雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)架沿軸向晃動(dòng)研究

孔鮮寧，趙利軍，徐鵬杰，余志龍

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064)

雙臥軸混凝土攪拌機(jī)以攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)率高［1］等突出優(yōu)點(diǎn)，在混凝土拌合設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，但是雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)架在整個(gè)水平面內(nèi)經(jīng)常有晃動(dòng)現(xiàn)象，尤其沿?cái)嚢铏C(jī)軸向晃動(dòng)較為明顯，這就要求攪拌機(jī)機(jī)架整體具有較好的穩(wěn)定性。攪拌機(jī)機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向晃動(dòng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作循環(huán)之后，對(duì)機(jī)架的整體穩(wěn)定性以及剛度、強(qiáng)度有較高的要求，且存在一定的安全隱患，這種現(xiàn)象在瀝青混凝土攪拌站也是常見的。為此，本文通過對(duì)雙臥軸混凝土攪拌機(jī)實(shí)際工作特點(diǎn)的分析，得出產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因，并對(duì)現(xiàn)有機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用Ansys有限元分析軟件對(duì)改進(jìn)前后的機(jī)架進(jìn)行仿真分析，對(duì)比整體機(jī)架應(yīng)力、應(yīng)變改善情況。

1 軸向晃動(dòng)的主要原因

根據(jù)實(shí)際情況分析可知，影響雙臥軸混凝土攪拌機(jī)軸向晃動(dòng)的因素主要有以下幾個(gè)方面:1)不同機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式會(huì)對(duì)機(jī)架整體剛度有較大影響，進(jìn)而影響機(jī)架的軸向晃動(dòng)程度。2)物料在攪拌過程中形成的料流對(duì)攪拌機(jī)側(cè)壁周期性的沖擊作用最終傳遞到攪拌機(jī)機(jī)架上，該作用力是使機(jī)架產(chǎn)生軸向晃動(dòng)的最主要原因。3)攪拌站的地基不穩(wěn)、機(jī)架預(yù)埋深度不夠等對(duì)機(jī)架剛性影響較大。4)機(jī)架支腿與加強(qiáng)鋼板和主機(jī)連接是否牢固，也會(huì)影響機(jī)架的晃動(dòng)程度。

1.1 物料運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外各廠家的雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，幾乎都采用攪拌臂圍流排列的形式，如圖1所示。物料料流特征如圖2所示。物料的流向符合右(左)手定則，即當(dāng)右(左)手四指順著攪拌軸旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，拇指的指向就是物料的流動(dòng)方向;并且兩軸上攪拌葉片推動(dòng)物料的軸向流動(dòng)分量和徑向流動(dòng)分量的方向相反［2］。

從圖1、圖2可以看出:雙臥軸混凝土攪拌機(jī)在對(duì)物料進(jìn)行攪拌作業(yè)過程中，物料的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，攪拌葉片不僅會(huì)對(duì)物料進(jìn)行剪切、拋擲作用，并且會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生推移作用。當(dāng)物料投入攪拌筒體內(nèi)后，其中一根攪拌軸上的攪拌葉片會(huì)將物料沿軸向向一個(gè)方向推移，另一根攪拌軸上的攪拌葉片則會(huì)將物料沿軸向向另一個(gè)方向推移，與此同時(shí)，由于攪拌葉片具有一定的安裝角，物料還會(huì)沿徑向、周向運(yùn)動(dòng)，在2根攪拌軸的相互作用下形成大小循環(huán)，物料受到攪拌葉片周而復(fù)始的作用。

