一種混凝土攪拌設備用旋轉沖擊激振裝置設計

王鑫鑫，楊 發，魏 金，劉 楠

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

當下正是我國公路交通事業飛速發展和國家基礎設施建設的關鍵時期，國道、省道干線公路和城市道路的車輛荷載及車流量密度逐漸增大，車輛行駛速度越來越快，使得公路路面破壞的趨勢加大。特別是對于已損壞的水泥混凝土路面來說，這樣的工程不僅翻修投資大，而且施工周期也較長，維修施工時嚴重影響交通暢通和行駛車輛安全[1]。因此，提高混凝土的質量與制備效率已經成為必然的要求。混凝土作為一種以水泥為膠凝材料的復合材料，有著強度較高、板塊性好、耐磨耐久性好等優點，是目前使用最廣泛的建筑材料[2]。混凝土的制備離不開攪拌機的作用，但在制備過程中，由于制備工藝和制備裝備功能上的不足，不僅混凝土制備裝備的壽命會縮短，而且新制備的混凝土也很容易產生裂紋、孔洞和蜂窩狀結構等缺陷[3]。

為了彌補各種攪拌方法在實際生產中出現的缺點，人們也一直在探索攪拌的新方法、新領域。長久以來，國內外對于振動攪拌的試驗研究與理論分析都表明，在攪拌的過程中同時對混凝土施加振動作用可以改善混凝土的微觀組成和微觀結構，增強混凝土的強度和含氣量；還可以強化混凝土的水化過程，促進結團的水泥顆粒均勻分布于骨料之中，減少水泥的消耗量[4]。因此，振動攪拌是一種值得探索的攪拌技術。

本研究從攪拌設備制備原理出發，通過設計一種新的激振裝置，在攪拌過程同時產生高頻激振作用，既可以防止攪拌機抱軸等影響機器壽命現象的產生，起到保護機器的作用；又可以將振動能量傳遞到混凝土當中，從微觀層面提升攪拌物料的質量。

1 研究背景

混凝土的制備離不開混凝土攪拌設備，攪拌設備按照工作原理主要分為自落式攪拌設備和強制式攪拌設備[5]。而普通強制式攪拌設備因其有較好的攪拌質量和攪拌效率，在工程中應用非常廣泛。但普通強制式攪拌設備也存在一些弊端，從攪拌軸中心向攪拌筒壁隨著攪拌半徑的逐漸增大，攪拌裝置存在速度梯度，角速度相同，線速度隨攪拌半徑增大而線性增大。這樣會使攪拌筒內不同位置的物料均勻性不盡相同，并且越靠近攪拌軸處攪拌效率越低，出現攪拌低效區。若將普通強制式攪拌設備攪拌后符合國家標準的混凝土放置于顯微鏡下觀察，會發現仍有10%～30%的水泥顆粒沒有破散開[6]。此外，混凝土攪拌設備的抱軸問題一直是行業共性難題[7]。在攪拌過后由于新拌混凝土是具有一定黏度的黏聚物，很容易黏附在攪拌軸、攪拌臂和攪拌葉片上，若不及時處理，新拌混凝土逐漸凝固，嚴重影響攪拌設備的壽命與攪拌物料的質量。限于以上方法存在的不足，提出了振動攪拌的理論。混凝土振動攪拌是通過激振器產生的高頻振動和攪拌裝置共同作用對物料進行攪拌，使攪拌裝置提供的攪拌能量與激振器提供的振動能量都被混凝土吸收，實現邊攪拌邊振動。通過振動改善混凝土的微觀結構與性能，提高攪拌效率和質量。

現有振動攪拌設備的激振器多采用偏心原理產生振動，軸承受力狀態不佳，攪拌時受力復雜，激振器受力不易平衡，振動能量不能全部作用于作業對象，不符合節能減排的要求，在振動狀態下極易發熱，壽命不高。

本研究利用彈簧收緊蓄能的特點和高速轉動中的特點，設計一種混凝土攪拌設備用旋轉沖擊激振裝置。

2 結構原理示意圖及工作流程

2.1 系統工作原理示意圖

該裝置通過設計安裝于攪拌軸內部的激振機構配合攪拌軸作業共同組成激振裝置，攪拌動力裝置和振動動力裝置分別設置在攪拌軸的兩端。攪拌動力裝置與攪拌軸的一端連接，用于帶動攪拌軸轉動，振動動力裝置的輸出端與振動傳動軸連接，用于帶動振動傳動軸轉動；振動傳動軸的一端或兩端設置有連接軸，連接軸上套設有第一軸承，振動動力裝置的輸出端通過連接軸與振動傳動軸連接；攪拌動力裝置設置在攪拌軸的另一端，攪拌動力裝置的輸出端與攪拌軸連接；攪拌軸安裝在機架上，攪拌軸與機架之間設置有第二軸承。振動傳動軸采用實心軸或空心軸，振動傳動軸的質心與其旋轉中心重合，攪拌軸與振動傳動軸同軸線，如圖1所示。

