双螺旋轴混凝土搅拌机参数优化研究1.pdf

分类号 1 f 11 2 2 密级 俗弄 单位代码 1 0 4 2 2 学 号 如 66 户震另番 S H A N D O N GU N I V E R S l T Y 硕士学位论文 T h e s i sf o rM a s t e r D e g r e e 论文题目 影媚 侮细记键上褫徘枷锣归凇形研昵 鲡匆口 盔佃肥舌嘭印舌洳2 枷九寸阻坯维 箩坼 C o 杠嗽e 作者姓 培养单 专业名 指导教 合作导 名潲蜱 位堑筮兰丝鳖堕 称逖兰 趔豳 师蒸壅焦塑堡 师 少厶年 月弦日 万方数据 D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e df o r t h e A p p l i c a t i o no f M a s t e r SD e g r e eo fE n g i n e e r i n g S t u d y o nP a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o no fD o u b l eH e l i xS h a f t C o n c r e t eM i x e r C a n d i d a t e W a n gC h e n g l i n S p e c i a l t y M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r P r o f W a n gJ i n g k u n P r o f iZ 1 2 1 Lj i j j o n 一 U S h a n d o n gU n i v e r s i t y M a y2 2 t h 2 0 1 5 万方数据 f U l l I IIi 1 1 1 1 1I II I II1 0 Y 2 7 9 3 6 91 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位沦文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 至隧 日 期 翌盟篁 三岁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解d i 东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 敞导师签名 日期 鬯坐 圹 万方数据 日录 目录 摘要 I A 6 l S T R A C T I I I 第1 章绪论 1 1 1 混凝土搅拌机研究现状 1 1 1 1 国外搅拌机研究现状 l 1 1 2 国内搅拌机研究现状 2 1 2 混凝土搅拌机发展趋势 3 1 3 课题的提出 4 1 4 课题研究意义和内容 5 1 4 1 课题研究意义 5 1 4 2 课题主要研究内容 5 第2 章搅拌过程对混凝土拌合质量影响的分析 9 2 1 混凝土搅拌机理分析 9 2 1 1 混凝土组分与性能分析 9 2 1 2 搅拌对混凝土性能的影响 9 2 2 搅拌过程中物料的运动分析 1 2 2 3 双螺旋轴搅拌机对物料拌合效果的影响 1 3 2 3 1 搅拌装置结构参数对物料拌合效果的影响 1 3 2 3 2 搅拌装置工作参数对物料拌合效果的影响 1 4 2 4 本章小结 1 5 第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析 1 7 3 1 双螺旋轴搅拌机结构参数分析 1 7 3 1 1 搅拌筒长宽比理论分析与计算 1 7 3 1 2 双螺旋轴螺旋形式分析设计 1 8 3 1 3 双螺旋轴螺旋升角设计计算 2 0 3 2 双螺旋轴搅拌机工作参数分析 2 2 3 3 双螺旋轴搅拌机三维模型建立 2 5 万方数据 山东大学硕士学位论文 3 4 本章小结 2 5 第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化 2 7 4 1 混凝土搅拌控制方程的建立及多相流流动分析 2 7 4 1 1 混凝土搅拌控制方程的建立 2 7 4 1 2 混凝土多相流流动分析 2 9 4 2 搅拌流场数值仿真结果对比分析及参数优化 2 9 4 2 1C F D 仿真条件设定 2 9 4 2 2 搅拌流场数值仿真结果对比分析及结构参数优化 3 0 4 2 3 搅拌流场数值仿真结果对比分析及工作参数优化 3 6 4 3 本章小结 4 2 第5 章叶片式 螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析 4 3 5 1 叶片式及螺带式搅拌机参数分析 4 3 5 1 l 叶片式搅拌机搅拌装置结构参数分析 4 3 5 1 2 螺带式搅拌机搅拌装置结构参数分析 4 8 5 1 3 叶片式及螺带式搅拌机三维模型建立 4 9 5 2 三种类型搅拌机搅拌流场数值分析 5 0 5 3 本章小结 5 6 结论与展望 5 9 参考文献 6 1 致谢 6 9 1 1 万方数据 C O N T E N T S C O N T E N T S C h i n e s eA b s t r a c t 1 A B S T R A C T I I I C h a p t e