双排叶片搅拌机理和结构参数分析

双卧轴搅拌机是目前混凝土搅拌设备中广泛使用的主导机型，其搅拌装置作为该机型的核心部分，直接影响着整机的搅拌质量和效率。常规的搅拌装置普遍采用单排的桨式叶片结构，并且构成一种围流排列的形式，以保证拌筒内混合料的均匀拌和。近年来，包括双螺旋搅拌装置（图1）和多叶片搅拌装置（图2）等在内的新型双卧轴搅拌机不断涌现，在提高搅拌质量和效率方面有了新的突破。这些新机型有一个共同特点，就是它们的搅拌装置都采用了双排叶片结构来提高机器的搅拌性能。本文针对这种新型搅拌装置，对双排叶片的结构特点和搅拌机理进行有益的探讨，并分析和给出了这种搅拌装置的主要结构参数和其合理取值。


　　1、结构特点和搅拌机理分析
　　与其他类型强制式搅拌机一样，双卧轴搅拌机也是借助于搅拌叶片实现对物料的强制导向搅拌。目前普通采用的搅拌装置都是由水平安置的双圆槽形拌筒以及2根按相反方向转动的搅拌轴和若干组呈螺旋形排列的搅拌叶片组成。其中，搅拌叶片分主叶片和侧叶片2种，分别固定在相应的搅拌臂外端，搅拌臂则沿径向固定在搅拌轴上，显然，这种传统结构采用的是单排叶片形式。对于双螺旋搅拌装置和多叶片搅拌装置，其搅拌叶片除了靠近拌筒内壁的一排常规叶片外，在靠近搅拌轴处还有一排尺寸稍小的副叶片，这些副叶片通过一根短的搅拌臂固定在搅拌轴上，并且主、副叶片按各自的安装角成对安装在搅拌轴两侧，结构示意图见图3。由此，这种新型结构采用的是双排叶片形式，它相对于单排叶片结构有着显著的优点，主要体现在以下2个方面。

　　（1）因为搅拌机容量不断增大，而拌筒半径尺寸又要比搅拌叶片的高度大很多，这样当搅拌轴转动时，常规的单排搅拌叶片就只能搅动靠近拌筒内壁的一层物料，而处于搅拌叶片和搅拌轴之间的很大一段距离的物料无法得到充分的搅拌。在搅拌轴处安装副叶片能够改善由于拌筒直径过大而形成的搅拌低效区。
　　（2）因为强制式搅拌机工作时，搅拌臂上每一点的线速度v=wR，（w为搅拌轴转速，R为搅拌臂上某点至搅拌轴心的距离），因此在拌筒内沿着搅拌臂方向，速度呈三角形分布，形成了图4所示的速度梯度。在靠近搅拌轴的一端，会出现由于线速度相对较低而形成的搅拌低效区。而双排叶片结构能够使靠近搅拌轴的物料与靠近拌筒内壁的物料沿径向形成逆流，从而有效地改善低效区内混合料的搅拌性能。

　　由图3所示的双排叶片结构示意图可知，当搅拌轴按某一固定旋向转动时，主、副叶片对物料的推力可分解成各自的周向力和轴向力。周向力的作用使物料在与搅拌轴垂直的平面见绕轴转动（如图中所示的Y1、Y2方向），并要到达一定位置后依靠自身重力自由下落（如图中所示的X1、X2方向）。主叶片不断地把靠近拌筒内壁的物料推向搅拌轴方向，副叶片不断地把搅拌轴附近的物料推向拌筒内壁方向，形成了物料在主、副叶片之间沿着搅拌臂方向的径向逆流运动。轴向力的作用中推动物料沿着搅拌轴方向，不断地从一个旋转平面向另一个旋转平面运动（如图中所示的垂直于纸面的Z1、Z2方向）。实际的搅拌过程就是这些不同运动形式的综合，此时在拌筒内的物料不但能够形成常规双卧轴搅拌机具有的围流循环运动和轴间逆流运动，而且还形成沿搅拌臂方向的径向逆流运动，从而使低效区内的混合料得到了充分拌和，提高了混凝土的搅拌质量和效率。
　　2、主要结构参数分析
　　双排叶片搅拌装置的主要结构参数如图5所示。无论是双螺旋搅拌装置还是多叶片搅拌装置，其主要结构参数都包括主搅拌臂排列方式和主副叶片的各种参数。两者的区别主要在于双螺旋搅拌装置采用的是连续式叶片，多叶片搅拌装置采用的是间断式叶片。根据物料连续递推式原理，在单轴搅拌臂排列相位相同的情况下，连续式叶片要比间断式叶片对混合料沿搅拌轴方向推搅得快。因此在搅拌时间一定的情况下，混合料获得的轴向循环流动次数更多，搅拌装置的利用率更高。当然缺点也是显而易见的，连续螺旋式叶片结构复杂，制造成本高。

　　与常规的单排叶片相比，双排叶片搅拌装置增加了副叶片，其主要结构参数就相应增加了副搅拌臂排列方式、副叶片安装副叶片尺寸和主副叶片关系。其中，由于副叶片与主叶片成对安装，因此副搅拌臂的排列方式将取决于主搅拌臂。而在双排叶片搅拌装置中，主搅拌臂仍然采用了双卧轴搅拌机特有的围流排列，这与常规单排叶片的参数和取值是相同的。对于副叶片安装角，也与主叶片安装角一样，决定着物料单元所受周向力和轴向力的大小，其取值可参照由主叶片前密实核心和物料单元受力分析计算出的31°-45°范围内选取。
　　物料在拌筒内的运动，是由搅拌叶片推动的。虽然较大的叶片能够在搅拌过程中推动更多的物料，从而强化搅拌效果，但是较大的叶片也会阻碍物料在拌筒内的运动，降低搅拌质量和效率，同时也会导致搅拌功率的增大。目前，主叶片的尺寸都是根据搅拌半径计算确定的，而副叶片尺寸的确定尚无明确方法。由于在双排叶片搅拌过程中，