600型水泥穩定土振動攪拌器參數優化設計

(長安大學工程機械學院 陜西 西安 710064)

引言

攪拌器是穩定土廠拌設備的核心，其性能直接影響了穩定土基層的質量。目前，對于雙臥軸穩定土振動攪拌技術的研究還不成熟，本次設計主要對攪拌器的結構及長寬尺寸、葉片尺寸及安裝角、攪拌臂的排列形式等進行優化分析設計，進而解決傳統穩定土攪拌器所產生的攪拌不均勻、離析等問題，提高攪拌設備的作業質量和效率。

一、振動攪拌原理

振動攪拌是強化穩定土生產過程、提高攪拌質量和效率方法。簡單的說，振動攪拌就是在原來的攪拌機構上加了振動裝置，使得攪拌器在攪拌的同時通過附加的振動作用來強化攪拌的過程。由于振動的存在，攪拌過程中混合料處于抖動的狀態，使得顆粒之間的有效碰撞次數增加，有效的解決了水泥顆粒團聚現象，提高了混合料的強度。

二、總體方案設計

連續式攪拌器的主體部分主要包括機架、攪拌筒、驅動裝置、傳動系統等。參考同類型的水泥混凝土攪拌機的相關設計，總體結構布局簡圖如圖1所示。本方案設計對攪拌筒結構進行了改進，在攪拌筒沿長度方向開設三個槽孔，將振動板安裝在槽孔的位置，激振器直接附著在振動板上，使得振動與攪拌同時發生。

圖1 連續式穩定土振動攪拌器示意簡圖

1-電機；2-減速器；3-同步齒輪；4-攪拌缸；5-機架；6-攪拌裝置；7-激振器

三、穩定土振動攪拌器參數優化設計

(一)攪拌筒的有效容積

攪拌器的有效攪拌容積U是指攪拌葉片所能翻拌物料的體積。

圖2 攪拌器幾何示意圖

圖2中陰影部分面積為：

(1)

式中：R-攪拌缸半徑，mm；

φ-攪拌軸中心和缸體底部中線連線與水平線的夾角，°。

則有效容積為：

U=Slkψ

(2)

式中：

ψ-攪拌殼體的形狀系數，通常為0.85～1；

lk-攪拌筒長度，m。

對于連續式攪拌器的設計，有效容積U還可根據公式:

(3)

式中：Q-攪拌器的理論生產率，600t/h；

t-有效的拌合時間，本次取t=15s；

ρ-混合料松方密度，查相關資料，本次取ρ=1.76t/m3。

(二)攪拌筒長寬比ψ及攪拌缸半徑R

攪拌缸的半徑R是攪拌筒殼體的基本參數，攪拌筒的長度lk、寬度bk及兩拌缸的中心距ɑ均與R有關。其中：

a=2Rcosφ

(4)

bk=a+2R=2R(1+cosφ)

(5)

lk=ψbk=2Rψ(1+cosφ)

(6)

聯立式1-6，有：

(7)

由式(7)可知，攪拌缸的半徑只與長寬比及夾角φ有關。這里初選φ=45°，代入式中得，U=9.75R3ψ=1.42m3。因此根據不同的長寬比，可以得到不同的拌缸旋轉半徑，如表1所示。

表1 不同長寬比對應不同的相應尺寸

考慮到中心距a與同步齒輪的分度圓直徑d大小相等并且為整數，參考已有類型的連續式穩定土攪拌機尺寸，并結合同步齒輪模數的選取系列，優化后得到一組數據為：長寬比ψ=1.70，夾角φ=45.2°，攪拌缸旋轉半徑R=440mm，中心距ɑ=620mm，攪拌筒寬度bk=1500mm，長度lk=2550mm。

(三)攪拌葉片設計及葉片安裝角確定

攪拌葉片示意圖如圖3所示，包括葉片的長度L和葉片寬度W及葉片厚度δ。根據相關設計，計算公式如下：

L=(0.4～0.57)R

(8)

W=(0.6-0.8)L

(9)

將R=440mm代入式3.11中得L=176～250.8mm,初步取L=220mm，代入式(8)中得W=132～176mm，本次取W=150mm。此外，查相關資料，葉片厚度δ取10mm，材料選用耐磨鑄鐵。

