搅拌理论（精选7篇）
搅拌理论 篇1
1 概述
油田区域, 储油罐因其内部装有原油导致罐体重量较大, 这就要求安置罐体的基础具有一定的强度, 通常的做法都是用大体积混凝土来实现。现在市场上, 商用混凝土 (砼) 市场前景较好, 给混凝土的施工带来了方便, 对于混凝土搅拌车而言, 在完成混凝土浇筑之后, 在路途运输过程中, 存在混凝土搅拌车内壁和出料口位置挂垢现象, 给下次使用造成影响, 也会影响不同强度的混凝土的搅拌。为工程实践中的运用带来不便。
2 混凝土搅拌车系统的工作原理
2.1 搅拌车搅拌功能原理
取力器将发动机的动力通过小传动轴带动液压泵液压马达转动, 经过减速机带动搅拌桶转动。在运输混凝土的途中, 需要保持搅拌罐每分钟1-3转的低速转动, 以保证混凝土的匀质, 同时防止混凝土的离析, 称为搅动 (俗称搅拌) 。
2.2 搅拌车装料功能原理
搅拌车在装混凝土的时候搅拌罐转速较快, 速度为每分钟6-10转, 混凝土通过装料系统从筒口导管进入搅拌筒, 并在螺旋叶片引导下, 流向搅拌筒的中下部。注意:装料时与运输过程中罐体的转动方向应保持一致, 否则在运输过程中会将混凝土卸出。
2.3 搅拌车卸料功能原理
搅拌车在卸料时, 发动机将动力通过取力器, 液压泵, 减速机等传输到搅拌罐, 带动罐体转动, 速度为3-14转/分;混凝土在叶片螺旋运动的顶推作用下向筒口方向移动, 经过搅拌车的卸料斗卸出。此时罐体的转动方向与进料时的方向相反。
2.4 搅拌车清洗功能原理
通过制动系统的储气筒给水罐加压, 水流经过加压清洗搅拌罐系统, 装料口, 卸料系统等。
3 TRIZ及其理论
TRIZ是俄文“发明问题解决理论”的词头。它是苏联的阿奇舒勒及其领导的一批研究人员从1946年开始, 通过对世界各国约250万件专利进行分析研究, 总结得出, 其主要目的是研究人类在进行发明创造和解决技术难题的过程中所遵循的科学原理和法则。研究结果表明:解决发明问题过程中所运用的科学原理和法则是客观存在的, 大量发明所面临的基本问题和矛盾 (TRIZ称之为技术矛盾和物理矛盾) 也是相同的, 同样的技术创新原理和相应的问题解决方案, 在一次次的发明中被重复应用, 只是被使用的技术领域不同而已。
现在TRIZ理论的研究与实践获得了越来越多人认可[1,2], 并且已经为很多知名企业带来了重大的经济效益。通过TRIZ理论的分析可以快速发现设计中存在的矛盾的本质, 然后利用TRIZ理论提供的原理, 得到合理的解决问题的方法。此外, 利用TRIZ理论原理解决问题, 打破了现有的思维定势, 激发创新思维, 在其他领域中寻求解决本领域中矛盾冲突问题的方法。
3.1 运用TRIZ40条发明原理
创新原理17-多维运作法, 对于搅拌筒而言现在已经是多维了, 可不可以又螺旋。创新原理34-自生自弃法, 可不可以使桨片随混凝土旋出, 实现外部清理。
3.2 运用物理矛盾解决方法提出原理解
课题来源:2014年大学生创新项目《混凝土搅拌车挂垢清理装置》。把技术矛盾转化为物理矛盾。壁应该光滑, 因为不挂壁, 壁不应该光滑, 增加成本。拟采用分离原理之时间分离原理, 即在倾卸混凝土时桶壁光滑, 其它时间可以不光滑。运用技术矛盾解决方法提出原理解, 原问题技术矛盾为“改善:为了解决混凝土, 混凝土挂垢是要改善的;恶化:对罐来说, 是物体产生的有害因素。”建立问题模型, 对应的39个通用工程参数“改善的参数:31物体产生的有害因素, 恶化的参数:29制造精度”。解决方案模型, 对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为:创新原理4:非对称法 (不对称, 可不可以通过改变对称布局来改善挂壁) 整体与部分分离:局部是光滑的, 整体上可以不光滑。
4 方案
研制一种可以提供使混凝土变软的、再利用圆周旋转的戗刀不停的刮戗挂垢的混凝土搅拌车挂垢清理装置。该装置的空腔、圈空腔、螺杆空腔内装入针筒的活塞杆利用推进杆进入螺杆的螺杆空腔内产生的压力使针筒内的混凝土溶解剂在压力的作用下喷射向混凝土搅拌罐内的挂垢, 达到溶解挂垢的效果。
该装置的的连接杆顶端的圆形凹槽、弹簧、戗刀配合使用, 由于混凝土的挂垢较坚硬, 用戗刀用力戗时会使戗刀折断, 而戗刀的刀杆底端连接弹簧, 则在使用戗刀时有一个缓冲力, 避免戗刀的损坏, 节约成本。
该装置的卡块与卡框配合使用时, 一方面从凹槽的顶面插入卡块, 顺时针旋转后卡块进入卡槽内, 在利用顺时针旋转的电动机, 可以保证卡块不会从卡槽内掉落, 使推进杆与螺杆之间的连接关系更紧密。
该装置的滑轮可以使推进杆在推进时电动机的移动更方便, 而电动机支撑架可以保证电动机的高度与固定轴的高度一致。
结束语
所述的混凝土搅拌车挂垢清理装置, 在使用时先将推进杆推进到螺杆的顶部, 推进杆挤压针筒的活塞杆使针筒内的混凝土溶解剂 (速必达混凝土溶解剂) 在压力的作用下喷射向混凝土搅拌罐内的挂垢, 在顺时针转动推进杆, 使推进杆的挡片上连接的卡块通过凹槽卡入卡槽内, 开启电动机, 利用电动机的转速使连接在齿轮上的戗刀进行圆周的刮戗混凝土搅拌罐内的挂垢, 达到去除挂垢的效果, 该方案即将形成专利。
摘要：混凝土搅拌运输车的核心部件是搅拌筒。其在使用过程中性能的好坏取决于设计的优劣, 使用过程的养护。本文概述了搅拌车系统的工作原理, 利用TRIZ原理进行分析提出了一种混凝土搅拌车挂垢清理装置。该装置在使用过程中, 针筒内的混凝土溶解剂在压力的作用下喷射向混凝土搅拌罐内的挂垢, 利用电动机的转速使连接在齿轮上的戗刀进行圆周的刮戗混凝土搅拌罐内的挂垢, 达到去除挂垢的效果。
关键词：TRIZ,混凝土,搅拌车,挂垢清理
参考文献
[1]夏盛来, 何景武.TRIZ理论在飞机结构设计中的应用研究[J].机械设计与制造, 2008, 12 (2) :57-59.