圖1 攪拌臂圍流排列

圖2 圍流排列的料流

1.2 晃動(dòng)原因

良好的攪拌過程物料的位移必須由良好的對(duì)流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來(lái)完成［3］。因此混合料在攪拌機(jī)筒體內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的。對(duì)攪拌機(jī)筒壁的作用力也不可能是平衡的。由圖1可知沿?cái)嚢栎S徑向，由于2根攪拌軸上的攪拌葉片是相互交錯(cuò)安裝的，即使攪拌葉片所受的水平方向的力是平衡的，根據(jù)力學(xué)原理，將所有的攪拌葉片所受到的水平方向的力簡(jiǎn)化到攪拌機(jī)幾何中心處，最終會(huì)得到一個(gè)力偶，這個(gè)力偶會(huì)傳遞到攪拌機(jī)機(jī)架上。由于攪拌過程是一個(gè)周而復(fù)始的循環(huán)過程，因此會(huì)使攪拌機(jī)機(jī)架產(chǎn)生水平面內(nèi)的晃動(dòng)現(xiàn)象。由于這種徑向力理論上可以相互抵消一部分，故形成的力偶作用產(chǎn)生的晃動(dòng)并不很明顯。在軸向，由于攪拌葉片周期性的將物料沿軸向從攪拌機(jī)側(cè)壁的一側(cè)推移至另一側(cè)，雖然在兩根攪拌軸的端部均設(shè)置有攪拌側(cè)刮刀，但其主要作用是將粘附在攪拌筒體側(cè)壁上的物料刮掉并使之繼續(xù)參與攪拌，并且一側(cè)只安裝一把，因此無(wú)法阻擋沿軸向推移過來(lái)的物料對(duì)攪拌側(cè)壁的沖擊，這種周期性沖擊不斷地作用在整個(gè)攪拌機(jī)筒體側(cè)壁上，由于攪拌機(jī)主機(jī)與支撐機(jī)架之間為螺栓連接，因此物料對(duì)攪拌機(jī)筒體側(cè)壁的沖擊力最終會(huì)傳遞到攪拌機(jī)機(jī)架上，導(dǎo)致攪拌機(jī)主機(jī)沿軸向產(chǎn)生明顯晃動(dòng)。

圖3是混凝土攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片，可以清楚的看到物料在攪拌過程中會(huì)形成如海浪一樣的“料流波”，并且隨著攪拌大循環(huán)沖擊攪拌機(jī)筒體右側(cè)壁，在接下來(lái)某一時(shí)刻則會(huì)沖擊攪拌機(jī)筒體左側(cè)壁，由于2根攪拌軸上的攪拌葉片交互布置，且存在一定的相位角，因此物料以一定周期對(duì)攪拌機(jī)筒體側(cè)壁進(jìn)行間斷的沖擊作用，機(jī)架軸向晃動(dòng)是由雙臥軸攪拌機(jī)的工作特點(diǎn)決定的，最優(yōu)的方法就是通過改進(jìn)機(jī)架的結(jié)構(gòu)來(lái)改善機(jī)架的穩(wěn)定性。

圖3 混凝土攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2 三維實(shí)體建模及仿真分析

2.1 機(jī)架ProE三維模型

根據(jù)某公司1 m3雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸以及固定安裝位置，利用ProE三維實(shí)體建模軟件建立原始機(jī)架以及沿軸向傾斜5°的改進(jìn)機(jī)架實(shí)體模型，如圖4、5所示。機(jī)架上方4個(gè)突出方塊是用于固定攪拌機(jī)支腿所做的簡(jiǎn)化。由圖4、5可以看出，改進(jìn)前后整體結(jié)構(gòu)并未做大的改動(dòng)，僅是將兩側(cè)機(jī)架支腿沿?cái)嚢铏C(jī)軸向向外傾斜5°。

圖4 原始機(jī)架模型

圖5 改進(jìn)機(jī)架模型

2.2 機(jī)架受物料軸向沖擊力簡(jiǎn)化分析

機(jī)架受物料軸向沖擊力簡(jiǎn)圖如圖6所示。假設(shè)在某一時(shí)刻，料流對(duì)攪拌機(jī)筒體軸向的沖擊力簡(jiǎn)化到該攪拌軸中心處的集中力F，最終簡(jiǎn)化到攪拌機(jī)機(jī)架上平面并通過攪拌機(jī)機(jī)架的反力進(jìn)行平衡，盡管該集中力F近似為一種階躍沖擊載荷，但是在F作用過程中，兩側(cè)突出方塊處所受的力應(yīng)該按照靜力平衡下的比例進(jìn)行分配，并且由于力F作用時(shí)間較短，按照平衡條件施加的載荷是一種較為保守的估計(jì)，此時(shí)假設(shè)4個(gè)突出方塊的反力分別為集中載荷F1、F2，將所有力簡(jiǎn)化到一個(gè)水平面內(nèi)。

