基于外筒旋轉與葉片攪拌復合作用的新型干混砂漿混合機設計

摘 要:目前干混砂漿混合設備存在混合均勻度和混合效率低的問題。本文在剖析現有混合設備結構與物理作用的基礎上，通過采用復合運動高效混合原理，設計一種基于外筒旋轉與葉片攪拌復合作用的新型干混砂漿混合機。該新型混合機通過定軸輪系使攪拌葉片對物料進行強制式攪拌，同時又借助外筒旋轉對物料進一步混合，從而使物料混合更加均勻，混合效率更高。該新型混合機的設計將為干混砂漿行業關鍵混合設備研制水平的提高提供理論指導和參考。

關鍵詞:干混砂漿混合設備定軸輪系外筒旋轉葉片攪拌

中圖分類號:TU5文獻標識碼:Ａ文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0021-02

1 引言

混合設備是干混砂漿生產線中最關鍵的設備，也即是工廠的“心臟”[1]。目前國內對干混砂漿的研究大多數集中在砂漿品種開發及性能優化方面，而缺乏對生產設備的全面系統深入研究，特別是混合設備方面研究不足，僅局限于引進和仿制國外產品，混合設備發展的不足成為制約干混砂漿行業發展的瓶頸之一。

目前國內使用的混合設備大多是機械式的，按作用方式分為容器回轉型、容器固定型和復合型混合設備。容器回轉型混合設備缺陷是回轉速度慢，容器回轉空間大，伴隨回轉容易引起負荷變動;容器固定型混合設備缺陷是清洗困難，適合于少品種大批量的生產，同時存在攪拌槳葉磨損問題[2];復合型混合設備是在容器回轉型的基礎上，在容器內部增設攪拌物料用的葉片，這類混合設備容易造成物料的磨損。以上機械混合設備的共性缺陷是干混砂漿混合均勻度低，機械磨損較大[3]。除采用以上機械混合攪拌方法外，在醫藥、化工等領域也使用了磁力攪拌、超聲波攪拌、氣力攪拌等方式，經過檢索和分析現有的相關文獻可知，根據這些方式所設計的混合攪拌設備或是結構復雜，成本高，或是針對液體溶液攪拌，以及混合攪拌效率低，這些混合攪拌設備難以應用到產量大、效率高的干混砂漿生產過程中[4]。

本論文在剖析現有混合設備結構與物理作用的基礎上，通過采用復合運動物料高效混合原理，設計一種基于外筒旋轉與葉片攪拌復合作用的新型干混砂漿混合機，該新型混合機相對傳統僅是攪拌軸作用的混合機在混合均勻度和混合效率方面具有顯著優勢。

2 復合運動高效混合原理

當物料處于自落狀態和擠壓狀態時，分別沿主軸方向對物料單元進行軸向受力分析如圖1(a)所示。其中為葉片轉動角度，即為物料下滑角[5]。

當物料處于自落狀態時，其上的受力應滿足:

(1)

其中有:，，

圖1(b)為沿葉片方向的受力分析圖，其中為葉片安裝角。

其中有:

(2)

進而由(1)、(2)得出用速度表示的關系式:

(3)

其中為摩擦系數，為重力加速度，為葉片頂端到主軸線的距離。而當物料在擠壓狀態下，該狀態下攪拌設備工作的物料離心力應不大于它與攪拌葉片間的摩擦力，即:

(4)

而此時，參照徑向的受力分析圖，可以近似的認為物料單元所受的正壓力等于重力。從以上受力分析可以發現，物料在攪拌葉片的作用下沿著軸向和徑向的合成運動進行混合。

另外，混合機外筒利用定軸輪系與主軸向相反方向旋轉，打破了通過攪拌形成的穩定的流場，增大了接觸面積，能夠增強攪拌的均勻度，外筒旋轉還能夠有效避免箱體底部低效區的出現，在攪拌大循環的過程中實現有效增加混合均勻度的小循環，如圖2所示。

3 新型混合機設計

3.1 總體設計

總體結構設計示意圖如圖3所示。

該混合機由支撐部件、驅動裝置、混合裝置、進出料口以及外筒等主要部分組成。各零部件連接關系如下:電動機1經過減速器減速后，通過聯軸器3將減速器2與攪拌軸相連;攪拌軸通過平鍵與定軸輪系連接，攪拌軸通過定軸輪系帶動外筒體5旋轉;外筒體5支撐在第一支架7上，所述第一支架7上設有滾柱8，通過滾柱8與外筒體5的外壁接觸支撐，第一支架數量設置為4個，支撐安全可靠。

