雙臥軸攪拌機(jī)攪拌速度對(duì)均勻度影響的研究

張勝軍，蘆 強(qiáng)

(蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近幾十年來(lái)，我國(guó)的公路交通事業(yè)取得了迅猛發(fā)展，其中最顯著的代表便是高速公路里程的迅速增長(zhǎng)。由于我國(guó)的高速公路幾乎全為瀝青路面，因而瀝青混合料的攪拌質(zhì)量對(duì)路面的使用壽命影響很大。瀝青混合料是通過攪拌機(jī)攪拌得到，攪拌機(jī)的攪拌速度不僅影響瀝青混合料均勻度，同時(shí)也影響攪拌效率，因此選擇最佳的攪拌速度至關(guān)重要，目前對(duì)投料位置、投料順序、投料持續(xù)時(shí)間、充盈率以及攪拌時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)攪拌均勻性的影響進(jìn)行了EDEM仿真分析，但未對(duì)攪拌機(jī)攪拌速度對(duì)均勻度的影響進(jìn)行分析[1-3]。

為此，筆者采用 EDEM 離散元軟件仿真分析的方法來(lái)分析攪拌速度對(duì)瀝青混合料攪拌均勻性的影響。通過對(duì)不同攪拌速度下攪拌均勻度的分析得出，不同的攪拌速度對(duì)攪拌均勻度有明顯的影響，其結(jié)果對(duì)大型攪拌站攪拌速度的設(shè)置具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)用攪拌機(jī)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 相似原理

在工程實(shí)際中，相似設(shè)計(jì)主要的研究為利用物理模型裝置對(duì)物理原型的工作規(guī)律最大程度的進(jìn)行還原。在生產(chǎn)實(shí)際中，利用某些大型的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)成本較高或是難度較大，則可以通過相似原理將大型設(shè)備進(jìn)行相似模型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在物理相似中主要為基本參量相似、系統(tǒng)相似、運(yùn)動(dòng)相似以及其它相似。其中基本參量的相似中長(zhǎng)度相似即在原型與模型的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度成一定的比，L1/L2=CL。

1.2 攪拌機(jī)主要尺寸的確定

以DG4000型為原機(jī)型。其外形尺寸：長(zhǎng) 174 cm、寬 248 cm、高 165 cm、攪拌半徑R=70 cm。4000型的攪拌機(jī)的有效容積為2.5 m3，文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的有效容積為0.02 m3。則體積相似比有k=2.5/0.02=125，由于體積是m的三次方，則相似比為5，即則其長(zhǎng)35 cm、寬為50 cm、高為33 cm。

DG4000-型攪拌機(jī)與實(shí)驗(yàn)用攪拌機(jī)在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中主要區(qū)別為攪拌過程中攪拌軸和攪拌臂的尺寸計(jì)算，實(shí)驗(yàn)用攪拌機(jī)計(jì)算過程以卡料時(shí)的力為主，而DG4000以攪拌推動(dòng)瀝青混合料的力為主，因此使用相似原理進(jìn)行設(shè)計(jì)則無(wú)法滿足強(qiáng)度要求。

1.2.1 攪拌葉片尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算

攪拌葉片長(zhǎng)寬計(jì)算可按下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

將半徑R代入上式中有：攪拌葉片的長(zhǎng)取0.092 m，寬取0.07 m。

1.2.2 攪拌葉片的數(shù)量、安裝角及排布

目前國(guó)內(nèi)外所采用的攪拌葉片安裝角α大都在31°～46°之間[1]，葉片投影于攪拌軸的長(zhǎng)度與攪拌軸的比為重疊系數(shù)，通過查找相關(guān)攪拌設(shè)計(jì)資料知ε的許用值為0.92～1.25[4]。攪拌臂的個(gè)數(shù)用n來(lái)表示，取重疊系數(shù)最大為1.25，葉片長(zhǎng)度取0.084，則有：

則攪拌臂的個(gè)數(shù)：

因?yàn)棣恋娜≈翟?1°～46°之間，代入上式則有，6.1≤n≤7.5。文中取葉片個(gè)數(shù)為6。

在參考文獻(xiàn)[5]中趙悟的理論分析計(jì)算知葉片安裝角的取值為31°～40°，對(duì)于寬短型攪拌機(jī)來(lái)說，葉片安裝角相應(yīng)取小一些。綜合攪拌機(jī)其他參數(shù)和結(jié)構(gòu)，對(duì)于文中的寬短型攪拌機(jī)葉片安裝角取40°。

正正交錯(cuò)布置中有四組逆流相位為135°，其攪拌軸之間逆流頻次高也不阻斷大循環(huán)，排列方式較理想。因此葉片排列選用正正交錯(cuò)布置[5]。

2 EDEM仿真分析

2.1 仿真前處理

EDEM是離散元分析軟件，主要功能為仿真分析和觀察顆粒流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過以上計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行仿真三維建模如圖1所示。將攪拌機(jī)模型導(dǎo)入EDEM中并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其各參數(shù)值如表1與表2所列。

