节能型多侧臂多螺旋混凝土搅拌机.pdf

经验 节能型多侧臂多螺旋混凝土搅拌机 李瑞权 ，龙 集军 ，熊 国林 ( 韶 关市正业建设机械有 限公 司， 广 东韶 关 5 1 2 0 2 7 ) 双卧轴强制式搅拌机进行创新改进 ：在轴 A和轴 B送料相对 的一端另安装一组侧臂 与刮刀 ，同时 ，把双轴上 片按轴向呈多角度交错 排列布置 ，使原有 的搅拌叶片按单螺旋 轨道运行改变为按多螺旋轨 道运行 ；从而增强 阻力，提高搅拌匀质性，缩短搅拌均匀时间。同时，改善传动结构驱动减速机。通过直联式联接减速桃与搅 高传动效率 降低能耗。 关键 词：混凝土搅 拌机 ；创 新改进 ；多侧臂 ；多螺旋 ；节能 中图分类号 ：T U 6 4 2 2 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 9 9 4 9 2( 2 0 1 o )l 1 - 0 0 6 1 0 4 1 传 统双 卧轴强制式搅拌 机现有特点分析 传统双 卧轴 强制 式搅拌机搅拌 轴上 的搅拌 臂与刮 刀和 叶片呈轴 向 9 0 。 角或 6 O 。 角按单螺 旋轨迹布置 ，运行 时动平 衡 性 差 ，运 行 阻 力 较 大 ，物 料 搅 拌 匀 质 性 较 低 ；减 速 机 多 采用行 星减 速机或者采用蜗轮蜗杆 减速机 ，电机通过皮带 驱动减速机 ，减 速机 通过花键或链 轮带动搅拌 机 导致传 动效率低 ，搅拌 时间较长 ，能耗高 ，J S 3 0 0 0主机单 台电机 功 率 大 至 5 5 k W 。 针对传统双卧轴强制 式搅拌机进行 创新改进 ，改善 了 传统双卧轴强制式搅拌机 的不足 ，并提 高了性能 ，对创新 改进后 的搅拌机命名 为 “ 节能型多侧臂 多螺旋混凝 土搅拌 机 ” 。 2节能型 多侧臂 多螺旋混凝 土搅拌机技 术的 原 理 节 能型多侧 臂多螺旋混凝 土搅拌机 主要 由水平安置 的 两个相连 的 “ n”形拌筒 、两根按相反方 向转 动的搅拌轴 、 搅 拌臂 和传动机构等组成 ，在 两根水平轴 的圆周方 向安 装 了若干组呈螺旋形排列的搅拌 叶片 ，两根水 平轴搅拌 叶片 的螺旋 方 向相反 ，在水 平 轴的 两端 。安装 了搅 拌侧 臂 刮 刀 其 中一条的螺旋方 向和 同轴的搅拌 叶片及另一搅拌侧 臂刮刀 的螺 旋方向相 反 。这些 叶片 和刮刀在 三维 坐标 内形 成 的螺旋 。传统 双卧轴强制式搅拌 机的螺旋是按 单一的螺 旋升角布置的。 节能型多侧臂 多螺旋混凝土搅 拌机搅拌混凝 土的过程 是复杂 的动 态过 程 ，当水平轴按 固定的旋 向运转 时 ，螺旋 所产生对物料 的推力可分解为径 向力和轴 向力 ，径 向力 的 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 8 3 1 作用使物料 向下或向上翻动 而轴 向力的作用使物料 沿水 平轴方 向推 向中间和一端 两根水 平轴 叶片 的反 向螺 旋运 动和 同轴侧臂刮 刀的反向运动使物 料的流动形成复杂 的运 动 轨 迹 ，物 料 循 着 这 复 杂 的 运 动 轨 迹 。 在 摩 擦 力 、挤 压 力 、剪切力 、惯性 力的作用下作不规 则的位移运动 ，物料 的这 些位 移运 动使搅 拌 的混 凝土 达 到规 定的均 匀度 和 强 度 。