路面缺陷及病害養護車旋轉葉片力學及流場仿真*

鄧紅偉，單益斌

(甘肅(武威)國際陸港管委會，甘肅 武威 733000)

0 引 言

隨著“十二五”、“十三五”期間我國經濟的穩步增長，各級公路建設步入高速發展時期，高等級、高質量公路的不斷投資建設運行，對公路路面的養護隨之劇增，各種養護機械的需求也越來越大[1]。能夠能實現“到位-修補-攤鋪-壓實-轉移-就地再生”的多功能養護要求的路面缺陷及病害養護機械和設備得到市場廣泛應用，這也標志著我國道路維護和保養逐步邁入養護的現代化。綜合國內養護機械廠家，結合綠色環保、減小污染、節約能源回收利用的環境理念，高效快速、安全智能的發展方向。

筆者所研究的養護車在保證對路面缺陷及病害快速修復的基礎上，通過對養護車的關鍵部件旋轉式料倉進行了設計優化分析，實現了快速轉移修復、就地回收廢舊瀝青混合料、就地熱高質量再生的要求，這對于與滾筒式料倉的開發具有重要的工程參考及應用價值，對改進我國多數公路養護任務繁重、交通量巨大、養護機制不成熟的狀況十分有意義。

1 轉動料倉總體的設計方案

轉動式料倉：對新舊料進行運輸、保溫、均勻攪拌，順利實現進、出料[2]。論文根據常見養護車如香港英達科技公司的PM500-48-TRK熱再生綜合養護車、鞍山森遠路橋股份有限公司的AD5150TLX瀝青混合料再生修補車、辛美來亞科技實業有限公司的CLYB-2000Ⅳ瀝青路面熱補車的設計，先行選定參數如下，料倉總體方案如圖1所示。

圖1 料倉總體方案圖

料倉倉體結構：相對于傳統的固定式料倉，旋轉式料倉不僅具有加熱保溫功能，而且可以將回收的舊瀝青混合料經添加料后在倉體內攪拌，因此本論文的料倉結構選擇旋轉式(滾筒式)。通過比較幾種常見養護車料倉的容積，先行確定轉動料倉的參數如下：旋轉式料倉，正轉進料，反轉出料，料倉容積為1.3 m3。

料倉加熱板：均勻地對冷料、舊料、再回收料等加熱攪拌，加熱溫度易于控制調節。加熱板采用熱輻射弧形加熱板，布置在汽車底盤上，通過改變加熱板加熱面積或者調節弧形加熱板和轉動料倉間的距離、改變倉體的受熱面積及強度，完成對料的加熱調節。

料倉驅動系統：該車選用“液壓+機械”方式驅動，其特點是利用液壓傳動易于控制，通過液壓傳動部分對系統進行調速和控制。

料倉支撐架：轉動料倉是以前端支撐架的軸為回轉軸進行轉動。

2 轉動料倉的設計

2.1 料倉的設計

料倉采用旋轉式，倉體形狀采用常用的滾筒式，料倉結構如圖2所示。

圖2 料倉結構簡圖

2.2 倉體結構的設計

在養護車對路面的整個修補過程中，轉動料倉對運輸的混合料及回收的舊混合料起到存儲運輸、加熱保溫、均勻攪拌、進出料順滑的作用，還可實現將回收的舊料在倉體內和新料混合的攪拌。料倉正轉(攪拌進料)：2 r/min；料倉反轉(出料)：5 r/min，料倉模型如3圖所示。

圖3 轉動料倉模型圖

料倉在底盤上的傾斜角度影響攪拌效率、出料性能、有效裝載量、載荷均勻性。螺旋葉片螺旋升角影響攪拌效率、出料性能。螺距影響螺旋葉片傾斜角度、底盤、長度、有效裝載容量。料倉出口直徑：影響出料速度、有效裝載容量。在此確定料倉在底盤傾斜角度為0°，葉片的螺旋(旋轉)升角先行選為25°[3]，倉體螺距的大小為2.438 m，旋轉料倉內壁直徑為1.454 m，出口處直徑為0.77 m。

2.3 轉動料倉容積的計算

轉動料倉主要技術參數計算包括轉動料倉容積幾何尺寸的計算等。

從轉動料倉的結構可以看出，最大容積由圖4中圓柱體容積V1和圓錐體容積V2兩部分構成[4]，圖5為圓柱段的截面圖。

圖4 料倉容積計算簡圖

圖5 料倉圓柱段截面

攪拌瀝青混合料時主要集中在圓柱體部分，圓錐體部分主要是為了順利完成攪拌進料和出料，轉動料倉的實際最大容積為：V=V1+V2，由旋轉滾筒料倉結構可得到料倉容積的理論公式：V1=0.3πr22h2/4。圓錐體部分:

