膠凝砂礫石攪拌筒的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計研究

姜世杰，楊 松，聞邦椿

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

膠凝砂礫石拌和設(shè)備工作時，砂、石上料至料倉后經(jīng)過動態(tài)稱量，由皮帶輸送機(jī)傳送至攪拌筒內(nèi)，同時利用螺旋輸送機(jī)送入水泥和粉煤灰，之后加入水和外加劑，通過攪拌筒的自身轉(zhuǎn)動，達(dá)到均勻拌和效果，最終得到所需要的膠凝砂礫石材料[1-2]。這種材料里雖有水和水泥，但實(shí)為潮濕散料，骨料最大直徑可達(dá)200mm[3]，在攪拌過程中對攪拌筒的沖擊作用非常大，易引起攪拌筒滾道的損壞[4-5]；另外，滾道截面的徑向高度尺寸小，撓度小，加上攪拌筒的剛度低，在攪拌筒與滾道連接處需承受連續(xù)的交變應(yīng)力并易產(chǎn)生彈性變形，造成焊縫的破壞和開裂[6-7]，引起設(shè)備故障。由于攪拌筒的尺寸大、質(zhì)量重，一旦發(fā)生故障，造成的經(jīng)濟(jì)損失將非常巨大。所以，亟需設(shè)計新型的攪拌筒結(jié)構(gòu)來解決此類問題[8-9]。

2 膠凝砂礫石拌和設(shè)備簡介

某型連續(xù)智能膠凝砂礫石拌和設(shè)備[3，5]，如圖1所示。其主要工作流程為：骨料經(jīng)由裝載機(jī)裝入骨料倉1（用鋼結(jié)構(gòu)架支撐于地基上）中，然后落到骨料計量輸送帶2（動態(tài)稱量）上，之后經(jīng)骨料輸送帶3進(jìn)入攪拌機(jī)4內(nèi)，水泥倉9和粉煤灰倉13的出口均與各自的螺旋輸送機(jī)10和14對接，螺旋輸送機(jī)10和14的另一端分別與稱重螺旋機(jī)11和15對接，稱重螺旋機(jī)再通過軟管與進(jìn)料管相連，粉料通過進(jìn)料管進(jìn)入攪拌機(jī)4內(nèi)，同時通過供水系統(tǒng)16加水進(jìn)行攪拌，形成所需的膠凝砂礫石材料，再經(jīng)過導(dǎo)料槽5、成品皮帶機(jī)6和成品儲料倉8后，由自卸車完成裝載并運(yùn)送到工地。

攪拌機(jī)采用無基礎(chǔ)設(shè)計[3]，如圖2所示。具有便于移動，施工快速，構(gòu)件之間定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。筒體內(nèi)部分為進(jìn)料區(qū)、揚(yáng)料區(qū)及出料區(qū)3個區(qū)域，物料在筒內(nèi)的進(jìn)料葉片、揚(yáng)料葉片以及出料葉片的聯(lián)合作用下進(jìn)行推進(jìn)、分割和提升，使物料在前進(jìn)過程中的相互位置不斷變化，實(shí)現(xiàn)交叉立體式混合，從而達(dá)到均勻攪拌的目的[10-11]。

圖2 攪拌機(jī)示意圖Fig.2 Cemented Sand and Gravel Mixer

3 攪拌筒結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

圖3 滾道焊接式攪拌筒。Fig.3 Mixing Drum with Welded External Roller Path

圖4 一體式攪拌筒。Fig.4 One-piece Mixing Drum

目前在生產(chǎn)實(shí)際中，通常是將滾道分段焊接于滾筒之上[3，12]，如圖3所示。但是焊接處的強(qiáng)度較低，易出現(xiàn)破壞和開裂現(xiàn)象，針對此問題，提出了兩種新型設(shè)計方案。方案一是保持原滾道尺寸基本不變，避免焊接工序，將滾道與攪拌筒身鑄造為一體，從而增加滾道處的強(qiáng)度，如圖4所示。方案二是將攪拌筒設(shè)計為三段式，各段之間采用螺栓連接，各段配合處形成一個滾道，由于安裝螺栓需要一定空間，滾道徑向尺寸會略大一些，如圖5所示。

圖5 裝配式攪拌筒Fig.5 Assembled Mixing Drum

4 攪拌筒結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真

4.1 數(shù)值計算模型

應(yīng)用有限元法對攪拌筒進(jìn)行強(qiáng)度計算[13-14]，其中攪拌筒材料為16Mn鋼，許用應(yīng)力為250MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3[2]。對三種類型結(jié)構(gòu)采用自動方法（六面體單元）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸大小為30mm。固定約束位于攪拌筒中部的擋板上；此外，膠凝砂礫石密度ρ=2450kg/m3，攪拌筒轉(zhuǎn)速16r/m，攪拌筒傾角為5°，攪拌筒筒體按實(shí)際情況施加壓力，包括筒體自重和盛裝物料的重量以及由攪拌筒旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用，最終，每個托輪處的支撐力為F=33200N。托輪和攪拌筒理論上為線接觸，但實(shí)際上由于塑形變形必然為面接觸，數(shù)值模型中將按照面接觸進(jìn)行仿真計算；攪拌筒在工作中是勻速旋轉(zhuǎn)的，因此受力也是周向均勻的，為了便于計算并保證準(zhǔn)確性，針對攪拌筒進(jìn)行靜力計算分析[15-16]。

