间歇式双卧轴搅拌机的理论搅拌死区

高维兵,孔鲜宁

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064)

混凝土搅拌设备分间歇式和连续式两大类，间歇式的工序特点为分批称量、分批加料、分批搅拌和出料。间歇式双卧轴搅拌机具有搅拌质量好、生产率高、适应性强等优点,是混凝土搅拌设备中的主导机型[1-6]。在制备混凝土的生产工艺中，出料是主要工序，在周期式工作循环中起承接作用，既是前一个作业周期的结束，又是下一个装料、搅拌循环作业的开始。因此，卸料门在整个生产过程中有重要作用。卸料门结构形式主要有翻转式、抽拉式和弧形旋转式3种[7-9]，其中以弧形旋转门的综合使用效果最佳，应用广泛。但弧形旋转门在理论上存在固有缺陷——搅拌死区。由于采用弧形旋转门卸料，卸料门关闭时，在搅拌过程中，在卸料门圆弧面、两轴搅拌叶片的最大回转圆和两圆交点之间会形成一个类似三角区域，搅拌时部分混合料将会堆积于此，使得搅拌叶片无法直接作用在这部分混合料上，当搅拌过程完成卸料后，堆积在该区域未完全拌合的混合料将会随卸料过程掺和到已经搅拌好的混合料中，进而影响混合料的搅拌质量。国内学者对间歇式双卧轴搅拌机径向速度梯度下的低效区进行了相关研究[10-12]，但对弧形旋转门结构固有的搅拌死区重视程度不够。本文针对改善弧形旋转门搅拌死区这一问题进行理论分析，并建立简化数学模型，确定弧形旋转门关键参数——卸料宽度B的理论确定方法，为间歇式双卧轴搅拌机合理确定卸料宽度提供具有参考价值的理论依据，旨在减小搅拌死区，提高混合料的搅拌质量。

图1 双卧轴搅拌机轴向断面示意图

1 搅拌死区形成机理分析

如图1所示，搅拌机正常工作时，弧形旋转卸料门处于关闭状态，O1、O2为两搅拌轴叶片最大回转半径所在的两个相交圆。为保证弧形卸料门正常启闭，理论设计时弧形卸料门应与两相交圆O1、O2相切，外切圆为O3，图中阴影部分即为搅拌死区横断面。由于整个搅拌装置不能直接作用于这部分混合料上，搅拌叶片无法将这部分混合料带入到整个物料大循环内，因此这部分物料只能通过与其直接接触的混合物料之间的相互推挤作用在搅拌筒内做循环运动，其运动强度比拌缸内其他各点要弱的多，属于搅拌低效区，但该低效区并不是由搅拌过程中存在的径向速度梯度造成的，而是由结构运动学产生的结果。

2 搅拌死区数学模型

对于给定公称容积的间歇式双卧轴搅拌机，在卸料门长度一定的条件下，卸料门处搅拌死区内混合料的体积V与图1中阴影部分面积S成正比，即当S减小时，V随之减小，减少了搅拌桶底部的低效空间，利于提升搅拌质量。

图2 搅拌死区简化示意图

如图2所示，以O1、O2两圆心连线中点O为坐标原点，建立平面直角坐标系xOy。两圆的半径为R，中心距为a，相交于点L，弧形卸料门形成的圆O3与O1、O2两圆相切，切点分别为M、N。O3的半径为r，卸料宽度B即为线段MN的长，MN中点为E，卸料门开度角∠MO3N=α。

由图2可知：两圆的方程分别为：

(1)

y=k，

(2)

连接L、M、N形成等腰三角形ΔLMN，面积为：

(3)

根据式(3)，为了尽可能减小搅拌死区，在保证合理卸料时间的前提下，卸料宽度B、卸料门半径r应当尽可能的小，此时图2中S1要明显小于阴影部分面积S，因此在计算过程中可以忽略不计。又因为SΔO3ME与SΔO3O2O为两个相似的直角三角形，则有：

(4)

可得到：

(5)

在直角三角形O3EN中，根据三角函数可得：

(6)

由图2、式(5)可知：

(7)

