搅拌机设计筑路机械化与施工机械化_机械原理设计搅拌机

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筑路机械化与施工机械化

Roda Mhcanieyr & Conurtsoitcn Mhceazinaoitn

1999年 第16卷 第2期 Vo1.16 No.2 1999 摘要 在修筑各级公路和城市道路中，双卧轴强 制连续式搅拌机被广泛用于各种级配混合料的搅拌。在介绍了该型搅拌机的结构特点，并对 其搅拌桨叶拌料时的动力与运动进行分析后，较为详实地阐述了搅拌机主要技术参数的确定 方法，以及此设计方法用于稳定土厂拌设备后的实际应用情况。

关键词 稳定土厂拌设备 搅拌机 搅拌桨叶 拌缸 混合料 受力分析

Design of Forced Continuous Mixer with Double Axle

The double axle forced continuous mixer is used in construction of different highway.This paper introduces the structure of the machine, analyzes the mixing oars movement, and expounds the determination of main technical parameters, finally, gives the practical application to stabilized soil mixing plant.Key words: Stabilized Soil Mixing Plant, Mixer, Oar, Mixing Vat, Mixture, Acting Force Analysis搅拌机结构特点

如图1，搅拌机主要由搅拌装置、拌缸、驱动系统、机架等部分组成。其中搅拌装置由两根 卧轴、搅拌臂、搅拌桨叶等部件组成，如图2。拌缸由壳体、衬板、盖板等部件组成。进料 口设置在拌缸一端盖板的上部，卸料口可设置在拌缸另一端的下部或端部，如图3。

图1 搅拌机结构

图2 搅拌装置结构

图3 拌缸结构桨叶拌料时的动力与运动分析

拌和时，松散的混合料在桨叶作用下，其动力与运动形态极为复杂。为进行定性分析，将某 一瞬间桨叶对混合料的作用情况简化为图

4、图5所示。

图4 桨叶动力图

图 5 桨叶运动图

2.1 动力分析

如图4所示，设桨叶工作表面对混合料的作用力的合力为F，则混合料对桨叶的反作用力F′=F。F′分解成两分力：沿桨叶工作表面宽度方向的滑移力F1和垂直于桨叶工作 表面的正压力F2。F1、F2按下式计算：

F1=F′sinλ, F2=F′cosλ，式中，λ为桨叶在搅拌轴上的投影与轴中心线夹角。

此外，混合料与桨叶表面作相对运动时，在相对运动表面有一摩擦力Ff。Ff计 算公式为

Ff=F2f，式中，f为混合料与桨叶工作表面的摩擦系数，可查阅《机械设计手册》确定。

从图4可知，当F1-F2f>0时，混合料即沿桨叶工作表面移动；当F1-F2f≤0，即 F1≤F2f时，混合料在桨叶宽度方向不会移动，此时，搅拌机生产率等于0。将F1≤ F2f变换后得：F′ sinλ≤F′ cosλf，即当λ≤arctgf时，桨叶的运动不 能推动混合料沿搅拌轴方向移动。2.2 运动分析

如图5所示，混合料在桨叶的作用下，一方面与桨叶一起作圆周运动，另一方面沿桨叶工作 表面的宽度方向滑动。

混合料沿桨叶工作表面宽度方向的滑动速度v可分解为两个分速度：轴向速度v1和切向速 度v2。图5中各速度计算方法如下：

v1=v cosλ，v2=v sinλ，VL=V-v2=V-v sinλ；

式中：V-桨叶线速度(设计时确定)； VL-混合料的线速度； λ-与动力分析时相同。

将动力与运动综合起来分析，可以得出：当λ一定时(大于arctgf)，V增大→F增大→F1-F2f=F(sinλ-f cosλ)增 大→v增大→v1增大→混合料沿轴向的运动速度加快；反之，V减小→…混合料沿轴向的运 动速度降低。

当V为定值，λ=arctgf～40°时，λ增大→F(sinλ-f cosλ)增大→v增大； 此时，由于v的增大速度比cosλ的减小速度快(经验结论)，v1=v cosλ增大，混 合料沿轴向的运动速度加快。

当V为定值，λ=40°～50°时，λ增大→F(sinλ-f cosλ)增大→v增大；此时，由于v的增大速度与cosλ的减小速度相当，v1=v cosλ基本不变，混合料沿轴向 的运动速度基本不变。

当V为定值，λ=50°～90°时，λ增大→F(sinλ-f cosλ)增大→v增大；此时，由于v的增大速度小于cosλ的减小速度，v1=v cosλ减小，混合料沿轴向的运动 速度减小。