由靜力平衡條件可得

圖6 機(jī)架受物料軸向沖擊力簡(jiǎn)圖

根據(jù)理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)視頻記錄資料，F(xiàn)單側(cè)側(cè)壁作用周期大約為1 s，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，其作用過程可近似簡(jiǎn)化為如圖7所示的階躍沖擊載荷，其中虛線表示同樣大小的力作用在攪拌機(jī)另一側(cè)壁。

2.3 ProE三維實(shí)體導(dǎo)入及Ansys仿真分析

在ProE中將建立好的原始機(jī)架三維實(shí)體模型主單位調(diào)整為國(guó)標(biāo)，然后保存為IGES格式并導(dǎo)入Ansys有限元軟件中，在Ansys有限元軟件［4］中做如下處理:

圖7 力F簡(jiǎn)化圖

1)為文件命名，并選擇瞬態(tài)分析。

單元類型選擇solid185，材料的彈性模量及泊松比分別為2.06×1011Pa、0.3，考慮支架重量，機(jī)架材料為Q235，密度設(shè)置為7 850 kg/m3。

2)進(jìn)行網(wǎng)格劃分

選擇智能劃分，等級(jí)10;網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

3)添加約束及載荷

機(jī)架支腿底部平面添加位移約束，約束所有自由度;添加重力;考慮支撐攪拌主機(jī)的自身重力，以及1 m3混凝土的重量，已知該攪拌主機(jī)的質(zhì)量為9 020 kg，1 m3商品混凝土的質(zhì)量大約為2 040 kg，不考慮物料在攪拌過程中的慣性載荷，計(jì)算得到每個(gè)立方塊上應(yīng)施加310 878 N/m2的壓力;已知L1、L2分別為500，1 520 mm，為使得原始機(jī)架變形接近實(shí)際，載荷F近似取20 000 N，根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算得F1、F2分別為7 525，2 475 N，并按照?qǐng)D7形式進(jìn)行載荷的分段多步施加。

4)求解

在時(shí)間歷程后處理器POST26中繪制原機(jī)架在1個(gè)周期內(nèi)沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的應(yīng)變—時(shí)間曲線如圖9所示。

通過以上分析可知，原機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向正反方向的晃動(dòng)量不同，總的晃動(dòng)量大約為6.5 mm，在每一個(gè)階躍載荷階段應(yīng)變—時(shí)間曲線表現(xiàn)為線性變化規(guī)律，且不同的階段變化速度不同，可以看出在t=0.4～0.5 s過程中變化最快，并且在t=0.5 s時(shí)機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的應(yīng)變最大，機(jī)架在不斷變化的周期性載荷作用下沿軸向晃動(dòng)，并得到此刻原機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的晃動(dòng)量以及機(jī)架總晃動(dòng)量如圖10所示(單位為mm)。

圖8 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖9 軸向的應(yīng)變—時(shí)間曲線

由圖10可知，t=0.5 s時(shí)原機(jī)架沿軸向的最大晃動(dòng)量為3.703mm，最大總晃動(dòng)量為3.835mm，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的晃動(dòng)量較為接近，可以認(rèn)為約束以及載荷是有效的，在此基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)后機(jī)架進(jìn)行相同的分析，同樣得到在1個(gè)周期內(nèi)應(yīng)變—時(shí)間曲線如圖11所示。