将式(4)(6)代入式(7)得：

由式(7)可知，当给定回转半径R和中心距a时，搅拌死区面积S是一个关于卸料宽度B的函数。

假设卸料门是沿搅拌轴轴向全开式，即卸料长度等于搅拌筒两端面内壁之间的距离，为了保证搅拌混合料的搅拌质量，即要将搅拌死区的体积控制在一定范围内。结合工程应用实际，假设搅拌死区的体积不大于搅拌主机容积的5%，即S不超过搅拌主机横断面积S′的5%，即可忽略卸料门搅拌死区对混凝土搅拌质量的影响。根据搅拌机公称容量与几何容积之间的关系，通过给定的R、a即可得出B上限，其中卸料宽度B的下限理应由规定的卸料时间来限定。目前国内普遍采用的双卧轴搅拌机的长宽比在0.7～1.3选择[13]，理论分析与实验表明长宽比小的机型的搅拌质量和搅拌效率具有明显优势，因此，应优先选择长宽比小的机型。同时，同等公称容量的双卧轴搅拌机，宽短型机型的搅拌死区较窄长型小，因此就搅拌死区而言，应优先选用宽短型拌缸。在此仅考虑B的上限，以满足最低要求，随着B的减小，搅拌死区会逐渐减小，这对搅拌质量的提升是有利的。

3 MATLAB实例计算

3.1 MATLAB软件

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序语言设计(如C、Fortran)的编辑模式，代表了当今科学计算软件的最高水平[14-17]。

3.2 实例分析计算

现有混凝土搅拌设备中JS型间歇式双卧轴混凝土搅拌机是国内市场的主流机型，其结构紧凑、生产效率高[18-23]。选用国内某厂家生产的JS型双卧轴搅拌机为研究对象，以死区体积为公称容积的5%为计算上限值，根据建立的数学模型，运用MATLAB软件分别计算出该厂家JS500、JS1000，JS1500，JS2000型搅拌机卸料宽度的理论上限值B,并与实际卸料宽度B′进行比较计算误差率δ。

某JS型搅拌机部分结构参数及卸料宽度理论计算值如表1所示。

表1 某JS型搅拌机部分结构参数及卸料宽度理论计算参数

由表1可知，MATLAB软件分别计算出的JS500、JS1000、JS1500、JS2000卸料宽度与实际卸料宽度均相差不大，4个样本相差均在±10%内。且当回转半径、中心距一定时，在一定范围内，随着卸料宽度的增加，搅拌死区的容积增长，计算得到的理论值与实际机型的卸料宽度基本相符。验证了上述建立的卸料宽度数学模型的正确性，为双卧轴搅拌机卸料宽度的确定提供了理论依据。

4 结论

1)弧形旋转门的搅拌死区面积S随卸料门卸料宽度B的增大而增大，搅拌质量下降，反之搅拌质量提高。

2)同公称容积的双卧轴搅拌机，宽短型搅拌死区较窄长型小，因此就搅拌死区而言应优先选用宽短型，以提高搅拌质量。

[1]RUDOLF Martinek L, JOHANNES Oertel S.Double shaft forced-feed mixer for continuous and discontinuous manner of operation:US,125733.07[P].1988-10-04.

[2]克里斯托夫·科曼.采用双卧轴搅拌技术设备技术[J].建筑机械,2007(7):23-23.

CHRISTOF Corman. Use of twin-shaft mixing and equipment technology[J].Construction Machinery, 2007 (7):23-23.

[3]冯忠绪.间歇式水泥混凝土搅拌机械[J].筑路机械与施工机械化,1997(5):11-13.

FENG Zhongxu. Batch type cement concrete mixing machine[J].Road Machinery & Construction Mechanization,1997(5):11-13.

[4]赵立军,冯忠绪.双卧轴搅拌机叶片排列的试验[J].长安大学学报(自然科学版), 2004, 24(2):94-96.

ZHAO Lijun, FENG Zhongxu. Test of blades arrangement for twin shaft mixer[J].Journal of Chang′an University(Natural Science Edition),2004,24(2):94-96.

[5]冯忠绪.混凝土搅拌理论与设备[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[6]李彰.双卧轴搅拌机结构参数匹配的试验研究[D].西安:长安大学,2006.

LI Zhang. Experimental research on the matching of double-shaft mixer structure parameters[D].Xi′an：Chang′an University,2006.

[7]赵兴旺.卧式混凝土搅拌机卸料门的改进设计[J].机电信息,2013(24):65-66.

ZHAO Xingwang. Improved design of discharge gate of horizontal concrete mixer[J].Mechanical and Electrical Information,2013(24):65-66.

[8]李建生,全阳娟.双卧轴混凝土搅拌机开门系统研究[J].混凝土,2014(7):156-160.