[2]张志远, 何川, 张鹏.运用TRIZ理论解决新产品开发中的冲突[J].工程设计学报, 2002, 10 (4) :192-196.
搅拌理论 篇2
搅拌摩擦焊接中搅拌头转速、焊速、压入量(轴肩压紧力)、搅拌头形状和尺寸等均会影响搅拌摩擦焊接过程中的焊接温度以及材料变形历史,从而影响焊接质量。目前针对搅拌摩擦焊接过程中的传质传热以及材料变形已有大量的前期工作[3,4,5,6,7]。在搅拌摩擦焊接中,搅拌头的机械搅拌作用下,搅拌区晶粒发生动态再结晶,在焊接温 度场的作 用下形成 细小的等 轴晶粒[8,9],这一过程由剧烈塑性变形与温度共同作用[10], 对搅拌区晶粒变化的数值模拟可以为进一步的焊接质量控制奠定基础。Pan等[11]采用光滑粒子法(SPH) 模拟搅拌摩擦焊接过程,结合经验公式模拟搅拌摩擦焊接过程中的晶粒变化。Buffa等[12]采用热力耦合模型结合实验数据模拟了搅拌摩擦焊接过程中的相体积分数的变化情况,并进一步研究了焊接参数的影响。 Chang等[13]通过对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接的实验研究,揭示了焊 后搅拌区 晶粒尺寸 与Zener-Hollomon参数的关 系。Gerlich等[14]通过Zener-Hollomon参数估算了5754和6061铝合金在搅拌摩擦点焊中的应变率数值范围。Robson等[15]通过计算Zener-Hollomon参数预测了2524铝合金在搅拌摩擦焊接过程中的晶粒尺寸变化。
从已有文献可以发现,通过计算Zener-Hollomon参数可以预测 搅拌摩擦 焊接晶粒 尺寸变化。ZenerHollomon参数的计算依赖于物质点的变形历史和温度历史,而搅拌摩擦焊接中不同位置的物质点具有不同的运动行为,跟踪物质点的运动并基于不同的变形历史和温度历史预测搅拌摩擦焊接构件的搅拌区和晶粒尺寸对于进一步了解搅拌摩擦焊接的焊后力学性能变化并对优化焊后力学性能具有重要意义。本工作正是基于搅拌摩擦焊接过程中物质点材料流动的不同行为,界定搅拌区的大小,并通过材料物质点的真实应变分量与温度的时间历程,计算Zener-Hollomon参数, 并进一步预测搅拌区内的搅拌头转速对晶粒尺寸的影响。
1计算模型
采用完全热力耦合有限元模型模拟搅拌摩擦焊接过程,基于ABAQUS计算平台及FORTRAN程序进行求解,完全热力耦合有限元模型的有效性已被广泛验证,详细模型描述可见文献[16,17]。有限元网格如图1所示。 搅拌头直 径为16mm,搅拌针直 径为6mm,采用直径为60mm的圆形薄板模拟搅拌摩擦焊接过程中搅拌头周围的材料的运动行为。本模型中, 搅拌针长度超过构件厚 度,主要原因 是为保证ALE模型网格规则与求解的收敛性[18]。材料为6061-T6铝合金,其力学性能和热物理性能均是温度的函数,见文献[17]。搅拌头设定为刚体,轴肩压力为90MPa, 焊速为120mm/min,取转速400r/min与500r/min两种情况进行对比。
搅拌摩擦焊接过程为热力耦合过程,在每一时间步内需同时求解动力学方程和瞬时热传导方程:
式中:M为质量矩阵,C为阻尼矩阵,K为刚度矩阵,P为载荷列阵,CT为热容矩阵,KT为导热矩阵,PT为热载荷矢量。动力学方程采用中心差分法进行求解,瞬时传热方程采用前差分方法求解。
对于每一个时间步,可以提取出材料物质点所经历的温度与真实应变分量,用以计算分析材料在大变形热力耦合情况下的力学性能:
式中λ为伸长率,dl和dL分别为当前构型和参考构型中的微小段长度,x和X分别为当前构型中的位置矢量。
等效应变率ε·-由应变率张量ε·计算得到:
式中,“:”表示张量双点乘。
Zener-Hollomon参数定义如下:
式中:Q为激活能,取值为156kJ/mol;R为气体常数。
通过Zener-Hollomon参数,可以预测焊接区最终晶粒大小[19]:
式中:D为初始晶粒尺寸124μm[20];a,b为材料常数, 根据文献[19,20]中实验数据推算得到,取为1.74和 -0.23。
2结果讨论
图2,3所示为搅拌摩擦焊接过程中材料物质点的流动规律,通过材料的流动行为,可以划分出搅拌焊接过程中搅拌区域(SZ)的边界。以转速为500r/min时材料流动为例,在焊接构件上表面,最靠近焊缝中心线的材料物质点,以焊接速率靠近搅拌头后,在轴肩与搅拌针的共同摩擦旋推作用下,运动轨迹发生明显变化, 随搅拌头旋转方向发生剧烈绕针流动,并最终绕过搅拌头,进入返回侧尾迹。由此可以判断,焊接过程中的飞边现象是由前进侧该部分材料形成的。搅拌区外的材料物质点,其流动轨迹受搅拌头影响较小,近似为直线,该区域材料以剪切变形下的位错运动为主。对比发现,搅拌区材料具有明显的流动性,而这一特性正是判断搅拌区边界的重要依据。同理,可以判断下表面焊接区域。
图2 搅拌摩擦焊接构件材料流动 ( a )构件上表面 ; ( b )构件下表面 Fig.2 Materials flows in friction stir welding ( a ) on top surface ;( b ) on bottom surface
