一種新型混凝土攪拌主機(jī)的技術(shù)分析

李科鋒

（北京建筑機(jī)械化研究院有限公司，北京 100007）

目前市場(chǎng)上流行的強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)都不同程度存在攪拌低效區(qū)問題和水泥顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，從而降低了混凝土的攪拌效率和攪拌質(zhì)量，造成混凝土不同程度的浪費(fèi)。這些問題的產(chǎn)生除了與攪拌工藝有關(guān)外，更與攪拌機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。為了徹底解決這些問題，通過理論分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)，最終確定了攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上提出了雙螺帶混凝土攪拌主機(jī)（見圖1）。通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)顯示，雙螺帶攪拌主機(jī)有著比傳統(tǒng)攪拌主機(jī)更好的攪拌性能，是適應(yīng)新時(shí)期混凝土生產(chǎn)所需的比較理想的新型攪拌主機(jī)，有著廣范的市場(chǎng)前景和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是混凝土攪拌站（樓）的核心技術(shù)單元。

圖1 雙螺帶混凝土攪拌主機(jī)示意圖

1 研究背景

隨著國(guó)家“一帶一路”、城鎮(zhèn)化推進(jìn)，高速公路、高速鐵路等工程相繼開工建設(shè)，給各類不同強(qiáng)度的混凝土生產(chǎn)提出了更高要求，也帶來(lái)了更加繁榮的市場(chǎng)和設(shè)備需求。特別是作為中國(guó)名片的高鐵建設(shè)更是具有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、規(guī)模大、工程艱巨、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大的特點(diǎn)，需要在短期內(nèi)提供大量高性能混凝土。高鐵用混凝土多采用分次投料，要求每次投料快速達(dá)到拌合要求。傳統(tǒng)的雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)一般需要150～180s才能完成1個(gè)生產(chǎn)周期，降低了正常設(shè)備的生產(chǎn)效率。因此，高鐵專用攪拌站呼喚一種新型的高性能混凝土攪拌主機(jī)，雙螺帶混凝土攪拌主機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

2 原理與結(jié)構(gòu)

2.1 原理

混凝土攪拌機(jī)是在傳統(tǒng)雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合螺旋帶和強(qiáng)制式攪拌機(jī)的工作原理，對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)的攪拌裝置進(jìn)行了比較大的適應(yīng)性設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的一種全新的高性能混凝土攪拌機(jī)。就攪拌主機(jī)而言，主要由動(dòng)力及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、攪拌裝置（見圖2）和輔助機(jī)構(gòu)等組成。攪拌裝置作為攪拌主機(jī)的核心，其工作原理直接影響著生產(chǎn)混凝土的質(zhì)量和效率。

圖2 攪拌裝置圖

雙螺帶攪拌機(jī)工作原理其實(shí)就是攪拌裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)原理，各種組分的物料按配方比例經(jīng)過計(jì)算后進(jìn)入混凝土攪拌機(jī)，物料在帶狀螺旋葉片的推動(dòng)下進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。外螺帶將物料從一端向另一段推動(dòng)，內(nèi)螺帶則使物料向相反的方向運(yùn)動(dòng)，里層物料被推到一側(cè)后由里向外翻滾，外層物料被推到另一側(cè)后由外向里翻滾。物料在對(duì)流過程中2股物料流相互滲透、攪拌、混合，在兩側(cè)翻滾過程中再進(jìn)行混合，這樣反復(fù)進(jìn)行多次，最后通過出料控制機(jī)構(gòu)將混合均勻后的物料從卸料門卸出。

雙螺帶攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了被混合物料在拌筒內(nèi)的小阻力運(yùn)動(dòng)。大小旋轉(zhuǎn)螺條安裝于同一水平軸上，形成一個(gè)低動(dòng)力高效的混合環(huán)境。螺帶狀葉片一般做成雙層或3層，外層螺旋將物料從兩側(cè)向中央?yún)R集，內(nèi)層螺旋將物料從中央向兩側(cè)輸送，可使物料在流動(dòng)中形成更多的渦流，加快了混合速度，提高了混合均勻度。

2.2 結(jié)構(gòu)

