膠凝砂礫石攪拌筒的結構改進設計研究

姜世杰，楊 松，聞邦椿

（東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

膠凝砂礫石拌和設備工作時，砂、石上料至料倉后經過動態稱量，由皮帶輸送機傳送至攪拌筒內，同時利用螺旋輸送機送入水泥和粉煤灰，之后加入水和外加劑，通過攪拌筒的自身轉動，達到均勻拌和效果，最終得到所需要的膠凝砂礫石材料[1-2]。這種材料里雖有水和水泥，但實為潮濕散料，骨料最大直徑可達200mm[3]，在攪拌過程中對攪拌筒的沖擊作用非常大，易引起攪拌筒滾道的損壞[4-5]；另外，滾道截面的徑向高度尺寸小，撓度小，加上攪拌筒的剛度低，在攪拌筒與滾道連接處需承受連續的交變應力并易產生彈性變形，造成焊縫的破壞和開裂[6-7]，引起設備故障。由于攪拌筒的尺寸大、質量重，一旦發生故障，造成的經濟損失將非常巨大。所以，亟需設計新型的攪拌筒結構來解決此類問題[8-9]。

2 膠凝砂礫石拌和設備簡介

某型連續智能膠凝砂礫石拌和設備[3，5]，如圖1所示。其主要工作流程為：骨料經由裝載機裝入骨料倉1（用鋼結構架支撐于地基上）中，然后落到骨料計量輸送帶2（動態稱量）上，之后經骨料輸送帶3進入攪拌機4內，水泥倉9和粉煤灰倉13的出口均與各自的螺旋輸送機10和14對接，螺旋輸送機10和14的另一端分別與稱重螺旋機11和15對接，稱重螺旋機再通過軟管與進料管相連，粉料通過進料管進入攪拌機4內，同時通過供水系統16加水進行攪拌，形成所需的膠凝砂礫石材料，再經過導料槽5、成品皮帶機6和成品儲料倉8后，由自卸車完成裝載并運送到工地。

攪拌機采用無基礎設計[3]，如圖2所示。具有便于移動，施工快速，構件之間定位精度高等優點。筒體內部分為進料區、揚料區及出料區3個區域，物料在筒內的進料葉片、揚料葉片以及出料葉片的聯合作用下進行推進、分割和提升，使物料在前進過程中的相互位置不斷變化，實現交叉立體式混合，從而達到均勻攪拌的目的[10-11]。

圖2 攪拌機示意圖Fig.2 Cemented Sand and Gravel Mixer

3 攪拌筒結構設計方案

圖3 滾道焊接式攪拌筒。Fig.3 Mixing Drum with Welded External Roller Path

圖4 一體式攪拌筒。Fig.4 One-piece Mixing Drum

目前在生產實際中，通常是將滾道分段焊接于滾筒之上[3，12]，如圖3所示。但是焊接處的強度較低，易出現破壞和開裂現象，針對此問題，提出了兩種新型設計方案。方案一是保持原滾道尺寸基本不變，避免焊接工序，將滾道與攪拌筒身鑄造為一體，從而增加滾道處的強度，如圖4所示。方案二是將攪拌筒設計為三段式，各段之間采用螺栓連接，各段配合處形成一個滾道，由于安裝螺栓需要一定空間，滾道徑向尺寸會略大一些，如圖5所示。

圖5 裝配式攪拌筒Fig.5 Assembled Mixing Drum

4 攪拌筒結構的數值仿真

4.1 數值計算模型

應用有限元法對攪拌筒進行強度計算[13-14]，其中攪拌筒材料為16Mn鋼，許用應力為250MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3[2]。對三種類型結構采用自動方法（六面體單元）進行網格劃分，單元尺寸大小為30mm。固定約束位于攪拌筒中部的擋板上；此外，膠凝砂礫石密度ρ=2450kg/m3，攪拌筒轉速16r/m，攪拌筒傾角為5°，攪拌筒筒體按實際情況施加壓力，包括筒體自重和盛裝物料的重量以及由攪拌筒旋轉而產生的離心力的作用，最終，每個托輪處的支撐力為F=33200N。托輪和攪拌筒理論上為線接觸，但實際上由于塑形變形必然為面接觸，數值模型中將按照面接觸進行仿真計算；攪拌筒在工作中是勻速旋轉的，因此受力也是周向均勻的，為了便于計算并保證準確性，針對攪拌筒進行靜力計算分析[15-16]。

