一种新型混凝土搅拌主机的技术分析

李科锋

（北京建筑机械化研究院有限公司，北京 100007）

目前市场上流行的强制式混凝土搅拌机都不同程度存在搅拌低效区问题和水泥颗粒团聚现象，从而降低了混凝土的搅拌效率和搅拌质量，造成混凝土不同程度的浪费。这些问题的产生除了与搅拌工艺有关外，更与搅拌机设计结构有密切的关系。为了彻底解决这些问题，通过理论分析、设计、实验，最终确定了搅拌机的设计原则，在此基础上提出了双螺带混凝土搅拌主机（见图1）。通过样机实验和工业化生产显示，双螺带搅拌主机有着比传统搅拌主机更好的搅拌性能，是适应新时期混凝土生产所需的比较理想的新型搅拌主机，有着广范的市场前景和良好的社会经济效益，是混凝土搅拌站（楼）的核心技术单元。

图1 双螺带混凝土搅拌主机示意图

1 研究背景

随着国家“一带一路”、城镇化推进，高速公路、高速铁路等工程相继开工建设，给各类不同强度的混凝土生产提出了更高要求，也带来了更加繁荣的市场和设备需求。特别是作为中国名片的高铁建设更是具有建设标准高、规模大、工程艰巨、技术复杂、施工难度大的特点，需要在短期内提供大量高性能混凝土。高铁用混凝土多采用分次投料，要求每次投料快速达到拌合要求。传统的双卧轴强制式搅拌机一般需要150～180s才能完成1个生产周期，降低了正常设备的生产效率。因此，高铁专用搅拌站呼唤一种新型的高性能混凝土搅拌主机，双螺带混凝土搅拌主机应运而生。

2 原理与结构

2.1 原理

混凝土搅拌机是在传统双卧轴强制式搅拌机的基础上，结合螺旋带和强制式搅拌机的工作原理，对传统强制式搅拌机的搅拌装置进行了比较大的适应性设计而产生的一种全新的高性能混凝土搅拌机。就搅拌主机而言，主要由动力及传动机构、搅拌装置（见图2）和辅助机构等组成。搅拌装置作为搅拌主机的核心，其工作原理直接影响着生产混凝土的质量和效率。

图2 搅拌装置图

双螺带搅拌机工作原理其实就是搅拌装置的设计和运动原理，各种组分的物料按配方比例经过计算后进入混凝土搅拌机，物料在带状螺旋叶片的推动下进行强制搅拌。外螺带将物料从一端向另一段推动，内螺带则使物料向相反的方向运动，里层物料被推到一侧后由里向外翻滚，外层物料被推到另一侧后由外向里翻滚。物料在对流过程中2股物料流相互渗透、搅拌、混合，在两侧翻滚过程中再进行混合，这样反复进行多次，最后通过出料控制机构将混合均匀后的物料从卸料门卸出。

双螺带搅拌机结构特点保证了被混合物料在拌筒内的小阻力运动。大小旋转螺条安装于同一水平轴上，形成一个低动力高效的混合环境。螺带状叶片一般做成双层或3层，外层螺旋将物料从两侧向中央汇集，内层螺旋将物料从中央向两侧输送，可使物料在流动中形成更多的涡流，加快了混合速度，提高了混合均匀度。

2.2 结构

（1）螺旋带结构与布置方式。

螺旋连续式叶片结构使物料完全运动实现搅拌，使卸料速度加快，物料卸料残留率更小。长正短反结构有效的保证了混凝土在拌筒内的循环搅拌。大小叶片双层搅拌使拌筒内所有物料受到完全搅拌。叶片结构：叶片在整体上形成螺旋线，两端刀柄结构有效的清理拌筒边侧物料。螺旋带叶片的布置一般为大小螺带正反结合，由在适当位置和两端加装适量数量的清理叶片组成（见图3）。

图3 螺旋带叶片的布置方式

（2）结构参数。

双螺带混凝土搅拌机的结构参数是搅拌装置的几何参数，主要包括螺旋曲线形式、螺旋升角、搅拌臂排列形式、大小螺带关系及拌筒长宽比。结构参数是搅拌机的重要参数，决定了搅拌过程中物料的运动形式，对于搅拌质量和搅拌效率有很大的影响。有关这部分的资料和内容国内相关科研机构已有系统的阐述，本文不再累叙。

