1、概述
混凝土試驗用攪拌機是試驗室成型混凝土的必備設(shè)備，廣泛應(yīng)用于施工單位和商品混凝土攪拌站實驗室、建工工程質(zhì)量檢測中心以及大專院校土木工程試驗室中。在混凝土配比相同的條件下，攪拌性能的高低直接影響到混凝土的工作性能以及后期強度。中國建筑科學(xué)研究院在修訂《混凝土試驗用攪拌機》(JG3036-1996)過程中，廣泛調(diào)研了國內(nèi)外各種構(gòu)造形式的混凝土試驗用攪拌機的優(yōu)缺點，并最終在標(biāo)準(zhǔn)中確定了四種構(gòu)造型式的攪拌機：自落式、單臥軸強制式、雙臥軸強制式和旋杯強制式，并提出“為提高混凝土試驗攪拌效率和確保拌合物的勻質(zhì)性，新購或更換混凝土試驗用攪拌機時，應(yīng)優(yōu)先選擇雙臥軸強制式攪拌機。”由于目前生產(chǎn)所用混凝土攪拌機絕大部分為雙臥軸式，因而采用雙臥軸混凝土試驗用攪拌機不但提高了攪拌效率，而且解決了科研、試配用混凝土試驗攪拌機與生產(chǎn)用攪拌機結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式不一致的矛盾。本文對我單位在開發(fā)雙臥軸混凝土試驗用攪拌機過程中遇到的一些問題，以及最終解決方案進(jìn)行了分析論述。
2、設(shè)計過程
雙臥軸混凝±試驗用攪拌機的設(shè)計定型是理論分析與不斷試驗檢驗的過程，主要涉及攪拌葉片的排布方式、攪拌葉片的安裝角度、攪拌筒的外形與體積以及卸料方式的確定，下面我們來進(jìn)行分析。
2.1攪拌葉片的排布方式
攪拌葉片是物料攪拌動作的實施部件，其排布方式對物料的攪拌效果影響巨大，因而在攪拌機結(jié)構(gòu)設(shè)計中作為首要解決的問題。
攪拌葉片的排布方式涉及到兩個方面：為單根軸上相鄰兩個攪拌葉的排列；二為兩根軸上攪拌葉的排列。在此方面，長安大學(xué)趙利軍博士進(jìn)行了深入研究，并對相鄰兩個攪拌葉片的正反排列方式進(jìn)行了定義：正排列定義為當(dāng)逆著物料流動方向看，攪拌葉片的排列順序方向與攪拌軸轉(zhuǎn)向相同：相反的情況是葉片的反排列。研究表明，對于單根軸而言，葉片正排列的攪拌效率高于反排列的攪拌效率；雙軸上攪拌葉片的正反排列既能增加物料逆流運動的頻次．也能保證物料獲得較多的軸向流動次數(shù)和攪拌筒內(nèi)翻動的劇烈程度，從而使料筒內(nèi)各點物料快速達(dá)到均勻性。
因此，借鑒已有研究成果，雙臥軸混凝土試驗用攪拌機的攪拌葉片排布方式為正反排列、交錯布置，如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)使得物料不但在攪拌筒內(nèi)有大范圍的循環(huán)流動，而且在中央主攪拌區(qū)，兩軸之間的物料還有強烈的高頻次逆流，使物料產(chǎn)生強烈的碰撞和揉搓，快速實現(xiàn)均勻攪拌。
注：左側(cè)攪拌軸促使物料向紙面外運動，右側(cè)攪拌軸促使物料向紙面內(nèi)運動。
2.2攪拌葉片的安裝角度與個數(shù)
葉片安裝角定義為攪拌葉片斜面與攪拌軸線間的夾角。攪拌葉片在工作時，應(yīng)能推動物料沿攪拌軸軸向和周向循環(huán)運動，實現(xiàn)物料在攪拌筒內(nèi)各個方向混合均勻。文獻(xiàn)定性分析了攪拌葉片安裝角度的取值范圍：若取混凝土對鋼的摩擦系數(shù)為0.62，混合料穩(wěn)定堆放的安息角為40°～60°，則攪拌葉片安裝角的大致范圍為31°～40°之間；并采用正交分析法，考慮葉片安裝角與攪拌臂的料流捧列、攪拌臂的相位角、攪拌筒長寬比、攪拌葉片個數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效果的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，對于寬短型攪拌筒，葉片安裝角取35‘為最佳：對于窄長型攪拌筒，葉片安裝角取45‘為最佳，此結(jié)果不但與理論分析結(jié)果相符，而且與目前國內(nèi)外葉片安裝角常用值45°一致，
在確定雙臥軸混凝土試驗用攪拌機的葉片安裝角度時，考慮了上述的理論分析與試驗結(jié)果，并結(jié)合攪拌葉片的外形特征，通過大量試驗確定葉片安裝角取45°
單根軸上攪拌葉片的個數(shù)設(shè)計為6個，其中軸兩端攪拌葉片為刮板式，如圖2所示，1面加工為45°斜面．在攪拌過程中，1面與攪拌筒兩端側(cè)壁平行，整個攪拌葉片成45‘傾斜推進(jìn)式運動，使攪拌簡兩側(cè)物料向中間集中并參與攪拌混合：中間4個攪拌葉片設(shè)計為圖3結(jié)構(gòu)型式，葉片攪拌端部加工為空間曲面，可以看做與圓筒體中軸成45。角的平面截圓筒體所得的橢圓上的一段，如圖4所示，這樣可以保證葉片與攪拌筒間距足夠小-1mm以內(nèi)。
