试验样机进行试验检测，分析试验数据，从而确定搅拌机合理的工作机构和 几何、运动参数，检测搅拌机的性能，测定分析搅拌过程中的功率消耗，为该类型 搅拌机的系列化设计和生产提供依据，同时对理论分析结果进行校核。 第二章方案设计和搅拌机参数优化分析 2 1 方案设计 前期试验研究表明要保证搅拌质量，不能单纯依靠振动来完成，必须在振动的 同时加以搅拌。试验样机是在双卧轴搅拌机上加上振动，设计制造出来的。 2 1 1 试验样机设计方案 试验样机工作原理如图2 1 所示。 该搅拌机主要由搅拌叶片驱动装 置、激振器驱动装置、搅拌筒、搅拌叶 片、激振器、联轴器、皮带轮等组成。 搅拌机有搅拌驱动装置和振动驱动装置 两套驱动机构。搅拌驱动装置动力由电 机输出，经过减速器减速和同步齿轮传 动，通过联轴器后输给搅拌轴，使搅拌 叶片旋转，对物料进行搅拌。振动装置 动力由电机输出，经带传动输给两根振 动轴，从而对搅拌筒内物料施加了振动 作用。 于是在振动和叶片搅拌共同作用下， 2 1 2 立轴式和双卧轴振动搅拌机的比较 图2 1 双卧轴振动搅拌机工作原理图 1 一搅拌叶片驱动装置2 一联轴器3 一搅拌筒 4 搅拌叶片5 激振器6 皮带轮 7 - 激撮器驱动装置 实现了物料的均匀搅拌。 立轴式和双卧轴振动搅拌机相比，它们的搅拌原理都是振动加强制搅拌，不同 之处是立轴式振动搅拌机采用的是插入式深度激振器。工作时，搅拌叶片只对物料 施以强制搅拌，叶片不振动，依靠专用激振器对物料旋加振动，由于搅拌筒内只有 一个集中振动源，因而有效振动面积小，振动能量传播的距离远。要达到较好的振 动搅拌效果，必然要有大振动强度，试验证明振动强度为d = 1 5 2 51 1 6 1 才能使振 动能量传递给远处的物料。所以激振器轴的支承轴承承受的惯性力大，对支承轴承 的性能要求高。轴承寿命短，己成为整台机器的薄弱环节。双卧轴振动搅拌机采用 搅拌激振器，搅拌臂和搅拌叶片设计为激振器的一部分。工作时，搅拌叶片边搅拌 边振动，因而有效振动面积大，只需要较小的振动强度，就能达到较好的振动效果。 因为振动能量传播距离短，所需振动强度小，一般为d o 0 1 5 ( r o 为激振器等效作 用半径，r l 为搅拌筒半径) 时，传递到整个搅拌筒内各物料单元中的振动能量能满 足要求，振动能量分布比较理想，可使混合料各组分问的粘性结构完全破坏。这是 指采用专用激振器时，混凝土的微观结构改善而言的，对双卧轴振动搅拌机不一定 适用。为了提高激振器支承轴承的寿命，参考普通振动机械的参数选择经验，取振 动强度d - - - - - - - - - - - - - - - 乏 1 i 2 ， 、 r 3 i 0 02 0 03 0 04 0 0 图2 9 叶片线速度与相对强度及离差系数的关系 1 0 6 n d s2 1 3 r i d s3 - 1 b e d s4 2 3 n d s 离心力较大，物料易发生离析造成的。试验证明，当提高叶片线速度，在搅拌机衬 板和叶片端部的间隙中会产生过多的碎石楔住现象，从而增大功率消耗、加剧叶片 和衬板磨损以及增加骨料二次破碎的概率k 2 3 1 。因此，搅拌叶片的线速度应有一个合 理的取值范围，线速度高，混凝土会产生离析，线速度低，混凝土不易搅拌均匀。 确定合理的叶片线速度对于充分发挥搅拌机的作用，具有很大意义。 在振动作用下，物料颗粒问的粘性和内摩擦力减小，物料颗粒的运动速度加快。 这时强制式搅拌机的叶片线速度就不一定适用，必须由试验来确定其大小。