LI Jiansheng, QUAN Yangjuan. Research of system for mixing mechanism for twin-shaft mixer of concrete[J].Concrete,2014(7):156-160.

[9]曾镜明.一种简易轻便的混凝土卸料弧门[J].电站施工机械,1980(4):46-48.

ZENG Jingming. A simple and portable concrete discharge arc door[J].Power Plant Construction Machinery,1980(4):46-48.

[10]冯忠绪,赵利军,姚运仕,等.搅拌低效区及其消除方法[J].长安大学学报(自然科学版), 2005, 25(6):82-85.

FENG Zhongxu, ZHAO Lijun, YAO Yunshi,et al. Mixing inefficient zone of concrete mixer and its eliminating methods[J].Journal of Chang′an University(Natural Science Edition),2005,25(6):82-85.

[11]赵利军,赵航,冯忠绪.强制式搅拌机低效区现象的探讨[J].筑路机械与施工机械化,2004(11):18-20.

ZHAO Lijun,ZHAO Hang,FENG Zhongxu. Discussion on inefficient zone in forced mixer[J].Road Machinery & Construction Mechanization,2004(11):18-20.

[12]赵利军.搅拌低效区及其消除方法的研究[D].西安:长安大学,2005.

ZHAO Lijun. Research of mixing inefficient zone and its elimination method[D].Xi′an:Chang′an University,2005.

[13]冯忠绪,姚运仕,赵立军,等.搅拌机长宽比的确定方法[J].中国工程机械学报, 2004,2(3):300-303.

FENG Zhongxu,YAO Yunshi, ZHAO Lijun,et al. Method for determining length-width ratio of mixer[J].Chinese Journal of Construction Machinery, 2004,2(3):300-303.

[14]杨建强,罗先香. MATLAB软件工具箱简介[J].水科学进展,2001,12(2):237-242.

YANG Jianqiang, LUO Xianxiang. Introduction of the MATLAB toolbox[J].Advance in Water Science,2001, 12(2):237-242.

[15]刘红娟. MATLAB优化工具箱在机械优化设计中的应用[J].新技术新工艺,2012(8):6-9.

LIU Hongjuan. Application of MATLAB optional toolbox in mechanical optional design[J].New Technology & New Process,2012(8):6-9.

[16]晏晖,姜鹏,陈贝.基于MATLAB工具箱的数字图像处理技术[J].微计算机信息,2010(26):214-216.

YAN Hui, JIANG Peng, CHEN Bei. Digital image processing technique based on MATLAB toolbox[J].Microcomputer Information,2010(26):214-216.

[17]宗节保,段柳云,王莹,等.基于MATLAB GUI软件制作方法的研究与实现[J].电子设计工程,2010,18(7):54-56.

ZONG Jiebao, DUAN Liuyun, WANG Ying,et al. Research and realization of method for making software based on MATLAB GUI[J].Electronic Design Engineering, 2010, 18(7):54-56.

[18]胡巨涛,白明山,关洪. JS1000型双卧轴混凝土搅拌机的设计[J].工程建设与设计, 2011(9):73-76.

HU Jutao, BAI Mingshan, GUAN Hong. The design of JS1000 based twin-shaft concrete mixer[J].Construction & Design for Project, 2011 (9):73-76.

[19]赵培芳,张恒仁. JS-500混凝土搅拌机的技术改进[J].黑龙江水利科技,2006(4):60.

ZHAO Peifang, ZHANG Hengren. Technical improvement of JS-500 concrete mixer[J].Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy,2006(4):60.

[20]李广普. JS500型搅拌机拖车机构的设计改进[J].建筑机械化,2013(8):79-81.

LI Guangpu. Design and improvement of JS500 type mixer trail mechanism[J].Construction Mechanization,2013(8):79-81.

[21]董九洋,宋强,温志广,等.基于相似理论的实验室用双卧轴搅拌机参数确定[J].建筑机械,2017(6):84-89.

DONG Jiuyang,SONG Qiang,WEN Zhiguang,et al. Parameters determination of twin-shaft mixer used in laboratory based on similarity theory [J].Construction Machinery,2017(6):84-89.

[22]赵健,李刚.双卧轴强制式搅拌机物料运动的分析模拟[J].机电产品开发与创新,2009(1):73-74.

[23]张展文.双卧轴强制连续式搅拌机设计[J].筑路机械与施工机械化,1999，16(2):4-7.