4.2 計算結(jié)果

焊接式攪拌筒的最大應(yīng)力為48.5MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.44×10-4mm，應(yīng)力應(yīng)變集中分布在托輪與攪拌筒接觸的區(qū)域，如圖6所示。

圖6 焊接式攪拌筒應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果Fig.6 Stress and Strain Results of the Mixing Drum with Welded External Roller Path

一體式攪拌筒的最大應(yīng)力為31.9MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.76×10-4mm，應(yīng)力應(yīng)變較為均勻地分布在托輪與攪拌筒接觸區(qū)域，如圖7所示。

圖7 一體式攪拌筒應(yīng)力結(jié)果Fig.7 Stress and Strain Results of The One-Piece Mixing Drum

裝配式攪拌筒最大應(yīng)力為7.52MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.76×10-5mm，應(yīng)力應(yīng)變均勻地分布在托輪與攪拌筒接觸區(qū)域，如圖8所示。

圖8 裝配式攪拌筒應(yīng)力結(jié)果Fig.8 Stress and Strain Results of The Assembled Mixing Drum

三種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度結(jié)果及其優(yōu)缺點(diǎn)比較，如表1所示。通過對比，最優(yōu)方案為方案二—裝配式攪拌筒。

表1 應(yīng)力應(yīng)變分析表Tab.1 Analysis Table of Stress and Strain

4.3 結(jié)果分析

通過分析可知，焊接式攪拌筒滾道強(qiáng)度最低、應(yīng)力應(yīng)變值最大，滾道的可靠性最低，即使用壽命最短。這是因?yàn)榧词乖诶硐霔l件下，滾道無間隙地焊接在筒體上，但滾道截面的徑向尺寸小、撓度小，且筒體的剛度低易產(chǎn)生彈性變形，使焊接部位連續(xù)承受交變應(yīng)力，易引起滾道的破壞；另外，由于加工誤差，滾道內(nèi)徑與筒體外徑尺寸很難一致，使得焊接部位原本就存在缺陷，在攪拌筒長期工作中，會加速滾道的破壞；此外，由于滾道（Mn16）與筒體（Q235）屬于不同的材料，兩者強(qiáng)度不同，造成正常工作中筒體的形變量與滾道的形變量不同，同樣會加劇滾道的破壞。因此，焊接式攪拌筒的滾道強(qiáng)度有限[7-8]，可靠性差。

方案一：一體式攪拌筒的滾道強(qiáng)度較高、應(yīng)力應(yīng)變值較小、滾道的可靠性較高，即使用壽命較長。其原因是攪拌筒和滾道加工為一個整體，強(qiáng)度一致，整體機(jī)械性能較好，當(dāng)攪拌筒運(yùn)轉(zhuǎn)時，滾道上承受的載荷能均勻地傳遞到筒身上，過渡良好，減小了應(yīng)力集中的影響。因此，一體式攪拌筒的滾道處強(qiáng)度較好，可靠性較好。

方案二：裝配式攪拌筒的滾道強(qiáng)度最高、應(yīng)力應(yīng)變值最小、滾道的可靠性最高，即使用壽命最長。這是因?yàn)闈L道的徑向尺寸、撓度和剛度大，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的彈性變形小，所承受的交變應(yīng)力也就小，利于其使用壽命的增長；另外，滾道與筒身一體，結(jié)構(gòu)牢靠，且滾道強(qiáng)度強(qiáng)于滾筒，不易產(chǎn)生破壞；此外，螺栓連接抗沖擊振動能力強(qiáng)，可靠性高，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，裝配式攪拌筒的滾道處強(qiáng)度最高，可靠性最好。

綜上所述，裝配式攪拌筒的滾道強(qiáng)度最優(yōu)，可靠性最高；一體式攪拌筒的結(jié)構(gòu)次之；現(xiàn)有的焊接式攪拌筒的滾道強(qiáng)度最差，可靠性最低。

5 結(jié)論

提出了兩種新型膠凝砂礫石攪拌筒的設(shè)計方案，通過與現(xiàn)有的攪拌筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計算對比分析，確定新型攪拌筒設(shè)計方案的可靠性。結(jié)果表明，（1）方案二：裝配式攪拌筒在滾道處的應(yīng)力應(yīng)變最小，可靠性最高；（2）方案一：一體式攪拌筒的設(shè)計為次優(yōu)；（3）而現(xiàn)有的焊接式攪拌筒在滾道處的應(yīng)力應(yīng)變最大，可靠性最低。（4）通過對攪拌筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善攪拌筒滾道處的可靠性，有助于延長攪拌筒的使用壽命，滿足現(xiàn)場對攪拌設(shè)備的要求。另外，研究結(jié)果也為膠凝砂礫石攪拌筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。更進(jìn)一步的研究，需要與現(xiàn)有攪拌筒的實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，驗(yàn)證計算模型的可靠性，并深入分析優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。

［1］Bondareva，G.I.，Extending the life of concrete-mixer components，Russian Engineering Research，v 32，n 3，229-36，March 2012.