（1）螺旋帶結(jié)構(gòu)與布置方式。

螺旋連續(xù)式葉片結(jié)構(gòu)使物料完全運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌，使卸料速度加快，物料卸料殘留率更小。長(zhǎng)正短反結(jié)構(gòu)有效的保證了混凝土在拌筒內(nèi)的循環(huán)攪拌。大小葉片雙層攪拌使拌筒內(nèi)所有物料受到完全攪拌。葉片結(jié)構(gòu)：葉片在整體上形成螺旋線，兩端刀柄結(jié)構(gòu)有效的清理拌筒邊側(cè)物料。螺旋帶葉片的布置一般為大小螺帶正反結(jié)合，由在適當(dāng)位置和兩端加裝適量數(shù)量的清理葉片組成（見圖3）。

圖3 螺旋帶葉片的布置方式

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)。

雙螺帶混凝土攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是攪拌裝置的幾何參數(shù)，主要包括螺旋曲線形式、螺旋升角、攪拌臂排列形式、大小螺帶關(guān)系及拌筒長(zhǎng)寬比。結(jié)構(gòu)參數(shù)是攪拌機(jī)的重要參數(shù)，決定了攪拌過程中物料的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)于攪拌質(zhì)量和攪拌效率有很大的影響。有關(guān)這部分的資料和內(nèi)容國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已有系統(tǒng)的闡述，本文不再累敘。

3 同類產(chǎn)品比較與特性分析

3.1 國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較

目前國(guó)外產(chǎn)品主要有日本石川島IHI、意大利SIMEM等少數(shù)混凝土機(jī)械企業(yè)生產(chǎn)該種系列混凝土攪拌機(jī)，而德國(guó)ELBA也在其傳統(tǒng)的單臥軸軸螺帶攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上，升級(jí)生產(chǎn)雙螺帶混凝土攪拌機(jī)，在結(jié)構(gòu)形式和原理上更多沿用了自己固有的核心技術(shù)。

文中圖1即為日本石川島IHI雙臥軸單螺帶攪拌形式，即主機(jī)攪拌軸每支攪拌臂座上面只有1只長(zhǎng)攪拌臂。這樣攪拌軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，僅對(duì)混凝土進(jìn)行1次攪拌。石川島IHI的動(dòng)力和傳動(dòng)有2種形式：一是采用電機(jī)減速機(jī)和鏈條齒輪的機(jī)械傳動(dòng)；二是采用電機(jī)液壓馬達(dá)形式的液壓傳動(dòng)。

SIMEM攪拌主機(jī)是一家意大利公司，也是歐洲混凝土攪拌機(jī)械行業(yè)知名企業(yè)，該公司的攪拌主機(jī)攪拌軸每支攪拌臂座上面只有2只攪拌臂，一長(zhǎng)一短，呈180°為雙臥軸雙螺帶攪拌形式。動(dòng)力和傳動(dòng)形式采用電機(jī)和專用直角減速機(jī)傳動(dòng)。

二者的特點(diǎn)是對(duì)于骨料粒徑超過40mm時(shí)，攪拌效能石川島IHI主機(jī)優(yōu)于SIMEM攪拌主機(jī)，但是骨料粒徑低于40mm時(shí)，SIMEM攪拌主機(jī)優(yōu)于石川島IHI主機(jī)。

目前成套的混凝土機(jī)械憑借性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)和服務(wù)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品大量出口，但是在核心攪拌主機(jī)方面研究還不足，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾家能夠生產(chǎn)大型的攪拌主機(jī)，多數(shù)已購(gòu)買為主。外購(gòu)1500L以上主機(jī)配套制造的混凝土攪拌站長(zhǎng)期占據(jù)行業(yè)市場(chǎng)70%以上份額。攪拌結(jié)構(gòu)的研究諸如攪拌形式、攪拌臂、攪拌葉片的布置形式、結(jié)構(gòu)、曲面、角度等多數(shù)停留在理論方面的探討，實(shí)際應(yīng)用很少。