圖10 原機(jī)架晃動(dòng)量

圖11 改進(jìn)機(jī)架軸向的應(yīng)變—時(shí)間曲線

由圖11可知，改進(jìn)后機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的應(yīng)變—時(shí)間曲線與原機(jī)架相似，在每一個(gè)階躍載荷階段應(yīng)變—時(shí)間曲線也表現(xiàn)為線性變化規(guī)律，且不同的階段變化速度不同，但是沿?cái)嚢铏C(jī)軸向正反方向的晃動(dòng)量基本相近，總的晃動(dòng)量大約為4.3 mm，在t=0.9～1 s過程中變化最快，在t=0.5 s時(shí)機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的應(yīng)變最大，原機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向的晃動(dòng)量以及整個(gè)機(jī)架晃動(dòng)量如圖12所示。

由圖12可知，在t=0.5 s時(shí)改進(jìn)后機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向最大晃動(dòng)量為2.175mm，最大總晃動(dòng)量為2.372 mm，最大晃動(dòng)量較改進(jìn)前有明顯降低。t=0.5 s時(shí)，原機(jī)架和改進(jìn)后機(jī)架的總應(yīng)力云圖如圖13所示(單位為MPa)。

由圖13可知，在t=0.5 s時(shí)原機(jī)架與改進(jìn)后機(jī)架最大應(yīng)力分別為177，129 MPa，機(jī)架整體材料為Q235，材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，可知晃動(dòng)過程中最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足使用要求，并且改進(jìn)后機(jī)架最大應(yīng)力較改進(jìn)前明顯降低。改進(jìn)前后結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在相同的約束條件及載荷作用下，保持原有機(jī)架整體結(jié)構(gòu)形式不變，僅將機(jī)架沿著攪拌機(jī)軸向傾斜5°便可以使機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向最大晃動(dòng)量減小為原來(lái)的41.3%，總晃動(dòng)量減小為原來(lái)的38.1%，最大應(yīng)力減小為原來(lái)的27. 1%，應(yīng)力、晃動(dòng)量均有較為明顯的降低，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性提高，證明該方法是一種簡(jiǎn)單且行之有效的方法。

圖12 改進(jìn)后機(jī)架晃動(dòng)量

圖13 t=0.5 s時(shí)改進(jìn)前后機(jī)架應(yīng)力云圖

表1 改進(jìn)前后機(jī)架最大應(yīng)力、晃動(dòng)量數(shù)據(jù)對(duì)比表

3 結(jié)論

1)攪拌機(jī)筒體兩側(cè)壁周期性的受到物料的沖擊作用是機(jī)架沿軸向產(chǎn)生較為明顯晃動(dòng)的主要原因。

2)在一定的載荷假設(shè)前提下，利用ProE三維建模軟件及Ansys有限元分析軟件對(duì)機(jī)架軸向晃動(dòng)過程進(jìn)行三維實(shí)體建模及仿真模擬，并在原機(jī)架基礎(chǔ)上僅將機(jī)架沿著攪拌機(jī)軸向傾斜5°，結(jié)果顯示機(jī)架沿?cái)嚢铏C(jī)軸向最大應(yīng)變量減小到原來(lái)的41.3%，總應(yīng)變減小到原來(lái)的38.1%，最大應(yīng)力減小到原來(lái)的27.1%，證明了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可行性，改善了雙臥軸攪拌機(jī)機(jī)架沿軸向晃動(dòng)問題。

3)目前市場(chǎng)上所用的雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)架大多為門架結(jié)構(gòu)，沿?cái)嚢栎S徑向由于門架跨度大，同樣也會(huì)存在一定的晃動(dòng)問題，上述方法亦可作為簡(jiǎn)單易行的解決方案。

［1］趙利軍，馮忠緒.雙臥軸攪拌機(jī)葉片排列的實(shí)驗(yàn)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(2):94－96.

［2］趙利軍.雙臥軸攪拌機(jī)參數(shù)優(yōu)化及其試驗(yàn)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

［3］馮忠緒.工程機(jī)械理論［M］.北京:人民交通出版社，2004:133－159.

［4］鄧凡平.Ansys10.0有限元分析自學(xué)手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2007:283－291.