王鑫鑫，楊 發(fā)，魏 金，劉 楠

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

當(dāng)下正是我國(guó)公路交通事業(yè)飛速發(fā)展和國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，國(guó)道、省道干線公路和城市道路的車輛荷載及車流量密度逐漸增大，車輛行駛速度越來(lái)越快，使得公路路面破壞的趨勢(shì)加大。特別是對(duì)于已損壞的水泥混凝土路面來(lái)說(shuō)，這樣的工程不僅翻修投資大，而且施工周期也較長(zhǎng)，維修施工時(shí)嚴(yán)重影響交通暢通和行駛車輛安全[1]。因此，提高混凝土的質(zhì)量與制備效率已經(jīng)成為必然的要求?；炷磷鳛橐环N以水泥為膠凝材料的復(fù)合材料，有著強(qiáng)度較高、板塊性好、耐磨耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最廣泛的建筑材料[2]?；炷恋闹苽潆x不開(kāi)攪拌機(jī)的作用，但在制備過(guò)程中，由于制備工藝和制備裝備功能上的不足，不僅混凝土制備裝備的壽命會(huì)縮短，而且新制備的混凝土也很容易產(chǎn)生裂紋、孔洞和蜂窩狀結(jié)構(gòu)等缺陷[3]。

為了彌補(bǔ)各種攪拌方法在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺點(diǎn)，人們也一直在探索攪拌的新方法、新領(lǐng)域。長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于振動(dòng)攪拌的試驗(yàn)研究與理論分析都表明，在攪拌的過(guò)程中同時(shí)對(duì)混凝土施加振動(dòng)作用可以改善混凝土的微觀組成和微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和含氣量；還可以強(qiáng)化混凝土的水化過(guò)程，促進(jìn)結(jié)團(tuán)的水泥顆粒均勻分布于骨料之中，減少水泥的消耗量[4]。因此，振動(dòng)攪拌是一種值得探索的攪拌技術(shù)。

本研究從攪拌設(shè)備制備原理出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的激振裝置，在攪拌過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生高頻激振作用，既可以防止攪拌機(jī)抱軸等影響機(jī)器壽命現(xiàn)象的產(chǎn)生，起到保護(hù)機(jī)器的作用；又可以將振動(dòng)能量傳遞到混凝土當(dāng)中，從微觀層面提升攪拌物料的質(zhì)量。

1 研究背景

混凝土的制備離不開(kāi)混凝土攪拌設(shè)備，攪拌設(shè)備按照工作原理主要分為自落式攪拌設(shè)備和強(qiáng)制式攪拌設(shè)備[5]。而普通強(qiáng)制式攪拌設(shè)備因其有較好的攪拌質(zhì)量和攪拌效率，在工程中應(yīng)用非常廣泛。但普通強(qiáng)制式攪拌設(shè)備也存在一些弊端，從攪拌軸中心向攪拌筒壁隨著攪拌半徑的逐漸增大，攪拌裝置存在速度梯度，角速度相同，線速度隨攪拌半徑增大而線性增大。這樣會(huì)使攪拌筒內(nèi)不同位置的物料均勻性不盡相同，并且越靠近攪拌軸處攪拌效率越低，出現(xiàn)攪拌低效區(qū)。若將普通強(qiáng)制式攪拌設(shè)備攪拌后符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的混凝土放置于顯微鏡下觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)仍有10%～30%的水泥顆粒沒(méi)有破散開(kāi)[6]。此外，混凝土攪拌設(shè)備的抱軸問(wèn)題一直是行業(yè)共性難題[7]。在攪拌過(guò)后由于新拌混凝土是具有一定黏度的黏聚物，很容易黏附在攪拌軸、攪拌臂和攪拌葉片上，若不及時(shí)處理，新拌混凝土逐漸凝固，嚴(yán)重影響攪拌設(shè)備的壽命與攪拌物料的質(zhì)量。限于以上方法存在的不足，提出了振動(dòng)攪拌的理論?；炷琳駝?dòng)攪拌是通過(guò)激振器產(chǎn)生的高頻振動(dòng)和攪拌裝置共同作用對(duì)物料進(jìn)行攪拌，使攪拌裝置提供的攪拌能量與激振器提供的振動(dòng)能量都被混凝土吸收，實(shí)現(xiàn)邊攪拌邊振動(dòng)。通過(guò)振動(dòng)改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與性能，提高攪拌效率和質(zhì)量。