确定一 种新型搅拌机的叶片线速度，常采用梯度法，即以强制式搅拌机的叶片线速度为其 中的一个值，各个试验值以它为参考，按一个合理差值向上下扩展。 本次试验是根据叶片线速度经验值1 5 r i d s 左右选取的，由此推导出搅拌轴转速 国n 。其实际值受减速器的输出转速的影响而有所调整。 2 4 本章小结 1 、提出了试验样机设计方案，对双卧轴与立轴式振动搅拌机进行了比较。双卧 轴振动搅拌机有许多优点，有必要进行试验研究和开发。 2 、振动搅拌的参数设计至关重要，必须对激振器振幅一、振动圆频率、等效 作用半径r 等振动参数，以及搅拌臂排列形式、搅拌叶片的安装角、搅拌轴转速o j 。、 搅拌时间f 、投料顺序等进行合理设计，以保证混凝土的搅拌质量。 3 、搅拌机参数优化主要是对搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角和搅拌轴转速优 化。搅拌臂排列是指单、双轴搅拌臂而言的。单轴搅拌臂排列是指各搅拌臂之间的 相位关系，其相位主要是9 0 。和6 0 。两种。双轴搅拌臂排列有一正一反、双正和双反 排列三种。搅拌叶片安装角对搅拌质量、搅拌效率和搅拌功耗有很大的影响a 叶片 合理的安装角一般为3 1 。4 0 。之间。在实际选取中，叶片的安装角为口2 4 5 。， 略大于最佳值。搅拌轴转速是影响搅拌质量的重要参数，它主要通过叶片线速度来 控制。确定一种新型搅拌机的叶片线速度，常采用梯度法。 1 8 第三章试验样机的设计计算 3 1 试验样机设计 图3 一l 所示为试验样机结构示意图，是在考虑强制搅拌和振动技术相结合的基 础上设计出来的。根据上一章对搅拌机几何、运动参数的分析，完成了试验样机设 计。 3 1 1 原始数据 图3 一l 试验样机结构图 1 搅拌电机2 同步齿轮3 轴承座i4 轴端密封5 一搅拌机构6 一卸料结构7 一轴承座i i8 振动电机 根据参数设计和试验研究的要求，确定各原始数据为： 1 、公称容量( 捣实后的混凝土体积) y = 1 0 0 l ： 2 、振动强度d = a m 2 g o 0 2 时，搅拌叶片 上的平均运动切线阻力可下降到静态值的1 2 0 以下，混凝各组分间的联接完全被 破坏，混凝土的粘性将大为下降，如图4 5 所示。 立轴式振动搅拌机6 1 与前苏联所用的试验装置类似，也是利用专用激振器对 物料施加振动作用，因而所需振动强 度大，为d = 1 5 2 5 ，才能使搅拌室 边缘的混凝土也获得足够的振动能 量，使混凝土各组分间的联接完全被 破坏，混凝土的粘性大为下降。它们 的局限性就在于专用激振器振动强 度大，激振器支承轴承的寿命短，成 为影响机器寿命的薄弱环节。 对双卧轴振动搅拌机而言，施加 振动作用的方式不是采用专用激振 器，而是采用搅拌激振器激振方式。 图4 4 振动搅拌试验装置简图 l 一直流电机2 减速器3 一钢丝绳4 一滑轮5 力传感器 6 应变议7 光线示波器8 一旋转工作机构9 壳体 1 0 混凝土1 1 定向振动器1 2 减振弹簧1 3 一机座 搅拌轴及其叶片边搅拌边振动，振动作用面积大，振动能量传播的距离近。在搅拌 室边缘的物料也很容易获得足够的振动能量，因而需要的振动强度较小，激振器的 支承轴承寿命易保证。 在振动强度较小时，可以考虑增大振动作 用面积，使振动能对物料充分作用，使混凝土 各组分间的联接被破坏，混凝土的粘性大幅度 下降。试验样机采用强制搅拌和振动作用的结 合方案1 2 5 1 。