雙臥軸混凝土攪拌機功率和能耗計算

鄒 祥

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

混凝土攪拌機是一種通過電機驅動，在圓筒或者槽中旋轉用以把水泥、砂石骨料以及水合并拌制成混凝土混合料的機械，主要由拌筒、加料和卸料機構、供水系統、原動機、傳動機構、機架以及支撐裝置等組成，是混凝土攪拌站的核心部件。由于任何建筑型工程，包括大型的公路、住宅、鐵路、港口等大型工程都必須使用混凝土，因此混凝土攪拌站得到了快速發展，攪拌機也由以前的自落式攪拌機、盤式攪拌機發展到現在主流的雙臥軸強制式攪拌機。相比于傳統的盤式攪拌機，雙臥軸強制式攪拌機具有效率高、攪拌質量好和性價比高等優勢。雙臥軸強制式攪拌機采用雙電機驅動，通過V帶及行星減速機帶動2根攪拌主軸轉動，主軸上的轉動葉片推動攪拌筒內物料并且形成交叉料流，以達到快速生產勻質混凝土的目的。BHS、利勃海爾、三一重工、SICOMA、中聯和南方路機等主要攪拌站生產廠家已經大面積采用雙臥軸強制式攪拌機，全面替代傳統的盤式機。

目前，對于雙臥軸強制式攪拌機攪拌功率的計算，國內公認的方法一般從單位面積上拌合物對攪拌葉片上的阻力來進行推算。本文參照這種方法對JS3000型雙臥軸混凝土攪拌機進行了計算及驗證。

1 雙臥軸強制式攪拌機工作轉速的計算

攪拌機的攪拌速度對混凝土質量和生產效率有著關鍵影響。如果轉速偏低，使攪拌時間增加，從而降低生產率；轉速偏高，會形成較大的離心力，混凝土容易產生離析現象，使混凝土勻質性受到破壞。當轉速超過臨界轉速越多，其勻質性受破壞的程度就越嚴重。同時，轉速增加必然造成攪拌功率提高。因此，確定合理的轉速對于充分發揮攪拌機的作用具有很大的實際意義。

根據轉動達到臨界速度時，重力等于離心力

可以得到臨界速度的計算公式

式中 R——攪拌筒半徑；

v1——葉片臨界線速度；

g——重力加速度。

若取攪拌筒半徑R=0.64m，因此得到臨界線速度

根據目前國內外攪拌機產品參數統計數據，轉速下限為1.2m/s。工作線轉速為臨界線速度的2/3

3 攪拌機功率計算（以3m3機為例）

式中 v——工作線速度。

根據線速度與轉速的計算公式

式中 n——轉速。

可以計算出攪拌轉速

2 容積利用系數的設計

按照GB9142標準進料容積為出料容積的1.6倍，同時攪拌機設計應具有10%的超載能力，即

式中 V0——攪拌機出料容積；

V1——攪拌機進料容積。

容積利用系數j的計算公式

將公式（6）帶入公式（7）

取值 j=0.5

現階段國內外攪拌站（樓）主要配置雙臥軸強制式攪拌機，容積利用率的取值上各國也有不同的標準。德國攪拌機容積利用率為0.52～0.534，意大利攪拌機容積利用率為0.45～0.52，日本日工攪拌機的容積利用率為0.35～0.38。目前國內推出的攪拌機容積利用率大多在0.5～0.52之間，能夠較好的保證功率的利用。

3.3 攪拌機功率計算

3.1 混凝土比阻力的計算

混凝土比阻力的大小與混凝土對葉片的作用力大小有關。具體影響比阻力大小的因素有：混凝土的物料狀況，包括配合比、骨料粒徑以及坍落度；葉片的運動速度；邊界條件；物料堆積狀況。

由于攪拌葉片上各個點線速度相差不大，因此比阻力k可以近似視為一常數。假定攪拌機處于標準工況，即物料狀況和邊界條件不變的情況下，坍落度為0～3cm，骨料最大粒徑為60mm，C30混凝土，葉片與筒壁間隙為3～5mm，可近似認為混凝土比阻力k與運動速度、物料深度和攪拌筒半徑有關。由于容積利用系數取決于物料深度和攪拌筒半徑的比值關系，因此混凝土比阻力k僅為運動速度v和容積利用系數j的函數，即

式中 k——混凝土比阻力。

根據公式（8）得出

3.2 攪拌葉片上阻力矩的計算

計算攪拌機的功率關鍵是計算攪拌葉片上產生的阻力矩。葉片螺旋依次錯開角度沿著軸向排列，在分析時可對一個葉片采用積分法，計算出其單個葉片的阻力矩，再乘以葉片數就可以得出攪拌機的總阻力矩，其公式如下

式中 Mδ——攪拌機總阻力矩；

n——攪拌機葉片總數；

M——單個葉片阻力矩。

如圖1所示，設主軸被耽擱葉片環繞的軸向長度為L，葉片最寬斷面（垂直于主軸的截面）寬度為H，離主軸軸線的距離為R，葉片螺旋角為a。

在葉片上取一微單元體，它沿主軸軸向的長度為db，沿徑向的寬度為dr。物料作用在微單元體面積上的力情況比較復雜，但主要有沿螺旋面法向的工作壓力。參照其他類型攪拌機受力分析的一般經驗，將其它的力忽略不計，只考慮法向力。設微單元體上的該法向力為dp，如圖2所示，則微單元體上的阻力大小為

圖1 攪拌葉片阻力矩計算示意圖

圖2 葉片微單元體示意圖

微單元體所受的的力矩

式中 r——微單元體回轉半徑。

dp沿主軸徑向的分力為dp×sinα，將其與公式（10）帶入公式（11）

對公式（12）進行雙重積分，得到單個葉片收到的阻力矩

根據公式（9），將攪拌機葉片總數n=18帶入

攪拌機的動力由電機輸出，通過V型帶傳遞給減速機，減速機通過聯軸器最終傳遞到攪拌機的攪拌軸。V帶傳動的機械效率為0.85，減速機機械效率為0.95，因此攪拌機功率為

式中 N——攪拌機功率；

η1——帶傳動機械效率；

η1——減速機機械效率。

因為攪拌機采用雙電機驅動，所以選取2臺55kW電機。

4 實測能耗及功率數據

本文設計的攪拌站采用JS3000型雙臥軸混凝土攪拌機，攪拌筒長2.06m，攪拌筒半徑R為0.64m，攪拌葉片尺寸為L=0.29m、H=0.2m。2018年8月，對采用的JS3000型混凝土攪拌機的180攪拌站進行測試，采用C30和C40兩種標號的混凝土作為測試物料，分別測量攪拌機實際功率和實際能耗。具體測試結果和能耗數據如圖3—圖5所示。

采用C30混凝土作為測試物料進行試驗，測得3m3機滿載攪拌時，單個電機最大功率為48.5kW；采用C40混凝土作為測試物料時，單個電機最大功率為50.5kW?？梢娪嬎阒蹬c實測值非常接近，誤差為6%左右。由此可見，3m3攪拌機采用2臺55kW電機符合要求，電機功率余量合理，攪拌機工作能耗為0.22～0.25kW/h，空載時能耗小于額定功率的10%。

5 結束語

通過設計計算和實驗對比可以得出，本文中關于混凝土攪拌機的計算與實測結果非常吻合，該 設計及計算方法完全滿足實際的需要。

圖3 JS3000型攪拌機功率和能耗（C30）

圖4 JS3000型攪拌機功率和單位能耗（滿載C40）

圖5 JS3000型攪拌機空載總能耗圖