基于EDEM双立轴振动搅拌机叶片安装角度仿真分析及试验研究

郭 良 赵 悟 王 敬 沈威威

（长安大学 公路养护装备国家工程实验室，西安 710064）

搅拌质量对混凝土成型起着至关重要的作用，对于强制式振动搅拌机来说，在搅拌过程中直接与物料接触的部件为搅拌臂与搅拌叶片，其中搅拌叶片对物料起到推移及剪切作用，因此该部件性能直接影响搅拌效果。目前搅拌机叶片形状多种多样，其数目不仅会对搅拌质量产生一定影响，而且叶片安装角度也是搅拌机工作的一项重要参数，与搅拌效果及质量有着紧密联系[1]。安装角度与搅拌机许多参数相关联，如搅拌线速度，振幅、频率以及搅拌时间等，每一个参数变化都会改变搅拌机性能，因此安装角度难以用既有理论去确定，故很难得到对应的目标关系式，尤其是立轴式搅拌机，叶片角度设计缺乏成熟的理论依据，导致相关分析存在一定偶然性与盲目性[2-3]。

本文通过EDEM软件仿真分析工具，对四个梯度叶片安装角度搅拌过程进行模拟与分析，对搅拌机部分重要参数与安装角度进行正交试验，通过仿真均匀性结果分析，获得立轴式振动搅拌机叶片合理安装角度。

1 立式搅拌装置叶片安装角的定义

铲刀型叶片无论是铲形或是桨形，安装角都是指推动物料进行有效作业的重要参数，立轴式搅拌机铲刀结构如图1所示，该叶片安装角度为α。本文采用SL100L双立轴振动搅拌机，搅拌叶片类型为铲型，铲刀平面与水平面夹角为60°，而叶片安装角主要是指搅拌臂法向平面与铲刀法向平面的夹角[4]。

2 EDEM软件简介

EDEM是英国DEM-Solutions公司设计并开发的离散元应用软件，目前该软件在石油天然气开采、建筑工程以及农业生产等诸多产业领域都有较好的应用效果。通过EDEM软件进行仿真模拟，可以分析系统组成颗粒单位之间的碰撞强度、频率分布以及每个颗粒的速度和位置分布，从而详细了解系统磨损、聚合和松解情况，判断系统结构是否完整。此外，还可以将EDEM软件做为后处理工具，确定颗粒流动轨迹，从中获得许多有价值数据，例如均匀度、能量消耗以及速度变化等信息，从而达到修改、优化模型的目的[5-7]。本文主要利用EDEM软件，对双立轴振动搅拌机不同叶片安装角度下物料搅拌均匀度进行分析。

图1 立轴式搅拌机铲刀型叶片安装角度

3 模型建立及其参数的设定

3.1 搅拌机模型建立

通过Proe软件建立虚拟的SL100L双立轴振动搅拌机模型，其共有六个搅拌臂和六个搅拌叶片，搅拌叶由四个铲刀和一对侧刮刀组成，结构如图2所示。同时建立不同叶片安装角度的搅拌装置模型，如图3所示。

图2 双立轴振动搅拌机整机与搅拌装置模型

图3 不同叶片安装角度的搅拌装置模型

3.2 EDEM参数的确定

考虑计算机的模拟仿真速度，搅拌叶片线速度选择范围为1.4～1.7m/s之间，根据搅拌臂旋转半径，设置搅拌转速为60r/min，物料颗粒采用球形，直径分别取5mm、12mm和18mm，分别代表水泥、沙子和石子。颗粒数目分别取20000、10000和8000个，仿真时间设为20s，投料时间约为5s，时间步长设置为35%，网格划分及其其他参数如表1、表2所示。

表1 材料各项参数表

表2 模拟仿真接触属性表

3.3 仿真过程及其分析

将安装角度为35°的模型导入EDEM中，设置好各项参数后，开始仿真，其中红色代表水泥颗粒，蓝色代表沙子颗粒，绿色代表石子颗粒，选取四个时刻的搅拌瞬间，如图4所示。