以上结果表明：(1)混合料的搅拌时间与桨叶的线速度、安装角密切相关。(2)桨叶的安装 角λ=40°～45°时，搅拌效率最佳。鉴于此，国外许多厂家的搅拌机上，将桨叶设计成安 装角可调的形式，传动系统也采用液压无级调速方式，通过对安装角和转速的调节，改变 混合料的搅拌时间，以适应搅拌不同的混合料。

但是，桨叶线速度和安装角的变化，会改变搅拌机生产率，而生产率的变化将影响设备其它 系统的工况，而且，桨叶速度的调整也有一定的限制(待后叙述)，因此，初步设计搅拌机时，一般先确定搅拌机生产率，然后再计算和确定其它技术参数。搅拌机主要技术参数的确定 3.1 拌缸横截面流量Q

搅拌机工作时，混合料在搅拌装置的作用下，不断翻动、掺合，其流态非常复杂，但从宏 观上分析，由于搅拌机是连续工作的，根据连续性原理，拌缸内各横截面的流量相等。

Q=［Q进+q液］／γ(m3／h)，式中：Q进-进料口流量，t/h;γ-混合料密度，t/m；

q液-加入拌缸的液体质量t/h。3.2 拌缸的有效容积G

G是指在搅拌机工作时，搅拌桨叶能够翻动、搅拌到的那部分混合料所占有的体积。此体积 与拌缸的大小、桨叶结构尺寸和安装角度以及桨叶线速度等密切相关，不易计算。初步设 计时，可按下式计算：

G=Qt(m3)，式中：Q-拌缸横截面流量，m3/h，t-搅拌时间，h;据有关资料，稳定土t=20～30s，水泥混凝土 t=40～60 s，3当Q大时(150m/h以上)取大值，Q小时取小值。

3.3 桨叶线速度V

根据国内外产品的经验，搅拌机叶片顶部线速度V应为1.5～1.7m/s。当V大于此经验 速度 时，搅拌机衬板和桨叶端部的间隙中将产生大量的碎石楔住现象，这不仅增加功率消耗和 桨叶、衬板的磨损，而且会不适当地粉碎石料，降低混合料的质量。当然，采用无衬板技 术 的稳定土搅拌机不存在以上问题，因而这一结构的桨叶顶部线速度可在2.5～3m/s间 选取。

3.4 搅拌装置各几何尺寸的计算

参考国内有关资料，搅拌装置(如图2)各几何尺寸按如下公式计算。

(1)搅拌桨叶最大旋转半径

式中：ψ-壳体形状系数，ψ=1.1～1.4；当拌缸横截面为双圆弧 形时，ψ取小值，其它形状时取大值；

β-充满系数，通常取β=0.8～1.0；当桨叶安装角为40°～45°时，β取小值； 其他角度时，β取大值；

G-拌缸有效容积，m3。

(2)桨叶宽度W

W=(0.4～0.57)R(m)。

桨叶宽度根据液体喷洒压力取值，当喷入拌缸的液体压力在1.5～2MPa时，W取大 值；当液体自流和小压力喷入拌缸时，W取小值。

图6 桨叶尺寸图

(3)桨叶高度b b=(0.6～0.8)W(m)。

b的取值方法与W相同。

桨叶的形状可以是长方形、方形、带圆角方形等。以上桨叶参数是初步设计值。

(4)两轴中心距a

a=Rctgα(m)，式中，α为搅拌轴中心和桨叶最大旋转半径交点的联线与搅拌轴中心水平线的夹角(如图2 所示)。根据国内有关资料，通常取α=34°～40°。3.5 拌缸几何尺寸的计算

拌缸尺寸如图7所示。

图7 拌缸几何尺寸图

(1)进料口尺寸M、N

进料口尺寸应与送料机械的卸料口相匹配。当送料机械为皮带输送机时(图8)，可初定N=B(B 为皮带宽度)，然后按下式计算M。

M=(2～4)h(m)，式中：h-输送机横截面料高，m，如图8；当皮带机为V型托时，h=(B)/(2)sinθ，其中θ为V型托倾角；当皮带机为槽形托时，h(2B)/(5)sinθ。

图8 输送机械截面图

Ｍ值的大小还与送料机械的卸料高度有关。当卸料高度较大时，可将进料口设计成漏斗状，这时M取小值；当卸料高度较小时，为避免皮带回料，M取大值。

(2)出料口尺寸E、F

如图7所示，当搅拌机出料口设置在拌缸端部下面时，尺寸E的大小对搅拌时间有一定的影响，因此在保证出料顺畅的情况下，E应尽量小。参照水力学的有关知识，E与物料粒度有关，初步设计时，按下式计算：

