基于EDEM雙立軸振動攪拌機葉片安裝角度仿真分析及試驗研究

郭 良 趙 悟 王 敬 沈威威

（長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室，西安 710064）

攪拌質量對混凝土成型起著至關重要的作用，對于強制式振動攪拌機來說，在攪拌過程中直接與物料接觸的部件為攪拌臂與攪拌葉片，其中攪拌葉片對物料起到推移及剪切作用，因此該部件性能直接影響攪拌效果。目前攪拌機葉片形狀多種多樣，其數目不僅會對攪拌質量產生一定影響，而且葉片安裝角度也是攪拌機工作的一項重要參數，與攪拌效果及質量有著緊密聯系[1]。安裝角度與攪拌機許多參數相關聯，如攪拌線速度，振幅、頻率以及攪拌時間等，每一個參數變化都會改變攪拌機性能，因此安裝角度難以用既有理論去確定，故很難得到對應的目標關系式，尤其是立軸式攪拌機，葉片角度設計缺乏成熟的理論依據，導致相關分析存在一定偶然性與盲目性[2-3]。

本文通過EDEM軟件仿真分析工具，對四個梯度葉片安裝角度攪拌過程進行模擬與分析，對攪拌機部分重要參數與安裝角度進行正交試驗，通過仿真均勻性結果分析，獲得立軸式振動攪拌機葉片合理安裝角度。

1 立式攪拌裝置葉片安裝角的定義

鏟刀型葉片無論是鏟形或是槳形，安裝角都是指推動物料進行有效作業的重要參數，立軸式攪拌機鏟刀結構如圖1所示，該葉片安裝角度為α。本文采用SL100L雙立軸振動攪拌機，攪拌葉片類型為鏟型，鏟刀平面與水平面夾角為60°，而葉片安裝角主要是指攪拌臂法向平面與鏟刀法向平面的夾角[4]。

2 EDEM軟件簡介

EDEM是英國DEM-Solutions公司設計并開發的離散元應用軟件，目前該軟件在石油天然氣開采、建筑工程以及農業生產等諸多產業領域都有較好的應用效果。通過EDEM軟件進行仿真模擬，可以分析系統組成顆粒單位之間的碰撞強度、頻率分布以及每個顆粒的速度和位置分布，從而詳細了解系統磨損、聚合和松解情況，判斷系統結構是否完整。此外，還可以將EDEM軟件做為后處理工具，確定顆粒流動軌跡，從中獲得許多有價值數據，例如均勻度、能量消耗以及速度變化等信息，從而達到修改、優化模型的目的[5-7]。本文主要利用EDEM軟件，對雙立軸振動攪拌機不同葉片安裝角度下物料攪拌均勻度進行分析。

圖1 立軸式攪拌機鏟刀型葉片安裝角度

3 模型建立及其參數的設定

3.1 攪拌機模型建立

通過Proe軟件建立虛擬的SL100L雙立軸振動攪拌機模型，其共有六個攪拌臂和六個攪拌葉片，攪拌葉由四個鏟刀和一對側刮刀組成，結構如圖2所示。同時建立不同葉片安裝角度的攪拌裝置模型，如圖3所示。

圖2 雙立軸振動攪拌機整機與攪拌裝置模型

圖3 不同葉片安裝角度的攪拌裝置模型

3.2 EDEM參數的確定

考慮計算機的模擬仿真速度，攪拌葉片線速度選擇范圍為1.4～1.7m/s之間，根據攪拌臂旋轉半徑，設置攪拌轉速為60r/min，物料顆粒采用球形，直徑分別取5mm、12mm和18mm，分別代表水泥、沙子和石子。顆粒數目分別取20000、10000和8000個，仿真時間設為20s，投料時間約為5s，時間步長設置為35%，網格劃分及其其他參數如表1、表2所示。

表1 材料各項參數表

表2 模擬仿真接觸屬性表

3.3 仿真過程及其分析

將安裝角度為35°的模型導入EDEM中，設置好各項參數后，開始仿真，其中紅色代表水泥顆粒，藍色代表沙子顆粒，綠色代表石子顆粒，選取四個時刻的攪拌瞬間，如圖4所示。

