基于EDEM的双立轴搅拌机拌缸倾角对比研究*

王玄丰，赵 悟，汤 钊，王 敬

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验，陕西 西安 710064)

0 引 言

水泥混凝土是根据工程要求、结构形式以及施工条件等将水泥、砂、石、水以及各种外加剂按一定级配比例和顺序投入搅拌设备中经过一定时间搅拌形成的均匀胶凝性混合物。水泥混凝土被广泛应用于各种土建工程中，是目前运用最为广泛的建筑材料之一[1]。如何做到既经济环保、又能确保和提高其使用性能一直是业界专家讨论研究的重要课题[2]。实验研究表明：在混凝土生产中，搅拌设备的工作性能直接影响混凝土的搅拌质量和生产效率。

目前市面上生产混凝土的搅拌设备主要分为自落式与强制式，在强制式搅拌设备中又可分为卧轴式搅拌机和立轴式搅拌机[3]。现市面上普遍的立轴式搅拌机以单立轴式搅拌机与立轴行星式搅拌机为主。单立轴式搅拌机被普遍应用于细骨料、轻骨料、干硬性混凝土及水泥砂浆的拌和[4]；立轴行星式搅拌机被广泛应用于对流动度要求较大的混凝土搅拌领域[5-6]。而鉴由爱立许公司推出的搅拌设备，在拌缸倾角方面的独特设计，如图1，引发笔者对立轴搅拌机拌缸倾角的思考。

图1 爱立许搅拌机样机

笔者所在课题组在单立轴搅拌机的基础上提出并设计了双立轴搅拌机，以该试验样机为模型研究分析双立轴强制搅拌机在不同拌缸倾角状态下对搅拌混合物料均匀性的影响，通过PROE三维建模软件建立试验样机三维模型，并利用EDEM离散元仿真软件对物料在不同拌缸倾角状态下的物料搅拌进行模拟仿真，对比分析混合物料颗粒的均匀性，从而得到不同拌缸倾角对双立轴强制搅拌机搅拌物料均匀性的影响情况，进而取得较佳的拌缸倾角，为双立轴强制搅拌机设计优化提供参考。

1 双立轴强制式混凝土搅拌机概况

混凝土生产制备的过程中搅拌的作用就是将各种集料拌合均匀，各种物料颗粒相互分散，均匀分布，符合相关的力学性能要求和结施工要求的混合物[7]。立轴强制式混凝土搅拌机是一种适用于搅拌干硬性、高强和轻质混凝土的搅拌机[8-9]。双立轴搅拌机在传统立轴搅拌机的基础上增加了搅拌轴，强化了混和物料在拌缸内的循环运动。如图2、3所示的双立轴搅拌机的两根搅拌轴上分别装有一对侧、中、内搅拌臂，并且在侧、中、内拌臂上分别装有侧搅拌叶片、中搅拌叶片、内搅拌叶片。

双立轴强制式搅拌机对混合物料的搅拌过程中，由于对混泥土拌合料的剪切和对流作用，拌缸内存在多样的料流循环，即能在较短的时间里使得混凝土的各种颗粒达到均匀分布的状态。

图2 搅拌装置结构示意图

图3 双立轴搅拌桶搅拌装置布置示意图

当改变搅拌机拌缸的放置倾角后，拌缸内的搅拌装置也随之倾斜，为充分利用拌缸，拌缸放置的倾斜角度不能无限增大，为考虑拌缸利用率，拌缸倾斜角度最大为45°。随着倾角的不断增大，此时搅拌机内的混合物料在搅拌装置的搅拌作用下不仅具有双立轴搅拌机的交汇作用，同时，由于拌缸倾斜，搅拌装置上的叶片还会对混合物料进行抛洒作用，增加拌缸内的物料运动，从而使混合物料能在较短的时间内搅拌均匀。

2 PROE三维模型建立与EDEM离散元建模模拟仿真

2.1 EDEM软件简介

EDEM是全球首款多用途离散元素法建模软件，可用于工业生产中的数据处理及其制造设备的生产过程的仿真和分析。EDEM基于离散元分析原理，用来模拟和分析颗粒处理和生产操作，用户可以利用EDEM轻松快速地创建颗粒实体的参数化模型。利用EDEM可以解决诸如物料均匀性、能量损耗等诸多问题。