本文研究的雙螺帶攪拌機(jī)由于在攪拌形式、攪拌臂、攪拌葉片的布置形式、結(jié)構(gòu)、曲面、升角等參數(shù)，參照了相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)修正，已經(jīng)成功完成了工業(yè)性生產(chǎn)，目前已規(guī)模應(yīng)用于有關(guān)企業(yè)的國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)生了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 特性分析

物料的混合主要存在物理混合和化學(xué)反應(yīng)，混凝土的攪拌機(jī)理就是在宏觀上完成物理混合，將不同顆粒的骨料、膠粘劑均勻分布，以便在微觀上使水泥等充分水化反應(yīng)，將不同粒徑的骨料粘接在一起。

混凝土拌和的研究，由于物料之間混合關(guān)系復(fù)雜，屬于非牛頓流體范圍，目前國(guó)內(nèi)或國(guó)際上還沒有成熟的理論指導(dǎo)。研究也先從流體物料的攪拌開始，即微觀盡可能的使物體薄層發(fā)生剪切和疊加（見圖4）。

圖4 物料攪拌微觀圖

剪應(yīng)力τ與速度梯度γ（du/dy）成比例，即

其中比例常數(shù)μ為粘度。

服從上式的為牛頓流體，不服從上式的均為非牛頓流體。濕態(tài)混凝土塌落度范圍寬，一般從塌落度值0到20以上，將其歸于賓漢姆流體進(jìn)行分析。

賓漢姆流體屬于非牛頓流體的一種，特性通常的解釋是：在靜止?fàn)顟B(tài)下，這種流體具有一種三維結(jié)構(gòu)，其堅(jiān)固程度足以經(jīng)受某一數(shù)值的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力超過這一數(shù)值于是顯示出與牛頓流體相同的特性。該描述只能接近于攪拌結(jié)果，不能表達(dá)復(fù)雜的過程描述，但是基于該理論的實(shí)驗(yàn)卻獲得結(jié)果。

3.3 結(jié)構(gòu)分析

混凝土攪拌目的是使被攪拌物料達(dá)到均質(zhì)狀態(tài)。其采用的方法有3種：第一增大分散相的有效接觸面積；第二降低分散相周圍液膜的阻力；第三增大分散相的分散速度。

以上3點(diǎn)就是對(duì)攪拌裝置的要求，其根本目的就是使被攪拌的混凝土混合料流動(dòng)起來(lái)，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)。下面分析2種混凝土攪拌裝置（見圖5）的特點(diǎn)。

（1）增大攪拌葉片接觸概率。體現(xiàn)在攪拌臂和葉片的布置形式上，上面的一種物料在斷續(xù)葉片的作用下，接觸葉片的范圍內(nèi)剪切效果好，沒有接觸部分靠葉片給予的力推動(dòng)物料之間進(jìn)行滑移產(chǎn)生剪切現(xiàn)象。由于物料屬于賓漢姆流體，其特性是經(jīng)受某一數(shù)值的剪應(yīng)力才發(fā)生流動(dòng)現(xiàn)象。相比較下面的連續(xù)螺帶式攪拌同樣效果，接觸葉片的范圍內(nèi)剪切效果好，沒有接觸部分靠葉片給予的力推動(dòng)物料之間進(jìn)行滑移產(chǎn)生剪切現(xiàn)象。但連續(xù)葉片施加給物料的接觸范圍要遠(yuǎn)較斷續(xù)葉片大，從而增加里物料與攪拌葉片直接接觸并發(fā)生強(qiáng)制作用的機(jī)會(huì)，提高攪拌質(zhì)量和效果。因此在這方面連續(xù)式的作用優(yōu)于斷續(xù)式葉片的布置形式。

（2）增加物料流動(dòng)能力。對(duì)于1500L以上的攪拌主機(jī)，由于攪拌桶容積較大，而物料的投料是局部大量，不是灑布的形式，如想提高攪拌效果，必須要求物料快速在攪拌桶內(nèi)流動(dòng)起來(lái)，才有機(jī)會(huì)產(chǎn)生更好的擴(kuò)散作用。連續(xù)葉片，內(nèi)外強(qiáng)制進(jìn)給螺旋比斷續(xù)單臂布置具有更強(qiáng)力的推動(dòng)作用，物料流動(dòng)能力更強(qiáng)，提高物料動(dòng)態(tài)混合能力，更適應(yīng)大容量主機(jī)。