根据材料流动的不同行为,图4给出两种工况下搅拌区的形状和尺寸。随着搅拌头转速的增加,焊接构件上表面搅拌区尺寸略有增大,宽度由16.8mm增加为18.4mm,这主要是由于轴肩的摩擦旋推作用增大所致。而下表面搅拌区域的宽度随搅拌头转速的增加无明显变化,宽度均为12mm。从图4可以发现,搅拌区域上表面较宽,且略大于轴肩直径,下表面较窄, 区域的截面图呈梯形分布,这与同种材料搅拌焊接的实验观测结果[21]一致,证明了利用材料物质点流动界定搅拌区边界的可行性和有效性。
图3 不同转速下材料流动轨迹 ( a ) 400r / min ;( b ) 500r / min Fig.3 Materials flows of different rotation speed ( a ) 400r / min ;( b ) 500r / min
为了进一步研究搅拌区域的最终微观晶粒尺寸, 需根据材料的流动轨迹,提取计算出等效真实应变率与温度历程。根据(5)式计算出的等效应变率历程,如图5所示。可以看出,前进侧(位置坐标为正)材料所经历的等效应变率,均明显高于相同位置的后退侧(位置坐标为负)材料。这是由于旋转摩擦的作用,前进侧材料更多的进行绕针流动。在上表面,转速的增加对前进侧等效应变率峰值影响较小,前进侧6.1mm处的材料,在时刻t=4s,达到峰值2.6s-1。而返回侧6.1mm处,两种转速条件下,应变率均在t=2s时达到峰值,由400r/min时的0.8s-1增长到500r/min时的1.3s-1。靠近外侧的材料物质点,即离中心线8.4mm处,流动迹线较为平稳,在流经搅拌头时,未发生较大绕流,故等效应变率值较低,两种转速条件下,峰值均在1s-1附近。在下表面,由于轴肩的摩擦作用的影响降低,材料流动规律与上表面略有 区别。在前进侧, 最靠近中心线(2mm处)的材料会发生绕针运动,较大转速下,等效应变 率更高,峰值可达20s-1。 未发生绕针运动的 材料,前进侧与 后退侧应 变率则无 显著差异,值得注意的是,靠近中心线且未发生绕针运动的返回侧材料(-2mm处),在流经搅拌针时,仍受搅拌针影 响造成应 变率的波 动。 根据应变 率的规律,可以发现焊接转速的增加,将使得搅拌区材料流动明显加剧。
图5 等效应变率随时间变化关系 ( a ) ω=400r / min ,上表面 ;( b ) ω=500r / min ,上表面 ; ( c ) ω=400r / min ,下表面 ;( d ) ω=500r / min ,下表面 Fig.5 Relation of equivalent strain rates and time ( a ) ω=400r / min , top surface ; ( b ) ω=500r / min , top surface ;( c ) ω=400r / min , bottom surface ;( d ) ω=500r / min , bottom surface
根据图3给出的材料流动轨迹,对比400r/min与500r/min工况,转速增大后材料流动轨迹明显改变, 绕针运动速率增大,轨迹更加杂乱,故计算出的应变率值较高。Chang等[13]对AZ31镁合金的 搅拌摩擦 焊接实验研究发现,随着转速的增大,材料应变率也随之增大,且服从线性增长,与本计算结果规律相符。对于应变率历程的不规则与跳跃性,则是由于流动轨迹受搅拌头影响发生明显绕针运动所致。
图6给出了相 应位置的 温度历史 曲线,转速由400r/min增至500r/min,最高温度 分别为334℃ 和370℃,增大约11%。在上表面,前进侧与后退侧温度分布较为对称,材料物质点在流经搅拌头附近时,达到温度峰值,与等效应变率峰值时刻相近,均为t=4s左右。随着材料物质点离开中心线距离增加,材料物质点经历的 温度历史 明显下降,以500r/min转速下6.1mm至8.4mm为例,如图所示,最高温度由320℃ 降低至230℃。在下表面,绕针运动的材料物质点,如前进侧6.1mm处,在搅拌针的作用下发生绕针运动, 其温度始终保持在较高区域。当材料物质点流出搅拌区,在经历2s左右的高温后,逐渐降低至150℃以下。 从图6(c),(d)可以看出,随着焊接转速的升高,前进侧绕针流动的材料范围在扩大,说明高转速使得搅拌区域材料的流动性加强。
基于上述温度与应变率历史,可按(6),(7)式计算Zener-Hollomon参数,并进一步预测搅拌区域最终晶粒尺寸。表1,2给出了构件上下表面在两种工况下不同位置的最终晶粒尺寸和相应温度、等效应变率值。 两种焊接转速下,构件上下表面搅拌区最大晶粒尺寸分布相对均匀,前进侧与后退侧尺寸分布基本对称,这与Kim等[22],Liu等[23]的实验观测晶粒分布规律相符。在焊接转速400r/min条件下,最终晶粒尺寸在1.9μm到3.9μm,平均尺寸2.93μm,转速增大到500r/min时, 则为3.1μm到6.5μm,平均尺寸4.63μm,这与Sato等[24]对于晶粒尺寸随转速、温度增大而增大的实验观测规律一致(如图7所示)。众多实验已证实,温度的增长,将使晶粒尺寸增大,而较大的应变率,会使晶粒尺寸减小[25]。当转速增加时,最高焊接温度与最大应变率均增加,而平均晶粒尺寸随之增大,且温度变化对于晶粒尺寸的影响远大于应变率变化产生的影响。