2.3攪拌筒的外形與材質(zhì)
由于雙臥軸混凝土試驗用攪拌機具有兩根攪拌軸，為了避免攪拌過程中的死角，料筒底部設(shè)計成兩個圓筒形凹陷，分別對應(yīng)于兩根攪拌軸正下方，并且，凹陷弧面所對應(yīng)的軸線與上方攪拌軸的軸線重合，兩個凹陷之間有一個突起，突起的高度與攪拌簡的公稱容量、攪拌效率、均勻性等密切相關(guān)。
攪拌軸轉(zhuǎn)動時，由于攪拌葉片上各點與軸心的距離不同，各點的線速度是不同的，靠近攪拌軸線速度越小，靠近攪拌簡線速度越大，因而對物料的攪拌、剪切作用也不相同。這樣，在靠近攪拌軸附近的區(qū)域形成混合料攪拌的低效區(qū)。低效區(qū)的存在對單臥軸混凝土攪拌機的影響最明顯，文獻(xiàn)f31提出在大攪拌葉片相對一側(cè)、靠近攪拌軸處安裝小攪拌葉，可以增加攪拌軸附近物料與攪拌筒內(nèi)壁附近物料間的徑向?qū)α鳎瑥亩龜嚢璧托^(qū)。而針對雙臥軸混凝土試驗用攪拌機而言，可以通過調(diào)節(jié)兩根攪拌軸的間距，使其中一根攪拌軸上的攪拌葉片伸入另一根攪拌軸的低效區(qū)內(nèi)，攪拌葉片相互交錯，以達(dá)到主攪拌區(qū)各點攪拌效果均勻一致，從而消除了攪拌低效區(qū)。同時，兩根攪拌軸的靠近程度決定了凹陷之間突起的高度和攪拌筒的公稱容量。
攪拌筒側(cè)壁與水平面垂直。除參與攪拌軸固定的兩個相對側(cè)壁外，剩下兩個側(cè)壁均與底部圓筒相切，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面保證了料筒內(nèi)沒有攪拌死角，另一方面攪拌簡的公稱容量最大，且攪拌過程不出現(xiàn)卡石子現(xiàn)象。攪拌筒及葉片布置形式如圖5所示。
雙臥軸混凝土試驗用攪拌機的攪拌葉片和攪拌筒體采用16Mn鋼制作。攪拌筒壁厚為10mm，攪拌葉片厚12mm，攪拌葉片與攪拌筒間距可調(diào)，這些設(shè)計可以能夠保證攪拌機的使用壽命高于5年——遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前廣泛使用的單臥軸混凝土試驗用攪拌機。
2.4卸料方式
《混凝土試驗用攪拌機》(JG244-2009)規(guī)定“雙臥軸混凝土試驗用攪拌機可采用自動傾翻或底部卸料的方式”。底部卸料方式簡化了攪拌機的構(gòu)造形式，但不利于攪拌筒體的密封嚴(yán)密性：隨著攪拌機的使用，骨料或未清理干凈的水泥漿體卡在底部卸料口處極易造成密封不嚴(yán)，拌合過程的水份流失影響混凝土的實際水灰比。
目前單臥軸混凝土試驗用攪拌機均采用傾翻卸料方式，由于攪拌筒質(zhì)量、物料量相對較小，絕大部分采用人工傾翻卸料。而雙臥軸混凝土試驗用攪拌機由于攪拌筒自重較大，物料相對較多，采用人工傾翻已經(jīng)不現(xiàn)實。在雙臥軸混凝土試驗用攪拌機開發(fā)過程中考慮了用戶的操作習(xí)慣，對攪拌機的卸料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點設(shè)計，成功研制出自動傾翻的卸料機構(gòu)，可以使攪拌筒的傾翻角度在0°～180°范圍內(nèi)任意點動控制，極大地方便了卸料和清洗工作。
3、攪拌機的外觀結(jié)構(gòu)
經(jīng)過上述調(diào)研、分析以及大量的試驗驗證，技術(shù)攻關(guān)小組經(jīng)過幾年的不懈努力終于完成了雙臥軸混凝土試驗用攪拌機的設(shè)計生產(chǎn)，并申請了l項實用新型專利和1項發(fā)明專利（已進(jìn)實質(zhì)審查階段）。
該雙臥軸混凝土試驗用攪拌機解決了科研與生產(chǎn)用混凝土攪拌機結(jié)構(gòu)型式不一致的問題，由于采用兩根攪拌軸，攪拌葉片交錯布置，不僅消除了攪拌低效區(qū)．而且攪拌效率大大提高，混凝土的均勻性非常好。
4、結(jié)論
（1）對影響雙臥軸攪拌機性能的四個因素進(jìn)行討論，最終確定攪拌葉片正反排列、交錯布置，葉片安裝角度為45°，攪拌筒底部具有兩個凹陷和一個突起、傾翻卸料的結(jié)構(gòu)型式。
（2）雙臥軸混凝土試驗用攪拌機的研制生產(chǎn)，解決了科研與生產(chǎn)用攪拌機結(jié)構(gòu)型式不一致的問題．
（3）雙臥軸混凝土試驗用攪拌機消除了攪拌低效區(qū)，攪拌效率火大提高。