利用EDEM后处理中分析颗粒混合均匀度的功能，进而来判断比较拌缸倾角对水泥混凝土搅拌均匀性的影响。

2.2 100 L双立轴搅拌机模型建立

利用PROE三维建模软件建立仿真用的虚拟样机，建立的虚拟样机是根据实验室设计加工的100 L双立轴间歇强制搅拌机，其基本参数为：出料容积100 L，入料容积150 L，拌缸内径690 mm，两轴间距为520 mm，整台实验样机中有两套搅拌装置，每套搅拌装置中有6个搅拌臂，每个搅拌臂对应一个搅拌叶片，其中有两个内搅拌叶片，两块中搅拌叶片，两块侧搅拌臂，两个搅拌叶片，叶片形状如图4、5所示。

图4 搅拌叶片样式

图5 PROE三维模型搅拌缸

两个搅拌装置由1台功率为11 kW的Y160M-4的异步电动机通过同步链传动带动两个搅拌装置反向转动，电机转速1 440 r/min。由于搅拌混凝土时，搅拌装置的最大线速度应在1.4～1.7 m/s之间[10]，设定搅拌转速为55 r/min。

2.3 EDEM仿真参数设置

为了得到能够真实反映混凝土搅拌的真实过程，选用了软球模型和具有黏结力碰撞的Hertz-Mindlin With JKR接触模型。根据实际中常用的骨料颗粒直径选取了3种不同直径的小球颗粒来模拟连续级配的混合料，其中直径为6 mm的5 000颗，直径为18 mm的4 000颗，以及直径25 mm的3 000颗。除了不同直径的小球颗粒设为石料(stone)外，搅拌装置和搅拌筒等材料均为钢材(steel)，颗粒与搅拌装置参数设置如表1和表2所示。

整个模拟仿真的时间设置为30 s，为了保证模拟仿真的结构具有可对比性，三次仿真除搅拌桶的倾斜角度设置不同外，其余参数设置和仿真条件均一致。

表1 模拟仿真材料属性设置表

表2 模拟仿真接触模拟设置表

3 仿真结果处理与分析

3.1 均匀性指标

在国家标准GB/T9142-2000《混凝土机械》中规定，均质混凝土中砂浆密度的相对误差不大于0.8%、

单位体积混凝土中骨料质量的相对误差不大于5%[11]。因此混合均匀就成为衡量混凝土搅拌设备的一个重要指标。离散系数反映了某种粒径颗粒在搅拌中的混合均匀程度，离散系数越小表示混合物均匀度越好。

模拟仿真完成后，对整个模型进行大小相同的方体网格划分，如图6所示。在搅拌过程中取3 s、6 s、9 s、12 s、15 s、18 s、21 s、24 s、27 s、30 s 10个不同时刻点的各个网格中的颗粒总数及各种颗粒在每个网格所占的个数，对网格进行筛分，为了保证网格的有效性，去掉颗粒数少于25的网格[12]。

图6 模拟仿真网格划分

3.2 数据结果分析

6 mm、18 mm、25 mm三种不同粒径颗粒仿真数据结果如表3所示，图7～9为仿真结果图。

表3 仿真数据整理

图7 25 mm颗粒的离散系数

图9 6 mm颗粒的离散系数

观察上面仿真的结果图7～9，就整个搅拌过程而言，在达到同一均匀度的前提下，随着拌缸倾角的不断变化，所需要的搅拌时间也不同。其中在拌缸倾角为45°时所需的搅拌时间最短。从最终完成的三种不同颗粒离散系数来看，45°倾角时的离散系数分别为0.331、0.244、0.088；30°倾角时的离散系数0.425、0.285、0.092；0°倾角时的离散系数0.429、0.301、0.126。前面已经讨论过，用颗粒的离散系数来衡量搅拌的均匀性。上面的仿真结果表明，拌缸倾角为45°时搅拌出的颗粒离散系数总体较小，也就是说在这种状态下搅拌混合物料能更快的达到均匀状态且比0°倾角和30°倾角所达到的均匀性更好。

4 结 论

通过EDEM模拟仿真软件对不同拌缸倾角状态的搅拌过程进行模拟仿真，结果表明：与30°、0°拌缸倾角相比，45°拌缸倾角的物料颗粒在拌缸内的运动过程更复杂，既有类似卧轴搅拌机的抛洒作用，又有双立轴搅拌机的剧烈交汇作用，对物料颗粒有较好的拌和作用。因此拌缸内的物料颗粒能在较短的时间内达到要求的均匀度。

进而，对双立轴搅拌机，采用不同的拌缸倾角对混凝土均匀性有着重要影响，不仅影响物料搅拌的均匀程度，而且影响物料搅拌均匀所需的时间，影响生产效率。为往后双立轴搅拌机的设计就拌缸倾角方面提供一定的参考价值。