圖1 攪拌機(jī)仿真模型圖

表1 碎石與45鋼物理特性

在此次仿真的過程中，為使仿真更具實(shí)際意義，在仿真中混合料的配合比根據(jù)實(shí)際修筑路面中采用AC-25型級(jí)集配瀝青混凝土的配合比。攪拌混合料的各粒徑質(zhì)量如表3所列。攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為55 r/min、69 r/min、82 r/min，即攪拌葉片線速度0.8 m/s、1 m/s、1.2 m/s，仿真時(shí)間20 s。

表2 各接觸體之間的參數(shù)

表3 混合料的配合比

2.2 EDEM攪拌的仿真求解和后處理

將Reyleigh時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為固定步長(zhǎng)的30%，仿真時(shí)間設(shè)置為20 s，網(wǎng)格大小設(shè)置為最小粒徑的4倍。攪拌過程中混合料在前4 s為下料過程，在Y軸方向上設(shè)置重力加速度。則選取不同時(shí)刻，不同方向觀察攪拌過程。攪拌過程如圖2所示。

圖2 不同時(shí)刻、不同方向物料狀態(tài)圖

69 r/min攪拌速度下不同顆粒的混合料平均速度變化如圖3所示，圖3中(a)、(b)分別為最大顆粒和最小顆粒的混合料平均速度變化圖。由圖知最大顆粒的平均速度在0.38 m/s附近變化，最小顆粒的平均速度在0.41 m/s附近變化，由此可知在攪拌過程中小顆粒的運(yùn)動(dòng)較劇烈。

(1) 網(wǎng)格處理

通常，攪拌機(jī)攪拌的均勻度是衡量其攪拌性能的主要指標(biāo)。在仿真結(jié)束之后將攪拌機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖3 不同顆粒的混合料平均速度變化圖

圖4 網(wǎng)格劃分圖

(2) 混合料的均勻度分析

各網(wǎng)格中混合料的總質(zhì)量與某粒徑混合料的質(zhì)量變化可通過EDEM中自處理成的曲線圖大致判斷混合料在某一網(wǎng)格中的均勻性，但此方法只能判斷混合料質(zhì)量的大致變化不能準(zhǔn)確判斷混合料均勻性。因此在仿真結(jié)束后在后處理階段，選取網(wǎng)格，分別導(dǎo)出各網(wǎng)格中混合料的總質(zhì)量與各粒徑混合料的質(zhì)量，則可計(jì)算出各粒徑混合料的實(shí)際配合比，計(jì)算過程中去除質(zhì)量很小的網(wǎng)格。若通過計(jì)算某時(shí)刻各網(wǎng)格中的某粒徑混合料所占質(zhì)量比與配合比中此粒徑混合料的配合比進(jìn)行比較來(lái)判斷此時(shí)刻混合料的均勻性具有一定的局限性，因此在此次仿真中為觀察攪拌過程中混合料均勻度的變化情況引入離散系數(shù)來(lái)判斷混合料的均勻性，離散系數(shù)通常為統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)，主要是反映單位平均值的離散程度[6]，不同粒徑混合料的離散系數(shù)越小則其相應(yīng)的均勻度越好。以下是10～25 mm粒徑混合料的離散系數(shù)的計(jì)算方法：

此處主要對(duì)混合料中最大粒徑和最小粒徑的混合料進(jìn)行離散系數(shù)計(jì)算，即對(duì)10～25 mm、0～3 mm粒徑混合料的離散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，時(shí)間間隔取2 s，計(jì)算結(jié)果如表4所列。

表4 三種轉(zhuǎn)速下各顆粒的離散系數(shù)

根據(jù)表4中55 r/min、69 r/min、82 r/min下的離散系數(shù)繪制三種轉(zhuǎn)速下離散系數(shù)的對(duì)比圖5。

由圖5(a)中10～25 mm粒徑混合料的離散系數(shù)變化知，55 r/min的攪拌速度下前8 s離散系數(shù)較大,均大于69 r/min和82 r/min轉(zhuǎn)速下的離散系數(shù),前10 s、82 r/min轉(zhuǎn)速下離散系數(shù)小于55 r/min和69 r/min轉(zhuǎn)速下的離散系數(shù),16 s之后Cv(55r/min)

圖5 離散系數(shù)對(duì)比圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過EDEM仿真分析，得出以下重點(diǎn)結(jié)論。

(1) 攪拌時(shí)間在前8s時(shí)混合料的均勻度急劇變好，在同一轉(zhuǎn)速下小粒徑的混合料更易均勻，不同粒徑的混合料“最佳攪拌速度”不同。

(2) 在確定攪拌速度時(shí)應(yīng)綜合考慮最佳攪拌速度，由仿真分析拌葉片線速度為1 m/s(69 r/min)時(shí)攪拌均勻度最好。

(3) 在同一轉(zhuǎn)速下小粒徑混合料更易均勻且大粒徑混合料的“最佳攪拌速度”較低，因此對(duì)攪拌機(jī)的攪拌速度可設(shè)置變速，由高到低，則可減小攪拌機(jī)功率消耗，提高效率。

總之，攪拌過程中選擇“最佳攪拌速度”即可避免因攪拌速度不合理造成的混合料攪拌質(zhì)量不佳，又避免了因攪拌時(shí)間過長(zhǎng)造成的瀝青老化和能量浪費(fèi)。