圖3 攪拌葉片尺寸示意圖

葉片安裝角應保證物料軸向和徑向的運動均衡，達到拌合均勻的目的。根據相關研究，同時結合目前市場同類機型，本次取葉片安裝角α=45°。

(四)攪拌臂的結構設計及攪拌臂的相位和排列形式確定

1.攪拌臂的結構設計

分析以往的攪拌臂設計，在實際攪拌中只存在一種攪拌臂，存在一定的攪拌低效區。本次設計采用長、短兩種形式攪拌臂，長攪拌臂主要攪拌靠近攪拌筒層的混合料，短攪拌臂主要用于靠近攪拌軸區域的混合料。其結構如圖4所示。

圖4 攪拌臂結構

2.攪拌臂的料流排列

料流排列對混合料的均勻分布有直接的影響，根據相關研究，圍流形式下混合料在攪拌筒內的分布比較均勻，葉片與拌筒底部磨損均勻。因此，本次采用圍流排列形式。

3.攪拌臂的相位及排列形式

單軸攪拌臂的排列是指單軸上相鄰兩拌臂的相位的布置及排列形式，據分析，正向排列布置時，混合料的循環流動次數會明顯多于反向排列布置，攪拌的均勻性會更好，因此本次也采用正排列。為了保證混合料軸向的大循環的流動，取相鄰拌臂之間采用45°相位布置，因此長攪拌臂之間為90°相位布置，短攪拌臂之間為90°相位布置。其排列形式如圖5所示。

圖5 單軸45°相位布置正排列

雙軸攪拌臂的排列主要是指兩根軸相位布置及正、反排列形式的組合。相位布置可分為平行布置和交錯布置，排列形式分為正反排列、正正排列和反反排列。

由于長、短攪拌臂間隔布置，相對兩長攪拌臂間的軸向距離會增加。因此，為了加強軸間的推動作用，本次采用攪拌臂雙排對置布置的正正排列形式，其排列形式如圖6所示。

圖6 攪拌臂雙排對置布置的正正排列

(五)攪拌軸轉速的確定

葉片的線速度v通常指的是葉片頂端最大線速度。其計算公式如下：

(10)

式中：n-攪拌軸轉速，r/min；

R-攪拌葉片頂端繞攪拌軸中心的最大旋轉半徑。

圖7 物料單元自落狀態下受力圖

圖7為物料單元在自落狀態下的受力圖，圖中G、G1、G2、G3分別為重力、重力分量、重力水平分量、重力豎著分量，α為葉片安裝角，θ為下滑角。根據物料自落的條件有:

(11)

聯立上式求解得式3.23:

(12)

式中：f-物料與葉片的摩擦系數，本次取0.62；

根據相關實踐研究，θ常取42°～75°，本次取75°。將其代入式(12)得v≤1.60m/s，參考國內外廠家，線速度一般控制在1.4～1.6之間，綜合考慮取攪拌線速度為v=1.5m/s。在此需要考慮襯板厚度10mm，襯板內壁與葉片頂端的距離h，其值應大于細骨料的最大粒徑同時小于粗骨料的最小粒徑，本次取h=3mm。因此攪拌葉片頂端繞攪拌軸中心的旋轉半徑為R=R0-h-10=440-3-10=427mm。根據式(10)得攪拌軸的轉速為:

通過上述計算，攪拌軸轉速最終取值為n=34r/min，滿足攪拌設計規范。

(六)激振器的選擇

根據攪拌筒的結構優化，需采用附著式的振動器，不僅要求體積小，而且能夠直接安裝于殼體底部，提供穩定可靠的振動源。參考市場上已有的激振器，選擇小型的振動電機作為本次激振器，型號為YZD-3-4，振幅為1.5mm，振動頻率為50Hz，額定轉速為3000r/min。

四、結論

本文通過對穩定土攪拌器進行參數優化設計，通過長、短攪拌臂的布置，有效的解決了低效區的問題。同時，采用底部添加振動板振動的新穎設計，達到提高攪拌的均勻性和攪拌效率的目的。

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