混凝土立式振動攪拌機葉片布置形式對攪拌效果的影響

趙文軍，楊澤文，邵昉亮

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

傳統的混凝土攪拌機主要以立式強制攪拌機、自落式攪拌機、行星式混凝土攪拌機為代表，這類攪拌機誕生時間長，原理和結構比較簡單，成本也相對比較低。然而，隨著對混凝土攪拌技術的不斷深入研究，一些具有革命性質的裝備先后問世。此類裝備主要以愛立許的逆流強制式攪拌機[1]和馮忠緒團隊[2-3]的振動攪拌機為代表，該類裝置結構比較復雜，成本也相對較高。但是，這兩種攪拌機具有出色的攪拌性能，可以將混凝土攪拌得更加透徹，混凝土的均勻性更好，混凝土的水化反應也更加徹底，大幅度地提升了混凝土的強度和耐久性。沈威威[4]設計了振動與攪拌耦合的雙立軸振動攪拌設備，提高立式攪拌設備的攪拌效率。楊池[5]在此基礎上提高了振動頻率并設計單立軸高頻攪拌設備，如圖1所示。劉邱祖等[6]通過離散元方法研究了振動對顆?；旌暇鶆蛐缘挠绊懀櫝琜7]則采用Hertz-Mindlin with JKR模型對混凝土進行了離散元仿真。本研究的兩種攪拌葉片布置方式，即雙葉片布置方案與三葉片布置方案分別如圖2、圖3所示。雙葉片布置方案具體為底部兩個葉片呈180°布置，主要作用是將筒壁及底部的料進行混合。中間兩個小葉片分別為內葉片和外葉片，也是呈180°分布，并且與底部葉片交錯布置，主要起到將中間部位的物料向內外運輸擴散的作用。三葉片布置方案由底部三個呈120°布置的底部葉片與三個同樣120°布置且與底部葉片交錯布置的中間內側葉片組成。在離散元軟件EDEM中，研究其各自在攪拌干料的情況下混合性能的優劣。

圖1 混凝土高頻振動攪拌設備

圖2 混凝土高頻攪拌設備雙葉片布置方案

圖3 混凝土高頻攪拌設備三葉片布置方案

1 EDEM對攪拌過程的模擬

本研究采用離散元軟件EDEM獲得兩種葉片布置形式在攪拌過程中三種顆粒的分布情況，并通過計算標準偏差來評價攪拌效果的好壞。使用creo6.0對主要攪拌機構進行建模和簡化。由于本研究定性分析葉片對干料顆粒的攪拌作用，故在攪拌過程中不施加振動并且設置攪拌的轉速為72 rpm，采用Hertz-Mindlin（no slip）模型來模擬三種物料之間的接觸碰撞。

2 材料的屬性設置

在仿真的過程中設置三種顆粒來模擬砂子、小石子與大石子，其中，投放粒徑為8 mm砂子19.86 kg，粒徑為14 mm的小石子10.17 kg，粒徑為20 mm的大石子14.34 kg。生成顆粒的時間為1.6 s，攪拌時長為18 s。設置的材料屬性與顆粒接觸屬性分別如表1、表2所示：

表1 材料屬性

表2 顆粒接觸屬性

3 均勻度分析

本次模擬仿真研究兩種不同葉片布置對攪拌效果的影響，故進行兩組仿真。攪拌葉片的轉速為72 rpm，攪拌過程中每間隔2 s為一個統計點，并且在每個統計時間點靜置0.5 s，目的是使顆粒通過自由運動盡可能消除顆粒在高速轉動中產生的間隙所造成的統計誤差。統計時，在離散元軟件EDEM的后處理界面對整個仿真區域進行網格劃分，本研究采用7×7×7個網格單元統計網格單元內每種顆粒的數目，如圖4所示。同時，為了保證計算的精度，只統計顆?？倲荡笥?0的樣本，通過計算標準偏差S來評價攪拌的均勻程度，S越小代表攪拌均勻性就越好。

圖4 對仿真結果進行網格劃分

式中：x為某種顆粒的總體均值；xi為某種顆粒方格樣本的均值；n為樣本含量。

4 仿真結果與分析

將仿真結果導入EXCEL中進行后處理，保留小數點后5位，結果如表3所示。

表3 兩種葉片布置方案的計算結果

為了方便對比兩種葉片布置方式對顆粒攪拌作用的差異，將上述結果繪制成點線圖觀察分析，如圖5、圖6、圖7所示。通過分析發現，雙葉片布置的攪拌結構前期的攪拌效果要優于三葉片布置的機構，并且在4 s~6 s的時候攪拌的均勻性達到最佳。但是隨著攪拌時間的增加三種顆粒的標準偏差S變大，說明攪拌的效果隨著攪拌時間的增加而變差。粒徑為20 mm大顆粒在第18 s會發生明顯的上浮現象，如圖8所示。相比較而言，三葉片的布置形式雖然前期攪拌效果不如雙葉片布置方案，并且攪拌壁上會有單層顆粒難以平復，如圖9所示。但是攪拌效果隨著攪拌時間的加長而穩定變好，并且在攪拌時間為10 s~12 s的時候，攪拌效果要優于雙葉片布置方案。

圖5 葉片布置對粒徑8 mm顆粒均勻性的影響

圖6 葉片布置對粒徑14 mm顆粒均勻性的影響

圖7 兩種葉片布置方式對粒徑20 mm顆粒均勻性的影響

圖8 攪拌時間18 s雙葉片布置方案攪拌結果

圖9 攪拌時間18 s三葉片布置方案攪拌結果

5 總結

本研究采用離散元軟件EDEM對混凝土高頻振動攪拌機的兩種葉片布置方式進行定性的分析，即在非振動的條件下模擬其攪拌干料過程，并且通過標準偏差來評價其攪拌能力的強弱。

1）雙葉片布置結構前期攪拌效果要優于三葉片布置結構，但是在攪拌的后期，攪拌的混合效果變差，不如三葉片結構。

2）通過綜合考量，在轉速為72 rpm的條件下，采用三葉片的布局結構更加合理。