一种混凝土搅拌设备用旋转冲击激振装置设计

王鑫鑫，杨 发，魏 金，刘 楠

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

0 引言

当下正是我国公路交通事业飞速发展和国家基础设施建设的关键时期，国道、省道干线公路和城市道路的车辆荷载及车流量密度逐渐增大，车辆行驶速度越来越快，使得公路路面破坏的趋势加大。特别是对于已损坏的水泥混凝土路面来说，这样的工程不仅翻修投资大，而且施工周期也较长，维修施工时严重影响交通畅通和行驶车辆安全[1]。因此，提高混凝土的质量与制备效率已经成为必然的要求。混凝土作为一种以水泥为胶凝材料的复合材料，有着强度较高、板块性好、耐磨耐久性好等优点，是目前使用最广泛的建筑材料[2]。混凝土的制备离不开搅拌机的作用，但在制备过程中，由于制备工艺和制备装备功能上的不足，不仅混凝土制备装备的寿命会缩短，而且新制备的混凝土也很容易产生裂纹、孔洞和蜂窝状结构等缺陷[3]。

为了弥补各种搅拌方法在实际生产中出现的缺点，人们也一直在探索搅拌的新方法、新领域。长久以来，国内外对于振动搅拌的试验研究与理论分析都表明，在搅拌的过程中同时对混凝土施加振动作用可以改善混凝土的微观组成和微观结构，增强混凝土的强度和含气量；还可以强化混凝土的水化过程，促进结团的水泥颗粒均匀分布于骨料之中，减少水泥的消耗量[4]。因此，振动搅拌是一种值得探索的搅拌技术。

本研究从搅拌设备制备原理出发，通过设计一种新的激振装置，在搅拌过程同时产生高频激振作用，既可以防止搅拌机抱轴等影响机器寿命现象的产生，起到保护机器的作用；又可以将振动能量传递到混凝土当中，从微观层面提升搅拌物料的质量。

1 研究背景

混凝土的制备离不开混凝土搅拌设备，搅拌设备按照工作原理主要分为自落式搅拌设备和强制式搅拌设备[5]。而普通强制式搅拌设备因其有较好的搅拌质量和搅拌效率，在工程中应用非常广泛。但普通强制式搅拌设备也存在一些弊端，从搅拌轴中心向搅拌筒壁随着搅拌半径的逐渐增大，搅拌装置存在速度梯度，角速度相同，线速度随搅拌半径增大而线性增大。这样会使搅拌筒内不同位置的物料均匀性不尽相同，并且越靠近搅拌轴处搅拌效率越低，出现搅拌低效区。若将普通强制式搅拌设备搅拌后符合国家标准的混凝土放置于显微镜下观察，会发现仍有10%～30%的水泥颗粒没有破散开[6]。此外，混凝土搅拌设备的抱轴问题一直是行业共性难题[7]。在搅拌过后由于新拌混凝土是具有一定黏度的黏聚物，很容易黏附在搅拌轴、搅拌臂和搅拌叶片上，若不及时处理，新拌混凝土逐渐凝固，严重影响搅拌设备的寿命与搅拌物料的质量。限于以上方法存在的不足，提出了振动搅拌的理论。混凝土振动搅拌是通过激振器产生的高频振动和搅拌装置共同作用对物料进行搅拌，使搅拌装置提供的搅拌能量与激振器提供的振动能量都被混凝土吸收，实现边搅拌边振动。通过振动改善混凝土的微观结构与性能，提高搅拌效率和质量。

现有振动搅拌设备的激振器多采用偏心原理产生振动，轴承受力状态不佳，搅拌时受力复杂，激振器受力不易平衡，振动能量不能全部作用于作业对象，不符合节能减排的要求，在振动状态下极易发热，寿命不高。

