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摘要:为了提高搅拌质量和效率,给出了搅拌机转速的定义和评判搅拌机转速合理与否的准则;采用理论分析和试验研究相结合的方法,分析了搅拌机转速与混凝土均匀度、搅拌装置类型、能耗和被搅拌材料的关系,给出了搅拌机设计和使用时合理转速的范围。结果表明:搅拌机的转速与多种因素有关,具有合理转速的搅拌机必须在保证新拌混凝土质量满足中国标准要求的前提下高效节能地工作,推荐目前常用的强制式搅拌机的叶片线。
目前各国广泛使用的自落式和强制式搅拌机已沿用了50余年,转速是搅拌机的基本参数,但对转速科学、系统的研究并不深入。笔者在理论分析的基础上,对搅拌机转速的确定进行了大量的试验研究,本文中将对这一问题进行专题讨论。
搅拌机转速是保证搅拌机正常工作的基本参数,其必须满足搅拌质量与搅拌效率等性能要求。搅拌质量就是生产出符合中国标准要求的新拌混凝土;搅拌效率就是在满足搅拌质量的前提下,搅拌时间要尽量短,以提高设备的生产率和利用率,降低生
基金项目:国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2001AA422013);陕西省自然科学基础研究计划项目(2001C04)
作者简介:冯忠绪(19502),男,陕西凤翔人,教授,博士生导师,工学博士
产成本。混凝土是重要的建筑材料,保证新拌混凝土质量是对搅拌机性能的最基本要求。混凝土质量用其宏观及微观均匀度来评价,宏观均匀度用拌和物中砂浆密度的相对误差ΔM(小于0.8%)和粗骨料质量的相对误差ΔG(小于5%)来衡量[1];微观均匀度用混凝土强度的平均值R¯、标准差σ和离差系数CV来衡量,R¯值越高,σ、CV值越小,说明混凝土质量越好,因此,搅拌机应在保证新拌混凝土质量满足中国标准要求的前提下高效节能地工作,这是确定搅拌机合理转速的准则。
=Rω,R为轴心到叶片端部的距离,可见叶片的线速度在各点是不一样的,存在速度梯
试验证明,用上述两类搅拌机搅拌混凝土,一般在较短时间内就可达到宏观上的均匀,但对这种拌和料仔细观察时,发现有些骨料表面是干燥的,另外还有一些干的小水泥团。如果把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥浆放在显微镜下观察,还会发现水泥颗粒并没有均匀地分散在水中,有10%～30%的水泥颗粒三三两两聚在一起,形成微小的水泥团,如图3(a)所示。水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。因为水泥的水化作用只在水泥颗粒的表面进行,如果水泥颗粒聚团,则水化作用的面积减小,使混凝土具有强度的水化生成物减少,所以,必须把聚团的水泥颗粒分开 ,使其尽可
和强制式这两类搅拌机的工作原理而言 ,要增加物 料颗粒间的碰撞次数和相互摩擦 ,提高混合料各单
目前 ,各国使用的搅拌机按工作原理来分主要 有两大类型 :利用重力工作的自落式和强制物料按 预定轨迹运动的强制式。
自落式的搅拌原理是 :当搅拌筒转动时 ,依靠安 装在滚筒内的固定叶片带动各组成材料上升到约滚 筒直径的 0. 7 倍高度处时 ,借助重力使材料落下 。 分布在滚筒内不同部分的物料 ,由于其颗粒不同 ,下 落的时间 、落点及滚动的距离不同 ,从而使物料相互 穿插 、翻 拌 、混 合 , 达到扩散均匀 , 其工作原理见 图 2 (a) 。
元参与运动的次数和运动轨迹交叉的频率 ,在保证 生产率不变的情况下使混合料达到宏观及微观上的 均匀 ,就必须提高工作机构的转速。
时 ,处于不同角度和位置的叶片通过料层时 ,克服了 物料的惯性力 、摩擦力和粘滞阻力 ,强制物料产生环 向 、径向和竖向运动 ,从而产生搅拌作用 ,其工作原 理见图 2 ( b) 。
的凝聚结构完全遭到破坏 ,此时流动性达到最佳 ,为 实现快速搅拌创造了条件 ,因此 ,从提高搅拌效率的 角度来看 ,搅拌速率要高一些 。
当自落式搅拌机的滚筒转速等于或超过临界转 速时 ,物料在离心力的作用下会依附于滚筒内壁与 之共转 ,不能达到搅拌目的 。对于强制式搅拌机 ,当 搅拌速率过快时 ,混凝土强度反而会下降 。图 4 为 强制式搅拌机叶片线速度与相对抗压强度及离差系 数的关系曲线 中以最低转速下搅拌 60 s 的强 度为 100 %相对强度 。由图 4 可见 ,搅拌速度低 ,混 凝土强度高 ,离差系数小 ,但搅拌时间长 ,生产率低 ; 搅拌速度过快时 ,混凝土强度下降 ,离差系数增大 。 这是因为速度快时混合料的离心力大 ,混合料中粒 径不同的各组分的惯性力不同且大于和叶片间的摩 擦力时 ,以不同的速度抛离搅拌叶片而造成了物料 离析 ,反而使混合料的均匀度下降 ,因此 ,自落式搅 拌机工作时物料的离心力应小于其重力 ,即
