實驗用雙臥軸瀝青攪拌機的優化設計與仿真分析

(長安大學工程機械學院 陜西 西安 710064)

在實驗室中的瀝青攪拌設備中大都以立式或單臥軸攪拌機為主，而實際瀝青攪拌站大多以雙臥軸為主，則實驗攪拌工藝與攪拌站的實際相差較大。而攪拌機的設計計算以經驗或單一理論分析為主，因此本文結合EDEM軟件設計實驗用攪拌機。

一、攪拌機的設計計算

對實驗攪拌機的外形通過相似理論以DG4000型攪拌站為原型進行設計。DG4000型的外形尺寸：長174cm、寬248cm、高165cm、攪拌半徑R70cm。4000型的攪拌機的有效容積為2.5m3，本文設計的實驗樣機的有效容積為0.02m3。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，計算則實驗攪拌機的長0.35m、寬0.5m、半徑0.14m。

(一)攪拌葉片的計算

攪拌葉片長寬計算可按下經驗公式計算

將半徑R代入上式中有：攪拌葉片的長取0.092m，寬取0.07m。

(二)攪拌葉片的數量及排布

為使軸向與徑向的運動均衡通常要求攪拌軸轉一圈時，物料在軸向的運動距離要大于攪拌筒的長度，因此有3600≤n·θ≤7200[2]。θ為單根軸上相鄰的兩攪拌臂之間的相位角差，目前國內外所采用的相位角為，450、600、900等。因此在此處相位角取900較為合理。

攪拌臂的排列有正反兩種形式，有關研究證明正排列可以加快混合料在軸向的運動，使軸向混合料的交換頻次加快，縮短攪拌的時間，提高攪拌效率，因此本文選用正排列，兩軸交錯布置，其布置形式如圖1所示兩軸旋轉過程的先后順序分別為：Ⅰ1(5)—Ⅰ2(6)—Ⅰ3—Ⅰ4，Ⅱ4—Ⅱ3—Ⅱ2(6)—Ⅱ1(5)。其中，Ⅰ2—Ⅱ1、Ⅰ4—Ⅱ3、Ⅰ6—Ⅱ5、Ⅱ6—Ⅰ1之間逆流相位為1350，Ⅰ3—Ⅱ2、Ⅰ5—Ⅱ4為450。在這組中，有四組為1350，其攪拌軸之間逆流頻次高也不阻斷大循環，排列方式較理想。

圖1 攪拌臂正正交錯布置

(三)葉片安裝角

攪拌葉片的安裝角度在00和900之間選擇。理論來說當軸向運動和徑向運動均衡時,攪拌效果最佳[3]。因此對于窄長型的攪拌筒來說，葉片安轉角應取大一些，一般取值為310～450[4]。對于寬短型攪拌機來說，葉片安裝角相應取小一些。綜合攪拌機其他參數和結構，對于本文的寬短型攪拌機葉片安裝角取400。

二、EDEM仿真分析

(一)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動規律。通過以上計算數據對攪拌機進行仿真三維建模如圖2所示。將攪拌機模型導入EDEM中并進行參數設置，其各參數值碎石密度、泊松比、剪切模量分別為：2400kg·m3、0.2、2×1010Pa；45鋼的分別為：7800kg·m3、0.3、7×1010Pa。碎石與碎石之間的恢復系數、靜摩擦系數、滾動摩擦系數分別為：0.15、0.44、0.05；碎石與45鋼的分別為0.2、0.5、0.01。

圖2 攪拌機仿真模型圖

在此次仿真的過程中中混合料的配合比根據實際修筑路面中采用AC—25型級集配瀝青混凝土的配合比。攪拌混合料的各粒徑質量如表3所示。攪拌機的轉速設置為69r/min，即攪拌葉片線速度1m/s，仿真時間20s。

表3 混合料的配合比

(二)仿真求解與后處理

1.混合料速度分析

攪拌過程中混合料的速度變化可通過混合料的顏色判斷，即不同的顏色代表不同的速度。此處取4s的混合料速度分布，如下圖3所示。

(a)t=4s 混合料的速度分布

(b)t=4s X方向混合料的速度分布

(c)t=4s Z方向混合料的速度分布

(d)t=4s Y方向混合料的速度分布

此處取在下料完成4s時的混合料速度分布，由圖3知其速度在0.14—3.1m/s之間，在葉片上的混合料其速度較大，運動較劇烈，其它部位混合料速度0.62m/s左右。

在X方向上，物料在攪拌筒中間位置的運動主要是實現混合料的軸間逆流。如下圖3在4s時混合料的速度分布圖所示，在X方向上混合料的速度在-2.7—1.4m/s之間，而速度的分布為左側部分顆粒的速度在0.61—1.4m/s之間，攪拌桶右側同樣有與左側相似的現象，顆粒在攪拌葉片上時，其速度最大。而在兩攪拌軸的中間部位速度大致在-0.62—0.61m/s之間分布。在Z方向上速度分布在-1.8—2.0m/s之間，同樣在葉片上的混合料的速度較大。在兩攪拌軸的中間位置顆粒的速度主要分布在-0.26—0.51m/s之間。在Y方向上，如圖3(d)中所示，速度在-1.7—1.7m/s之間運動，在葉片上混合料的運動速度較劇烈，其它位置混合料的運動速度較弱。

由圖3知，葉片處于不同的位置時，混合料在攪拌機里面各個方向上的運動不同，運動最劇烈的混合料發生在與攪拌葉片接觸處，在兩攪拌軸之間，混合料在兩軸間的運動速度和沿軸向的運動速度接近。

2.混合料均勻度的分析

在仿真結果分析中，混合料的均勻度可使用離散系數來表示。將攪拌機劃分成大小相等的網格。按照時間間隔每2s對每個網格中的混合料質量輸出計算離散系數。在本文只計算最大顆粒與最小顆粒的離散系數觀察攪拌質量，離散系數為：

經計算10—25mm離散系數為：0.657、0.450、0.434、0.273、0.240、0.230、0.227、0.174、0.158、0.185；0—3mm混合料的離散系數：0.423、0.310、0.240、0.204、0.218、0.203、0.184、0.188、0.168、0.157。由離散數據繪制曲線圖4曲線圖。

圖4 離散系數曲線圖

從曲線圖知，在8s之后粗顆粒的均勻度明顯變好，并隨攪拌時間的增加混合料的均勻度變好，在12s之后粗細顆粒的均勻度接近。粗顆粒在20s時有所增加可能是因為網格選取的原因，以及顆粒選用圓形顆粒與實際有差距。

結語

本文用相似理論設計實驗用瀝青攪拌機，并在設計中提出利用重疊系數與葉片安裝角的關系來確定攪拌葉片的數目。對設計的攪拌機EDEM仿真分析中知，混合料在軸向的運動速度與軸間的運動速度大小接近，符合設計要求。在均勻度分析中，8s之后粗顆粒的均勻度明顯變好，隨著攪拌時間的增加，粗細顆粒的均勻度也在變好，在攪拌20s時混合料的均勻度均在0.2以下。

[1]李太白.攪拌機攪拌臂排列及葉片形狀研究[D].濟南：山東大學，2016，11

[2]馮忠緒．仿真設計與模型試驗[M]．西安：陜西科學技術出版社,1997

[3]尹小琴,趙守明,謝俊,呂曉鳳.雙臥軸攪拌機葉片安裝角的理論分析[J].武漢：武漢理工大學學報，2010，32(19)：141-143

[4]趙悟.攪拌裝置參數優化研究[D].西安:長安大學,2005.6