r I n t r o d u c t i o n 1 1 1R e s e a r c hS t a t u so f C o n c r e t eM i x e r 1 1 1 1R e s e a r c hS t a t u so f C o n c r e t eM i x e r A b r o a d 1 1 1 2R e s e a r c hS t a t u so f C o n c r e t eM i x e ra tH o m e 2 1 2D e v e l o p m e n tT r a n do f C o n c r e t eM i x e r 3 1 3T o p i cO r i g i n 4 1 4C o n t e n to f S u b j e c tR e s e a r c ha n dS i g n i f i c a n c e 5 1 4 1S i g n i f i c a n c eo f S u b j e c tR e s e a r c h 5 1 4 2C o n t e n to f S u b j e c tR e s e a r c h 5 C h a p t e r2A n a l y s i so ft h eM i x i n gP r o c e s s SI n f l u e n c eo nt h eQ u a l i t yo fC o n c r e t e 9 2 1A n a l y s i so f t h eM e c h a n i s mo f C o n c r e t eM i x i n g 9 2 1 1A n a l y s i so f C o n c r e t eC o m p o s i t i o na n dP e r f o r m a n c e 9 2 1 2I n f l u e n c eo f M i x i n go nP r o p e r t i e so f C o n c r e t e 9 2 2M o t i o nA n a l y s i so fM i x i n gM a t e r i a l 1 2 2 3T h eE f f e c tt ot h eS t i r r i n go f D o u b l eH e l i xA x i sM i x i n gC o n s o l e 1 3 2 3 1T h eE 廊c tt ot h eS t i r r i n go f M i x i n gD e v i c e 1 3 2 3 2T h eE f f e c tt ot h eS t i r r i n go f M i x i n gS p e e d 1 4 2 4C h a p t e rS u m m a r y 1 5 C h a p t e r 3 A n a l y s i so f t h eP a r a m e t e r si nD o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r 1 7 3 1O p t i m i z a t i o nA n a l y s i so fS t r u c t u r eP a r a m e t e r si nD o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r 17 3 1 1T h e o r e t i c a lA n a l y s i sa n dC a l c u l a t i o no ft h eA s p e c tR a t i oo ft h eM i x i n g D r u m 1 7 3 1 2A n a l y s i sa n dD e s i g no f D o u b l eH e l i xA x i sS p i r a lF o r m 一1 8 3 1 3D e s i g na n dC a l c u l a t i o n so f D o u b l eH e l i xA x i sH e l i xA n g l e 2 0 3 2O p t i m i z a t i o nA n a l y s i so f W o r k i n gP a r a m e t e r si nD o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r 2 2 3 3E s t a b l i s h m e n to f D o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r3 DM o d e l 2 5 3 4C h a p t e rS u m m a r y 2 5 C h a p t e r4M i x i n gF l o wF i e l dN u m e r i c a lA n a l y s i s o fC o n c r e t eM i x e ra n d 万方数据 山东大学硕十学位论文 P a r a m e t e r O p t i m i z a t i o n 2 7 4 1E s t a b l i s h