图6 温度随时间变化关系 ( a ) ω=400r / min ,上表面 ;( b ) ω=500r / min ,上表面 ; ( c ) ω=400r / min ,下表面 ;( d ) ω=500r / min ,下表面 Fig.6 Relation of temperatures and time ( a ) ω=400r / min , top surface ;( b ) ω=500r / min , top surface ; ( c ) ω=400r / min , bottom surface ;( d ) ω=500r / min , bottom surface
值得注意的是,在搅拌区内,不同工况和位置处, 晶粒尺寸数值会发生波动。例如,400r/min工况下, 上表面6.1mm处晶粒尺寸小于3.2mm处,转速增至500r/min时,晶粒尺寸总体增大,但内外侧数值差异减小。下表面在转速增大时,也有类似规律。比较图3与表1,2可以发现,晶粒尺寸数值出现波动,这是由于转速增加时同一位置的流动轨迹有可能发生明显改变。由此可判断,400r/min与500r/min工况下不同位置晶粒尺寸规律的差异性,主要原因是转速增加带来的温度增长与流动轨迹变化。
3结论
(1)根据材料物质点的流动轨迹的不同,可以划分搅拌区域的边界。
(2)焊接转速的增大,将使构件上表面搅拌区变宽,而对下表面搅拌区宽度的影响不大。
(3)较高的焊接转速,将显著增大焊后搅拌区内的晶粒尺寸。
(4)温度增加会使搅拌区晶粒增大,变形增加会使搅拌区晶粒减小,然而温度的影响更为明显。
摘要：基于搅拌摩擦焊接的完全热力耦合模型,跟踪材料物质点运动轨迹,划分出不同搅拌头转速下搅拌区域边界。沿材料物质点迹线提取出真实应变与温度历程,可进一步计算Zener-Hollomon参数并利用经验公式预测搅拌区晶粒尺寸。经计算发现较大转速工况下,搅拌区尺寸较大。搅拌区晶粒尺寸随焊接温度的增加而增加,随应变率的增加而减小。随着搅拌头转速的增加,焊接区材料温度与等效应变率均有明显增长,但是温度影响更为明显,平均晶粒尺寸随搅拌头转速的增加而增加。
搅拌理论 篇3
双卧轴搅拌机因其搅拌质量好、生产效率高而被广泛的应用于混凝土的搅拌作业, 搅拌装置是其工作装置, 对搅拌机的性能和作业质量有着重要影响[1], 因此在设计搅拌装置时必须要保证其有足够的强度和刚度, 使其在工作过程中不发生故障。搅拌装置主要包括搅拌轴, 搅拌臂, 搅拌叶片等, 由搅拌传动机构驱动其旋转, 搅拌叶片表面所受到的阻力使搅拌叶片、搅拌臂产生变形。搅拌装置在搅拌过程主要有如下两种工况:一种是搅拌装置均匀受载工况, 另一种是粗骨料卡在搅拌叶片和搅拌筒衬板之间时的卡料工况。当搅拌装置处在均匀受载工况时, 搅拌装置主要受到来至剪切混凝土拌合料时所产生的阻力, 且均匀分布在各个搅拌叶片上, 此时搅拌叶片受力较小。当搅拌装置处在卡料工况时, 搅拌驱动装置输出的功率为电机的额定功率, 且全部作用在一个叶片上, 此时搅拌装置受载最恶劣, 所以卡料工况是搅拌机的危险工况。本文对搅拌机卡料工况时的搅拌臂和搅拌叶片进行了受力分析和有限元计算, 得出其各部位的应力分布和变形情况, 为搅拌臂和搅拌叶片的设计提供参考。
1 卡料工况时搅拌叶片的受力分析
搅拌装置在卡料时主要受到来自叶片的法向阻力FN, FN可分解为沿搅拌轴旋转切向分力Fx和沿搅拌轴轴向分力FY, 如图1, 三者之间的关系如式2-1
其中, α—搅拌叶片与搅拌轴之间的夹角。
卡料时, 粗骨料卡在搅拌叶片与搅拌筒衬板之间, 此时搅拌装置的工作条件最为恶劣,
由一个叶片几乎承受了搅拌驱动电机输出的最大力矩
式中, P—搅拌驱动电机功率, k W;
n—搅拌轴转速, r/min。
已知搅拌驱动电机的功率为37kw, 搅拌轴转速为24.3r/min, 将数据带入上式中, 得T=14541N.m。此时搅拌叶片上所产生的作用力Fx大小为
式2-3中, d—搅拌叶片上卡料点到搅拌轴旋转中心的距离, m
已知d=0.56m, α=45°, 将数据带入式2-1和2-3, 得
Fx=25965NFY=25965N
2 有限元模型的建立
2.1 实体模型的建立与网格划分
在proe中建立搅拌臂和搅拌叶片的实体模型, 如图2, 然后导入ansys中进行有限元分析。选用ansys库中的solid45单元进行分析, Solid45单元每个节点有3个自由度:X、Y、Z三个方向的平动自由度。搅拌臂的材料是球墨铸铁, 定义其密度为7300 kg/m3, 弹性模量为1.55e11pa, 泊松比为0.28, 搅拌叶片材料是抗磨白口铸铁, 定义其密度为7500kg/m3, 弹性模量为1.5e11pa, 泊松比为0.25。模型采用精度为6级的自由网格划分, 有限元模型的节点为38065, 单元数为18327。
2.2 边界条件及载荷
载荷条件与边界条件的施加应该尽量接近实际, 搅拌装置在卡料工况时, 搅拌臂与搅拌轴通过搅拌臂抱轴上的四个面与方形搅拌轴紧贴合在一起, 因此将此四个面做完全约束处理, 搅拌臂和搅拌叶片通过布尔运算固结为一个整体, 其基本符合搅拌臂的受力情形, 并给搅拌叶片施加沿搅拌轴旋转切向力Fx=25965N, 和沿搅拌轴轴向分力FY=25965N, 其有限元模型边界条件及加载情况如图3所示:
