基于有限元模型的雙臥軸混凝土攪拌機攪拌參數(shù)優(yōu)化研究

趙家棟，陳再勝

（1.湖北工建基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省路橋集團有限公司設(shè)備管理分公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，瀝青混凝土攪拌機的容積利用率等參數(shù)不斷優(yōu)化，并且在結(jié)構(gòu)方面不斷完善，為提高攪拌機性能奠定堅實基礎(chǔ)。為更有效、更充分地對攪拌機的性能、參數(shù)進行研究，解決實驗用立軸式攪拌機參數(shù)指導(dǎo)存在偏差的問題，要結(jié)合工程建設(shè)中混凝土攪拌現(xiàn)場的實際情況，對其參數(shù)進行研究、設(shè)計和優(yōu)化[1]。基于雙臥軸混凝土攪拌機攪拌及攪拌裝置各部件參數(shù)進行計算和合理設(shè)計，建立有限元模型，對其模態(tài)、諧響應(yīng)進行分析，確保設(shè)計的參數(shù)具有合理性。

1 雙臥軸混凝土攪拌機攪拌筒及攪拌裝置設(shè)計

1.1 攪拌筒容積利用系數(shù)

攪拌筒容積利用系數(shù)與攪拌機生產(chǎn)能力成正比，但受到取值的多重因素影響，取值過高，易弱化攪拌軸沸騰現(xiàn)象，降低攪拌質(zhì)量。根據(jù)GB/T9142-2000《混凝土攪拌機》給出的系數(shù)（出料容積/進料容積=0.625），擬定過載攪拌能力為0.1，結(jié)合本研究的攪拌機其他數(shù)據(jù)分析，選取容積利用系數(shù)0.25。

1.2 攪拌筒長寬比

以參數(shù)優(yōu)化的角度而言，攪拌筒的長寬比取值不易過大[2]。結(jié)合國內(nèi)外廠家給出的系數(shù)范圍，對系數(shù)進行綜合計算，得出最佳系數(shù)范圍：0.72-1.29，參照攪拌機樣機，選擇攪拌筒的長寬比為0.9。

1.3 攪拌臂排列形式

結(jié)合上述分析和受力載荷分析，確定攪拌臂數(shù)量為8個；由于國內(nèi)外廠家大多采用攪拌臂圍流排列形式，因此，本樣機也采用圍流排列形式；若攪拌時間、攪拌臂數(shù)量、相位角一定，則單軸攪拌臂的正排列方式比反排列的效率高，所以本樣機采用單軸攪拌臂的正排列方式；攪拌機轉(zhuǎn)速方面，根據(jù)物料在攪拌筒內(nèi)的受力情況分析，得出攪拌軸轉(zhuǎn)速為62r/min。

1.4 葉片及安裝角設(shè)計

設(shè)計葉片長度時，要充分考慮物料流動性，及物料流動的連續(xù)性。因此在確定攪拌葉長度時，要保證兩個相鄰的葉片在軸向的投影具有一定重疊度。經(jīng)計算，攪拌葉片長度為11cm。葉片面積直接影響到攪拌機攪拌過程中的阻力系數(shù)，結(jié)合上述計算分析，確定葉片的寬度為7cm，則側(cè)葉片面積為77cm2，主葉片面積為63cm2。目前，國內(nèi)外廠家將葉片安裝角的取值設(shè)置為45，以保證攪拌過程中產(chǎn)生較大軸向運動和徑向運動。因此，本樣機將葉片安裝角設(shè)置為45。

2 基于有限元模型的雙臥軸混凝土攪拌機攪拌參數(shù)優(yōu)化分析

有限元是將一個連續(xù)的物體劃分為有限個單元，通過有限個節(jié)點連接，對其實際載荷與承受載荷等效的節(jié)點，進行力的平衡條件分析，并根據(jù)協(xié)調(diào)條件，將有限個單元進行重組，最終求解[3-5]。在ANSYS Workbench支持下，可以對攪拌機攪拌參數(shù)進行優(yōu)化分析。由于篇幅限制，下文主要對攪拌裝置進行模態(tài)分析。

2.1 攪拌裝置簡化與模型分析前處理

模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，可以有效幫助設(shè)計人員確定結(jié)構(gòu)的振型。實際工作中，攪拌裝置會受到外界激振力的影響而產(chǎn)生振動，若振動頻率與攪拌裝置固有頻率相同，則引起結(jié)構(gòu)共振，進而對攪拌機性能產(chǎn)生影響[4]。為綜合考慮攪拌機的攪拌參數(shù)合理性，有必要對攪拌裝置進行模態(tài)分析。

2.1.1 攪拌裝置簡化及模型分析前處理

在通過ANSYS Workbench模擬分析前，要對攪拌裝置進行簡化。簡化完成后，通過CAD、ANSYS Workbench，導(dǎo)入攪拌裝置模型，完成有限元模型建立。根據(jù)上文確定的攪拌裝置的各項信息數(shù)據(jù)，結(jié)合《常用金屬材料手冊》[6-8]，得出攪拌裝置各部件力學(xué)性能參數(shù)。將有限元模型進行網(wǎng)格剖分。為保證計算精準度，并節(jié)約計算時間，對參數(shù)進行適當調(diào)整，將單元尺寸設(shè)置為0.5cm，采用智能自動網(wǎng)格劃分方式進行有限元模型設(shè)置。

2.2 模型分析

首先，提取有限元模型的前6階模態(tài)，表1為前6階固有頻率。

表1 模型前6階固有頻率

實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，固有頻率與ANSYS Workbench計算出的值存在差異（固有頻率低于ANSYS Workbench計算值），通過以上驗證分析可知，攪拌裝置的1階模態(tài)、2階模態(tài)的振型較相近，攪拌軸變形程度大，并引起葉片位移；3階、4階模態(tài)的振型相近，葉片與攪拌臂發(fā)生變形；5階、6階模態(tài)的振型相近，葉片變形程度大，攪拌臂、攪拌軸變形程度較小，形變量均勻。

在此基礎(chǔ)上，對模型進行諧響應(yīng)分析，得出結(jié)果：在不考慮震動系統(tǒng)阻尼影響的情況下，應(yīng)控制與1階、2階固有頻率相近的外部激勵載荷，避免其對裝置產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

通過ANSYS Workbench，建立雙臥軸混凝土攪拌機攪拌裝置有限元模型，對設(shè)計的攪拌裝置各部件參數(shù)進行合理性分析和參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果顯示：（1）結(jié)合國內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)和《混凝土攪拌機》相關(guān)規(guī)定，確定攪拌裝置的容積利用系數(shù)為0.25,、攪拌筒長寬比為0.9；（2）攪拌臂的正排列方式優(yōu)于反排列；（3）確定攪拌機轉(zhuǎn)速為60r/min，側(cè)葉片面積為77cm2，主葉片面積為63cm2等參數(shù)；（4）對單元尺寸進行優(yōu)化調(diào)整為0.5cm，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，表明設(shè)計參數(shù)具有合理性。