水工型大容量雙臥軸混凝土攪拌機電氣設計

馮新紅 何新初 陸學富

（水利部產品質量標準研究所，浙江 杭州 310012）

1 引言

雙臥軸強制式攪拌機是當今混凝土生產中最常用的一種攪拌機，大型雙臥軸攪拌機不僅對混凝土的水灰比、強度、塌落度的適應性寬，而且由于其攪拌性能好，攪拌均勻，拌制混凝土振搗性能好更容易澆筑，是生產大骨料水工碾壓混凝土的最佳選擇。水工混凝土攪拌機與一般城建混凝土攪拌機是有區別的，國內攪拌機生產廠家很多，但都不適合生產大粒徑、低塌落度的水工混凝土。國外廠家SICOMA、BHS等實際上已統治了我國的水工混凝土攪拌機市場。因此，引進吸收國外先進技術，提高我國水電工程大型強制式攪拌機的設計制造水平，滿足大型碾壓混凝土壩高速、連續、大強度施工要求，已成為我國大型混凝土攪拌樓核心技術攻關課題。混凝土攪拌機的電氣設計是研制的重要組成部分，直接關系到攪拌機以后的運行維護。電氣設計主要包括攪拌機功率的確定，攪拌機啟動方式的選擇，潤滑系統、安全保護、在線監控系統的設計等部分。

2 攪拌機主參數

根據水利水電工程施工用水工碾壓混凝土：混凝土密實度高，體積質量通常在2.5～2.7t/m3；混凝土的骨料級配的骨料粒徑大；混凝土坍落度低；碾壓砂石粉含量高（16%～20%），骨料的石英含量高（達50%～80%）等特點，對攪拌機構的各主參數進行優化設計。MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機主要技術參數表1：

表1：主要技術參數表

①：搗實后的水工碾壓混凝土。

3 攪拌機驅動方式及功率計算

攪拌機的驅動方式通常采用電機驅動和液壓驅動兩類，電機驅動采用皮帶傳動，結構簡單，維護方便，安裝緊湊，無污染；液壓驅動采用液壓馬達，需要配置液壓站，安裝液壓管路，安裝復雜，如液壓管路泄漏，容易造成油污污染，而且對設備維護要求比較高，成本高。目前世界上主要攪拌機生產企業，如BHS公司、SICOMA公司等，均采用電機驅動方式，根據性價比，維護成本等綜合考慮，MSO9000型攪拌機采用電機驅動。根據總體布置要求，選用4臺異步電機，對稱布置在兩根攪拌軸的兩端。

因為攪拌過程中各種參數的變化比較大，各材料組成成份的狀態和性質均發生變化，攪拌機功率精確的計算是比較困難的。一般來說是通過計算物料對攪拌葉片（包括攪拌臂）的阻力（阻力系數）來推算。阻力系數和混凝土的級配強度，骨料粒徑，坍落度和葉片的線速度有關，其中影響最大的是葉片的線速度。

根據對物料攪拌部位的不同，攪拌機內葉片分為端刮板和刀片，所以在阻力的計算中，可以分別計算刮板阻力和刀片阻力，雖然攪拌機的刀片大小形狀可能有所不同，但在計算中可以近似的考慮為相同；由于大容量攪拌機中，攪拌臂尺寸比較大，因此在阻力計算的時候應考慮攪拌臂的阻力，攪拌臂可按柱體考慮，查閱資料和經驗，攪拌機工作阻力推算公式：M=K（Z1*L*b*r1*cosα+Z2*H*B*R*cosβ+Z2*h*D*r2)；其中：K-阻力系數；Z1-同時參加攪拌的刮板總數量；L-刮板高度；b-刮板寬度；r1-刮板平均回轉半徑；α-刮板與攪拌軸軸向夾角；Z2-同時參加攪拌的葉片總數量；H-葉片高度；B-葉片寬度；R-葉片平均回轉半徑；β-葉片與攪拌軸軸向夾角；h-攪拌臂高度；D-攪拌臂阻力面寬度；r2-攪拌臂平均回轉半徑