物料的位移运动由两种运动组成 。 第一种是对流循环运动 使物料从挤压 状态松脱 出来 产生一个 分散 的 自由抛落 又使物 料 间产 生挤压 和剪切 。 这种运动是最重要的 ，也是最 基本的 ，它使 物料 在宏观上 分布均匀。影响这种运动 的搅 拌机参数 主要 有搅拌叶片刮 刀的平均半 径 ( 影 响线速 度) 、宽度 、螺旋 升角 、立 面展 开 角 、排 列 布 置 、拌 筒 的长 宽 比等 。 第 二种是扩散运动 ，使物 料各表面 间能 产生 良好的结 合 。它使 物 料之 间 、接 触 和 冲击 大 大增 加 。加快 了水 、 砂 、石 和水泥等的扩散 ，使物料在 微观上分布均匀 。影响 这 种运 动的搅 拌 机参数 主要 有搅 拌 叶片 刮刀 螺旋 升角 、 排列布置 ；拌筒的长宽 比等 。 传统双 卧轴 强制式 搅拌机主要 是按 第一种运 动机 理设 计 的 ，存在搅拌 功率 大 、搅拌 时间较 长 ( 影 响搅拌 效率 ) 等 问题 。为降低搅 拌功率 ，提高搅拌效 率 ，从影 响搅拌 功 率的搅拌叶片刮刀的阻力矩 M 进行分析 ： M= K R R t a n ( ) Z K 阻力系数 ： 搅拌 叶片刮刀的平均半径 ： 一 搅拌叶片刮刀的宽度 ； 搅拌 叶片刮刀 的螺旋升角 ： 二 二 工 二 交流 搅拌叶片刮刀立面展开角： 2 一 同 时参 与搅 拌 的 搅拌 叶片 刮 刀数 量 。 在公式 中 在搅拌线速度 为 1 2 1 7 m s范围内为常 数 ，d为常数 。尺、日、t a n ( ) L ) 、Z为变量 ，且和阻力矩成 正 比 。改 变 R、日，将 对 搅 拌 机 结 构 作 很 大 的变 动 ，不 利 于市场推广。减少 t a n ( 入 ) 、Z将使搅拌阻力矩减少 ，从而 降低搅拌功率 ，而搅拌机结构变动较少。 3节能型多侧臂 多螺旋混凝土搅拌机的技术 分 析 根 据 理论 分 析 和样 机 的试 验 对 影 响 物 料 运 动 的重 要 参数拌臂的螺旋升角 、搅拌线速度 、搅拌功率 、搅拌筒 的 长宽比进行合理取值。 ( 1 )减 少螺 旋 升 角 的分 析 螺旋升角 的选择范围是由物料 与搅拌构件之间的摩 擦 系 数 和 物 料 之 间 的 摩 擦 系 数( 物 料 内部 剪 切 角 )决 定 。 减少 ，会使物料的对流( 主要是 剪切运 动)减少 ，针对 传统双卧轴强制式搅拌机叶片 的螺旋是按单一的螺旋 升角 布置 的情况 ，将保持大部份搅拌机 叶片螺旋升角不变 ，局 部改变一些搅拌机叶片升角不变 ，由单一螺旋改变为多螺 旋 。这 样 ，物 料 的 对 流 运动 有 所 增 强 。 由于 在 搅 拌 时 ，叶 片螺旋的变化 ，使物料 的速度方 向不断地改变 ，增加 了物 料的冲击 和接触 ，使物料 的扩散运动增强 ，提高了搅拌混 凝 土 的均 匀 度 和 强 度 入的选 择 在 l 4 2 。 h 3 9 6 。 l 2 的范 围之内，由于在局部降低 了 ，将使搅拌功率下降。 搅拌臂的螺旋升角 由物料与搅拌构件之 问的摩擦系数 和物料之间的摩擦系数决定 ，它影 响物料对流和扩散运动 的速度大小和方向 ，将搅拌臂单一的螺旋 升角排列改变为 四组不 同的螺旋升角排列和其中一组 的螺旋方 向与另三组 的螺旋方 向相反排列 ，可不断改变物料 的速度方 向，从而 增加物料的冲击和接触 ，使物 料在对流运动改变不大的情 况下 ，物料的扩散运动更 快更多 。