（3）物料流之間的剪切加大。由于有連續(xù)葉片兩軸的正反螺旋布置，使得在兩螺旋之間的物料流產(chǎn)生更劇烈的剪切效果。斷續(xù)葉片主要實(shí)現(xiàn)垂直于攪拌軸方向的剪切效果，連續(xù)螺旋葉片完成兩軸之間的物料剪切，由螺旋斷接處產(chǎn)生逆流差，實(shí)現(xiàn)垂直于攪拌軸方向的剪切效果。這是斷續(xù)葉片不能夠?qū)崿F(xiàn)的，是二者之間的最大差別。

經(jīng)過以上分析和實(shí)踐檢驗(yàn)以2000L容量的攪拌機(jī)為例，同種高性能混凝土其攪拌時(shí)間較普通攪拌主機(jī)縮短20%～25%，攪拌功耗降低10%～15%。

（4）葉片抗磨損能力更強(qiáng)。連續(xù)葉片在攪拌時(shí)物料從葉片表面和葉片內(nèi)弧部分流過，使葉片表面和內(nèi)弧產(chǎn)生磨損。斷續(xù)葉片在攪拌時(shí)物料也從葉片表面流過，并且物料從葉片的兩側(cè)和內(nèi)弧流過，對(duì)葉片四邊產(chǎn)生磨損。二者磨損最劇烈處均在葉片與攪拌桶襯板結(jié)合部，所以控制好葉片與襯板的間隙是二者共同的部分。由于斷續(xù)葉片還要磨損兩側(cè)，這樣必然加劇攪拌葉片外弧線與兩側(cè)角部的磨損，致使葉片角部外弧與攪拌桶襯板間隙加大，加劇葉片磨損，使葉片壽命降低。而連續(xù)葉片不存在這樣的問題，只要調(diào)整好外弧與攪拌桶襯板之間的間隙就可以了。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，上述結(jié)論是正確的。

雙螺旋強(qiáng)制式攪拌葉片攪拌8萬(wàn)m3C30和C35混凝土比普通強(qiáng)制式攪拌葉片攪拌4萬(wàn)m3C30和C35混凝土后攪拌葉片磨損程度明顯要輕，前者在外弧線處有耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐磨層。

（5）螺帶式葉片的抗沖擊能力比斷續(xù)葉片低。由于結(jié)構(gòu)的原因，連續(xù)葉片的表面積比斷續(xù)葉片大，對(duì)于大粒徑骨料的抗沖擊和抗破碎能力低。

可通過以下方法處理：結(jié)構(gòu)方面，加大在攪拌臂與連續(xù)葉片的接觸面積；制訂葉片回火韌性較斷續(xù)葉片略高的熱處理工藝。正反雙螺帶之間間距原因，對(duì)于攪拌60mm以上粒徑骨料會(huì)使電機(jī)負(fù)荷較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)于2種不同形式混凝土攪拌機(jī)攪拌裝置的原理、結(jié)構(gòu)、使用情況的比較、分析、研究和總結(jié)，可以得出雙螺帶混凝土攪拌機(jī)與傳統(tǒng)混凝土攪拌機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）雙螺帶混凝土攪拌機(jī)強(qiáng)化了混凝土組分物料的軸向和徑向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和對(duì)流運(yùn)動(dòng)，有效消除了攪拌低效區(qū)的影響，明顯提高了混凝土攪拌質(zhì)量和效率，提高了設(shè)備的使用壽命。

（2）通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)也反映出雙螺帶葉片攪拌的物料不僅宏觀均質(zhì)性好，而且微觀均質(zhì)性也得到了很大改善。

但同時(shí)在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)雙螺帶攪拌機(jī)也存在需要進(jìn)一步改進(jìn)、提高的方面：（1）由于軸向力加大，致使攪拌機(jī)軸端軸承承受攪拌的軸向力，縮短了其使用壽命。（2）對(duì)于攪拌裝置間的物料合理返流需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。