图4 安装角为35°时的仿真过程

3.4 仿真结果分析

均匀度是衡量混凝土搅拌质量的重要指标，即高强度混凝土搅拌均匀度都比较好[8-9]。仿真结束后，将搅拌过程按2s时间间隔，进行大小相同的正方体网格划分，定量输出每种颗粒的混合均匀度数据[10]。

在仿真过程中，每一种颗粒的总数保持不变，假设一共划分为n个网格，其中某种颗粒总数为A，仿真过程中的颗粒总数为X第i个网格中这种颗粒数为ai，而第i个网格中的颗粒总数为xi，则第i个网格中这种颗粒数目所占百分比fi以及该颗粒占所有颗粒总数的百分比N，如式（1）、式（2）所示。

理论上如果颗粒绝对均匀，应满足fi=N，但实际上不可能实现绝对意义的均匀，每一个网格中的颗粒数都是有差异的，因此fi的值在每个网格都是不同的。若令，则Pi的值就能够反映实际每个网格中某种颗粒的均匀度与该粒子理论均匀度的偏离，将Pi的标准差与平均值定义为离差系数，则平均值、标准差以及离差系数如式（3）～式（5）所示。

式中，λ值越大，说明均匀度越差，反之说明均匀度越好。这样分别将不同种颗粒的数目根据上述公式进行分析，即可得到每种颗粒的离散系数随时间的变化趋势，从而得出均匀度的变化规律。

同理，叶片安装角40°，45°，50°的模型分别利用完全相同的参数进行仿真，由于仿真过程基本相同，因此这三组过程就不再赘述，计算出沙子，水泥，石子在不同叶片安装角度即不同时刻的离散系数，得到的数据如表3～表5所示。

表3 5mm颗粒不同时刻不同角度离差系数

表4 12mm颗粒不同时刻不同角度离差系数

表5 18mm颗粒不同时刻不同角度离差系数

图5 不同叶片安装角下物料的离散系数

再将表中的数据做成折线图，如图5所示。可以看出，该仿真过程从第6～10秒左右物料离散程度开始降低，而后逐步趋于稳定，石子颗粒数目最少，最终的均匀程度也较差，由于其颗粒较大，达到动平衡所需时间也相对较短，当叶片安装角度为45°时，物料颗粒的离散系数要低于其他角度，越靠近45°物料最终的搅拌均匀度也就越好。

4 试验研究

利用EDEM仿真只能得出其物料均匀度一个数据影响状况，在实际工作中，搅拌作业会受到诸多条件约束，例如搅拌臂的相位角，叶片数目，搅拌速度等[11]。本试验采用的搅拌机是SL100L双立轴振动搅拌机，属于强制式搅拌机，搅拌臂为6个，相邻搅拌臂的相位为60°，搅拌叶片个数为6个，在振动强度不变的情况下，本实验以搅拌速度和叶片安装角度为变量，测量混凝土匀质性，按要求使粗骨料质量的相对误差ΔG＜5%，砂浆密度ΔM＜0.8%，并测量7d试件的平均抗压强度和离差系数，如表6所示。

由实验结果可得45°的安装角最终的抗压强度较大，与仿真得到的结果基本符合。本试验不足之处是考虑因素较少，但由于双立轴振动搅拌机参数基本稳定，且没有卧轴参数复杂多变，早搅拌机振动强度不变的情况下，对搅拌叶片安装角度影响较大因素为搅拌速度，因此得到的结论符合实际情况。

表6 SL100L双立轴搅拌机试验结果

5 结论

根据EDEM仿真的结果以及试验结论，在双立轴振动搅拌机设计过程中，当搅拌叶片安装角度为45°时，搅拌效果较佳，物料均匀度最好，抗压强度也略高于其他安装角度。因此双立轴振动搅拌机叶片安装角一般设计为45°。