本研究利用弹簧收紧蓄能的特点和高速转动中的特点，设计一种混凝土搅拌设备用旋转冲击激振装置。

2 结构原理示意图及工作流程

2.1 系统工作原理示意图

该装置通过设计安装于搅拌轴内部的激振机构配合搅拌轴作业共同组成激振装置，搅拌动力装置和振动动力装置分别设置在搅拌轴的两端。搅拌动力装置与搅拌轴的一端连接，用于带动搅拌轴转动，振动动力装置的输出端与振动传动轴连接，用于带动振动传动轴转动；振动传动轴的一端或两端设置有连接轴，连接轴上套设有第一轴承，振动动力装置的输出端通过连接轴与振动传动轴连接；搅拌动力装置设置在搅拌轴的另一端，搅拌动力装置的输出端与搅拌轴连接；搅拌轴安装在机架上，搅拌轴与机架之间设置有第二轴承。振动传动轴采用实心轴或空心轴，振动传动轴的质心与其旋转中心重合，搅拌轴与振动传动轴同轴线，如图1所示。

图1 激振装置结构示意图

搅拌轴采用空心设置，振动传动轴同轴线安装在搅拌轴内；振动传动轴的轴线方向均匀设置有若干个振动传动臂组，每个振动传动臂组包括N个振动传动臂，N个振动传动臂沿振动传动轴的同一圆周均匀设置，振动传动臂的个数N大于等于2；振动传动臂垂直固定在振动传动轴的圆周面上，振动传动臂上套设有弹簧；弹簧的一端与振动传动臂固定连接，另一端与冲击头固定连接。搅拌轴与振动传动轴同轴线反向旋转。A为搅拌轴内壁两间断弧面连接端突起高度，如图2所示。

图2 激振装置工作示意图

2.2 操作流程

当搅拌机完成干拌作业后，激振器开始工作，振动动力装置通过连接轴带动振动传动轴转动；安装在振动传动轴上的振动传动臂随之转动，同时带动固定在其上端的弹簧与冲击头亦跟随作旋转运动。在激振器工作过程中，弹簧前端冲击头与搅拌轴内壁持续接触，故振动传动臂前端弹簧随搅拌轴内壁凸起的轨迹而逐渐压缩蓄能；当振动传动臂运动到正对凸起的最高点时，相对应的弹簧压缩量达到最大，弹簧蓄能最高；下一时刻，振动传动轴继续旋转，冲击头离开凸起最高点，弹簧迅速舒张释能，弹簧前端冲击头碰撞搅拌轴的内壁低点处实现能量传递；搅拌轴内壁凸起高低点间高度差为产生振动的振幅。持续的弹簧收缩舒张冲击作用，将机械能转化为振动能量传递到搅拌轴和搅拌轴上的搅拌工作装置上，进而传输到被搅拌物料中，并依此持续振动；由于振动传动轴的转向和搅拌轴相反，且振动传动轴的旋转速度远高于搅拌轴的速度，所以每组振动传动臂组完成每一次激振都历时很短，从而保证了振动的高频性；结合搅拌轴上搅拌工作装置的搅拌作用，实现振动搅拌，有效提高搅拌质量和搅拌效率。同时，传递到搅拌轴和搅拌装置上的振动能量可以有效抑制搅拌机抱轴和新拌混凝土黏附等问题，延长搅拌机使用寿命。

2.3 关键参数

激振器的振幅与凸起的最大高度成正相关。

激振器的激振频率f与凸起的个数M及每组振动传动臂组中振动传动臂的个数N成线性正相关；优选的凸起的个数M=4，每组振动传动臂组中的振动传动臂的个数N=3。

激振器的激振频率f=MN×（振动传动轴的转速+搅拌轴转速）/60。

3 结语

本研究设计了一种新型的混凝土搅拌设备激振装置，将搅拌机搅拌与振动技术相结合。振动传动轴相对于搅拌轴每转动一周，振动传动轴上每一周N个振动传动臂上的弹簧依次压缩舒张。通过弹簧前端的冲击头对搅拌轴内壁进行MN次冲击，将振动能量传递到被搅拌物料中。物料由于受到振动作用处于颤振状态，进而促使聚团的水泥小颗粒迅速分散变小，增加与水的接触面积，加快水化反应，可以进一步增强骨料与水泥间的界面黏结强度，提高搅拌质量与效率。同时，本设计的激振器工作时激振器质心始终与旋转中心重合，振动能量仅传给物料，克服了偏心振动搅拌机的不足。并且，可以通过提高搅拌轴内壁凸起的数量或振动传动轴上每一周振动传动臂的数量来提高激振频率，又可以通过改变搅拌轴内壁凸起的高度来改变激振振幅。为实现高频振动提供了新方法，原理简单，结构合理。