雙臥軸攪拌機攪拌速度對均勻度影響的研究

張勝軍，蘆 強

(蘭州工業學院 機電工程學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近幾十年來，我國的公路交通事業取得了迅猛發展，其中最顯著的代表便是高速公路里程的迅速增長。由于我國的高速公路幾乎全為瀝青路面，因而瀝青混合料的攪拌質量對路面的使用壽命影響很大。瀝青混合料是通過攪拌機攪拌得到，攪拌機的攪拌速度不僅影響瀝青混合料均勻度，同時也影響攪拌效率，因此選擇最佳的攪拌速度至關重要，目前對投料位置、投料順序、投料持續時間、充盈率以及攪拌時間等工藝參數對攪拌均勻性的影響進行了EDEM仿真分析，但未對攪拌機攪拌速度對均勻度的影響進行分析[1-3]。

為此，筆者采用 EDEM 離散元軟件仿真分析的方法來分析攪拌速度對瀝青混合料攪拌均勻性的影響。通過對不同攪拌速度下攪拌均勻度的分析得出，不同的攪拌速度對攪拌均勻度有明顯的影響，其結果對大型攪拌站攪拌速度的設置具有指導意義。

1 實驗用攪拌機的主要參數設計計算

1.1 相似原理

在工程實際中，相似設計主要的研究為利用物理模型裝置對物理原型的工作規律最大程度的進行還原。在生產實際中，利用某些大型的設備進行試驗研究時成本較高或是難度較大，則可以通過相似原理將大型設備進行相似模型設計進行研究，在物理相似中主要為基本參量相似、系統相似、運動相似以及其它相似。其中基本參量的相似中長度相似即在原型與模型的對應長度成一定的比，L1/L2=CL。

1.2 攪拌機主要尺寸的確定

以DG4000型為原機型。其外形尺寸：長 174 cm、寬 248 cm、高 165 cm、攪拌半徑R=70 cm。4000型的攪拌機的有效容積為2.5 m3，文中設計的實驗樣機的有效容積為0.02 m3。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，即則其長35 cm、寬為50 cm、高為33 cm。

DG4000-型攪拌機與實驗用攪拌機在設計計算過程中主要區別為攪拌過程中攪拌軸和攪拌臂的尺寸計算，實驗用攪拌機計算過程以卡料時的力為主，而DG4000以攪拌推動瀝青混合料的力為主，因此使用相似原理進行設計則無法滿足強度要求。

1.2.1 攪拌葉片尺寸的設計計算

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0.092 m，寬取0.07 m。

1.2.2 攪拌葉片的數量、安裝角及排布

目前國內外所采用的攪拌葉片安裝角α大都在31°～46°之間[1]，葉片投影于攪拌軸的長度與攪拌軸的比為重疊系數，通過查找相關攪拌設計資料知ε的許用值為0.92～1.25[4]。攪拌臂的個數用n來表示，取重疊系數最大為1.25，葉片長度取0.084，則有：

則攪拌臂的個數：

因為α的取值在31°～46°之間，代入上式則有，6.1≤n≤7.5。文中取葉片個數為6。

在參考文獻[5]中趙悟的理論分析計算知葉片安裝角的取值為31°～40°，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，對于文中的寬短型攪拌機葉片安裝角取40°。

正正交錯布置中有四組逆流相位為135°，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。因此葉片排列選用正正交錯布置[5]。

2 EDEM仿真分析

2.1 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1所示。將攪拌機模型導入EDEM中并進行參數設置，其各參數值如表1與表2所列。

圖1 攪拌機仿真模型圖

表1 碎石與45鋼物理特性

在此次仿真的過程中，為使仿真更具實際意義，在仿真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所列。攪拌機的轉速設置為55 r/min、69 r/min、82 r/min，即攪拌葉片線速度0.8 m/s、1 m/s、1.2 m/s，仿真時間20 s。

表2 各接觸體之間的參數

表3 混合料的配合比

2.2 EDEM攪拌的仿真求解和后處理

將Reyleigh時間步長設置為固定步長的30%，仿真時間設置為20 s，網格大小設置為最小粒徑的4倍。攪拌過程中混合料在前4 s為下料過程，在Y軸方向上設置重力加速度。則選取不同時刻，不同方向觀察攪拌過程。攪拌過程如圖2所示。

圖2 不同時刻、不同方向物料狀態圖

69 r/min攪拌速度下不同顆粒的混合料平均速度變化如圖3所示，圖3中(a)、(b)分別為最大顆粒和最小顆粒的混合料平均速度變化圖。由圖知最大顆粒的平均速度在0.38 m/s附近變化，最小顆粒的平均速度在0.41 m/s附近變化，由此可知在攪拌過程中小顆粒的運動較劇烈。

(1) 網格處理

通常，攪拌機攪拌的均勻度是衡量其攪拌性能的主要指標。在仿真結束之后將攪拌機進行網格劃分，如圖4所示。

圖3 不同顆粒的混合料平均速度變化圖

圖4 網格劃分圖

(2) 混合料的均勻度分析

各網格中混合料的總質量與某粒徑混合料的質量變化可通過EDEM中自處理成的曲線圖大致判斷混合料在某一網格中的均勻性，但此方法只能判斷混合料質量的大致變化不能準確判斷混合料均勻性。因此在仿真結束后在后處理階段，選取網格，分別導出各網格中混合料的總質量與各粒徑混合料的質量，則可計算出各粒徑混合料的實際配合比，計算過程中去除質量很小的網格。若通過計算某時刻各網格中的某粒徑混合料所占質量比與配合比中此粒徑混合料的配合比進行比較來判斷此時刻混合料的均勻性具有一定的局限性，因此在此次仿真中為觀察攪拌過程中混合料均勻度的變化情況引入離散系數來判斷混合料的均勻性，離散系數通常為統計學指標，主要是反映單位平均值的離散程度[6]，不同粒徑混合料的離散系數越小則其相應的均勻度越好。以下是10～25 mm粒徑混合料的離散系數的計算方法：

此處主要對混合料中最大粒徑和最小粒徑的混合料進行離散系數計算，即對10～25 mm、0～3 mm粒徑混合料的離散系數進行計算，時間間隔取2 s，計算結果如表4所列。

表4 三種轉速下各顆粒的離散系數

根據表4中55 r/min、69 r/min、82 r/min下的離散系數繪制三種轉速下離散系數的對比圖5。

由圖5(a)中10～25 mm粒徑混合料的離散系數變化知，55 r/min的攪拌速度下前8 s離散系數較大,均大于69 r/min和82 r/min轉速下的離散系數,前10 s、82 r/min轉速下離散系數小于55 r/min和69 r/min轉速下的離散系數,16 s之后Cv(55r/min)

圖5 離散系數對比圖

3 結 語

通過EDEM仿真分析，得出以下重點結論。

(1) 攪拌時間在前8s時混合料的均勻度急劇變好，在同一轉速下小粒徑的混合料更易均勻，不同粒徑的混合料“最佳攪拌速度”不同。

(2) 在確定攪拌速度時應綜合考慮最佳攪拌速度，由仿真分析拌葉片線速度為1 m/s(69 r/min)時攪拌均勻度最好。

(3) 在同一轉速下小粒徑混合料更易均勻且大粒徑混合料的“最佳攪拌速度”較低，因此對攪拌機的攪拌速度可設置變速，由高到低，則可減小攪拌機功率消耗，提高效率。

總之，攪拌過程中選擇“最佳攪拌速度”即可避免因攪拌速度不合理造成的混合料攪拌質量不佳，又避免了因攪拌時間過長造成的瀝青老化和能量浪費。