E=(2.5～3.5)d(m)，式中，d为物料最大粒径，m。

如图7所示，尺寸F的计算公式为

F=a+2R sinξ(m)，式中：ξ-物料安息角，ξ=180°-2φ，可查阅《机械设计手册》确定；

a-两轴中心距，m；

R-桨叶最大旋转半径，m。

(3)拌缸长度L

在以上参数确定后，L按下试计算：

式中：G-拌缸有效容积；

S1-混合料在搅拌轴以上占有的截面面积，m2，S1=H(2R+a)；其中，H 是 搅拌过程中，假设混合料在搅拌轴以上占有的平均高度，参考有关资料，H=(1/4～2/5)R；

S2-在搅拌轴以下混合料占有的截面面积，m2，(4)拌缸宽度K

K=a+2R+2C(m)，式中：C-桨叶顶部与拌缸衬板表面的间隙；根据实际应用经验，C=5～8mm，当 采用无衬板结构时，C=混合料最大粒径+20mm。搅拌机驱动功率的初步计算

4.1 受力工况

如图9，桨叶旋转时，在q段，粒料在重力作用下有向下运动趋势，而桨叶从底部向上旋转，此 时桨叶被碎石楔紧的可能性最大。设搅拌装置装有x对桨叶(单臂时为x把)，则x/2把桨叶同 时被楔形碎石楔紧时，拌和负荷最大。

图9 桨叶受力图 4.2 桨叶受力分析(楔紧时)

在上述工况，搅拌桨叶受搅拌混合料的力Fj和楔紧力Fx的作用，如图9。4.3 受力计算

(1)搅拌力Fj

为简化计算，设搅拌装置工作时，将拌缸有效容积混合料整体推动。这时，总搅拌力为

∑Fj=Gγf，式中：∑Fj-总搅拌力，kg；

G-拌缸有效容积，m3；

γ-混合料密度，kg/m3；

f-混合料与拌缸衬板表面的摩擦系数，查阅《机械设计手册》确定。

(2)楔紧力Fx

桨叶被楔紧时，必须将楔石挤碎才能继续运动，如图10。Fx按下式计算：

Fx=lbσf(kg)，式中：l-桨叶与楔石的接触长度，mm;为了使桨叶端部轮廓与拌缸衬板 表面的 间隙处处相等，桨叶端部为弧形，经实际测量，l=5～10mm，弧度大时取大值，弧度小 时取小值；

b-桨叶与楔石接触宽度，经实际测量，b=4mm;σ-碎石抗压强度，kgf/mm；

f-碎石与钢的摩擦系数。

图10 桨叶碎石图

4.4 搅拌轴扭矩Mq的计算

∑Fj和Fx确定后，按下式计算Mq：

Mq=［∑Fj+(x2)Fx］R(kg*m)，式中：x-搅拌装置桨叶对数，单臂时为把数；

R-桨叶最大旋转半径，m。4.5 驱动功率P的计算 P=Mqn/975η(kW)，式中：n-搅拌轴转速，r/min，n=60V/2πR;

η-总传动效率。5 应用情况

本设计已先后用于我厂WBS-50型稳定土厂拌设备搅拌机主要技术参数的校核和修正，WBS-200型稳定土厂拌设备和HBS300型连续式水泥混凝土厂拌设备搅拌机的初步设计。这三种机 型中，除HBS300型尚未经过工业性试验外，WBS-50型，WBS-200型已通过省级鉴定。至目 前为止，WBS-50型已销售近百套，WBS-200型销售近20套。所有投入使用的搅 拌机均达到设计和使用要求，故障率不到1%(不计桨叶、衬板等易损件的更换)。

通过检测，本设计尚有不足之处，主要有：

(1)按本设计确定的驱动功率比搅拌机工作时的实测值大1/3，富余量过大。

(2)初步设计时，搅拌机各主要技术参数是根据生产率确定的，但按本设计计算确定的各主 要技术参数制造的搅拌机，其生产率比理论值大1/2。

对于功率富余过大问题，可根据实测值重新选配电机(电机功率应大于高峰值10%～20%)。

实际生产率过大，会影响搅拌质量，实际应用时只要配料系统生产率不超过设计值，就可 保证搅拌质量。

由本设计可知，在主要技术参数确定的条件下，拌缸长度与搅拌时间成正比。当混合料搅拌 时间需要增加时，拌缸长度也应增加；拌缸长度的增加既增加了功率消耗，又增大了制造难 度和成本。为了解决这一问题，国内外某些厂家设计制造了内循环搅拌机。所谓内循环就是 混合料沿轴向来回循环，就象绕∞字一样，这种搅拌机可用较短的拌缸获得较长的搅拌时间。本设计是否适合内循环搅拌机正在探索中。

作者单位：张展文 汕头市公路局机械修配厂

作者地址：(515041)广东省汕头市东厦北路汕头市公路局机械修配厂技术股

(收稿日期：1998.04.14)