而且在绕搅拌轴旋 转轨 迹上使搅拌臂 的分布趋向均匀 ，搅拌轴搅拌臂组件的旋转 重 心 接 近 在搅 拌 轴 上 从 而增 强 运 转 动 平 衡 性 ，减小 运 行 阻力 。按 理论 分 析 ，螺 旋 升角 的选 择 范 围为 1 4 2 。 3 9 6 。 根据搅拌臂的分 布情况 ，沿轴组 之间的物料螺旋升 角差定为 1 0 。 1 5 。 ，按搅拌叶片刮 刀的阻力矩的公式 ，局 部减少螺旋升角 ，可有效 降低搅拌功率。经样机试验 ，可 在保证混凝土均匀度 和强度的前提下 ，减少 搅拌 时间，降 低搅拌功率。 ( 2 )减少参与搅拌 的搅拌 叶片刮刀数量 Z的分析 按传统双卧轴强制式搅拌机叶片刮刀的布置情况 ，在 搅拌 时参 与 搅 拌 的搅 拌 叶 片 刮 刀数 量 最 多为 7条 ，最 少 为 3条 通过重新布置搅拌叶片刮刀的排列 ，使参与搅拌的 搅拌 叶片刮刀数量最 多为 6条 ，最 少为 4条 ，同时考虑到 参与搅拌的搅拌叶片刮刀数量的减少 ，会影 响物料的对流 运动 ，在一根水平轴上 ，将靠 反向搅拌侧臂刮刀一端的一 条搅拌 叶片改为搅拌侧 臂刮刀 ，和原搅拌侧臂 刮刀同向 ， 2 搅拌侧臂 改为 3 搅拌侧臂( 多搅拌侧臂 ) 。由于增加 的搅 拌侧臂刮刀和同轴 的搅拌叶片反向 ，搅 拌时增加 了物料的 对流运动 ，从而保证 了混凝土的均匀度和强度 。由于搅拌 叶片刮刀分布不均匀 ，造成运转平 衡性差 ，同样会造成搅 拌功率的损耗 ，通过上述的布置 ，使搅 拌臂 的分布趋 向均 匀 ，减小运行 阻力 。由于减少 Z和搅拌拌臂 的分布趋向均 匀 ，将使搅拌功率下降。 ( 3 )搅 拌 线速 度 分 析 搅拌线速度主要 受搅拌过程 中物料不发生离析现象所 限制 ，搅拌线速度应使物料的运动能保证搅拌质量 ，又能 达到较高 的搅拌效率和较低 的能 耗 它与搅拌臂 的半径 、 搅拌 臂之 间的螺旋升角、物料之间 的摩擦力 ，物料 的密度 等因数有关 大量的实验数据表明搅拌线速度 的合理取值 范围是 1 _ 4 1 7 m s ，在对搅拌臂 的创 新布置后 ，经试验 ， 最佳搅拌 线速度为 1 6 m s ，这时 的搅拌时 间为 3 0 s ，搅 拌 功 率 为 4 5 k W( 单轴 ) 。 ( 4 )搅拌功率分析 搅拌功率 ( 单轴 )是搅拌机非常重要的参数 ，搅拌功 率与搅拌叶片刮刀的中径 、搅 拌叶片刮刀 的宽度 、搅拌叶 片刮刀组的螺旋升角的正切值 、搅拌叶片刮刀的数量及搅 拌 叶片刮刀 的立面展开 角成正 比 ，与机 械传动效 率成反 比考虑到搅拌轴运转过程 中。搅拌构件之间会经常发生 卡料现象 ，要引入电机容量储备系数 ，为提高机械传动效 率 ，将皮带传动改为电机与减速机之问直联式结构 。根据 上 述的搅拌叶片刮刀的阻力矩公式和搅拌 功率公式计算 ， 搅 拌功率约为 2 8 k W，根据短期瞬间载荷不超 过稳 定载荷 1 5 0 ，负 载 最 大 尖 峰 功 率 为( 2 8 x 1 5 0 _ 4 2 )k W，取 4 5 k W。经试验搅拌功率在 2 5 k W 2 9 k W 范围内 ，负载最大 尖峰功率为 3 7 5 k W 4 3 5 k W，符合计算 的结果 。