双卧轴强制式混凝土搅拌机叶片磨料磨损研究

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1、冶金之家网站双卧轴强制式混凝土搅拌机叶片的磨料磨损研究唐润秋①1，汪敏1，戚晓利1，赵文英1，冯建有1，魏志刚1，夏清华2，葛燕飞2(1．安徽工业大学机械工程学院，马鞍山243002；2．安徽泰尔重工股份有限公司，马鞍山243002)摘要：双卧轴强制式混凝土搅拌机是一种高效、快速的混凝土搅拌器械，广泛用于各种混凝土工程中。以某型号双卧轴强制式混凝土搅拌机为研究对象，根据磨料磨损机理推出搅拌叶片线磨损率的计算公式，通过Fluent软件的计算和相关后处理工作得出搅拌叶片表面线磨损率的分布。分析结果表明，搅

2、拌叶片的顶端附近处线磨损率最大，磨损最为严重；根据线磨损率的数值可预估搅拌叶片的使用寿命。研究对于预估整机的使用寿命提供了一定的理论依据和数值依据，对搅拌臂的布局和搅拌叶片材料的选择和处理也提供了一定的科学依据。关键词：双卧轴强制式；混凝土搅拌机；磨料磨损；线磨损率；使用寿命混凝土搅拌机是一种重要的搅拌机械，种类繁多。双卧轴强制式搅拌技术始于19世纪末，由德国的BHS公司发明并申请专利。双卧轴强制式混凝土搅拌机[1-3]因其搅拌质量好、生产率高而广泛应用于各种混凝土工程中。生产实践中磨损是引起搅拌叶片

3、的失效的主要破坏形式，因而对其磨损的分析对预估整个混凝土搅拌机的寿命和对搅拌叶片的选材都有着重要的意义。本文研究的某型号双卧轴强制式搅拌机搅拌主机结构如图1所示，其搅拌机构如图2所示，各搅拌臂按一定角度错开排列，这样一种排列结构使得搅拌更加均匀，搅拌效果更好。1搅拌叶片磨损分析基本假设1)搅拌机在高速搅拌过程中，搅拌物料中的沙子、石子等与搅拌叶片产生剧烈摩擦，其不规则表面使其表面磨粒对搅拌叶片的微观切削作用非常剧烈，故认为磨料磨损[4-9]是其主要磨损方式。比较沙子和石子对搅拌叶片的作用：(1)从摩擦

4、方式来看：沙子为小颗粒状物体，在搅拌过程中与搅拌叶片之间的摩擦主要为滚动摩擦；石子作为粗骨料，在搅拌过程与搅拌叶片之间的摩擦主要为滑动摩擦。因而石子较之沙子对搅拌叶片的作用更剧烈。冶金之家网站(2)从颗粒大小来看：沙子的颗粒大小远小于石子，而根据磨损的相关理论，磨损量与材料的颗粒大小是成正比的。(3)从表面形貌来看：沙子表面形貌比较平滑圆润，而石子一般为碎石，其表面尖锐且极不规则，对搅拌叶片的磨损作用更加强烈。2)综上所述，考虑石子为造成搅拌叶片磨料磨损的主要磨料。根据文献[6]、[7]，可得线磨损度

5、表达公式如下：离，在其垂直方向上所磨损的厚度dh；K为磨损系数，与磨料和被磨材料的硬度，表面情况等相关；p为表面压力；H为材料的硬度。由(1)式可以推出线磨损率公式：考虑石子的体积分数ζ，即在搅拌过程中搅拌叶片和石子接触、滑动产生磨损的概率为ζ，所以搅拌叶片线磨损率公式可修正为：这里ζ的表示线磨损率，表示摩擦物体表面法向方向尺寸的变化速率；v表示相对滑动速度。由(2)式可知，若磨损系数K为常数，则磨料磨损时，磨损率与载荷成正比，与材料硬度成反比，但在一些试验中发现磨料磨损系数K并不是常数，而与磨料中的

6、磨料硬度(Ha)同被磨材料硬度(Hm)的相对大小有关。一般分为三个区，具体为：①低磨损区：在1．25Ha＜Hm的范围内，磨损系数K正比于Hm－6；②过度磨损区：在0．8Ha＜Hm＜1．25Ha的范围内，磨损系数K正比于Hm－2．5；③高磨损区：在Hm＜0．8Ha的范围内，磨损系数K基本保持恒定。2参数设置2．1搅拌机相关参数设定根据实际工况和相关技术资料，确定搅拌机相关材料参数与工作参数如下：搅拌机所使用电机的功率为37kW，转速为32r/min，叶片轴向角为45°，叶片顶端距轴心约700mm。搅拌叶

7、片使用的材料为灰铸铁，其弹性模量为66MPa，泊松比为0．27，屈服极限为572MPa，其布氏硬度为210MPa[5]。2．2搅拌物料参数设定搅拌机的搅拌物料为混凝土拌合物，其具体参数如下：混凝土拌合物搅拌均匀时，密度ρ=2500kg/m3，塑性粘度为162Pa·s[10]，所用石子(成分为玄武岩)密度ρ石≈3000kg/m3，其用量为1010kg/m3，其莫氏硬度为7，折算为布氏硬度，其约为485MPa。因此可以求得每立方米用石子体积为V石=10103000×1m3≈0．316m3，则石子在混凝土拌

8、合物中所占体积分数ζ≈31．6%。2．3其余参数设定由磨料中的磨料硬度(Ha=210MPa)同被磨材料硬度(Hm=485MPa)的比值0．433可知，其磨料磨损处于高磨损区，其磨损系数K基本保持恒定。根据该设备使用的实验数据测得K=8×10-5。3搅拌机内部流场的仿真计算与磨损分析3．1搅拌机内部流场的仿真计算冶金之家网站考虑其磨损的一般性以及计算的经济性，认为此流场模型为充分发展后的流场模型，即稳态模型，将此时的混凝土拌合物视为不可压牛顿流体。基于搅拌