圖4 安裝角為35°時的仿真過程

3.4 仿真結果分析

均勻度是衡量混凝土攪拌質量的重要指標，即高強度混凝土攪拌均勻度都比較好[8-9]。仿真結束后，將攪拌過程按2s時間間隔，進行大小相同的正方體網格劃分，定量輸出每種顆粒的混合均勻度數據[10]。

在仿真過程中，每一種顆粒的總數保持不變，假設一共劃分為n個網格，其中某種顆粒總數為A，仿真過程中的顆粒總數為X第i個網格中這種顆粒數為ai，而第i個網格中的顆粒總數為xi，則第i個網格中這種顆粒數目所占百分比fi以及該顆粒占所有顆粒總數的百分比N，如式（1）、式（2）所示。

理論上如果顆粒絕對均勻，應滿足fi=N，但實際上不可能實現絕對意義的均勻，每一個網格中的顆粒數都是有差異的，因此fi的值在每個網格都是不同的。若令，則Pi的值就能夠反映實際每個網格中某種顆粒的均勻度與該粒子理論均勻度的偏離，將Pi的標準差與平均值定義為離差系數，則平均值、標準差以及離差系數如式（3）～式（5）所示。

式中，λ值越大，說明均勻度越差，反之說明均勻度越好。這樣分別將不同種顆粒的數目根據上述公式進行分析，即可得到每種顆粒的離散系數隨時間的變化趨勢，從而得出均勻度的變化規律。

同理，葉片安裝角40°，45°，50°的模型分別利用完全相同的參數進行仿真，由于仿真過程基本相同，因此這三組過程就不再贅述，計算出沙子，水泥，石子在不同葉片安裝角度即不同時刻的離散系數，得到的數據如表3～表5所示。

表3 5mm顆粒不同時刻不同角度離差系數

表4 12mm顆粒不同時刻不同角度離差系數

表5 18mm顆粒不同時刻不同角度離差系數

圖5 不同葉片安裝角下物料的離散系數

再將表中的數據做成折線圖，如圖5所示。可以看出，該仿真過程從第6～10秒左右物料離散程度開始降低，而后逐步趨于穩定，石子顆粒數目最少，最終的均勻程度也較差，由于其顆粒較大，達到動平衡所需時間也相對較短，當葉片安裝角度為45°時，物料顆粒的離散系數要低于其他角度，越靠近45°物料最終的攪拌均勻度也就越好。

4 試驗研究

利用EDEM仿真只能得出其物料均勻度一個數據影響狀況，在實際工作中，攪拌作業會受到諸多條件約束，例如攪拌臂的相位角，葉片數目，攪拌速度等[11]。本試驗采用的攪拌機是SL100L雙立軸振動攪拌機，屬于強制式攪拌機，攪拌臂為6個，相鄰攪拌臂的相位為60°，攪拌葉片個數為6個，在振動強度不變的情況下，本實驗以攪拌速度和葉片安裝角度為變量，測量混凝土勻質性，按要求使粗骨料質量的相對誤差ΔG＜5%，砂漿密度ΔM＜0.8%，并測量7d試件的平均抗壓強度和離差系數，如表6所示。

由實驗結果可得45°的安裝角最終的抗壓強度較大，與仿真得到的結果基本符合。本試驗不足之處是考慮因素較少，但由于雙立軸振動攪拌機參數基本穩定，且沒有臥軸參數復雜多變，早攪拌機振動強度不變的情況下，對攪拌葉片安裝角度影響較大因素為攪拌速度，因此得到的結論符合實際情況。

表6 SL100L雙立軸攪拌機試驗結果

5 結論

根據EDEM仿真的結果以及試驗結論，在雙立軸振動攪拌機設計過程中，當攪拌葉片安裝角度為45°時，攪拌效果較佳，物料均勻度最好，抗壓強度也略高于其他安裝角度。因此雙立軸振動攪拌機葉片安裝角一般設計為45°。