m e n to f C o n c r e t eM i x i n gE q u a t i o n sa n dA n a l y s i so f M u l t i p h a s eF l o w 2 7 4 1 1E s t a b l i s h m e n to f C o n c r e t eM i x i n gE q u a t i o n s 2 7 4 1 2F l o w A n a l y s i so f C o n c r e t eT u r b u l e n tM u k i p h a s eF l o w 2 9 4 2C o m p a r i s o no fC o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i sR e s u l t sa n dP a r a m e t e r O p t i m i z a t i o n 2 9 4 2 1S i m u l a t i o nC o n d i t i o nS e t t i n go fC F D 2 9 4 2 2C o m p a r i s o no fC o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F D A n a l y s i sR e s u l t sa n d S t r u c t u r eP a m m e t e r O p t i m i z a t i o n 3 0 4 2 3C o m p a r i s o no fC o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i sR e s u l t sa n d W o r k i n gP a r a m e t e rO p t i m i z a t i o n 3 6 4 3C h a p t e rS u m m a r y 4 2 C h a p t e r5C o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i so fB l a d eM i x e r S p i r a l B e l tM i x e r a n dD o u b l eH e l i x S h a f tM i x e r z 1 3 5 1P a r a m e t e r A n a l y s i so f B l a d ea n dS p i r a l B e l tM i x i n gC o n s o l e 4 3 5 1 1n l eS t r u c t u r a lP a r a m e t e r sA n a l y s i so fB l a d eM i x e rM i x i n gA p p a r a t u s 一4 3 5 1 2n e S t r u c t u r a l P a r a m e t e r s A n a l y s i s o f S p i r a l B e l t M i x e r M i x i n g A p p a r a t u s 4 8 5 1 3E s t a b l i s h m e n to f t h eB l a d eM i x e ra n dS p i r a l B e l tM i x e r3 DM o d e l 4 9 5 2S i m u l a t i o nR e s u l t sA n a l y s i so f T h r e eT y p e so f M i x i n gC o n s o l e 5 0 5 3C h a p t e rS u m m a r y 5 6 C o n c l u s i o n sa n d P r o s p e c t 5 9 R e f e r e n c e s 6 1 A c k n o w l e d g e m e n t 6 9 万方数据 摘要 摘要 随着我国基础建设的发展 现代工程建设质量的提高 我们对混凝土质量及 生产效率有了更高的要求 混凝土搅拌机作为生产混凝土的关键设备 对其搅拌 性能的要求也越来越高 论文选用目前先进的双螺旋轴搅拌装置为研究对象 以 提高其搅拌性能为目标 通过理论研究及数值仿真 分析各参数对搅拌流场的影 响并对其进行优化 最终确定双螺旋轴搅拌机最佳的结构参数及工作参数 论文通过分析混凝土搅拌性能及拌合过程中物料的运动方式 研究双螺旋轴 搅拌装置对混凝土搅拌效果的影响 确定搅拌筒长宽比 螺旋轴螺旋形式 螺旋 轴螺旋升角及搅拌速度等结构 工作参数为优化目标 进而对搅拌装置几何参数 及拌合过程受力情况进行分析计算 最终确定了螺旋轴的螺旋形式及其它参数的 取值范围 确定搅拌装置相关参数取值范围后 采用流体力学及C F D 软件对其搅拌流场 进行数值仿真 建立混凝土搅拌控制方程并采用拟流体模型对流场简化处理 确 定R N G k 吨数值计算模型 通过对比分析不同结构参数及工作参数下双螺旋轴搅拌 机搅拌流场的速度分布均匀性及物料拌合强度等情况 确定其最佳参数匹配为 搅拌筒采用宽短型 螺旋轴螺旋升角为2 5 7 搅拌线速度为1 6 2m s 