这说明改 变 搅拌叶片 刮刀组 的螺 旋升 角 、参 与搅 拌 的叶片 刮刀 数 量 可降低搅拌功率 。 ( 5 )拌筒的长宽 比分析 拌 筒 的长宽 比主要受 制造拌 筒的材料 的最小 重量影 响 ，0 7左右 时，材料最少 ；它还影 响物 料沿轴 向的对流 运动 太短 ，物料难以形成流畅 的轴 向循环对流运动，太 长 物料 的轴 向循环对流运动次数减少 ，不利于物 料的三 维均匀分布 。取值范 围在 O 7 1 _3之 间时 ，都能满足搅拌 要求 ，但宽短型拌简要比窄长型拌筒更有利于混凝 土的搅 拌 一般长宽 比小于 1的拌筒具有更好的搅拌效果 ，经试 验确定宽短型拌筒长宽比为 0 7 8 ，这时搅拌效果为最佳。 ( 6 )传动效率分析 根据搅拌功率的计算公式：N = M n ( 9 5 5 0 0 ) t 3 3 ， 朋 搅 拌 叶 片刮 刀 的 阻力 矩 ； 搅拌 轴 的转 速 ： m 传动机构的效率 。 影响搅拌功率的参数还有传动效率 。 经调研分析 ，目前的传统双卧轴强制式混凝土搅拌 机 采用电机+ 皮带+ 行星减速机 ，行星减速机与水平轴刚性直 r r r ， _ 1 6 2 I I 经 验 联 ，联轴节 同步传动机 构分析 ，皮带 传动的效率 为 8 5 9 5 。因皮带受 力分布不均匀 导致每 条皮 带变形 长度不 统 一 ，同时 ，皮带容 易发生 打滑现象 ，两轴 同步 性下 降 ， 搅 拌机 容 易发生 闷车 现象 ，严 重时 导致 电 机烧 坏 。而且 对行 星减速机 皮带轮 的侧拉力使 行星 减速机 的寿命减 少。 通过理论和样机的试验节能 型多侧 臂多螺旋混凝 土搅拌机采用 电机与减速 机之间直联式 结构 ，减速 机轴上 安装半联轴器和 同步齿轮联 接带动搅拌 主轴运转 ，半联 轴 器和同步齿轮之 间用尼龙柱 销联接 同步齿轮分别安 装在 两轴上。通过 同步齿轮 ，强 制双轴 同步 运转 ，减少 了闷车 现象发生 ，同时 ，使得搅拌 机结构简单 、可靠 ，传 动效 率 在 9 5 以上 。可选用标准减速器 ，安装 、维修方便 ，搅 拌 轴及其支承轴承受力状况好 ，同步齿轮 传动时产生 的轴 向 力 与物 料对 叶片 的轴 向力 相反 。有 效 改善 了轴 承受 力状 况 ，减小 了轴的结构 尺寸 ，通 过尼龙 柱销 这一薄 弱环 节 ， 在超负荷时 ，尼龙柱销会被剪断 ，起保护电机的作用 。 节 能型多侧臂多螺旋 混凝土搅 拌机型 号 J S 3 0 0 0主机 。 根据 实验及理论求得 工作阻力 矩 M 约 为 1 2 8 0 0 N m，叶 片 线 速度 n为 1 6 m s ，转速 n为 2 1 3 r mi n ，工作 时搅 拌额 定 功 率 为 4 5 k W。 摆线针轮减速机减速 比大 ，传 动效率高 ，单 级机械传 动效 率在 9 0 以上 ，体 积小 ，重 量 轻 ，运转 平稳 ，噪音 低 ，过载能力强 ，耐冲击 ，惯性力矩 小 。选用单 级摆线针 轮减速机 X WD 4 5 1 1 4 7满足工作需 求。 针对上述的研究分析 ，通过理论 和样机 的试 验 ，节能 型多侧臂多螺旋混凝 土搅 拌机在对 流运动少许改 变的基础 上 ，增强扩散运动 。使 之作更复杂 、无规律 的运 动 ，可 以 达到即在保证搅拌匀质度 和强度符合 国家标准 的前提 下缩 短搅拌时间 同时有效 的降低 搅拌功率 ，达到节 能增 效的 效 果 图 1 搅 拌 叶片 布 置 示 意 图 I I 显 ! ! 