混凝土立式振動攪拌機(jī)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(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

傳統(tǒng)的混凝土攪拌機(jī)主要以立式強(qiáng)制攪拌機(jī)、自落式攪拌機(jī)、行星式混凝土攪拌機(jī)為代表，這類攪拌機(jī)誕生時(shí)間長，原理和結(jié)構(gòu)比較簡單，成本也相對比較低。然而，隨著對混凝土攪拌技術(shù)的不斷深入研究，一些具有革命性質(zhì)的裝備先后問世。此類裝備主要以愛立許的逆流強(qiáng)制式攪拌機(jī)[1]和馮忠緒團(tuán)隊(duì)[2-3]的振動攪拌機(jī)為代表，該類裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本也相對較高。但是，這兩種攪拌機(jī)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(yīng)也更加徹底，大幅度地提升了混凝土的強(qiáng)度和耐久性。沈威威[4]設(shè)計(jì)了振動與攪拌耦合的雙立軸振動攪拌設(shè)備，提高立式攪拌設(shè)備的攪拌效率。楊池[5]在此基礎(chǔ)上提高了振動頻率并設(shè)計(jì)單立軸高頻攪拌設(shè)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粒混合均勻性的影響，聶超超[7]則采用Hertz-Mindlin with JKR模型對混凝土進(jìn)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(gè)葉片呈180°布置，主要作用是將筒壁及底部的料進(jìn)行混合。中間兩個(gè)小葉片分別為內(nèi)葉片和外葉片，也是呈180°分布，并且與底部葉片交錯(cuò)布置，主要起到將中間部位的物料向內(nèi)外運(yùn)輸擴(kuò)散的作用。三葉片布置方案由底部三個(gè)呈120°布置的底部葉片與三個(gè)同樣120°布置且與底部葉片交錯(cuò)布置的中間內(nèi)側(cè)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(yōu)劣。

圖1 混凝土高頻振動攪拌設(shè)備

圖2 混凝土高頻攪拌設(shè)備雙葉片布置方案

圖3 混凝土高頻攪拌設(shè)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差來評價(jià)攪拌效果的好壞。使用creo6.0對主要攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)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(shè)置攪拌的轉(zhuǎn)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(shè)置

在仿真的過程中設(shè)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(shí)間為1.6 s，攪拌時(shí)長為18 s。設(shè)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(jìn)行兩組仿真。攪拌葉片的轉(zhuǎn)速為72 rpm，攪拌過程中每間隔2 s為一個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，并且在每個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn)靜置0.5 s，目的是使顆粒通過自由運(yùn)動盡可能消除顆粒在高速轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的間隙所造成的統(tǒng)計(jì)誤差。統(tǒng)計(jì)時(shí)，在離散元軟件EDEM的后處理界面對整個(gè)仿真區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本研究采用7×7×7個(gè)網(wǎng)格單元統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元內(nèi)每種顆粒的數(shù)目，如圖4所示。同時(shí)，為了保證計(jì)算的精度，只統(tǒng)計(jì)顆粒總數(shù)大于10的樣本，通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S來評價(jià)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(jié)果進(jìn)行網(wǎng)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(jié)果與分析

將仿真結(jié)果導(dǎo)入EXCEL中進(jìn)行后處理，保留小數(shù)點(diǎn)后5位，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種葉片布置方案的計(jì)算結(jié)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(jié)果繪制成點(diǎn)線圖觀察分析，如圖5、圖6、圖7所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，雙葉片布置的攪拌結(jié)構(gòu)前期的攪拌效果要優(yōu)于三葉片布置的機(jī)構(gòu)，并且在4 s~6 s的時(shí)候攪拌的均勻性達(dá)到最佳。但是隨著攪拌時(shí)間的增加三種顆粒的標(biāo)準(zhǔn)偏差S變大，說明攪拌的效果隨著攪拌時(shí)間的增加而變差。粒徑為20 mm大顆粒在第18 s會發(fā)生明顯的上浮現(xiàn)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(fù)，如圖9所示。但是攪拌效果隨著攪拌時(shí)間的加長而穩(wěn)定變好，并且在攪拌時(shí)間為10 s~12 s的時(shí)候，攪拌效果要優(yōu)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(shí)間18 s雙葉片布置方案攪拌結(jié)果

圖9 攪拌時(shí)間18 s三葉片布置方案攪拌結(jié)果

5 總結(jié)

本研究采用離散元軟件EDEM對混凝土高頻振動攪拌機(jī)的兩種葉片布置方式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)偏差來評價(jià)其攪拌能力的強(qiáng)弱。

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

2）通過綜合考量，在轉(zhuǎn)速為72 rpm的條件下，采用三葉片的布局結(jié)構(gòu)更加合理。