优化双螺旋轴搅拌机结构参数及工作参数后 将其与市场应用较为广泛的叶 片式及螺带式搅拌机进行对比分析 在理论分析 产品调研及前人相关试验研究 基础上 确定叶片式及螺带式搅拌机最佳参数匹配 对三种搅拌机搅拌流场进行 数值仿真 分析得出优化后的双螺旋轴搅拌机的速度分布均匀性最好 即优化后 的双螺旋轴搅拌机搅拌性能优于其它两种机型 本研究为双螺旋轴搅拌机的结构改进及性能提升提供了可靠的理论依据和数 据支持 实现了提高搅拌性能及效率的目的 采用流体力学及C F D 软件对流场进 行数值仿真的方法 为搅拌机的设计优化减少了大量的试验研究 节约了成本 缩短了研发周期 因此具有较高的应用价值及意义 关键词混凝土搅拌机 搅拌性能 参数优化 数值仿真 万方数据 A B S T R A C T A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a ni n f r a s t r u c t u r ea n di m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo f m o d e mc o n s t r u c t i o n w eh a v ee v e r i n c r e a s i n gd e m a n d so fc o n c r e t e q u a l i t ya n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y C o n c r e t em i x e r a st h ek e yd e v i c ef o rp r o d u c t i o n h a sp l a y e da p r o f o u n di m p a c to nm i x i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fc o n c r e t e T h ea u t h o r c h o s e st h ea d v a n c e dd o u b l eh e l i xa x i sm i x i n gd e v i c ef o rt h es t u d yt oh a v eap a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n w h i c ht h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a la n a l y s i s S Oa st o i m p r o v e t h es t i r r i n gp e r f o r m a n c e F i r s t l y w er e s e a r c h e do nt h ee f f e c to ft h ed o u b l eh e l i xa x i sm i x i n gd e v i c et ot h e c o n c r e t em i x i n gc o n s e q u e n t d e t e r m i n et h ea s p e c tr a t i oo ft h em i x i n gt u b e s c r e ws h a f t s p i r a lf o r m h e l i xa n g l eo ft h es c r e ws h a f ta n ds t i r r i n gs p e e da st h eo p t i m i z a t i o ng o a l T h e nw ec a l c u l a t e dt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h em i x i n gd e v i c ea n dt h ef o r c e sd u r i n g t h em i x i n gp r o c e s s a n du l t i m a t e l yw ed e t e r m i n e dt h ef o r mo ft h es p i r a lh e l i xa x i sa n d o t h e rp a r a m e t e r sr a n g e s S e c o n d l y w ea p p l i e dC F Ds o f t w a r e f o rt h ef l o wf i e l dt oh a v ean u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de s t a b l i s h e dc o n c r e t em i x i n gf l u i de q u a t i o n sw h i c hu s i n gt h e s i m p l i f i e dm o d e lt os i m p l i f yt h ef l o wf i e l d a n dt h e nd e t e r m i n eR N G k n u m e r i c a l m o d e l C o m p a r et h es p e