3 计算结果及分析
通过有限元分析, 得出了搅拌臂和搅拌叶片的应变云图和局部应力云图 (如图4和图5) , 可知搅拌臂和搅拌叶片在局部地方出现了应力集中, 如搅拌叶片的台阶处, 搅拌臂与搅拌叶片的刚性连接处, 搅拌臂的台阶处, 其应力最大可达294M Pa。除去应力集中的影响, 搅拌叶片的应力较小, 搅拌臂的应力较大, 最大应力发生在截面1处 (搅拌臂与搅拌轴轴瓦过渡处) , 此截面为搅拌臂的危险截面, 因为此处在Z向离受力点均最远, 其受到的弯矩最大。搅拌臂与叶片绝大部分部位的应力小于90MPa, 搅拌臂材料屈服强度为320M Pa, 则其安全系数n=[δs]/[δmax]=320/90=3.56。故搅拌臂和搅拌叶片满足结构强度要求。
图6和图7为搅拌臂与搅拌叶片的变形位移云图和变形图, 由图可知搅拌叶片上的变形较大, 搅拌臂上的变形较小, 最大变形发生在距离搅拌臂轴线最远处, 此处结构刚度较小, 所受转矩最大, 因此变形最大, 其变形值为1.56mm, 叶片满足刚度要求。
4 结论
本文通过对搅拌臂和搅拌叶片的仿真分析, 得出了搅拌臂和搅拌叶片在卡料工况时的应力和应变云图, 结果表明搅拌装置在卡料时搅拌叶片的台阶处, 搅拌臂与搅拌叶片连接处, 搅拌臂的台阶处出现应力集中现象, 应采取消除尖角、在台阶处加工过渡圆角以及提高材料表面光洁度来减小应力集中对其强度的影响。截面1是搅拌臂的危险截面, 此处所受弯矩最大, 设计时应对此截面进行重点校核。卡料时搅拌叶片变形较大, 最大变形发生在距离搅拌臂轴线最远处, 设计时应保证叶片有足够的厚度使其满足刚度要求。
摘要：卡料工况是双卧轴搅拌机受载最恶劣的工况, 本文对卡料工况时双卧轴搅拌机搅拌装置中的搅拌臂和搅拌叶片进行了受力分析, 并通过对其三维模型进行有限元分析, 得出其在卡料时的应力分布和变形情况, 为设计提供参考。
关键词：搅拌臂,搅拌叶片,有限元,应力分布,形变
参考文献
搅拌理论 篇4
关键词：混凝土,装置,方向
混凝土是指由砂、石作集料、水、外加剂等原材料按一定比例搅拌而成的混合料, 广泛应用于工业、农业、交通、国防、水利、市政和民用等基础建设工程中, 在国民经济中占有重要地位。随着社会的发展和建设施工技术的进步, 社会对混凝土品质的要求越来越高, 促进了混凝土向高强、轻质、耐久、抗暴、抗震等方面发展。随着社会的需求, 国家将逐步减少普通混凝土的用量, 重点发展绿色环保型高性能混凝土, 然而要获得高性能的混凝土, 除了原材料配比的重要性外, 对混凝土的搅拌方法和搅拌装置也要求逐渐趋向于专业化、高效化和大型化。因此加强对混凝土搅拌方法和搅拌设备的研究具有非常重要的现实意义。
1 搅拌装置的工作原理
搅拌是混凝土形成过程中的一道重要工序。由于混凝土配合比例的配置是按细骨料恰好填满骨料之间的空隙设定的, 而水泥胶质均匀分布粗骨料表面, 因此只有将配合料充分的搅拌均匀才能得到高质量的混凝土。而搅拌刚好能满足这一要求, 通过搅拌可以塑化、强化混凝土, 因此混凝土搅拌装置是混凝土生产的核心装置之一, 用于完成混凝土的均匀拌和, 达到混凝土的宏观和微观的均质性 (图1) 。同时, 混凝土搅拌装置又受到混凝土生产的整个施工工艺的影响, 如装置的性能和参数要与混凝土施工的要求相适应。如:搅拌机的出料容量应与搅拌输送车的装料容量相配套, 与工程大小相配套。一般混凝土搅拌装置应用扩散、剪切及对流、挤压机理达到均化混凝土的目的, 如常见的自落式搅拌机主要利用扩散机理使物料在重力作用下相互穿插、翻拌、混合以达到均匀混合的目的, 而强制式搅拌机主要是依据剪切原理强制物料沿滑移面产生相互滑动以达到均匀混合。
2 混凝土搅拌装置的分类及其特点
混凝土搅拌装置按不同的角度可分成很多类, 从搅拌机理来分, 分为自落式和强制式两种。自落式搅拌装置主要是利用搅拌筒旋转和筒内材料的自重进行工作, 工作时叶片不断地将拌合料带到约0.7倍直径处, 下滑角约为45°, 然后材料因自重而沿叶片滑落下来, 如此反复作用达到均匀目的。由于混凝土材料本身的粘着力和摩擦力的影响, 因此自落式搅拌装置只适用于搅拌塑性混凝土和低流动性混凝土。对于干硬性混凝土和轻骨料混凝土搅拌效果不理想。
强制式搅拌装置是强制物料按预定轨迹运动, 对半干硬性、干硬性混凝土和轻骨料混凝土搅拌效果理想, 但能耗较大, 成本高。为了增加细小的水泥颗粒与拌合水进一步均匀分布, 增加混凝土的微观匀质性, 采用了一系列强化搅拌措施, 如振动搅拌、超声搅拌及热搅拌等。强制式品种较多, 以双卧轴为主流形式, 同时单卧轴、涡浆式、行星式等也较常见。
2.1 自落式搅拌装置
自落式搅拌机是最常见的自落式搅拌装置 (图2) , 搅拌机的搅拌筒内壁焊有弧形叶片, 搅拌筒绕水平轴旋转, 叶片不断将物料提升到一定高度, 然后物料自由落下, 互相掺合。工作时正转搅拌, 反转出料, 可搅拌塑性和半干硬性混凝土以及大骨料混凝土 (图3) 。主要机型有200~1 200 L, 传动方式分齿轮传动和摩擦传动, 其特点是生产成本低、效率较高, 应用广泛。由于反转卸料, 该机存在一个重载起动的问题, 因此搅拌机容量存在一定的缺陷。