現(xiàn)有振動(dòng)攪拌設(shè)備的激振器多采用偏心原理產(chǎn)生振動(dòng)，軸承受力狀態(tài)不佳，攪拌時(shí)受力復(fù)雜，激振器受力不易平衡，振動(dòng)能量不能全部作用于作業(yè)對(duì)象，不符合節(jié)能減排的要求，在振動(dòng)狀態(tài)下極易發(fā)熱，壽命不高。

本研究利用彈簧收緊蓄能的特點(diǎn)和高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種混凝土攪拌設(shè)備用旋轉(zhuǎn)沖擊激振裝置。

2 結(jié)構(gòu)原理示意圖及工作流程

2.1 系統(tǒng)工作原理示意圖

該裝置通過(guò)設(shè)計(jì)安裝于攪拌軸內(nèi)部的激振機(jī)構(gòu)配合攪拌軸作業(yè)共同組成激振裝置，攪拌動(dòng)力裝置和振動(dòng)動(dòng)力裝置分別設(shè)置在攪拌軸的兩端。攪拌動(dòng)力裝置與攪拌軸的一端連接，用于帶動(dòng)攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)動(dòng)力裝置的輸出端與振動(dòng)傳動(dòng)軸連接，用于帶動(dòng)振動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；振動(dòng)傳動(dòng)軸的一端或兩端設(shè)置有連接軸，連接軸上套設(shè)有第一軸承，振動(dòng)動(dòng)力裝置的輸出端通過(guò)連接軸與振動(dòng)傳動(dòng)軸連接；攪拌動(dòng)力裝置設(shè)置在攪拌軸的另一端，攪拌動(dòng)力裝置的輸出端與攪拌軸連接；攪拌軸安裝在機(jī)架上，攪拌軸與機(jī)架之間設(shè)置有第二軸承。振動(dòng)傳動(dòng)軸采用實(shí)心軸或空心軸，振動(dòng)傳動(dòng)軸的質(zhì)心與其旋轉(zhuǎn)中心重合，攪拌軸與振動(dòng)傳動(dòng)軸同軸線，如圖1所示。

圖1 激振裝置結(jié)構(gòu)示意圖

攪拌軸采用空心設(shè)置，振動(dòng)傳動(dòng)軸同軸線安裝在攪拌軸內(nèi)；振動(dòng)傳動(dòng)軸的軸線方向均勻設(shè)置有若干個(gè)振動(dòng)傳動(dòng)臂組，每個(gè)振動(dòng)傳動(dòng)臂組包括N個(gè)振動(dòng)傳動(dòng)臂，N個(gè)振動(dòng)傳動(dòng)臂沿振動(dòng)傳動(dòng)軸的同一圓周均勻設(shè)置，振動(dòng)傳動(dòng)臂的個(gè)數(shù)N大于等于2；振動(dòng)傳動(dòng)臂垂直固定在振動(dòng)傳動(dòng)軸的圓周面上，振動(dòng)傳動(dòng)臂上套設(shè)有彈簧；彈簧的一端與振動(dòng)傳動(dòng)臂固定連接，另一端與沖擊頭固定連接。攪拌軸與振動(dòng)傳動(dòng)軸同軸線反向旋轉(zhuǎn)。A為攪拌軸內(nèi)壁兩間斷弧面連接端突起高度，如圖2所示。

