立轴行星式搅拌主机的应用研究

周国超

（中交四航局广州南沙工程有限公司，广东 广州 510230）

1 强制式混凝土搅拌机介绍

强制式混凝土搅拌机是混凝土生产设备的核心部件，主流强制式搅拌机的搅拌方式可以分为立轴行星式（以下简称行星式）和双卧轴叶片式（以下简称叶片式）两大类。国内多数搅拌机的主机为双卧轴叶片式，该机型搅拌普通混凝土效率高、卸料速度较快、设备购置成本相对较低。随着建筑结构装配化的发展，预制件的应用越来越普及，由于预制件多采用高性能混凝土，使立轴行星式搅拌主机近年来在国内得到了快速发展，下面从立轴行星式搅拌主机的结构原理、特点及对混凝土的影响来阐述。

2 立轴行星式搅拌主机的结构原理

立轴行星式搅拌主机是一种立式搅拌机，如图1 所示，结构上包括搅拌机锅体、液压卸料机构、观察检修口、耐磨合金衬板、搅拌机机盖、驱动电机、行星减速箱、搅拌臂及叶片等八个部分，其工作原理为驱动电机6 启动以后，通过行星式减速箱7 传动，搅拌主机锅体1 内多组搅拌混合桨叶8 围绕搅拌机锅体1 公转的同时，搅拌混合桨叶8 又以不同的转速围绕自身轴线自转，使搅拌机锅体1 内的物料受到强烈的剪切和搓合，达到充分分散和混合的目的。

图1 立轴行星式搅拌主机

3 立轴行星式搅拌主机的特点

（1）维护保养方便。立轴行星式搅拌主机采用立式结构，无须靠润滑脂的压力来平衡主机内水泥浆的压力，没有轴端漏浆的困扰，润滑脂的加注量远小于双卧轴叶片式主机，且搅拌主机内腔空间大，底部为平面，更换衬板、叶片较为便利，整体维护保养极为方便。

（2）无抱轴问题，日常清理工作少。立轴行星式搅拌主机搅拌臂在自转和公转的过程中物料都有一定的线速度，不存在抱轴的问题，叶片式搅拌机的搅拌轴附近的颗粒速度接近于0，由于靠近搅拌轴的颗粒速度很低，黏稠物料容易粘结到主轴上，如果不及时清理形成结块，慢慢地长大就形成了抱轴。

（3）卸料口布置灵活。立轴行星式搅拌主机内混合料沿搅拌主机做旋转运动，主机底部圆周方向任何位置均可开卸料口，且可以同时开多个卸料口，这对于装配式预制构件厂多点受料的工况非常适用。如果采用双卧轴叶片式搅拌主机，要实现多个卸料口，只能在主机底部卸料口加分料口，但这带来大量的日常清理工作。

（4）无低效区，搅拌效率高。立轴行星式搅拌主机的搅拌臂在公转和自转的运动过程中，可以到达桶内一定高度内所有的位置，桶内物料都有一定的线速度，同时，在搅拌臂公转+自转的作用下，混合料料流速度较快，这样不存在低效区，整体搅拌效率高。而双卧轴叶片式搅拌机由于主轴附近没有搅拌叶片，且由于搅拌轴附近线速度接近于0，只能靠物料之间的挤压碰撞获得很小的运动速度，故其低效区会较大，低效区的存在会导致搅拌效率的降低。

（5）不会积料、材料损耗低。立轴行星式搅拌主机是“平底锅”结构，属于平面结构卸料，卸料结构上除搅拌叶片拨料卸料外，还设计有底刮叶片辅助卸料，卸料门可以布置多个大开口卸料门，双卧轴是双弧“欧米伽”结构，卸料门结构在中间，一般是窄形长条卸料口，大部分物料要靠搅拌叶片强制拨料卸料，尤其是低坍落度黏性混凝土，容易积在两边凹弧底部形成结块，造成额外的材料消耗，增加清理工作，这从“每班次后洗锅水那里积水就看得出来”。