3 同类产品比较与特性分析

3.1 国内外同类产品的比较

目前国外产品主要有日本石川岛IHI、意大利SIMEM等少数混凝土机械企业生产该种系列混凝土搅拌机，而德国ELBA也在其传统的单卧轴轴螺带搅拌机的基础上，升级生产双螺带混凝土搅拌机，在结构形式和原理上更多沿用了自己固有的核心技术。

文中图1即为日本石川岛IHI双卧轴单螺带搅拌形式，即主机搅拌轴每支搅拌臂座上面只有1只长搅拌臂。这样搅拌轴每转动1圈，仅对混凝土进行1次搅拌。石川岛IHI的动力和传动有2种形式：一是采用电机减速机和链条齿轮的机械传动；二是采用电机液压马达形式的液压传动。

SIMEM搅拌主机是一家意大利公司，也是欧洲混凝土搅拌机械行业知名企业，该公司的搅拌主机搅拌轴每支搅拌臂座上面只有2只搅拌臂，一长一短，呈180°为双卧轴双螺带搅拌形式。动力和传动形式采用电机和专用直角减速机传动。

二者的特点是对于骨料粒径超过40mm时，搅拌效能石川岛IHI主机优于SIMEM搅拌主机，但是骨料粒径低于40mm时，SIMEM搅拌主机优于石川岛IHI主机。

目前成套的混凝土机械凭借性价比的优势和服务优势，产品大量出口，但是在核心搅拌主机方面研究还不足，国内仅有少数几家能够生产大型的搅拌主机，多数已购买为主。外购1500L以上主机配套制造的混凝土搅拌站长期占据行业市场70%以上份额。搅拌结构的研究诸如搅拌形式、搅拌臂、搅拌叶片的布置形式、结构、曲面、角度等多数停留在理论方面的探讨，实际应用很少。

本文研究的双螺带搅拌机由于在搅拌形式、搅拌臂、搅拌叶片的布置形式、结构、曲面、升角等参数，参照了相关的研究数据，经过反复试验修正，已经成功完成了工业性生产，目前已规模应用于有关企业的国内外的生产和销售，产生了良好的社会及经济效益。

3.2 特性分析

物料的混合主要存在物理混合和化学反应，混凝土的搅拌机理就是在宏观上完成物理混合，将不同颗粒的骨料、胶粘剂均匀分布，以便在微观上使水泥等充分水化反应，将不同粒径的骨料粘接在一起。

混凝土拌和的研究，由于物料之间混合关系复杂，属于非牛顿流体范围，目前国内或国际上还没有成熟的理论指导。研究也先从流体物料的搅拌开始，即微观尽可能的使物体薄层发生剪切和叠加（见图4）。

图4 物料搅拌微观图

剪应力τ与速度梯度γ（du/dy）成比例，即

其中比例常数μ为粘度。

服从上式的为牛顿流体，不服从上式的均为非牛顿流体。湿态混凝土塌落度范围宽，一般从塌落度值0到20以上，将其归于宾汉姆流体进行分析。

宾汉姆流体属于非牛顿流体的一种，特性通常的解释是：在静止状态下，这种流体具有一种三维结构，其坚固程度足以经受某一数值的剪应力，剪应力超过这一数值于是显示出与牛顿流体相同的特性。该描述只能接近于搅拌结果，不能表达复杂的过程描述，但是基于该理论的实验却获得结果。