對于K系數的選擇，主要由葉片的線速度決定，根據經驗在不同葉片的線速度下（雙臥軸攪拌機葉片線速度常在v＝1.2～1.7m／s內），K的一般推薦取值范圍為K＝7～9N／cm2。經驗表明，線速度大時，K取值較大，反之，取值較小。MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機的葉片線速度為1.67m／s，所以在計算的時候K＝8.5N／cm2。代入MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機的各個參數：Z1＝4，L＝65cm，b＝52.8cm，r1＝42.5cm，α＝53°，Z2＝10，H＝20cm，B＝52.8cm，R＝75cm，β＝53°，h＝65cm，D＝10cm，r2＝32.5cm。計算MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機工作阻力：

M=8831413.232N·cm=88314.13232N·m攪拌需要總功率：

n-攪拌機軸的轉速（rpm）；η-攪拌機軸的傳動效率

單臺電機所需功率：

KA-電機的容量儲備系數;N-電機數量MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機軸的設計轉速n＝18.8rpm。

對于攪拌機軸的傳動效率η的確定，攪拌機電機通過皮帶輪傳動，再經過渦輪蝸桿減速機驅動攪拌軸，傳動效率為綜合的傳動效率，經過查詢相關產品的參數和相關規范，減速機的傳動效率為0.81，皮帶傳動效率為0.96，4臺電機的同步效率為0.95，綜合考慮η取0.74。對于電機的容量儲備系數KA的確定，由于混凝土攪拌機在攪拌開始時，受物料下料的沖擊，受力極不均勻，軸上承受的阻力比正常攪拌的時候大的多，同時在攪拌的過程中會出現葉片和桶體之間卡料想象，并能保證攪拌均勻后混凝土的重載啟動，所以在電機選擇的時候要有一定的容量儲備系數，通常情況下取KA下＝1.1～1.25，MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機需考慮在停機5分鐘內重載啟動的能力，所以KA取1.25。代入MSO9000型雙臥軸強制式混凝土攪拌機的其他參數，計算得到整機功率和每臺電機的功率：

根據電機功率檔次的選型規格，最終確定選用4臺75KW異步電機。

在樣機測試中生產4級配混凝土時實測功率為207Kw，所選擇電機滿足實際使用需要。

4 啟動方式選擇

電機的啟動方式，由電機容量大小、供電系統的相對容量和負荷特性等共同決定；大電機采用直接啟動的時候，6-7倍于額定電流的啟動電流，將對供電系統造成沖擊，降低系統電壓，影響其它設備正常運行，同時大啟動電流將對機械系統造成沖擊，不利于設備的運行，要降低攪拌機的啟動電流通常采用的方法是降壓啟動。

降壓啟動的常用方式有：Y-△降壓啟動、自藕變降壓啟動、軟啟動等。目前對于37KW以上的電機，國內外攪拌機生產企業均推薦使用降壓啟動方式，最常用的為Y-△降壓啟動方式。Y-△降壓啟動方式，在啟動的時候采用星形接法，電機的啟動電壓降低了倍，電流也降低了倍，啟動完成后轉換為三角形接法正常運行，減少了啟動電流對供電系統的沖擊，這種啟動方式設備簡單，維護方便，但主要缺點是大幅降低了啟動力矩，只相當于全壓啟動的1/3，所以這種啟動方式，適用于空載或輕載啟動，在攪拌機事故性停機后，攪拌機沒法重載啟動。

自藕變降壓啟動是通過自藕變壓器降低啟動時的電流，啟動電壓可以根據實際需要通過變壓器進行調整，該啟動方式由于設備笨重，缺少必要的監控方法，在混凝土攪拌行業應用較少。隨著控制技術的發展，軟啟動技術越來越多的在大電機中使用，本攪拌機就選用了軟啟動方式。軟啟動器啟動方式可以滿足攪拌機、研磨機等設備重載負荷啟動要求，具體有如下優點：

1）、軟啟動可以按需求設置攪拌機啟動電流倍數和啟動時間，減少對供電系統和設備的啟動沖擊；參數，它表明在給定條件下測量結果可能出現的區間，所以不確定度報告在給出不確定度的同時要給出測量結果。

[1]GB/T 528－2009硫化橡膠或熱塑性橡膠－拉伸應力應變性能的測定.

[2]CNAS－GL05：2006測量不確定度要求的實施指南.

[3]JJF1059－1999測量不確定度評定與表示.