强制搅拌使物料受到强烈的对流、 冲击和剪切作用，使物料在搅拌筒内不断的循 环流动。同时搅拌叶片和搅拌臂边振动边搅拌， 振动作用面积大，有利于物料对振动能量的充 i 、 、 图4 5 混凝土粘冀粤警动 强度2 g 的关系 a 2 g 分吸收。只要强制搅拌足够剧烈和循环流动足够快，在振动强度较小时，物料的微 观性能就会大大改善，实现混凝土的宏观和微观上都匀质的目标。这也是试验样机 能选取较小的振动强度( d 6 ) 和较小的振动能量( b - 0 0 0 1 0 0 0 4 ) 的原因。 试验证明，在该激振方式下，混凝土的质量能够得到保证。 4 3 混凝土中的振动传播 振动对混凝土的流变特性有重要影响，因此需要研究振动在混合料中的传播特 性。激振器是锥形振动，其振动波的传播主要集中在径向方向，轴向方向较小。因 此主要研究径向方向的振动传播。由第二章所求的激振器等效作用半径简化所得的 激振器模型如图4 6 所示。该模型为均匀的圆柱形振动。图中a 为振幅，为搅 拌篱长度，为激振器等效作髑半径。 强4 6 祷亿激振器横登 4 3 。1 振动波的传播特点 振动波在混凝土混合料中的传播特点与媳震波在壤中的传播特廉相似，本质 上是在半连续分震中弹性波豹健播“”。 设在半连续介质巾有一个波源( 擐动源) ，介质中的质点( 微粒) 充满振劝源 趱基，将来鑫搬动源熬挣击力捷绘摆邻豹粒子，井镶次向各个方向传援出去，使之 发生掇动。由于波源的振动，在介质中会产生振动的传播，并逐渐传递到波源周围 熬全部分矮孛。 当波源振动产生的波以一定的速魔传播时， 莛撂款波源发爨貔振动波经避溺一转撩薅阗嚣羽 达各个位相相间的点所组成的筒。 圈4 7 繇示为掭麓能蠹传播静滚阵嚣。纛 于在混凝土混念料中，物料的颗粒大小极不一致， 而且由于锯辩鞭粒阊藩中空气的存在，振动滚谯 混合料中的传播逐渐袭减，靠近振动源的振动波 最强( 振幅最火) ，远离的逐渐减弱。 4 3 2 撅动波熟衰减规镎 会形成连续的波阵面。所谓波阵面 鬻l 一7 波辫嚣 振动波在混凝土混合料中的传播岛地震波在土壤中的传播相似，穰据地震波在 壤守蟛援规德戆方法寒求之。 如图4 7 所示，波源为嘲心0 ，波振面为同心环状面。谈矿为躐波源，处的 嚣竣繇上通过犟建懿期内赁传播到戆熬耋。翔鼹量在健援孛没有擐耗，则由予波阵 面的逐渐扩大，单位环周上的能量亦必然逐渐减小。獭距离由，增大剽一毋时，其 戆萋酶凳矽7 ，囊 ：三一矽 ( 4 一1 ) ，+ 幽 由于振动波在传播过程中受至混凝土混合料的阻尼作用，能量盼凝耗蠢与传播 层熬厚度及波辫嚣r 姣靛能量炉成正比，即等于多黜，此处为振动衰减系数。 当波振面由，增大到h 毋时，单位环周上在单位时间内传播到的能量的增量为 d w = 一f l w d r 一( 一l _ 矽) ( 4 - - 2 ) 将( 4 2 ) 中的与近似地以坐来代替，使上式可以积分。式( 4 2 ) 化简为 婴：一缈一一d r ( 4 - - 3 ) 。 7 求解式( 4 3 ) 得到波阵面，处单位环周上在单位时间内传播到的能量 w：生p一矽(4-4) 式中k 为积分常数，可由边界条件求得。设孵为在单位时间内传播到半径为， 处的环状波阵面上的总能量，利用式( 4 4 ) 则得 矿= 2 万形= 2 廊p p( 4 5 ) 当r = o 时，阱= w o ( 振动源的总能量) ，所以 k：wo(4-6) 2 霈 将式( 4 6 ) 代入式( 4 5 ) ，得到 矿= w o e 一声 ( 4 7 ) 式( 4 - - 7 ) 即为振动能量的衰减规律，值与振动频率和混合料的组成材料有 关，单位为r a m 1 。 