自落式搅拌机工作时呈现以下3个特点: (1) 混合料运作的空间轨迹比较复杂。 (2) 由于本身的工作特点降低了混合料的粘合系数, 增加物料的流动性, 加速了物料的宏观均质化, 同时为产生微观“匀质”的混凝土提供了条件。 (3) 混合料运动主要集中在拌筒的柱体部分, 搅拌运动影响区域相对增大。
2.2 双卧轴搅拌机
双卧轴搅拌机是强制式搅拌装置类型的一种, 适用广泛, 用于搅拌干硬性混凝土、半干硬性混凝土、轻骨料混凝土及各种砂浆。此类搅拌装置设计十分紧凑, 搅拌系统由驱动系统、搅拌缸、搅拌装置、机架、轴端密封等部分组成。其中搅拌装置由两根卧轴、搅拌臂、搅拌桨叶等部件组成。搅拌缸由壳体、衬板、盖板等部件组成。进料口设置在搅拌缸一端盖板的上部, 卸料门设在搅拌缸的下方, 用于搅拌机的卸料。搅拌缸呈ω形, 搅拌缸内装有两根水平布置的搅拌轴, 轴上分别装有搅拌臂, 搅拌臂上装有搅拌叶片, 相邻搅拌臂之间的夹角有45°、60°、90°、120°、135°、180°, 可根据不同需要进行设计。通常45°、60°的夹角都是针对大型和特大型搅拌装置, 这种结构对于大骨料的混凝土搅拌性能较好。因为这种设计的料流空间大, 大骨料可更好地在其内部循环, 同时大骨料的运动起到搅拌的作用, 增加了装置搅拌能力。搅拌臂与轴之间、叶片与搅拌臂之间都采用螺栓连接, 在搅拌臂上设有长条孔用来调整叶片与衬板间隙, 在靠近搅拌缸两端的搅拌臂上分别装有侧叶片, 其目的是用来清理端面上的混凝土。为了能使搅拌物料在搅拌缸内呈现螺旋状运动, 产生较强的立体搅拌空间, 在两个搅拌循环中心形成一个强涡流以及失重的参合区, 从而达到在短时间内充分搅拌物料, 特意在搅拌轴上装有反向旋转的搅拌叶片 (图4) , 此种设计具有搅拌性强、匀质性好、生产效率高、耗能低的优点。
立轴行星搅拌机同样也是强制式搅拌装置类型的一种, 主要适用于干硬性混凝土 (碾压混凝土) 的搅拌, 可生产钢纤维混凝土、彩色混凝土、干砂浆。立轴行星搅拌机对细骨料的搅拌效果非常好, 搅拌强度也较大, 被称之为"碾轮"。其种类主要有定轴式和定盘式两种。它们之间的区别在于, 前者是轴自转不公转, 通过转盘旋转来实现搅拌, 而后者是盘不转, 通过轴的自转和公转来带动搅拌装置运动实现搅拌, 如图5所示。
2.3 立轴行星搅拌机
该机的搅拌装置同样是由搅拌臂和叶片两部分组成, 固定在从动盘上和行星架上, 该装置上的叶片有两种:与行星架相连的搅拌叶片和与动盘相连的搅拌叶片。前者公转不自转, 起到刮料作用;后者公转又自转, 起到搅拌作用。
仅作公转运动, 不自转, 用于实现刮料功能, 既自转又公转, 用于实现搅拌功能。从其搅拌轨迹 (图6) 可以看出, 搅拌运动非常复杂, 每个从动轴上的搅拌臂, 每时每刻都做不同的变速运动 (采用复变函数, 由向量合成可求) , 形成复杂的变速涡旋流场, 搅拌剧烈, 搅拌无死角, 物料在搅拌缸内充分搅拌。若采用对流搅拌, 两大股涡旋料流相互冲击, 搅拌作用更为强烈, 能使那些难溶的材料快速搅拌, 特别适用于制备细颗粒混凝土。但对流式搅拌由于自身的特点也存在一定缺陷, 就是骨料直径不能大于60 mm。
3 搅拌装置发展探讨
上面简述的几种搅拌装置虽然存在不同的差异, 但都是由搅拌臂和可装拆的搅拌叶片及衬板作为其基本单元, 因此对各种混凝土搅拌装置的设计关键就是基本单元的结构设计。所以将不同搅拌装置的优点汇集一处, 是搅拌装置设计开发的理念。
博德机械推出的双螺旋轴搅拌机便是在此理念上开发设计的一种新型装置, 如图7所示。
其优点就是“无”水平主轴, 不产生混凝土骨料黏合中心轴上结块形成抱轴现象, 对加工粘性较强和添加有纤维的特种混凝土材料特别有效。该机对骨料、粉料投料点的设计和制造无特殊要求。由于该机没有"无"搅拌臂和轴, 搅拌缸内空间更大, 搅拌过程流畅, 骨料混合剧烈, 混凝土效果更好。搅拌时间短、耗能小, 同双卧轴搅拌机相比, 节省一半的时间。
参考文献
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[2]冯敬忠.混凝土双卧轴强制式搅拌机的技术改造.广东建材[J], 2001 (11)
搅拌理论 篇5
1. 整体结构
辅助滚道磨削机主要由机架总成和磨削装置两部分组成,其中机架总成由底架、三角架、法兰盘组合体、滚轮机构等组成,如图1所示。磨削装置主要由砂轮机、旋转架、固定架、进给机构、旋转轴、架体安装座、防护罩及各连接件组成,如图2所示。磨削装置与机架总成通过连接架焊接在一起。
1.法兰盘组合体2.底架3.滚轮机构4.三角架5.连接架6.磨削装置A-法兰盘组合体支点B、C—-主滚道与滚轮架机构支点
辅助滚道磨削机与搅拌罐为3点支撑,即与搅拌罐连接的法兰盘组合体形成A支点,滚轮架上的2个滚轮与主滚道形成B和C支点,用这3个支点将组焊好辅助滚道的搅拌罐组合在辅助滚道磨削机上。滚轮机构上设有减速器,可带动滚轮转动。滚轮产生的摩擦力带动搅拌罐作正、反两个方向的匀速运动时,即可进行辅助滚道磨削加工。
2. 主要总成
(1)机架总成
底架底架的尺寸根据搅拌罐长度和直径确定。为增加搅拌罐转动时的稳定性,底架应制作牢固。