e du n i f o r m i t ya n dm a t e r i a lm i x i n gi n t e n s i t yo ft h et w i ns c r e w m i x e ru n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ec a nd e t e r m i n e t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sm a t c hf o r m i x i n gt u b ew i t hw i d es h o r t t h es c r e ws h a f th e l i x a n g l ei s2 5 7 a n d t h es t i r r i n gs p e e di s1 6 2m S A f t e rt h a t w ec o m p a r e dt h eo p t i m i z e dt w i ns c r e w m i x e rw i t ht h eb l a d em i x e ra n d r i b b o nm i x e r w h i c hw e r ew i d e l yu s e di nt h em a r k e t A f t e rd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a l p a r a m e t e r s o ft h eb l a d em i x e ra n dr i b b o nm i x e r w em a d ean u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n a l y s i sa m o n gt h e s et h r e em i x e r s W ec o n c l u d e dt h a tt h eo p t i m i z e dt w i ns c r e wm i x e r h a v et h eb e s tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y w h i c hm e a nt h a tt h es t i r r i n gp e r f o r m a n c e o f t h eo p t i m i z e dt w i ns c r e wm i x e ri sb e t t e rt h a nt h eo t h e rt w om o d e l s T h er e s e a r c hp r o v i d e dar e l i a b l er e f e r e n c ed a t af o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e s em i x e r s a n da c h i e v e dt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gm i x i n gp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y A p a r tf r o m t h i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e d u c e dt h ea m o u n to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w h i c hw o u l d I I I 万方数据 山东大学硕士学位论文 s a v ec o s t sa n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e t h u st h er e s e a r c hh a dah i g hv a l u ea n d m e a n i n g K e y w o r d sc o n c r e t em i x e r m i x i n gp e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o n I V 万方数据 第1 章绪论 第l 章绪论 随着我国基础建设的发展 现代工程建设质量的提高 我们对混凝土综合性 能的要求也越来越高 混凝土搅拌作为其生产过程中的关键工艺 直接影响着混 凝土的搅拌质量及生产效率 通过对目前国内外混凝土搅拌机研究现状及趋势分 析得出 搅拌装置的优化改进已成为混凝土搅拌机研究的重点方向 本章对目前 混凝士搅拌机存在的问题进行分析 提出研究课题 1 1 混凝土搅拌机研究现状 1 1 1 国外搅拌机研究现状 混凝土搅拌机由欧美国家于1 9 世纪设计发明 最初机型仅限于自落式搅拌机 其工作原理如图1 1 所示 在搅拌筒内通过内壁的搅拌叶片带动物料随叶片旋转 达到一定高度后 物料沿一定方向做抛洒运动 从而达到拌合效果 因受当时科 技发展的制约 搅拌机材料 结构及动力来源等限制了其搅拌性能和生产能力 经过几十年的发展 