若以所论的环状波阵面( 半径为，) 处的振动作为单自由度的有阻尼强迫振动， 则单位时间内传到的能量为哺1 w = 昙一r 2 0 ) 2 ( 4 8 ) 式中：c 阻尼系数； 彳，波阵面，处的振幅： 振动圆频率。 将式( 4 8 ) 代入式( 4 4 ) 得到振幅衰减的规律为 扣丢辱手( 4 - 9 ) 4 3 3 激振器的有效作用范围 对混凝土进行振动搅拌，目的是使物料颗粒具有一定振动频率下的振幅，使物 料颗粒处于颤振状态，破坏混合料的粘性结构。靠近激振器振动源处的物料颗粒的 2 7 振幅即为激振器的振幅。离激振器越远，由于混合料的阻尼作用，振幅越小。当小 于某一极限值时，就不足以破坏混合料的粘性结构。 振动能量的传播距离就是振动波的波阵面半径。激振器工作时振动波基本上是 以其轴线为中心线向四周方向传播，因而可以应用上述的振幅的衰减规律。 设在波阵面，1 处的振幅为一l ，任意波阵面，2 处的振幅a 2 则可通过式( 4 9 ) 求得 互： 4 1 两卑 百1 景 ( 4 一1 0 ) 在试验中，q = 吐，且七l = k 2 ，c i = c 2 ，则上式简化为 生：毛寺 ( 4 1 1 ) 一2、 对上式就行变换，可得 ：；乙1 n 耸( 4 1 2 ) 。 ( ，2 一 )4 t 通过测定a 1 ，r l 及a 2 ，r 2 ，可由上式求得衰减系数的值。当混合料的值确 定之后，即可确定激振器的有效作用半径。将激振器本身的等效作用半径r o ，设计 振幅一，代入式( 4 一1 1 ) ，求得其有效作用半径r o 为 鲁= 居争( 4 - - 1 3 ) 式中一。为激振器有效作用半径r o 处的振幅。 图4 - - 8 所示为激振器有效作用半径示意图。根据振动搅拌机的设计原理，激 振器的有效作用半径必须等于或大于搅拌筒半径，才能使振动能量传给搅拌筒边缘 的物料，并对其施加振动作用。据此可得激振器有效作用半径最小值等于搅拌简半 径，即r o = - r l ，代入式( 4 - - 1 3 ) 可得 圳悟争= 屠争吲( 4 - - 1 4 ) 衰减系数芦值决定于混合料的结构粘度与振动频率，而与作用力无关“”。 把r l = 2 8 4 m m ，r o = 5 2 6 m m ，爿= 1 5 m m ，口- - - - 0 0 1 l m m “代入式( 4 一1 4 ) ，得 彳o = 0 1 8 r a m ，即为搅拌筒边缘的振幅。则搅拌筒边缘的振动能量为 p 猝= r a v = 2 r o 4 0 ( r l 一心2 ) = o 0 0 0 2 4 激振器表面的振动能量为 & 2 2 r o a ( r l2 r o 。) = o 0 0 2 0 3 振动能量的衰减率为 口= ( 气一乓) 气= 8 8 2 虽然拌筒边缘的物料的振动能量比较小，但是由于搅拌叶片的推搅，使振动波 传播的介质( 混凝土混合料) 处在运动状态。在整个搅拌空间，物料的位置是随时 变换的，因而所有的物料受到的振动能量基本相同，避免了离集中振动源较远的物 料，由于振动能量的衰减而使物 料受到振动能量较小的现象。搅 拌叶片边搅拌边振动，使物料处 在运动之中，且振动源离物料较 近，在一定程度上弥补了振动能 量衰减使之分布不均匀，因而比 较有利于混凝土的均匀搅拌。 