从试验 结 果 可 知 , 随 着 搅 拌 叶 片 线 ,混凝土搅拌质量由 差变好再变差 ,与上面的理论分析结果完全一致 ,该 参数比较合理的范围是 1. 4～1. 7 m ·s - 1 。
转速的选择与搅拌机类型有关 。由于工作原理 的不同 ,自落式搅拌机的转速与同容量的强制式肯 定不同 ;另外 ,由于工作过程的差异 ,类型相同而结 构不同的搅拌装置的转速也必然不同。
对于目前最常用的双卧轴搅拌机来说 ,它的转 速与拌筒长宽比 、搅拌臂排列形式 (包括单轴相位与 排列 、双轴相位与排列) 、搅拌叶片安装角 、搅拌叶片 数量等参数有关 。表 1 中数据为这些参数给定时的
擦力减小 ,物料颗粒运动的惯性增大 ,根据前面的分 析 ,这时搅拌机的转速肯定比静态时低 。对公称容
长宽比值 单轴相位 双轴相位 双轴排列 叶片角度 叶片数 线速度/ ( m ·s - 1 ) 拌和物匀质性 7 d 硬化混凝土试件抗压强度
搅拌叶片类型 搅拌转速ω/ ( r ·min - 1 ) 拌和物匀质性 28 d 硬化混凝土试件抗压强度
速时 ,相应混凝土拌和物的宏观匀质性差异并不大 , 而相应硬化混凝土试件的抗压强度的差异则较明显 , 这说明不同搅拌叶片和搅拌转速的组合对混凝土的 微观匀质性影响不同 。通过试验数据的综合比较 ,应
板和叶片端部的间隙中会产生较多的碎石夹楔现 象 ,从而使其功率消耗增大 ,加剧了叶片和衬板的磨 损 ,也使骨料二次破碎的概率增加 ,表 3 为对双排叶 片搅拌机参数优化的正交试验时得到的一组数 据[ 6 ] 。
试验表明 :各参数对这种新结构的搅拌机的功率 消耗都有影响 ,其中转速是首要因素 。它的合理转速 为 1. 2～1. 4 m ·s - 1 ,要比普通双卧轴搅拌机低。
混合料的搅拌过程是混合料与搅拌装置相互作 用的过程 ,材料不同 ,搅拌速度必然不同 。若用混凝 土搅拌机搅拌砂浆 , 速度为搅拌混凝土时的 3 ～ 4 倍 ;搅拌水泥浆时 ,为 4～5 倍 。这是因为一方面这 些材料粒径较均匀 ,不存在严重的离析现象 ;另一方 面高速搅拌可明显消除水泥聚团现象 ,并提高生产 率 。由于搅拌过程中材料性质的变化 ,同一种混合 料在整个搅拌过程中的速度也不同 。间歇式搅拌刚 开始时 ,干拌阻力大 ,磨损大 ,速度就不可能太高 ;在 快结束搅拌时 ,由于水泥浆或砂浆的均匀分布 ,混合 料各相间的摩擦力减小 ,材料离析的趋势增加 ,搅拌 速度也应适当降低 。目前各国的搅拌设备都没有对 外界材料状况的感知能力 ,也不能自动调速 ,搅拌速 度是相对固定的 。为了提高搅拌设备的适应能力和
对不同塌落度 、不同充盈率 (容积利用系数) 、不同级 配和不同骨料都能较好适应的高效智能化搅拌设 备[ 728 ] 。
试验编号 线速度/ ( m ·s - 1 ) 拌和物匀质性 28 d 硬化混凝土试件抗压强度 搅拌功率/ kW
(1) 搅拌机的转速 ,确切说是指搅拌叶片的最大 线速度 ,主要受搅拌过程中混合料不发生离析现象 所限制。
(2) 笔者提出了评判转速是否合理的准则 :首先 应保证混合料的搅拌质量 ,其次应能达到较高的搅 拌效率和较低的能耗 。
(3) 搅拌机的合理转速与搅拌质量的要求 、搅拌 时间长短 、搅拌装置类型 、单位能耗 、混合料组分与 状态等因素有关 ,选择时应对诸因素综合考虑 。对 目前常用的强制式搅拌机 ,经过理论分析和试验研 究 ,推荐的叶片线) 根据本文中提出的准则 ,所研制的双排叶片 搅拌机和振动搅拌机[ 9210 ] 达到质量要求的搅拌时间 比传统搅拌机缩短了一半 ,实现了搅拌质量好 、搅拌 效率高和能耗低的较好统一 , 能满足现有生产要 求[ 11212 ] 。
(5) 研制对不同工况和材料都具有较好的速度 自适应能力的智能搅拌机是必要的。
(6) 本文的研究结论 ,对沥青混合料搅拌设备的 设计和使用也有参考价值。
[ 3 ] 黄大能. 新拌混凝土的结构与流变特性[ M ] . 北京 :中
[ 4 ] 王卫中. 搅拌机工作装置的试验研究[ D ] . 西安 :长安
[ 5 ] 江建卫. 周期式振动搅拌机的试验研究[ D ] . 西安 :西
[ 7 ] 赵利军 ,冯忠绪. 双卧轴搅拌机叶片排列的试验 [J ] .
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