对双卧轴强制式混凝土搅拌机叶片的磨料磨损的研究

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。

(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

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。基于搅拌机的实际结构和尺寸，建立其Fluent计算模型，综合考虑计算的复杂性和结果的准确性，对模型进行了适当的简化处理。由于搅拌机构中的螺栓组对流场的影响很小，在模型中作略去处理。分析中所使用的方法为稳态动参考系法，需要设定整个流场的静止域和旋转域。将建立好的搅拌机三维模型导入Workbench中的DM模块进行处理，即可得到计算所需的流场模型，其如图3所示。使用Workbench中的Meshing模块对得到的流场模型进行网格划分，如图4所。其中湍流模型采用了标准的k-epsilon模型，并使用标准壁面函数处理壁面的流动问题[11-12]。对搅拌机构各搅拌臂进行编号，如图5所示。

3．2 搅拌机内部流场计算结果与分析

根据实际工作情况，对搅拌轴转速n=32r/min的混凝土搅拌机的稳态三维湍流流动进行了数值计算与分析[13-16]，获得了搅拌机构上的压力与速度分布云图，从而得到搅拌叶片上的压力p与速度离散的数值结果。由于两个搅拌机构的计算结果基本一致，因此取单个搅拌机构进行结果分析。

搅拌机构表面压力分布计算结果如图6所示。可以看出最大压力分布在搅拌叶片的顶端处，最大值为40549．4Pa。同时可以清楚的观察到搅拌臂上的压力分布由下到上基本呈增大趋势。其速度分布计算结果如图7所示。可以看出最大速度为2．34m/s。速度方向为各速度值所处半径位置的圆的切向方向。

3．3 搅拌叶片的磨料磨损分析

1)由公式(3)可知，若要获得搅拌叶片的线磨损率，除了需要搅拌叶片上的压力分布值外，还需得到搅拌叶片与物料的相对滑动速度。在实际搅拌过程中，搅拌叶片与物料的相对滑动速度是一个非定常的量，基于安全性准则，考虑其最大的情况，即旋转的搅拌叶片撞击一静止物料的瞬时情况。现在以搅拌叶片建立参考系，来分析一物料撞击搅拌叶片瞬时情况下它们之间的相对滑动速度v，其示意图如图8所示。图8中，v叶表示搅拌叶片的速度，v料表示物料的速度，其方向应与料搅拌叶片的速度方向相反，v叶大小相等。则搅拌叶片与物料的相对滑动速度v可以表示为：

v=v料·cos45°=v叶·cos45°(4)

2)将计算获得的压力分布值以及相对速度分布值结果，代入到公式(3)，即可得到搅拌叶片线磨损率的离散数值解及其分布云图，其分布云图如图9所示。由计算结果可知，计算结果里出现了一些负值，这是由负压计算所得，而负压不产生磨损或产生的磨损极小，故在磨损分析中可略去。由图9可以看出，磨损最严重的区域主要集中在各搅拌叶片的顶端，其线磨损率的最大值为8．033×10-9m/s。为了更清楚的反映搅拌叶片磨损的分布情况，现观察各搅拌叶片线磨损率分布，如下所示。(1)搅拌臂搅拌叶片线磨损率分布图10为各搅拌臂搅拌叶片线磨损率的等高线图，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为1号、2号、3号、4号、5号、6号搅拌臂搅拌叶片线磨损率的等高线图。观察图10可以看出，1、2、3号搅拌臂搅拌叶片线磨损率比较小，高值一般为1×10-9m/s至2×10-9m/s之间，少量部分达到3×10-9m/s；4、5、6号搅拌臂搅拌叶片线磨损率比较严重，叶片的中间部位已经达到1×10-9m/s，高值在4×10-9m/s到5×10-9m/s之间，最大达到6×10-9m/s，位于叶片顶端附近位置。

(2)侧搅拌臂搅拌叶片线磨损率分布

图11为各侧搅拌臂搅拌叶片线磨损率的等高线图，其中a)、b)、c)分别为1号、2号、3号侧搅拌臂搅拌叶片线磨损率的等高线图。由图11可以看出分布于搅拌机构两端的1号和3号侧搅拌臂磨损情况非常严重，其高值在5×10-9m/s到7×10-9m/s之间，最大达到8×10-9m/s，位于叶片顶端附近位置；2号侧搅拌臂磨损情况比较轻微，最大为2×10-9m/s。由以上各搅拌叶片线磨损率结果可以得到如下结论：

①搅拌叶片上线磨损率由下往上均呈增大趋势，最大线磨损率位于靠近顶端附近的区域，顶端的线磨损率趋于一个稳定的量级。

②根据图10和图11可观察得到各搅拌叶片

最大线磨损率，按搅拌臂和侧搅拌臂沿搅拌机构轴线方向排列顺序作图12。由图12可以看出两端的1号、3号侧搅拌臂上搅拌叶片的磨损情况最为严重，位于中间的4、5、6号搅拌臂上搅拌叶片的磨损情况也较为严重，而位于中间和两端之间部分的1、2、3号搅拌臂和2号侧搅拌臂上搅拌叶片的磨损情况较之其他搅拌叶片的磨损情况轻微很多。

由以上等高线图可以清楚的观察到搅拌叶片上不同区域的磨损分布情况，且可根据提供的更换标准，来预估搅拌叶片的使用寿命。假设更换标准为叶片距顶端四分之一处磨损量大于50%(即此处厚度方向磨损量大于50%)时即需更换叶片。以1号侧搅拌臂搅拌叶片为例，叶片厚25mm，当磨损厚度达到12．5mm时需要更换叶片，这样由图10可知，此处线磨损率为2×10-9m/s，按搅拌机每日工作10h，每周工作6天计算，1号侧搅拌臂搅拌叶片的使用寿命为174天，约为29周。其余搅拌叶片的使用寿命均可使用该方法进行预估。

4 结论

基于磨料磨损切削模型的线磨损率公式，通过Fluent数值仿真辅助计算，得到了搅拌叶片线磨损率离散数值解，通过分析结果可以看出搅拌叶片上线磨损率高度的不均匀性，并且发现侧搅拌臂1、搅拌臂4、搅拌臂5、搅拌臂6以及侧搅拌臂3五个部位的磨损情况非常严重。同时根据所得的搅拌叶片线磨损率分布结果，结合相关更换标准，还可预估搅拌叶片的使用寿命。根据本文的研究，发现搅拌臂和侧搅拌臂的空间排列顺序以及搅拌叶片材料硬度对搅拌叶片的耐磨性有着很大的影响，在提高搅拌机搅拌叶片的耐磨性的研究中，可以将此作为优化方向。

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