式中：h1為料倉圓柱段軸線方向長度，取2.55 m；h2為圓錐段軸向方向長度，取0.3 m；r1為料倉內殼內徑，取0.727 m；r2為出料口處料倉的外徑，取0.385 m；θ為扇形圓心角用弧度表示，計算得2.02；LBC為扇形段弦長，取1.233 m。將數值代入，得出V≈1.3 m3。在此取瀝青混合料的參數為：ρ=2 400 kg/m3，c=1 685 J(kg·℃)，得出倉內的瀝青混合料最大裝載質量為3 120 kg。

3 轉動料倉葉片設計及靜力學分析

3.1 葉片的設計

葉片是轉動料倉關鍵的部件，使用要求有：①滿足在熱瀝青混合料100～180 ℃的環境下耐磨；②彎曲截面葉片磨損小攪拌好但難于加工，平直截面葉片出料性能好；③葉片多段連接時平滑過渡，焊縫處理平整無死角，使得葉片攪拌性能好，避免料離析[5]。

圖6 葉片形狀

通過分析葉片的使用及設計要求，葉片采用平直截面、三個旋向相同互相交錯、互錯120°布置、25°的螺旋升角、葉片高度為0.2 m的設計方案[4]。

3.2 瀝青混合料模型假設

混合料在倉體內的運動十分復雜，可簡化成料垂直于料倉軸線的平面運動、以料倉中心軸的周向運動以及沿料倉軸向的直線運動的合成運動。分析時主要作如下假設：①混合料是密度均勻、運動連續且穩定的質點系；②在軸線、周向、法向三個方向，運動是連續、穩定的；③混合料在料倉內運動過程中，沿螺旋葉片的螺旋方向(料倉的軸線方向)，混合料和葉片之間的受力是連續的。

3.3 瀝青混合料的運動及葉片受力分析[3,4,9]

式中:n為料倉轉速，r/min；r為螺旋葉片在r處線速度，m/s；ω為料倉的角速度，rad/s。在n與r已知的情況下，可求出V1的大小，可以算出Vrx與Vry的關系，數值大小在受力分析中確定，如圖7所示。

圖7 葉片半徑r處速度分析圖 圖8 螺旋葉片某一點受力圖

依據混合料的模型假設，料的運動分為周向運動和軸向運動[4,6]：

周向：此方向上的動力為倉體受驅動所產生的周向推力，葉片接觸面和混合料產生的摩擦力，兩者等效為葉片的周向推力。動阻力主要包含混合料的自重力形成的周向流動阻力和倉體上流層的周向剪切力。如圖8所示[7]，對半徑r處微元流層dr進行力學分析。

軸向：此方向上的動力為倉體受驅動所產生的軸向推力。動阻力主要包含倉體的反推力、倉體內壁和葉片對混合料的軸向摩擦力以及倉體上流層的軸向剪切力。

dF為螺旋葉片受到的推力[3]，從兩個方向分解為周向推力dF2和軸向推力dF1；dF1為葉片對料的軸向推力；dF2為葉片對料的周向推力；dP1為葉片受到的軸向流動阻力；dP2為葉片受到的周向流動阻力。軸向流動阻力dP1：經時間t后，微元流層dQ1流過的混合料質量m1：m1=ρ·dQ1·t，ρ為混合料密度；dQ1為微元流層dr處的軸向微流量，表達式：dQ1=vrx·dA1=(α2-α1)·r·vrx·dr。

根據動量定律：Ft=m·Δv，經過t時間后，軸向流動阻力dP1可表達為：dP1=ρ·dQ1·Δv，若假定從零時刻開始，Δv的大小即為Vrx的大小。帶入可得：dP1=ρ·(α2-α1)·r·vrx2dr。周向流動阻力dP2：周向流動阻力指周向微元流層在料倉轉動時，由于自重力而產生的流動阻力。微元流層在微元dα處重力產生的周向流動阻力：

葉片與混合料的接觸點dr處在周向動量方程：

dF2-dP2=ρ·dQ2·vry

在軸向動量定理方程：

dF1-dP1=ρ·dQ1·vrx

3.4 螺旋葉片的力學分析模型

依照葉片參數，建立分析模型，將其導入ANSYSWorkbench軟件中[9]。

(1)定義材料：葉片的材料選常用的Q235鋼，抗拉強度為375 MPa。

(2)劃分網格：劃分尺寸中選“fine”，劃分方式定為“Mechanical”，子選項選為“Standard Mechanical”，其他選項不變，后選擇自由網格劃分模式，劃分網格后如圖9所示，整個計算域網格元素數21 935個，節點數48 175個。