三角架三角架的高度根据搅拌罐直径确定,以使搅拌罐在旋转时有足够的回旋空间。三角架可在底架长度方向移动,以使辅助滚道磨削机适用于不同长度搅拌罐辅助滚道的磨削加工。
法兰盘组合体法兰盘组合体与搅拌罐的减速器法兰紧固在一起,用于支承搅拌罐,并使搅拌罐沿着法兰盘组合体中心轴旋转。
滚轮机构滚轮机构共有2组,分别由1个支架和1组滚轮组成。这2组滚轮机构共用1个底座,便于保证2组滚轮机构在装配时与法兰盘组合体的对称性。滚轮机构用于支承主滚道,并驱动搅拌罐旋转动作。2组滚轮机构与法兰盘组合体共同将整个搅拌罐支承起来。
2组滚轮机构均由摆线针轮减速器驱动,其动力传递路线如下:电动机带动摆线针轮减速器运转,由摆线针轮减速器驱动滚轮转动,再由滚轮带动搅拌罐转动。电动机为D-Y系列,功率为0.75kW。摆线针轮减速器为X系列,减速比为731。2组滚轮机构并联同时动作,操作者可根据辅助滚道磨削需要,使用变频器调节搅拌罐转速。
(2)磨削装置
磨削装置组装完成后,使用连接架将磨削装置与底架焊接在一起。磨削装置工作原理如下:滚轮机构带动搅拌罐旋转的同时,启动磨削装置。磨削装置的高速电动机带动砂轮旋转,即可对辅助滚道进行磨削加工。磨削装置结构如图2所示。
砂轮机砂轮机采用Y90S-2型电动机驱动。该电动机额定转速为3000r/min,功率为1.5kW,该电动机转子轴专门用于安装砂轮。砂轮机结构如图3所示。
砂轮选用GB60型(杯形)砂轮,磨料为白刚玉,粒度为60目,外径为200mm,宽度比辅助滚道宽20mm。市场上该型砂轮安装孔直径大于电动机转子轴直径,由此我们设计了一个过渡盘,过渡盘外径与砂轮安装孔径相符。安装砂轮时按照图3所示依次安装在电动机转子轴上,最后使用螺母锁紧。砂轮应安装牢固,磨削过程中应避免磨削不均匀现象。
组装时,砂轮中心应与辅助滚道中心对齐,以防止磨偏。砂轮安装前应仔细检查外观,要求砂轮无裂纹和损伤。安装砂轮时,必须使砂轮的质心与回转轴线重合,以避免砂轮在高速转动时产生振动,影响磨削加工质量或造成砂轮碎裂。
磨削时应使用顺磨法,即砂轮与工件接触处,砂轮与工件的运动方向相同。采用顺磨法磨削,工件表面温度低,磨削消耗功率小,磨削出的工件表面粗糙度高。磨削时旋转手轮要慢,磨削进给量要小,以利于提高辅助滚道磨削质量。
防护罩砂轮的防护罩使用薄板卷制后与挡板拼焊而成,其内部尺寸略大于砂轮外径。防护罩的作用主要有2点:一是防止砂轮崩裂造成人员伤害,二是便于将磨削产生的铁屑集中起来。防护罩大小应适中,过大会影响操作者在磨削过程中的视线,过小则容易与旋转的砂轮发生干涉。
固定架固定架使用钢板拼焊而成,用于固定丝杠螺母和旋转架,并将磨削机的底座固定到适合操作的高度。固定架通过固定轴与架体安装座连接,并可根据主滚道的位置进行径向调整。固定架与丝杠配合处需留出长圆孔,以防辅助滚道磨削过程中出现丝杠周向摆动受限问题。
旋转架旋转架使用钢板拼焊而成,其作用主要是固定砂轮机和导向套。旋转架通过旋转轴与固定架连接,导向套可随旋转架与固定架之间夹角α的变化自动调整丝杠的导向。为防止丝杠摆动受限,旋转架与丝杠的通孔制作为长圆孔。
进给机构磨削装置的进给机构主要由手轮、压紧螺母、丝杠、丝杠螺母、导向套、压簧等组成。通过旋转手轮,使压簧受压,以增加砂轮机与搅拌罐之间的贴合力,便可对辅助滚道进行磨削。采用梯形螺纹的丝杠,轴向传动性能好,便于手动旋转手轮使砂轮机进给。进给机构组装后旋转手轮时,丝杠应转动自如,以使旋转架在固定架上摆动灵活。
1.砂轮机2.防护罩3.旋转架4.手轮5.压紧螺母6.导向套7.压簧8.丝杠螺母9.丝杠10.固定架11.旋转轴12.架体安装座α——旋转架与固定架之间的夹角
1.电动机2.过渡盘3.电动机转子轴4.纸垫5砂轮6.压盘7.压盖8.螺母
3. 特点
使用结果表明,该辅助滚道磨削机具有以下4个特点:
搅拌理论 篇6
1 材料
在保质期内的84消毒原液500m L1瓶, 500m L清水煮沸后继续煮沸15min冷却后成冷开水, 四环牌G-1型消毒浓度试纸1本, 500m L塑料方盒2个, 一次性塑料薄膜手套1袋。
2 方法
在实验盒和对照盒分别先加入冷开水各2 5 0 m L, 然后, 再分别加入8 4消毒原液1 0 m L, 实验盒为8 4消毒原液加入冷开水后, 戴上一次性塑料薄膜手套用手进行搅拌使消毒液和水充分混匀, 对照盒为8 4消毒原液加入冷开水后不进行搅拌, 再用消毒浓度试纸检测实验盒和对照盒在不同时间的消毒液浓度。
3 结果
上述实验进行30次所得结果如下:实验盒为84消毒原液加入冷开水后, 戴上一次性塑料薄膜手套用手进行搅拌使消毒液和水充分混匀后, 立即用消毒浓度试纸检测消毒液浓度, 消毒液浓度显示为1000mg/L (1000mg/L为浸泡消毒的有效浓度) , 而对照盒在84消毒原液加入冷开水后不进行搅拌, 立即用消毒浓度试纸检测消毒液浓度, 消毒液浓度显示为:消毒浓度试纸颜色无变化, 在30min, 1h, 2h后, 观察消毒液浓度显示在消毒浓度试纸颜色未变化-3 0 0 m g/L之间, 在4 h后消毒液浓度才显示为1000mg/L。
4 讨论
84消毒原液是以次氯酸钠为主要有效成分的消毒液, 次氯酸钠为有机物质, 不易溶于水。