自落式搅拌机圆柱形外形设计及电动机动力源开始普及 搅 拌能力有所提高 2 0 世纪中叶 德国最先发明了强制式搅拌机 其通过外力使搅 拌轴及搅拌叶片旋转 使物料产生剪切 挤压等效果 进而达到拌合的目的 物 料在强制式搅拌机的作用下相对运动剧烈 搅拌效果及生产率较自落式搅拌机有 大幅提升 很快 双卧轴强制式搅拌机问世 其结构如图1 2 所示 至本世纪 国 外混凝土搅拌机已经朝着多元化 高性能的方向发展 搅拌性能及生产能力有了 大幅度的提高 图l 一1 自落式搅拌机工作示意图图I 2 双卧轴强制式搅拌机工作示意图 为适应商品混凝土高性能 高产量 多种类的要求 目前国外在强制式搅拌 万方数据 L j 东人学硕士学位论文 机机型的基础上 借助先进的科学技术 对混凝土搅拌机进行更深入的研究 在 传动机构方面 以降低损耗 提高传动效率为研究目标 德国B H S 提出齿轮箱采 用蜗杆传动及柔性连接 增加可调扭矩支座等措施改进传动机构 在密封机构方 面 意大利S I C O M A 采用独立密封系统 利用液体润滑油脂进行密封 以提高搅 拌机的可靠性 在搅拌装置方面 日本N I K K O 通过叶片的安装方法的改进使刀片 更换时间缩短 而德国E L B A 的搅拌槽内衬板采用无螺栓安装方式 并对搅拌装 置安装磨损保护夹紧耐磨板等 另外对混凝土搅拌的实时监测 搅拌装置结构参 数 喷水系统等也进行了大量的研究改进 2 国外相关研究机构及生产厂家通过对搅拌机各个系统 装置 的研究 提高 了混凝土搅拌机的可靠性 耐久性和经济性 使整机性能有了进一步的改善 1 1 2 国内搅拌杌研究现状 我国的混凝土搅拌机研制起步于2 0 世纪5 0 年代 生产了国内第一代混凝土 搅拌机 机型为鼓筒式自落式搅拌机 因当时国内对搅拌机的研究还处于初始阶 段 因此搅拌机的搅拌性能及可靠性相对较差 通过进一步研究 1 9 8 4 年由长沙 建机所率先对国内混凝土搅拌机进行改型设计 设计出不同容量的双锥倾翻出料 搅拌机和强制式卧轴搅拌机 3 使国内混凝土搅拌机的发展水平有了很大提高 进 入2 1 世纪以后 随着市场对基础建设要求的不断提高及建筑行业的高速发展 混 凝土搅拌设备迎来了良好的发展机遇 搅拌机的种类 型号日益完善 搅拌性能 及可靠性日益提高 国内相关研究机构及生产厂家在原有机型的基础上 对搅拌 机进行不断地研究改进 通过对搅拌过程中搅拌叶片 搅拌臂和搅拌轴的受力分 析 优化转动机构连接形式 提高传动机构与搅拌轴耦合效果 消除搅拌轴错位 和重负载 对搅拌过程中搅拌筒受力进行分析 采用加强筋等辅助设计 保证搅 拌机壳体的刚性 使其在满负荷运行的情况下保持良好的工作状况等 经过不断 的发展 我国混凝土搅拌设备已经拥有一批专利和自主知识产权的技术 为进一 步发展奠定了良好的基础 近年来 对混凝土搅拌设备关键技术的研究在不断深入 长安大学道路施工 技术与装备教育部重点实验室的研究人员对双卧轴混凝土搅拌机结构和相关搅拌 理论进行研究 系统的分析了搅拌叶片面积和安装角 搅拌臂数目和排列 搅拌 2 万方数据 第1 章绪论 线速度和搅拌筒长宽比等关键参数对搅拌过程的作用机理 并提出搅拌混合过程 的评价方案和优化目标函数 带动搅拌设备进一步发展 在此基础上 搅拌机种 类日益繁多 振动搅拌机 螺旋轴式搅拌机也相应问世 通过对混凝土搅拌机的 研究改进 其搅拌性能在不断提高 研究人员对混凝土搅拌技术的研究已经进入新的阶段 在新机型研发的基础 上 对各类搅拌机结构及工作参数的研究改进成为目前研究的重点方向 随着计 算机技术的发展 仿真软件也逐步应用到搅拌流场的研究 为搅拌机搅拌性能的 改进提供了一种新的研究思路 1 2 混凝土搅拌机发展趋势 随着国家对建筑工程质量要求的日益提高 建筑市场对混凝土综合性能的要 求也越来越高 因此 作为混凝土生产的关键设备 混凝土搅拌机也应满足市场 发展的要求 在提高混凝土搅拌质量的基础上 满足节能环保 循环发展的工业 生产要求成为混凝土搅拌设备未来的发展方向H 5 我国每年对混凝土的需求量很大 作为主要的建筑材料之一 其应用范围很 广 在国民经济中占有十分重要的地位 而由此造成的污染和浪费也尤为严重 据相关统计 中国的水泥消耗量均占全球的6 0 左右 仅三峡工程就消耗水泥1 6 0 0 多万吨 在近三年间 中国水泥用量超过美国在整个二十世纪的消耗量 从数据 中可以看出 我国水泥混凝土材料的浪费不容忽视 由此造成了巨大的资源浪费 和环境污染 为适应绿色生产的环保要求 未来应该注重节约型搅拌的研究 混 凝土搅拌机的节约型搅拌指的是在不影响拌合质量的前提下 减少水泥等原材料 的用量 6 7 1 从混凝土拌合过程中的微观运动来看 为达到节约原材料的目的 搅 拌机的搅拌性能必须满足拌合物料微观均匀性的要求 减少水泥粉料团聚现象的 发生 以此为目的对新型搅拌机进行研发 振动搅拌机 双螺旋轴搅拌机等新机 型相应问世 引 对其搅拌装置各参数进行改进 以此提高搅拌机的搅拌性能 加强 搅拌效果 使粉料充分拌合 水泥砂浆更充分的将骨料包裹 9 从而实现在提高搅 拌效果的基础上节约水泥用量的目的 减少混凝土搅拌机在拌合过程中的功率消耗也逐渐成为众多搅拌机生产厂家 的重点发展方向 在搅拌过程中的功率消耗主要是由物料的阻力作用所产生 包 万方数据 山东大学硕士学位论文 括物料旋转时的重力作用 物料对叶片的摩擦作用及物料本身的粘性造成的功耗 目前市场应用较广的双卧轴搅拌机普遍存在搅拌低效区及抱轴等现象 