图4 8 激振器有效作用半径示意图 综上所述，振动圆频率国，衰减系数口和阻尼系数c 是影响振动能量衰减的重 要参数。在混合料各组成成分相同的条件下，振幅4 和振动圆频率是影响激振器 有效作用半径的重要参数。振动能量虽然是按一定的规律衰减的，但是由于混合料 可以到达搅拌筒内的任意位置；且激振器有效作用半径大于搅拌筒半径，因此不存 在振动能量传播的低效区。在振动搅拌时，某一位置混合料在接受传播的振动能量 的同时，该处混合料又被搅拌叶片推走，去接受另一位置的振动能量。由于混合料 在搅拌筒内的循环流动，混合料不断的变换位置，物料的对流运动和扩散运动得到 了较好的结合。 4 4 本章小结 l 、凝土的激振方式按振动机理，主要分外部激振器激振方式、专用激振器激 振方式和搅拌激振器激振方式。试验样机采用的是搅拌激振器激振方式。 2 、振动搅拌的机理就是振动的同时加上搅拌。振动强度和振动能量对于混凝 土的流变特性有很大影响，对于它们的取值范围，应具体问题具体分析，本次试验 所用的振动强度d 6 ，激振器表面振动能量p = 0 0 0 1 o 0 0 4 。 3 、混凝土中的振动传播主要是指振动波在混凝土混合料中的传播特点、衰减 规律以及激振器的有效作用范围。 第五章试验方案及结果分析 根据双卧轴振动搅拌机的理论分析和设计计算，制作了一台试验样机，以便确 定搅拌机的搅拌臂排列形式、搅拌叶片的安装角和搅拌轴转速，并使之达到合理匹 配：确定振动参数，并使之达到优化组合；检测搅拌机的工作性能，并对振动搅拌 和强制搅拌进行对比分析；测定振动机构、搅拌机构在不同的情况下的功率消耗， 分析功率消耗的变化规律，为搅拌机的设计制造提供依据。 5 1 试验方案设计 5 1 1 试验样机的主要性能参数 试验样机的主要性能参数如表5 - - 1 所示。 表s l试验样机的主要性能参数 性能参数数值单位备注 出料容量矿 o 1m 3 叶片线速度v1 4 0n d s可调 卧式带 型号b w d 7 5 4 2 9 电机摆 功率 7 5k w 线针减 减速比2 9 速器 输出转速5 0r m i n 振动 型号y l o o l 一2 电机功率 3k w 转速3 0 0 0 r m i n 激 设计振幅 l 0m m 可调 振振动圆频率m2 0 1 1s i可调 器 振动强度d 4 1 3 a m 2 g 5 1 2 试验用混凝土配合比的确定 混凝土的配合比设计应满足一定的性能要求，这包括：满足结构物设计的强度 要求；满足与施工条件相适应的和易性要求；满足环境的耐久性要求：满足经济性 要求。影响水泥混凝土性能的因素很多，其中各组成材料的质量和配合比是影响混 凝土性能的内因。合理的配合比，对提高水泥混凝土的性能有着重要的作用。此外， 混凝土的性能还取决于搅拌的均匀性。考虑到在本次试验研究中，要比较搅拌机在 不同的结构和几何参数时得到的混凝土的性能，从而确定双卧轴振动搅拌机合理的 结构和几何参数，因此在试验过程中必须保持混凝土组成材料及其配合比的恒定， 试验用混凝土均采用同一配合比设计。 混凝土的配合比设计，就是根据对混凝土的技术要求确定水泥、水、砂和石子 这四种基本组成材料用量之间的三个比例关系。 根据普通水泥混凝土配合比设计规程( j g j t 5 5 9 6 ) 进行混凝土配合比设计。 具体步骤如下： 假定混凝土的设计强度等级为c 2 0 ，混凝土拌和物坍落度为1 0 3 0 m m 。水泥 采用强度等级为3 2 5 r 的普通硅酸盐水泥，细骨料用中砂，粗骨料用5 4 0 m m 连 续级配碎石。 