警 蒜 = E 三 I 带 E 三 l _ I f l l 部 r 声三 仁=j l 一J 一 ： f 1 瑾 转向 4节 能型多侧 臂 多螺旋 混凝 土搅拌机的结构 图 l 左 边 轴 上 的 A、H、J为侧 臂 ，A、B组 成 一组 1 2 0 。 螺 旋 ，B、C、D、E、F组 成 一 组 6 0 。 螺 旋 ，F、G组 成 一 组 1 8 0 。 螺旋 F 、G组成一组反 向 1 8 0 。 螺旋 。 图 2 搅 拌 机 平 面 示 意 图 图 l右边轴上 的 I 、V I I I 、I X 为侧臂 ，I 、I I 、I I I 、I V、 V组 成一组 6 0 。 螺旋 ，V、V I 组成 一组 1 8 0 。 螺旋 ，V I 、V I I 组 成 一 组 6 0 。 螺旋 ，VI I I 、I X组 成 一 组 反 向 1 8 0 。 螺 旋 。 此结 构 ，重心接近在双轴上 ，增 强运转 的平衡性 ，减 少运 动的阻 力 。搅 拌机 搅拌 结构 和传 动装置 分别 如 图 3 、 图 4所 示 。 5节 能型多侧 臂 多螺旋 混凝土搅拌机 的先进 性 节能型多侧臂多螺旋 混凝土搅拌机 已经获得 国家实用 图 3 搅拌机搅拌结构实物图 二 鬲 刮 。l L 一 = l 1 广 旬 L r ： j 鱼 I l 图 4 传 动 装 置 示 意 图 交流 新 型 专 利 授 权( 专 利 号 ：Z L O 0 8 2 0 0 5 0 2 7 7 5 ) ，具 有 以下 两个创新点 ，处 于国内领先水平。 ( 1 )多 侧臂 在轴 A和轴 B送料相对 的一端减少一 条搅拌 臂叶片 ， 增加一条搅拌侧臂刮刀 原来两轴 共有 4组搅拌侧臂与刮 刀 ，改进后两轴共有 6组搅拌侧臂 与刮刀 ；送料相对的一 端的两组侧臂和刮刀组成侧臂刮刀组 ，且搅拌叶片组和侧 臂刮刀组按相反方向定位 ，使拌合物料 回送 的次数 增加 ， 同时也加大将拌 和物料向对边传送 的速度 ，并使拌和物料 向 内沿 水 平 方 向按 围流循 环 运 动 产 生 个 强 烈 三 维 立 体 搅拌空 间从而提高 了物料搅拌匀质性 ，缩短物料搅拌匀 质 时间 。 ( 2 )多螺旋 通过把两轴上的搅拌臂叶片和侧臂刮刀沿轴向各分成 四组螺旋升角不同的螺旋组 搅拌臂叶片组和侧臂 刮刀组 螺 旋 方 向相 反 ，两轴 搅 拌 臂 叶 片 组 和 侧 臂 刮 刀 组 的螺 旋 方 向也相反 呈多角度交错排列布置 ，使原 有的搅拌 叶片按 单螺旋轨道运行改变为按多螺旋轨道运行 ，增 强了物料 的 扩散运 动 ；在绕水平轴 旋转 轨迹上 ，各组搅 拌臂分 布均 匀 搅拌机转子重心接近在水平轴上 ，从 而增强运转动平 衡性 减小运行 阻力 ，降低克服阻力的作用功 ，降低工作 能耗 。 搅拌物料在拌筒内随着轴上搅拌臂旋转 ，左边轴上的 叶片将物料推 向右边 ，右边轴上 的叶片将物料推 向左 边 ， 两轴之间的物料形成多个循环 。且两轴之间的物料 堆积 较 高 ，堆顶上的物料不断沿堆坡向下滚动 ，参与物料的循环 ， 这样搅拌筒 内物料的运动形成复杂的循环运动轨迹 ，加上 端面叶片的作用 ，使物料的运动轨迹更为复杂 ，对 流和扩 散 运 动更 加 剧 烈 。