［2］王日東，智剛，張曉剛.一種連續(xù)式滾筒攪拌機(jī).實(shí)用新型專利［P］.ZL 2013 2 0538787.8.（Wang Ri-dong，Zhi Gang，Zhang Xiao-gang.A type of continuous rotary mixer，patent for utility model［P］，ZL 2013 2 0538787.8.）

［3］郭爽，王日東，智剛.JLB200型連續(xù)智能膠凝砂礫石拌和設(shè)備［J］.工程機(jī)械，2015（8）：1-7.（Guo Shuang，Wang Ri-dong，Zhi Gang.JLB200 type continuous intelligent cemented sand and gravel mixing equipment［J］.Journal of Mechanical Engineering，2015（8）：1-7.）

［4］張桂珍.山西省守口堡水庫膠凝砂礫石壩科研生產(chǎn)性試驗(yàn)方案設(shè)計［J］.山西水利科技，2014（3）：62-65.（Zhang Gui-zhen，Scientific productive experiment design of cemented sand and gravel dam in reservoir shoukoupu，shanxi province［J］.Shanxi Hydrotechnics，2014（3）：62-65.）

［5］胡素云，宋友發(fā).混凝土攪拌運(yùn)輸車滾道和托輪常見問題及改善措施［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011（11）：94-96.（Hu Su-yun，Song You-fa.Common problems and improvement measures of roller and roller path for concrete mixer truck［J］.Road Machinery&Construction Mechanization，2011（11）：94-96.）

［6］Zhao Jin-xiang，Liu Xin-hui，Xin Zhen-yang.Research on the energysavingtechnologyofconcretemixertruck［C］.4thIEEEConference on Industrial Electronics and Applications，ICIEA 2009，Xi’an，China.

［7］Mapelli，F(xiàn)erdinando Luigi；Tarsitano，Davide；Annese，Davide；Pirri，Nicola；Zorzi，Emanuele，Study of a concrete mixer hybrid truck，ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，Proceedings（IMECE），2013（6）.

［8］符建章.混凝土攪拌運(yùn)輸車滾道使用中常見問題的分析［J］.專用汽車，2010（11）.（Fu Jian-zhang，Common problems analysis of roller path for concrete mixer truck［J］.Journal of Special Vehicles，2010（11）.）

［9］韓欣雨，周丹云，吳亮熹.混凝土攪拌運(yùn)輸車滾道焊縫開裂問題分析及解決方案［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2015（12）.（Han Xin-yu，Zhou Dan-yun，Wu Liang-xi.Analysis and solution of weldingspotcrackinrollerpathofconcretemixertruck［J］.Journal of the Technology and Development of Enterprises，2015（12）.）

［10］Xing Pu，Yin Xiu-jie，Zhao Jing-yun，Rapid Tooling of Mixer Mixingblade of Concrete Mixer［J］.Advanced Materials Research，2010（33）：236-340.

［11］Ahmadian，H.，Hassanpour，A.，Ghadiri，M.，Analysis of granule breakage in a rotary mixing drum：Experimental study and distinct element analysis，Powder Technology，2011，6（25）.

［12］Ji Zhou，Yongyang Jiang，Study and Simulation of the Fluidization Quality of the Concrete Mixer Truck，Advanced Materials Research，2012（468-471）：1367-1370.

［13］張忠原.基于SolidWorks和ANSYS的改向滾筒有限元分析［J］.礦山機(jī)械，2014，42（3）：47-50.（Zhang Zhong-yuan，F(xiàn)EA of bend pulley based on SolidWorks and ANSYS［J］.Mining Machinery，2014，42（3）：47-50.）

［14］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.（Wang Xu-cheng.Finite Element Method［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2003.）

［15］Badawi，Hossam S.，Mourad，Sherif A.，Metwalli，Sayed M.Finite element analysis for a CAD of a concrete mixer drum，Computers in Engineering ［J］.Proceedings of the International Conference and Exhibit，1994：741-747.

［16］Wang An-lin，Yu Xiao-hua，Wang Jian-wan.Simplified numerical simulation in concrete multi-phase mixing drum based on quasi-fluidsolid two-fluid model［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2009，2（37）.