3.3 结构分析

混凝土搅拌目的是使被搅拌物料达到均质状态。其采用的方法有3种：第一增大分散相的有效接触面积；第二降低分散相周围液膜的阻力；第三增大分散相的分散速度。

以上3点就是对搅拌装置的要求，其根本目的就是使被搅拌的混凝土混合料流动起来，产生适当的流动状态。下面分析2种混凝土搅拌装置（见图5）的特点。

（1）增大搅拌叶片接触概率。体现在搅拌臂和叶片的布置形式上，上面的一种物料在断续叶片的作用下，接触叶片的范围内剪切效果好，没有接触部分靠叶片给予的力推动物料之间进行滑移产生剪切现象。由于物料属于宾汉姆流体，其特性是经受某一数值的剪应力才发生流动现象。相比较下面的连续螺带式搅拌同样效果，接触叶片的范围内剪切效果好，没有接触部分靠叶片给予的力推动物料之间进行滑移产生剪切现象。但连续叶片施加给物料的接触范围要远较断续叶片大，从而增加里物料与搅拌叶片直接接触并发生强制作用的机会，提高搅拌质量和效果。因此在这方面连续式的作用优于断续式叶片的布置形式。

（2）增加物料流动能力。对于1500L以上的搅拌主机，由于搅拌桶容积较大，而物料的投料是局部大量，不是洒布的形式，如想提高搅拌效果，必须要求物料快速在搅拌桶内流动起来，才有机会产生更好的扩散作用。连续叶片，内外强制进给螺旋比断续单臂布置具有更强力的推动作用，物料流动能力更强，提高物料动态混合能力，更适应大容量主机。

（3）物料流之间的剪切加大。由于有连续叶片两轴的正反螺旋布置，使得在两螺旋之间的物料流产生更剧烈的剪切效果。断续叶片主要实现垂直于搅拌轴方向的剪切效果，连续螺旋叶片完成两轴之间的物料剪切，由螺旋断接处产生逆流差，实现垂直于搅拌轴方向的剪切效果。这是断续叶片不能够实现的，是二者之间的最大差别。

经过以上分析和实践检验以2000L容量的搅拌机为例，同种高性能混凝土其搅拌时间较普通搅拌主机缩短20%～25%，搅拌功耗降低10%～15%。

（4）叶片抗磨损能力更强。连续叶片在搅拌时物料从叶片表面和叶片内弧部分流过，使叶片表面和内弧产生磨损。断续叶片在搅拌时物料也从叶片表面流过，并且物料从叶片的两侧和内弧流过，对叶片四边产生磨损。二者磨损最剧烈处均在叶片与搅拌桶衬板结合部，所以控制好叶片与衬板的间隙是二者共同的部分。由于断续叶片还要磨损两侧，这样必然加剧搅拌叶片外弧线与两侧角部的磨损，致使叶片角部外弧与搅拌桶衬板间隙加大，加剧叶片磨损，使叶片寿命降低。而连续叶片不存在这样的问题，只要调整好外弧与搅拌桶衬板之间的间隙就可以了。经过实践验证，上述结论是正确的。

双螺旋强制式搅拌叶片搅拌8万m3C30和C35混凝土比普通强制式搅拌叶片搅拌4万m3C30和C35混凝土后搅拌叶片磨损程度明显要轻，前者在外弧线处有耐磨结构设计和耐磨层。

（5）螺带式叶片的抗冲击能力比断续叶片低。由于结构的原因，连续叶片的表面积比断续叶片大，对于大粒径骨料的抗冲击和抗破碎能力低。

可通过以下方法处理：结构方面，加大在搅拌臂与连续叶片的接触面积；制订叶片回火韧性较断续叶片略高的热处理工艺。正反双螺带之间间距原因，对于搅拌60mm以上粒径骨料会使电机负荷较大。

4 结束语

通过对于2种不同形式混凝土搅拌机搅拌装置的原理、结构、使用情况的比较、分析、研究和总结，可以得出双螺带混凝土搅拌机与传统混凝土搅拌机相比具有以下优点：

（1）双螺带混凝土搅拌机强化了混凝土组分物料的轴向和径向的扩散运动和对流运动，有效消除了搅拌低效区的影响，明显提高了混凝土搅拌质量和效率，提高了设备的使用寿命。

（2）通过相关实验也反映出双螺带叶片搅拌的物料不仅宏观均质性好，而且微观均质性也得到了很大改善。

但同时在实际使用中发现双螺带搅拌机也存在需要进一步改进、提高的方面：（1）由于轴向力加大，致使搅拌机轴端轴承承受搅拌的轴向力，缩短了其使用寿命。（2）对于搅拌装置间的物料合理返流需要进一步的研究和改进。