4.2 計算結果

焊接式攪拌筒的最大應力為48.5MPa，最大應變為2.44×10-4mm，應力應變集中分布在托輪與攪拌筒接觸的區域，如圖6所示。

圖6 焊接式攪拌筒應力應變結果Fig.6 Stress and Strain Results of the Mixing Drum with Welded External Roller Path

一體式攪拌筒的最大應力為31.9MPa，最大應變為1.76×10-4mm，應力應變較為均勻地分布在托輪與攪拌筒接觸區域，如圖7所示。

圖7 一體式攪拌筒應力結果Fig.7 Stress and Strain Results of The One-Piece Mixing Drum

裝配式攪拌筒最大應力為7.52MPa，最大應變為3.76×10-5mm，應力應變均勻地分布在托輪與攪拌筒接觸區域，如圖8所示。

圖8 裝配式攪拌筒應力結果Fig.8 Stress and Strain Results of The Assembled Mixing Drum

三種結構的強度結果及其優缺點比較，如表1所示。通過對比，最優方案為方案二—裝配式攪拌筒。

表1 應力應變分析表Tab.1 Analysis Table of Stress and Strain

4.3 結果分析

通過分析可知，焊接式攪拌筒滾道強度最低、應力應變值最大，滾道的可靠性最低，即使用壽命最短。這是因為即使在理想條件下，滾道無間隙地焊接在筒體上，但滾道截面的徑向尺寸小、撓度小，且筒體的剛度低易產生彈性變形，使焊接部位連續承受交變應力，易引起滾道的破壞；另外，由于加工誤差，滾道內徑與筒體外徑尺寸很難一致，使得焊接部位原本就存在缺陷，在攪拌筒長期工作中，會加速滾道的破壞；此外，由于滾道（Mn16）與筒體（Q235）屬于不同的材料，兩者強度不同，造成正常工作中筒體的形變量與滾道的形變量不同，同樣會加劇滾道的破壞。因此，焊接式攪拌筒的滾道強度有限[7-8]，可靠性差。

方案一：一體式攪拌筒的滾道強度較高、應力應變值較小、滾道的可靠性較高，即使用壽命較長。其原因是攪拌筒和滾道加工為一個整體，強度一致，整體機械性能較好，當攪拌筒運轉時，滾道上承受的載荷能均勻地傳遞到筒身上，過渡良好，減小了應力集中的影響。因此，一體式攪拌筒的滾道處強度較好，可靠性較好。

方案二：裝配式攪拌筒的滾道強度最高、應力應變值最小、滾道的可靠性最高，即使用壽命最長。這是因為滾道的徑向尺寸、撓度和剛度大，運轉過程中產生的彈性變形小，所承受的交變應力也就小，利于其使用壽命的增長；另外，滾道與筒身一體，結構牢靠，且滾道強度強于滾筒，不易產生破壞；此外，螺栓連接抗沖擊振動能力強，可靠性高，而且具有結構簡單、拆裝方便等優點。因此，裝配式攪拌筒的滾道處強度最高，可靠性最好。

綜上所述，裝配式攪拌筒的滾道強度最優，可靠性最高；一體式攪拌筒的結構次之；現有的焊接式攪拌筒的滾道強度最差，可靠性最低。

5 結論

提出了兩種新型膠凝砂礫石攪拌筒的設計方案，通過與現有的攪拌筒結構進行數值計算對比分析，確定新型攪拌筒設計方案的可靠性。結果表明，（1）方案二：裝配式攪拌筒在滾道處的應力應變最小，可靠性最高；（2）方案一：一體式攪拌筒的設計為次優；（3）而現有的焊接式攪拌筒在滾道處的應力應變最大，可靠性最低。（4）通過對攪拌筒結構進行優化，改善攪拌筒滾道處的可靠性，有助于延長攪拌筒的使用壽命，滿足現場對攪拌設備的要求。另外，研究結果也為膠凝砂礫石攪拌筒的結構優化設計提供了一定的理論基礎和技術支持。更進一步的研究，需要與現有攪拌筒的實驗研究相結合，驗證計算模型的可靠性，并深入分析優化設計方案的可行性。

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