1 确定混凝土配制强度r r “o 2 r d i t ( y 式中： r “混凝土设计强度，此时r 酣= 2 0 m p a ； 仃混凝土强度标准差。根据文献【2 0 】，此时盯= 4 0 m p a ： t 保证率系数。根据文献【2 0 】，当f = 一l - 6 4 5 时，混凝土强度 的保证率达到9 5 。 所以， r 。o = 2 0 + 1 6 4 5 x 4 0 = 2 6 6 m p a 2 确定水灰比w c 矿一 口。月。 c r 删o + 口。口6 。r “ 式中： 月。水泥的实际强度。水泥标号值的富余系数取1 ，r 。= 3 2 5 m p a 口。、回归系数。根据文献【3 2 】，粗骨料采用碎石时，= 0 4 6 ，口6 = 0 0 7 。 枞 罟= 丽篙赢一o s t 3 确定单位用水量朋。 根据文献【3 2 】，当混凝土拌和物的坍落度1 0 3 0 m m ，碎石最大粒径为4 0 m m 时，选定混凝土用水量为册。= 1 6 5k g m 3 。 4 确定单位水泥用量m 。 m 。= 熹= 等= 3 0 6 k g 坍3 5 确定砂率屈 根据文献【3 2 】，当碎石最大粒径为4 0 m m ，水灰比为0 5 4 时，选定砂率屈= 3 4 。 6 计算单位砂、石用量m 。及栅。 缀寒德凝撑积黝表霾密度如= 2 4 0 0k g m 3 ，按下列方程诗算 f m m + 脚”+ m m 十m ”2 m m 1 热l 1 0 0 ：艘 l 埘+ 掰髀 4 代入已知量m 。、卅。、m 。、虞，求得 m 。= 6 5 6k g m 3 ，m 1 2 7 3k g m 3 予怒，所褥瀑凝主配舍迎为 m 。：m w ：脚：m p = 1 6 5 ：3 0 6 ：6 5 6 ：1 2 7 3 - - - - 0 5 4 ：l ：2 1 4 ：4 1 6 嚣撵羧t 翡浚诗公稼客量v = o 1 搬3 ，嚣淡浚凝圭蚤静缀簸耪凝豹实鼯羯萋秀 聊。= m 。v = 3 0 6 0 1 = 3 1 喀 m 。= 朋。矿= 1 6 5 0 1 = 1 7 培 掰。= r b 。矿= 6 5 6 0 。1 = 6 6 k g 小g 。m g o + v 2 1 2 7 3 x 0 l = 1 2 7 堙 即：水泥3 l k g ，水1 7 k g ，砂6 6 k g ，石子1 2 7 k g 。 5 1 3 试验方案谩嚣 5 1 3 1 试验内容 本次试验的目的主要是在理论分析的基础上，对双卧轴缀动搅拌机参数进行合 理选耩。主要毽括以下部分： 1 工作机构参数的试验确定，主要包括戳下四方面内容： ( 1 ) 搅拌臂合理排列形式： 弦) 搅搀时片合联安装建； ( 3 ) 搅拌轴合理转速( 搅拌卧肆线速度) ； ( 4 ) 振动参数的试验确定，包括激振器振幅芹口振动圆频率。 农揽搏时阐、投辩顺序、混凝配合比等试验条件完全楣嗣的情况下，分副测 定在不同搅拌参数下相应酶混凝土拌和物匀震性和强硬识淞凝主试块鹃貔匿强度t 通过对这两项性能指标的综合比较，分析不同搅拌机参数对搅拌质量的影响，从而 确定出会理参数。 一 2 搅拌枫综合译定指标静溺怒，主要包摄虢下两方蠹肉容： ( 1 ) 搅拌枫性能静试验测试； ( 2 ) 工作机构功率消耗的测定分析。 在确定搅拌机合理参数的基础上，对搅拌机综合评定指标进行测定。 5 1 3 2 试验方案 试验大傣上分为羧主嚣部分，毽在冥落懿试验j 童程孛，爻了缣滠试验魏难确瞧 和科学谯，减少