由于此种 缺陷的存在 加大了对搅拌轴旋转的阻力 严重时可影响正常搅拌 1 0 1 新型搅拌 机的研发及改进应在保证混凝土搅拌效果的前提下 降低功率消耗 满足节能要 求 目前市场较为先进的双螺旋轴搅拌机很好的满足这一要求 其投料峰值电流 小 峰值持续时问短 搅拌时间快 且从根本上杜绝了抱轴现象 降低搅拌过程 中的能耗 1 1 1 因此 混凝土搅拌机环保节能的生产要求必定成为混凝土搅拌设备未来的发 展趋势 双螺旋轴搅拌机这一新机型适应市场发展要求 对其搅拌装置的改进将 成为重要的研究方向 1 3 课题的提出 随着现代工程建设质量的提高 我国对混凝土搅拌设备的要求越来越高 而 目前混凝土生产效率及质量无法满足施工的要求 急需提高混凝土搅拌机的搅拌 性能 在此背景下提出本课题 目前市场应用较为广泛的双卧轴混凝土搅拌机搅拌装置主要由搅拌轴 搅拌 臂及搅拌叶片等组成 在动力源的带动下搅拌臂及搅拌叶片随搅拌轴转动 以此 达到拌合物料的目的 由于拌合物料是由粗骨料 细骨料 粉料等多组分组成 拌合过程中为防l 物料发生离析 应将物料的拌合速度控制在相应的范围内 如 图1 3 所示 当物料在搅拌筒外围时 受到搅拌叶片较高线速度的搅拌作用 使物 料流动速度过高 当物料在搅拌轴周围时 则物料流动速度较低 此区域内的物 料搅拌作用较差 使物料流动的连续性降低 拌合效果不理想 l2 l 同时由于搅拌 轴附近物料拌合效果较差 加之物料本身粘性作用 在拌合低效区域很可能产生 抱轴现象 即物料粘结在搅拌轴上 此处物料不仅得不到有效搅拌 而且影响搅 拌筒内物料流动 降低整体拌合效果 针对以上搅拌过程中存在的不足 推出了双螺旋轴搅拌机 其结构如图1 4 所 示 采用无通轴结构 用螺旋轴代替搅拌叶片 从而达到使螺旋轴直接参与搅拌 的效果 由于其无通轴的结构特点 杜绝了抱轴现象 使物料拌合更为激烈 增 强了物料流动 此外 双螺旋轴搅拌机的搅拌空间更大 搅拌料流阻碍更小 但 4 万方数据 第1 章绪论 是双螺旋轴搅拌机作为一种新的机型 国内对其搅拌装置的研究较少 对其结构 参数及工作参数的设计缺少可靠的参考依据 矗M x 2 R m 图1 3 搅拌装置及搅拌筒内速度梯度示意图 j 露 7 图1 4 双螺旋轴搅拌机结构示意图 本文根据双螺旋轴搅拌装置结构特点 以提高其搅拌性能及效率为目标 研 究双螺旋轴搅拌装置结构参数及工作参数对混凝土搅拌质量的影响 并进一步对 相关参数进行改进 以实现提高混凝土搅拌效果的目的 1 4 课题研究意义和内容 1 4 1 课题研究意义 随着我国基础建设的发展 现代工程建设质量的提高 我们对混凝土综合性 能的要求也越来越高 混凝土搅拌作为其生产过程中的关键工艺 直接影响着混 凝土的搅拌质量及生产效率 而目前我国混凝土搅拌技术还有待提高 搅拌材料 的浪费现象仍十分严重 通过对搅拌技术进行改进 可以在提升搅拌机搅拌效率 和质量的基础上 减少原材料的浪费 节约大量资源 具有重要的社会和经济意 霪 万方数据 山东大学硕十学位论文 义 本课题根据搅拌设备市场发展需求 以提高混凝土生产质量 搅拌设备工作 效率 节约生产成本为目的 对双螺旋轴搅拌机这一新型搅拌机进行研究 通过 理论分析及数值仿真 最终确定搅拌装置最佳的结构参数及工作参数 为此类新 型搅拌机的发展提供了可靠的参考数据 数值仿真技术的应用减少了大量的试验 研究 节省了成本 缩短了研发周期 并为混凝土搅拌设备的研发提供了可靠的 参考依据 该研究同时也带动了相关设备的发展 从而在整体上提升混凝土的生 产质量及效率 创造了良好的社会效益 对提高我国搅拌设备的技术水平及工程 建设的质量都具有重要的理论和实用价值 并有着广阔的应用前景 1 4 2 课题主要研究内容 1 搅拌过程对混凝土拌合质量影响的分析 首先对混凝土搅拌性能进行分析 研究搅拌过程中拌合物料宏观和微观均匀 性的变化特点 分析搅拌对混凝土性能的影响 然后以整个搅拌过程为研究时域 对搅拌过程中不同阶段物料的运动特点进行分析 了解拌合物料在整个搅拌过程 中由宏观均匀性到微观均匀性的变化形式 在此基础上 结合双螺旋轴搅拌机结 构特点 分析其结构参数及工作参数对混凝土拌合效果的影响机制 确定搅拌装 置的优化目标 2 双螺旋轴搅拌机参数分析 以搅拌过程中搅拌机各参数对拌合物料运动的影响为出发点 对搅拌装置几 何参数及拌合过程受力情况进行分析 在达到较佳拌合效果的目标下对搅拌装置 参数分析计算 确定螺旋轴螺旋形式及搅拌筒长宽比 螺旋升角等结构参数的参 考取值范围 为进一步数值分析提供参考依据 并利用三维建模软件建立双螺旋 轴搅拌机三维模型 3 1 双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化 采用C F D 软件对双螺旋轴搅拌机搅拌流场进行数值分析 从而对参数进行优 化 在参考取值范围内确定双螺旋轴搅拌装置最优的结构参数及工作参数 首先 根据流体力学相关理论 建立混凝土搅拌控制方程并对多相流流动进行分析 然 后对比不同结构参数下双螺旋轴搅拌机搅拌流场的速度分布及物料流动情况 确 6 万方数据 第1 苹绪论 定螺旋轴螺旋升角等结构参数 最后对不同搅拌速度下的搅拌流场进行分析 对 比分析结果 确定最佳搅拌速度 4 叶片式 螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析 