搅拌 作 用 更 加 激 烈 ，短 时 问 内使 拌 合 物 料均匀 ，缩短搅拌时问减少用电量，实现节能效果。 6总 结 ( 1 )节能型多侧臂多螺旋混凝土搅拌机降低 了螺旋升 角 ，使 搅 拌 功率 下 降 。 ( 2 )节能型多侧臂多螺旋混凝土搅拌机在减少参与搅 拌 的搅拌叶片刮刀数量 Z和搅拌拌臂的分布趋 向均匀 ，将 使搅拌功率下降。 ( 3 )节能型多侧臂多螺旋混凝土搅拌机选取最佳搅拌 线速度为 1 6 m s 选用搅拌效果最佳 的宽短型拌筒 ，长宽 比为 0 7 8 。 ( 4 )节能型多侧臂多螺 旋混凝土搅拌机采用电机与减 速机之间直联式结构 ，有效 的提 高了传动效率 ，传 动效率 在 9 5 以上 。 ( 5 )节 能型多侧 臂多螺 旋混凝 土搅拌 机实现 了多侧 臂 、多螺旋的两个创新点，处于国内领先水平 。 节能 型多侧臂 多螺旋混凝 土搅 拌机增强 了动平衡性 ， 减小运行 阻力 ，提高搅拌匀质性 ，缩短搅拌均匀时 间，有 效地降低能耗 ，实现了节能效果。 参考文献 ： 1 长沙建设机械 研究院混凝 土搅拌 设备的设计和制造 Z 2 o 0 2 2 冯忠绪混凝土搅拌理论与设备 M北京 ：人 民交通 出版 社 2 0 01 3 胡宗武 ，徐履冰 ，石 来德非标 准机械设备设计手册 M 北 京 ：机 械 工 业 出版 社 2 0 0 5 4 GB T 9 1 4 2 2 0 0 0 混凝土搅拌机 S 5G B 4 4 7 7 1 9 9 5 一 T 混凝土搅拌机性能试验 方法 S 第一作者 简介 ：李瑞权 ，男 ，1 9 8 1年生 ，广东仁化人 ，大学专 科 助理工程师。研究领域 ：建筑机械设计 。已发表论文 1 篇 。 ( 编辑 ： 王智圣) ( 上接第 3 7页) 次改变边界条件 模拟 主轴和空气轴 承的温度场分布及热 变形 对比分析结果 得知主轴 电机冷却 水主要 对定子 冷 却 ，进而间接冷却转子 ，以降低转子所在转轴端铁芯的温 度 从而减小热应力变形。通过探讨降低主轴的发热和增 强主轴的散热两方面 ，提出了减小电主轴热变形 的措 施 ， 为空 气 静 压 电主轴 的设 计制 造 提 供 了理 论 参考 。 参考文献 ： 1 王明权 ，孔德 生划片机 气静压 电主轴的冷却与热传递研 究 J 电子 工业专用设备 ，2 0 0 6 ，3 5 ( 9 ) ：1 3 1 7 2 唐兴伦 ，范群 波，张朝 晖，等A N S Y S工程应用教程一热与 电磁学篇f M北京：中国铁道 出版社，2 0 0 2 3 郭 军基于热接触分析 的电主轴热态性 能特性研 究 D广 州 ：广 东 工业 大 学 2 O 0 5 4 张恩龙 ，李锻 能，马 平气体静 压轴 承技术及其在 电主轴上 的应用 J 机床与液压，2 0 0 5( 5 ) ：l 3 一 l 5 5 谢黎明 ，张静 ，马洪梅影响 高频 电主轴工作寿命的主要原 因及 解 决方 法 J 组 合机 床 与 自动化 加 工技术 ，2 0 0 6 ( 3) ： 8 1 O 第一作者简介 ：刘剑 ，男 ，1 9 8 5年生 ，山东菏泽人，硕士研究 生。研究领域 ：划片机空气静压电主轴 。 ( 编辑 ： 向 飞) 广 _ _曩 曩 器 曩 1 百 - _ 霉 翮 I 。 0 鬻 1 6 4 l 。 。“ l ： - _ _ - ， 。 J - ： i - - - -