圖1 激振裝置結構示意圖

攪拌軸采用空心設置，振動傳動軸同軸線安裝在攪拌軸內；振動傳動軸的軸線方向均勻設置有若干個振動傳動臂組，每個振動傳動臂組包括N個振動傳動臂，N個振動傳動臂沿振動傳動軸的同一圓周均勻設置，振動傳動臂的個數N大于等于2；振動傳動臂垂直固定在振動傳動軸的圓周面上，振動傳動臂上套設有彈簧；彈簧的一端與振動傳動臂固定連接，另一端與沖擊頭固定連接。攪拌軸與振動傳動軸同軸線反向旋轉。A為攪拌軸內壁兩間斷弧面連接端突起高度，如圖2所示。

圖2 激振裝置工作示意圖

2.2 操作流程

當攪拌機完成干拌作業后，激振器開始工作，振動動力裝置通過連接軸帶動振動傳動軸轉動；安裝在振動傳動軸上的振動傳動臂隨之轉動，同時帶動固定在其上端的彈簧與沖擊頭亦跟隨作旋轉運動。在激振器工作過程中，彈簧前端沖擊頭與攪拌軸內壁持續接觸，故振動傳動臂前端彈簧隨攪拌軸內壁凸起的軌跡而逐漸壓縮蓄能；當振動傳動臂運動到正對凸起的最高點時，相對應的彈簧壓縮量達到最大，彈簧蓄能最高；下一時刻，振動傳動軸繼續旋轉，沖擊頭離開凸起最高點，彈簧迅速舒張釋能，彈簧前端沖擊頭碰撞攪拌軸的內壁低點處實現能量傳遞；攪拌軸內壁凸起高低點間高度差為產生振動的振幅。持續的彈簧收縮舒張沖擊作用，將機械能轉化為振動能量傳遞到攪拌軸和攪拌軸上的攪拌工作裝置上，進而傳輸到被攪拌物料中，并依此持續振動；由于振動傳動軸的轉向和攪拌軸相反，且振動傳動軸的旋轉速度遠高于攪拌軸的速度，所以每組振動傳動臂組完成每一次激振都歷時很短，從而保證了振動的高頻性；結合攪拌軸上攪拌工作裝置的攪拌作用，實現振動攪拌，有效提高攪拌質量和攪拌效率。同時，傳遞到攪拌軸和攪拌裝置上的振動能量可以有效抑制攪拌機抱軸和新拌混凝土黏附等問題，延長攪拌機使用壽命。

2.3 關鍵參數

激振器的振幅與凸起的最大高度成正相關。

激振器的激振頻率f與凸起的個數M及每組振動傳動臂組中振動傳動臂的個數N成線性正相關；優選的凸起的個數M=4，每組振動傳動臂組中的振動傳動臂的個數N=3。

激振器的激振頻率f=MN×（振動傳動軸的轉速+攪拌軸轉速）/60。

3 結語

本研究設計了一種新型的混凝土攪拌設備激振裝置，將攪拌機攪拌與振動技術相結合。振動傳動軸相對于攪拌軸每轉動一周，振動傳動軸上每一周N個振動傳動臂上的彈簧依次壓縮舒張。通過彈簧前端的沖擊頭對攪拌軸內壁進行MN次沖擊，將振動能量傳遞到被攪拌物料中。物料由于受到振動作用處于顫振狀態，進而促使聚團的水泥小顆粒迅速分散變小，增加與水的接觸面積，加快水化反應，可以進一步增強骨料與水泥間的界面黏結強度，提高攪拌質量與效率。同時，本設計的激振器工作時激振器質心始終與旋轉中心重合，振動能量僅傳給物料，克服了偏心振動攪拌機的不足。并且，可以通過提高攪拌軸內壁凸起的數量或振動傳動軸上每一周振動傳動臂的數量來提高激振頻率，又可以通過改變攪拌軸內壁凸起的高度來改變激振振幅。為實現高頻振動提供了新方法，原理簡單，結構合理。