双卧轴混凝土搅拌机功率和能耗计算

邹 祥

（三一重工股份有限公司，湖南 长沙 410100）

混凝土搅拌机是一种通过电机驱动，在圆筒或者槽中旋转用以把水泥、砂石骨料以及水合并拌制成混凝土混合料的机械，主要由拌筒、加料和卸料机构、供水系统、原动机、传动机构、机架以及支撑装置等组成，是混凝土搅拌站的核心部件。由于任何建筑型工程，包括大型的公路、住宅、铁路、港口等大型工程都必须使用混凝土，因此混凝土搅拌站得到了快速发展，搅拌机也由以前的自落式搅拌机、盘式搅拌机发展到现在主流的双卧轴强制式搅拌机。相比于传统的盘式搅拌机，双卧轴强制式搅拌机具有效率高、搅拌质量好和性价比高等优势。双卧轴强制式搅拌机采用双电机驱动，通过V带及行星减速机带动2根搅拌主轴转动，主轴上的转动叶片推动搅拌筒内物料并且形成交叉料流，以达到快速生产匀质混凝土的目的。BHS、利勃海尔、三一重工、SICOMA、中联和南方路机等主要搅拌站生产厂家已经大面积采用双卧轴强制式搅拌机，全面替代传统的盘式机。

目前，对于双卧轴强制式搅拌机搅拌功率的计算，国内公认的方法一般从单位面积上拌合物对搅拌叶片上的阻力来进行推算。本文参照这种方法对JS3000型双卧轴混凝土搅拌机进行了计算及验证。

1 双卧轴强制式搅拌机工作转速的计算

搅拌机的搅拌速度对混凝土质量和生产效率有着关键影响。如果转速偏低，使搅拌时间增加，从而降低生产率；转速偏高，会形成较大的离心力，混凝土容易产生离析现象，使混凝土匀质性受到破坏。当转速超过临界转速越多，其匀质性受破坏的程度就越严重。同时，转速增加必然造成搅拌功率提高。因此，确定合理的转速对于充分发挥搅拌机的作用具有很大的实际意义。

根据转动达到临界速度时，重力等于离心力

可以得到临界速度的计算公式

式中 R——搅拌筒半径；

v1——叶片临界线速度；

g——重力加速度。

若取搅拌筒半径R=0.64m，因此得到临界线速度

根据目前国内外搅拌机产品参数统计数据，转速下限为1.2m/s。工作线转速为临界线速度的2/3

3 搅拌机功率计算（以3m3机为例）

式中 v——工作线速度。

根据线速度与转速的计算公式

式中 n——转速。

可以计算出搅拌转速

2 容积利用系数的设计

按照GB9142标准进料容积为出料容积的1.6倍，同时搅拌机设计应具有10%的超载能力，即

式中 V0——搅拌机出料容积；

V1——搅拌机进料容积。

容积利用系数j的计算公式

将公式（6）带入公式（7）

取值 j=0.5

现阶段国内外搅拌站（楼）主要配置双卧轴强制式搅拌机，容积利用率的取值上各国也有不同的标准。德国搅拌机容积利用率为0.52～0.534，意大利搅拌机容积利用率为0.45～0.52，日本日工搅拌机的容积利用率为0.35～0.38。目前国内推出的搅拌机容积利用率大多在0.5～0.52之间，能够较好的保证功率的利用。

3.3 搅拌机功率计算

3.1 混凝土比阻力的计算

混凝土比阻力的大小与混凝土对叶片的作用力大小有关。具体影响比阻力大小的因素有：混凝土的物料状况，包括配合比、骨料粒径以及坍落度；叶片的运动速度；边界条件；物料堆积状况。

由于搅拌叶片上各个点线速度相差不大，因此比阻力k可以近似视为一常数。假定搅拌机处于标准工况，即物料状况和边界条件不变的情况下，坍落度为0～3cm，骨料最大粒径为60mm，C30混凝土，叶片与筒壁间隙为3～5mm，可近似认为混凝土比阻力k与运动速度、物料深度和搅拌筒半径有关。由于容积利用系数取决于物料深度和搅拌筒半径的比值关系，因此混凝土比阻力k仅为运动速度v和容积利用系数j的函数，即

式中 k——混凝土比阻力。

根据公式（8）得出

3.2 搅拌叶片上阻力矩的计算

计算搅拌机的功率关键是计算搅拌叶片上产生的阻力矩。叶片螺旋依次错开角度沿着轴向排列，在分析时可对一个叶片采用积分法，计算出其单个叶片的阻力矩，再乘以叶片数就可以得出搅拌机的总阻力矩，其公式如下

式中 Mδ——搅拌机总阻力矩；

n——搅拌机叶片总数；

M——单个叶片阻力矩。

如图1所示，设主轴被耽搁叶片环绕的轴向长度为L，叶片最宽断面（垂直于主轴的截面）宽度为H，离主轴轴线的距离为R，叶片螺旋角为a。

在叶片上取一微单元体，它沿主轴轴向的长度为db，沿径向的宽度为dr。物料作用在微单元体面积上的力情况比较复杂，但主要有沿螺旋面法向的工作压力。参照其他类型搅拌机受力分析的一般经验，将其它的力忽略不计，只考虑法向力。设微单元体上的该法向力为dp，如图2所示，则微单元体上的阻力大小为

图1 搅拌叶片阻力矩计算示意图

图2 叶片微单元体示意图

微单元体所受的的力矩

式中 r——微单元体回转半径。

dp沿主轴径向的分力为dp×sinα，将其与公式（10）带入公式（11）

对公式（12）进行双重积分，得到单个叶片收到的阻力矩

根据公式（9），将搅拌机叶片总数n=18带入

搅拌机的动力由电机输出，通过V型带传递给减速机，减速机通过联轴器最终传递到搅拌机的搅拌轴。V带传动的机械效率为0.85，减速机机械效率为0.95，因此搅拌机功率为

式中 N——搅拌机功率；

η1——带传动机械效率；

η1——减速机机械效率。

因为搅拌机采用双电机驱动，所以选取2台55kW电机。

4 实测能耗及功率数据

本文设计的搅拌站采用JS3000型双卧轴混凝土搅拌机，搅拌筒长2.06m，搅拌筒半径R为0.64m，搅拌叶片尺寸为L=0.29m、H=0.2m。2018年8月，对采用的JS3000型混凝土搅拌机的180搅拌站进行测试，采用C30和C40两种标号的混凝土作为测试物料，分别测量搅拌机实际功率和实际能耗。具体测试结果和能耗数据如图3—图5所示。

采用C30混凝土作为测试物料进行试验，测得3m3机满载搅拌时，单个电机最大功率为48.5kW；采用C40混凝土作为测试物料时，单个电机最大功率为50.5kW。可见计算值与实测值非常接近，误差为6%左右。由此可见，3m3搅拌机采用2台55kW电机符合要求，电机功率余量合理，搅拌机工作能耗为0.22～0.25kW/h，空载时能耗小于额定功率的10%。

5 结束语

通过设计计算和实验对比可以得出，本文中关于混凝土搅拌机的计算与实测结果非常吻合，该 设计及计算方法完全满足实际的需要。

图3 JS3000型搅拌机功率和能耗（C30）

图4 JS3000型搅拌机功率和单位能耗（满载C40）

图5 JS3000型搅拌机空载总能耗图