确定双螺旋轴搅拌机最优结构参数后 将其与市场应用较为广泛的叶片式及 螺带式搅拌机进行对比分析 在理论分析 产品调研及前人相关试验研究基础上 最终确定叶片式及螺带式最佳结构参数匹配 然后对叶片式 螺带式 优化后的 双螺旋轴式三种类型搅拌机搅拌流场进行数值仿真 由仿真结果对比分析三种机 型搅拌流场的速度分布均匀性 从而直观反映出三种类型搅拌机搅拌性能的差异 万方数据 万方数据 第2 章搅拌过程对混凝士拌合质量影响的分析 第2 章搅拌过程对混凝土拌合质量影响的分析 2 1 混凝土搅拌机理分析 2 1 1 混凝土组分与性能分析 混凝土是由水泥 粗细骨料 外加剂 水等按一定比例拌合 通过浇筑 成 型等工序形成的一种复合材料 1 3 硬化后的混凝土结构如图2 1 所 示 卜粗 骨料2 一细骨料 3 一水泥浆4 一气孔 图2 1 混凝土结构示意图 物料在经过一段时间搅拌后 水泥 水拌合成为水泥浆 水泥浆又将细骨料 包裹成为水泥砂浆 最后砂浆包裹石子并充满间隙 成为新拌混凝土 经成型 密实等相关工序后 形成具有一定特性的整体 1 4 J5 1 由硬化混凝土结构及混凝土 搅拌过程可知 混凝土破坏一般首先出现在骨料和水泥石的分界面上 因此水泥 石及骨料界面处的强度直接决定硬化后水泥混凝土的强度 所以混凝土拌合的主 要目的在于使各组分达到宏观和微观上的均匀分布 从而强化物料问的黏结力 得到高质量的混凝土拌合物 2 1 2 搅拌对混凝土性能的影响 混凝土均匀度是影响混凝土搅拌质量的重要因素 在传统搅拌理论中 主要 是对宏观搅拌性能的研究和改进 在实际生产中发现 物料在拌合一段时间后即 可满足宏观均匀性的要求 但是对混凝土的微观结构观察后发现 部分粗骨料界 厩并没有被水泥浆完全包裹 且水泥浆内也分布着干燥水泥团 这表明水泥并没 有与拌合水充分拌合 上述现象表明 在只满足宏观匀质性的情况下 混凝土在 9 万方数据 山东大学硕士学位论文 黏结面处的强度还存在较大的缺陷 而由于干燥水泥团的存在 使包裹细骨料的 水泥颗粒相对减少 就混凝土而言 水泥石及其与骨料问的黏结面是薄弱环节 如果搅拌不充分 微观均匀度达不到要求 就会导致水泥石及骨料界面处强度不 足 从而使硬化后混凝土强度降低 影响混凝土搅拌机的搅拌性能1 1 6 1 7 因此在混凝土的搅拌过程中 应注重对拌合物料微观匀质性的提高 破坏干 燥水泥团聚现象 使水泥与拌合水充分拌合 增加物料颗粒之间相互作用的程度 减少水化物薄膜层的形成等 1 8 即通过搅拌提高物料微观均匀性 以此提高混凝 土的性能 物料在搅拌过程中 应注重各组分分界面间拌合情况 各组分分界面问同时 存在着物理及水化反应等作用 拌合过程使各组分状态及性能发生了变化 而影 响其变化的关键原因是组分分界面问的吸附作用与扩散作用 通过强化搅拌作用 使每单位骨料颗粒都被水化物薄膜所包围 此时拌合物料满足理想的微观均匀度 要求 混凝土性能达到最佳 以此通过强化搅拌来提高混凝土强度 1 9 2 0 l 混凝土 颗粒微观分布如图2 2 所示 二一 a 颗粒团聚 重蘑 图2 2 混凝土颗粒微观分布图 对于现场搅拌 通常是尽可能的缩短物料的拌合时间 因此掌握满足强度要 求的混凝土最小搅拌时间对提高生产效率十分重要 对于不同类型的搅拌机和搅 拌工艺 其对物料的拌合时间有所不同 基本原则是保证拌合物料达到混凝土各 项指标要求 例如表2 1 为A S T M 对某类型搅拌混凝土要求 必须在每批料的1 6 和5 6 点处抽取混凝土试样 两试样性能的差别不能超过以下任何规定陟2 2 1 1 0 z k q 20150924 万方数据 第2 章搅拌过程对混凝士拌合质量影响的分析 表2 1 某类型混凝十性能指标 项目两试样性能指标差 混凝土的表观密度 含气量 坍落度 骨料分数 剩在4 7 5 m m 筛上 不含空气的砂浆表观密度 抗压强度 3 个圆柱体试件的7 d 平均强度 1 6 k g m 3 1 2 5 m m 平均值在1 0 0 m m 以下 4 0 m m 平均值在1 0 0 1 5 0 r a m 6 1 6 7 5 对于给定的搅拌机 搅拌时间和拌合物的性能两者之间存在一种关系 如图 2 3 所示 根据国外对某型搅拌机试验得出的抗压强度与搅拌时间之间的关系可知 在经过 段拌合时间后 混凝土强度增加速度降低 甚至在继续延长搅拌时间后 混凝土强度不再增加甚至是减小 2 3 1 即在某一时间内 随着搅拌时间的增加 可 以提高其搅拌质量 但是超过这个时间后 延长搅拌时间也不能显著提高混凝土 的性能 2 4 2 5 2 0 羽 妻1 5 塾 霪1 0 冬 搅拌时间 s 图2 3 抗压强度与搅拌时间之间的关系 水泥是一种水硬性胶凝材料 如果搅动时间过长 水化产物将受到影响 凝 胶和晶体网状结构减少或者遭到破坏 从而降低水泥石的强度 另外 搅拌时 间过长将破坏水泥浆中所生成的硅酸盐水化合物及C a O H 2 所形成的各种晶体和 z k q 20150924 万方数据 山东大学硕士学位论文 它们互相穿插所形成的网状结构 破坏水化作用的深入和晶体的增长 从而影响 水泥石强度 2 6 1 为提高混凝土搅拌质量 国内进行了长期的研究 在添加剂 搅拌工艺 搅 拌机方面进行改进 如通过添加剂改善混凝土材料 进而提高混凝土的使用性能 采用二次搅拌工艺 采用分段搅拌来强化各阶段搅拌过程 提高其微观匀质性能 通过改进搅拌装置结构参数 以达到提升搅