圖9 螺旋葉片模型劃分網格圖

(3)施加約束和載荷：由前節對葉片的受力分析，可計算得出其承受最大載荷時的工況和受力情況。在前面的第3節中，轉動料倉的最大的轉速為5 r/min=0.083 r/s=0.52 rad/s，轉動料倉的最大載質量為3 120 kg，計算出葉片的軸向受力F1max≈3.53×105N，周向方向的受力F2max≈2.03×105N。計算轉動時的載荷大小，并加載約束條件，如圖10所示。

圖10 對葉片約束和加載條件

時間設定為4 s，循環10次，得出安全系數云圖11，最不安全處最大分布在轉動料倉的圓柱段葉片和圓錐段葉片連接處。從總體變形圖12及定向變形圖13可看出，葉片最大變形量很小。

圖11 安全系數云圖(safety factor)

圖12 總變形圖

圖13 定向變形圖

4 轉動料倉內部流場仿真分析

4.1 轉動料倉內部流場理論分析假設

混合料在攪拌時的模型極為復雜，在流場仿真時，先做如下的假設簡化：①料是不可壓縮流體且在受力后極易變形，運輸、加熱、攪拌時的密度、粘度等物理性質恒定；②倉體內部為溫度、流場運動特性都穩定的流場；③料攪拌時多相流模型，假設只有瀝青混合料和空氣充滿轉動料倉。

4.2 轉動料倉瀝青混合料速度的計算

通過對葉片軸向受力和周向受力的分析，料的速度與轉倉軸線方向的長度、轉動料倉內壁的半徑、混合料的密度、螺旋升角等因素有關。由于螺旋升角影響因子較大，在此假設其他參數一定螺旋升角不同的情況進行分析，在此選螺旋升角為α=25°、α=28°、α=30°進行分析。

4.3 建立轉動料倉幾何流道模型及其分析

在前面將瀝青混合料假設為不可壓縮的牛頓流體，所以用分離式求解器求解。轉動料倉的計算流道非常復雜，因此在對轉動料倉流道進行仿真計算時，選用的模型必須保證計算精度高、穩定性好、收斂速度快速，在反映轉動料倉內部流場情況時，使用標準k-ε模型完全能滿足要求的精確度。定義材料的密度為ρ=2 400 kg/m3，粘度為103 Pa·s。料倉的轉速5 r/min，轉速方向與進料(正轉)轉速方向一致。

4.4 瀝青混合料在分界面及軸向平均速度分析

利用流體分析軟件ANSYSWorkBench對轉動料倉內部的流場進行了仿真分析。主要分析了料倉內部瀝青混合料在分界面及軸向方向的速度矢量場、流體質點的軌跡。

圖13即為瀝青混合料進入料倉后的流體速度軌跡分布圖，料倉靠近內卡處的線速度最大，料倉軸線處流道上的速度依次減小[10]。

圖14 線速度軌跡線分布

從表1中得出，隨著螺旋升角θ的增大，倉體分界面和軸向平均速度都隨之增大，料倉圓錐段低速分布區域面積逐漸增大，攪拌效率越好。出料時，隨著螺旋升角θ的增大，分界面和軸向平均速度都隨之減小，由此可知料倉的出料能力依次減弱[8]。論文分析了θ分別為25°、28°、30°的情況，經綜合比較分析，根據設計要求同時兼顧攪拌性能與出料效率，從三個角度中取優化值為28°。

表1 瀝青混合料進入料倉后的流體線速度分布

5 結 語

通過建立路面缺陷及病害養護車旋轉料倉和其他部件的模型，先行確定其他部件參數，對養護車的關鍵部件旋轉式料倉進行了設計優化。通過對旋轉葉片的受力分析，建立葉片的施加載荷和受力的模型，利用ANSYSWorkbench軟件，形成最大變形云圖及安全系數圖。分別分析影響轉動料倉攪拌進料和出料的主要因素，選用平直葉片截面形狀的螺旋葉片，螺旋升角為25°，料倉在底盤水平放置，無斜置角度。在分析瀝青混合料在轉動料倉內部的運動特性的基礎上，運用Pro/e、SolidWorks、ANSYSWorkbench等軟件對混合料進行流場仿真。當螺旋升角α=25°、α=28°、α=30°時，隨著螺旋升角的增大，螺旋葉片的攪拌效率提高，出料效率降低。兼顧攪拌性能與出料性能，得出葉片螺旋升角的優化值，即螺旋升角取為α=28°，研究成果對路面缺陷及病害養護車技術的進步與滾筒式料倉的開發具有重要的工程參考及應用價值。