摘要：目的 预防医院内交叉感染。方法 在实验盒和对照盒分别先加入冷开水和84消毒原液, 实验盒进行搅拌使消毒液和水充分混匀, 对照盒不进行搅拌, 再用消毒浓度试纸检测实验盒和对照盒在不同时间的消毒液浓度。结果 实验盒消毒液浓度显示为1000mg/L (1000mg/L为浸泡消毒的有效浓度) , 对照盒消毒液浓度显示为:消毒浓度试纸颜色无变化, 在4h后消毒液浓度才显示为1000mg/L。结论 84消毒原液加入冷开水后须立即进行搅拌使消毒液和水充分混匀, 才能保证被消毒物品的有效消毒。
关键词：84消毒原液,消毒液浓度,搅拌
参考文献
搅拌理论 篇7
水泥搅拌法是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂, 通过特制的深层搅拌桩机械, 在地基土中将土和固化剂 (浆液状和粉体状) 强制搅拌, 利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理—化学反应, 使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土, 从而提高了加固土体的强度和压缩模量。
目前, 在基坑围护结构、止水帷幕及地基加固施工中使用较多的水泥土搅拌技术主要为双轴水泥搅拌桩、三轴水泥搅拌桩和最新的五轴水泥搅拌桩。
1 各类型搅拌桩工艺特性
1.1 二轴搅拌桩工法
二轴搅拌桩是20世纪80年代沿用至今的传统工法, 具有以下优缺点:1) 优点:a.搅拌桩布置形式灵活。b.单方造价较低。2) 缺点:a.机架为井字架, 走管式行走, 稳定性差, 工效低, 劳动强度大。b.采用2台37 k W常规电机, 启动动力不足, 最深只能施工到18 m。c.搅拌钻头部分只有2道叶片, 搅拌均匀性差。d.“两喷三搅”工艺施工用时长, 功效无法进一步提升。e.成一幅桩宽度仅为1.2 m, 施工过程中可能出现冷缝的机率大, 容易造成漏水现象。
1.2 三轴搅拌桩工艺
三轴搅拌桩是从日本引进主要配合施工劲性搅拌桩的施工工艺, 具有以下优缺点:1) 优点:a.桩体整体搅拌均匀;b.水泥土浆液流动性好, 便于插入H型钢等芯材;c.机架采用步履式或履带式, 行走效率高, 稳定性较好。2) 缺点:a.为了获得良好的水泥土浆液流动性及桩体均匀性, 三轴搅拌桩是以桩体的强度及单方造价为代价;b.三轴搅拌桩如遇砂性地层, 浆液容易离析, 造成漏水现象;c.三轴搅拌桩施工过程中产生大量置换土, , 体体量量约约占占整整个个施工方量的1/4~1/3。由于置换土中存在大量水泥浆液, 总体为碱性, 无法回归农田, 造成大量污染。
1.3 五轴水泥土搅拌墙工法
1) 工法具有以下特点:桩体搅拌质量好, 施工质量可视可控;施工速度快, 整机功效高;施工机械自动化、智能化高;施工机械掘进能力强, 有效桩长达55 m;环保绿色, 无置换土。2) 工法施工工艺流程:场地平整→测量放线, 开沟槽→桩机就位→桩机复测→启动自动送浆系统, 送浆→启动钻机, 掘进搅拌→开启集成计算系统监控成桩关键控制参数→掘进喷浆搅拌正转下沉喷浆70%至设计桩底标高→在设计桩底标高区间进行复搅→反转提升喷浆30%并搅拌→一组结束, 移至第二组继续施工。
2 五轴水泥土搅拌墙与传统工法的对比分析
1) 试验场地地质情况概况。试验场地位于上海市长宁区, 东临福泉路, 南临金浜路, 西临A20公路、北临新潮路的上海花园广场2号地块中 (见图1) 。
工程设计±0.00为绝对标高+4.70。场地自地表至钻探范围内所揭露的土层均为第四纪松散沉积物, 按其成因可分为8层, 其中加固土层分布为第 (1) 1, (2) 1, (2) 3, (4) , (5) 1层和第 (5) 2层。
整个场地在各拟建物下的土层在30.0 m以上比较均匀, 受古河道切割影响, 在401地块局部区域30.0 m~46.0 m之间各土层变化较大。
2) 五轴搅拌墙与三轴、二轴搅拌桩强度对比分析。五轴水泥土搅拌墙与三轴搅拌桩7 d, 14 d, 28 d芯样平均强度对比见图2。
注:三轴搅拌桩水泥掺量20%, 水灰比1.8;五轴搅拌墙水泥掺量13%, 水灰比0.8
注:二轴搅拌桩水泥掺量13%, 水灰比0.65;五轴搅拌墙水泥掺量13%, 水灰比0.8
五轴水泥土搅拌墙与二轴搅拌桩7 d, 14 d, 28 d芯样平均强度对比见图3。
3 功效的提升
由于五轴水泥土搅拌墙五根钻杆“一字形”布置及针对性施工工艺设计, 使其较传统工法具有极大的功效优势。具体数据见表1, 表2。
4 结语
在同等工作环境下, 五轴水泥土搅拌墙每天完成方量是二轴搅拌桩可完成工作量的7倍~10倍, 是三轴搅拌桩可完成工作量的2倍~3倍;五轴水泥搅拌桩的桩芯强度也大大高于双轴和三轴水泥搅拌桩。由此可见, 五轴水泥搅拌桩技术无论在施工的准确性、操作的便捷性、施工质量保证性、时间的高效性等方面都优越于双轴水泥搅拌桩和三轴水泥搅拌桩, 未来五轴水泥搅拌桩将具有广阔的市场发展空间。
参考文献
[1]宁宝宽, 陈四利, 刘斌, 等.水泥土搅拌桩的加固机理及其应用[J].西部探矿工程, 2005 (6) :35.
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