4 立轴行星式搅拌方式对混凝土性能的影响

4.1 物料混合好，不易离析

立轴行星式搅拌臂推动物料做公转和自转运动，尽管物料也会沿竖直方向上有一些运动，但竖直运动相对于旋转周期运动幅度很小，立轴行星搅拌机内的物料主要运动是平面旋转转动。双卧轴叶片式搅拌装置中间区域主要是将物料从底部带起来，向上抛撒，离心力和重力共同对物料作用，离心力是竖直往上的，而重力是竖直往下的，离心力和重力的方向相反，在两侧物料下落的过程中，离心力是往下的和重力方向相同，因此，物料受到的作用力较强。在搅拌过程中，重力起到了重要的作用，强制其沿螺旋方向运动，而行星式的重力沿竖直方向，而离心力则沿水平方向，故二者方向垂直，这样的搅拌就比较温和，骨料不容易离析，成品混凝土的质量就会较高。

4.2 局部交错范围大，利于水泥的水化反应

局部交错流动主要发生在搅拌区域重合的部分，对于立轴行星式搅拌主机而言，凡是行星轮轴共同围起来的地方就是搅拌区域重合部分，局部交错流动范围会很大，立轴行星式搅拌主机局部交错区域大约占总面积的40%以上。不同物料的颗粒在此范围内都有可能发生碰撞，形成局部交错对流流动，颗粒在交错区域互相碰撞逆流进行充分混合，这就非常有利于打散水泥团颗粒，方便水泥与水接触发生水化反应。

而双卧轴叶片式搅拌主机的交错区域是双轴上搅拌臂重合的部分，大约只占整个截面积的1/4，故更易形成小的水泥颗粒团，不利于水泥的水化。

4.3 纤维混凝土的搅拌

随着我国石油化工行业的发展，纤维的产量越来越大，生产成本越来越低。纤维混凝土在抗拉强度、抗裂、韧性及寿命均有明显的优势，因此，纤维混凝土是未来发展的趋势。立轴行星式搅拌在纤维混凝土搅拌尤其是钢纤维混凝土方面，明显优于双卧轴搅拌方式。

双卧轴叶片式在搅拌槽内部需要许多搅拌桨叶和搅拌臂。这些几何形状为放置在搅拌机中的水泥纤维提供了许多用于结块的结构表面，如搅拌轴、搅拌臂、轴端附近、双弧底部等。该物质在日常生产过程中会积累，直到通过振动或在其自身重量作用下落入混合物中，然后，保留在表面上，不再能混合或分解。而立轴行星式搅拌主机即便主机锅体容积再大，也仅需几个旋转混合臂，因此，结块的结构表面要小得多。此外，相当快的叶片速度会产生很高的分散混合力：发生的任何结块都被抛回到混合物中，在那里块状物再次破碎。

在立轴行星式搅拌主机锅体内，混合物料的混合和运输彼此分开。输送是通过公转旋转的搅拌底刮叶片进行的，而搅拌是通过已适应特定搅拌任务的自转又能公转搅拌叶片（称为行星转子叶片组）进行的。混合任务的这种分离提供了设计混合轨迹独特和独特的自由速度（行星转子公转+自转速度叠加）2.0 ～4.0m/s。立轴行星式混合机上的旋转搅拌系统在圆形槽内的循环路径轨迹上高速旋转，这会使物料混合物在每个循环过程中受到高效剪切力，从而导致所需的精细分散（即水泥、填料和添加剂的精细分散和精细分布）包括纤维分散效果。立轴行星搅拌叶片组几乎不需要与弧壁衬板接触，这意味着，它可以按照需要的高速度运行。这不仅有助于提供完美的纤维混凝土混合质量，而且还可以缩短混合时间。

5 结语

综上所述，立轴行星式相较传统的双卧轴叶片式搅拌方式在设备维护保养、搅拌效率及对混凝土的性能、纤维混凝土搅拌方面均有优势。但其制造成本较高，且由于结构原因其卸料门较小，卸料速度慢，搅拌低标号混凝土时能耗高，故立轴行星式搅拌方式适合对混凝土质量要求较高的固定场所，如装配式建筑及桥梁、隧道管片等预制构件厂，而在山区高速、商品混凝土或其他对混凝土要求不高的临时场合双卧轴搅拌方式更有优势。