定軸輪系示意圖如下圖4所示。圖中標注:1齒輪1;2齒輪2;3齒輪3。在滾筒兩端分別有定軸輪系，其組成為齒輪1、齒輪2、齒輪3組成。齒輪1與攪拌軸用鍵連接，齒輪2軸固定在第二支架9上，齒輪3在外筒體的內壁上加工形成，其中齒輪2的數量為3個。運動由齒輪1(攪拌軸)輸入，通過齒輪2，帶動從動齒輪3(外筒體)轉動。運轉過程中，每個齒輪幾何軸線的位置都是固定不變的。在滾筒兩側分別有定軸輪系。

干混砂漿混合機工作時，物料由進料口4進入，電動機1經過減速器減速后，帶動攪拌軸旋轉，使攪拌葉片對物料進行強制式攪拌，同時攪拌軸通過鍵連接帶動定軸輪系的齒輪1旋轉，進而通過嚙合傳動到外筒體5，帶動外筒體與攪拌軸相反方向的轉動，物料經充分的混合后，最后由出料口6流出。

參照合作單位干混砂漿混合設備現場工作情況，該新型混合機設計的主要參數為:總容積2000L，工作容積500～1400L，攪拌筒直徑1110mm，攪拌軸直徑130mm。

3.2 輪系設計

利用輪系使外筒旋轉能更好的增加物料與葉片接觸時間，從而提高物料混合的均勻度。由于主軸和外筒均要旋轉，在保證只有一個輸入自由度的情況下，選用定軸輪系，使所有齒輪的軸線都固定，小齒輪通過支架與大地固定。為實現減速傳動，傳動比一般取1.5～4，主動件與被動件轉向相反，本文取傳動比。

定軸輪系各輪齒數的確定，必須遵照滿足四個條件:傳動比條件、同心條件、均布安裝條件、鄰接條件。下面就這4個條件對定軸輪系進行配齒計算。

(1)傳動比條件，如圖4

定軸輪系傳動比:

(5)

(2)同心條件，如圖5

主動輪與從動輪的中心距應等于從動輪與齒圈(外筒)的中心距。

所以有同心條件:

(6)

(3)均布安裝條件

對于標準齒輪傳動:

(7)

N為正整數;K為從動輪個數。

(4)鄰接條件

如圖6所示:

對于標準齒輪傳動:

(8)

進行配齒計算時，一般現根據(5)(6)(7)確定齒數，然后將齒數帶入(8)中進行驗算，

由以上公式，經過計算和檢驗，可以得出比較合理的一組齒數:

3.3 外筒設計

攪拌筒為攪拌機的工作部件，攪拌筒為圓柱形，在外筒圓周壁上面開出圓周凹槽，托架與凹槽接觸。外筒邊緣有四個托架，滾筒轉動時起到支撐的作用。攪拌筒有兩個進料口，進料口對稱設置。出料口只有一個，采用大開口全開式，卸料迅速完全。

3.4 攪拌軸及攪拌葉片設計

攪拌葉片采用槳式結構，它是由攪拌臂、葉片、連接套、攪拌軸等組成[6]。其中攪拌葉片總共有12個葉片，采用交錯排列，如圖7所示。

4 結語

基于外筒旋轉與葉片攪拌復合作用的新型干混砂漿混合機由輪系、外筒、攪拌軸、攪拌葉片、電機、減速器、聯軸器等主要部分組成，通過定軸輪使攪拌葉片對物料進行強制式攪拌，同時，又借助外筒旋轉對物料進行進一步混合，從而對物料混合更加均勻，混合效率更高，彌補了當前干混砂漿混合設備在均勻度和效率方面的不足。該新型干混砂漿混合設備的設計，將為這一行業關鍵生產設備的研制提供技術參考和理論指導。

參考文獻

[1]王小艷.干混砂漿的研制及性能研究[D].河海大學碩士學位論文，2006.5

[2]陶珍東，鄭少華.粉體工程與設備[M].北京:化學工業出版社，2003.3

[4]陳志平，章序文，林興華.攪拌與混合設備設計選用手冊[M].北京:化學工業出版社，2004.5

[4]Shinbrot T， Alexander A， Muzzio F J. Quantitative characterization of mixing of free-flowing granular material in tote(bin)-blenders[J].Powder Techo，2002，125(2):191~200.

[5]馮忠緒.混凝土攪拌理論與設備[M].北京:人民交通出版社，2001.

[6]向再勵.攪拌機設計和使用中主要參數的選取[D].西安:長安大學碩士學位論文，2008.3