圖2 激振裝置工作示意圖

2.2 操作流程

當(dāng)攪拌機(jī)完成干拌作業(yè)后，激振器開(kāi)始工作，振動(dòng)動(dòng)力裝置通過(guò)連接軸帶動(dòng)振動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；安裝在振動(dòng)傳動(dòng)軸上的振動(dòng)傳動(dòng)臂隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)固定在其上端的彈簧與沖擊頭亦跟隨作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在激振器工作過(guò)程中，彈簧前端沖擊頭與攪拌軸內(nèi)壁持續(xù)接觸，故振動(dòng)傳動(dòng)臂前端彈簧隨攪拌軸內(nèi)壁凸起的軌跡而逐漸壓縮蓄能；當(dāng)振動(dòng)傳動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)到正對(duì)凸起的最高點(diǎn)時(shí)，相對(duì)應(yīng)的彈簧壓縮量達(dá)到最大，彈簧蓄能最高；下一時(shí)刻，振動(dòng)傳動(dòng)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，沖擊頭離開(kāi)凸起最高點(diǎn)，彈簧迅速舒張釋能，彈簧前端沖擊頭碰撞攪拌軸的內(nèi)壁低點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)能量傳遞；攪拌軸內(nèi)壁凸起高低點(diǎn)間高度差為產(chǎn)生振動(dòng)的振幅。持續(xù)的彈簧收縮舒張沖擊作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量傳遞到攪拌軸和攪拌軸上的攪拌工作裝置上，進(jìn)而傳輸?shù)奖粩嚢栉锪现?，并依此持續(xù)振動(dòng)；由于振動(dòng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)向和攪拌軸相反，且振動(dòng)傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)高于攪拌軸的速度，所以每組振動(dòng)傳動(dòng)臂組完成每一次激振都?xì)v時(shí)很短，從而保證了振動(dòng)的高頻性；結(jié)合攪拌軸上攪拌工作裝置的攪拌作用，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)攪拌，有效提高攪拌質(zhì)量和攪拌效率。同時(shí)，傳遞到攪拌軸和攪拌裝置上的振動(dòng)能量可以有效抑制攪拌機(jī)抱軸和新拌混凝土黏附等問(wèn)題，延長(zhǎng)攪拌機(jī)使用壽命。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)

激振器的振幅與凸起的最大高度成正相關(guān)。

激振器的激振頻率f與凸起的個(gè)數(shù)M及每組振動(dòng)傳動(dòng)臂組中振動(dòng)傳動(dòng)臂的個(gè)數(shù)N成線性正相關(guān)；優(yōu)選的凸起的個(gè)數(shù)M=4，每組振動(dòng)傳動(dòng)臂組中的振動(dòng)傳動(dòng)臂的個(gè)數(shù)N=3。

激振器的激振頻率f=MN×（振動(dòng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速+攪拌軸轉(zhuǎn)速）/60。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種新型的混凝土攪拌設(shè)備激振裝置，將攪拌機(jī)攪拌與振動(dòng)技術(shù)相結(jié)合。振動(dòng)傳動(dòng)軸相對(duì)于攪拌軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，振動(dòng)傳動(dòng)軸上每一周N個(gè)振動(dòng)傳動(dòng)臂上的彈簧依次壓縮舒張。通過(guò)彈簧前端的沖擊頭對(duì)攪拌軸內(nèi)壁進(jìn)行MN次沖擊，將振動(dòng)能量傳遞到被攪拌物料中。物料由于受到振動(dòng)作用處于顫振狀態(tài)，進(jìn)而促使聚團(tuán)的水泥小顆粒迅速分散變小，增加與水的接觸面積，加快水化反應(yīng)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)骨料與水泥間的界面黏結(jié)強(qiáng)度，提高攪拌質(zhì)量與效率。同時(shí)，本設(shè)計(jì)的激振器工作時(shí)激振器質(zhì)心始終與旋轉(zhuǎn)中心重合，振動(dòng)能量?jī)H傳給物料，克服了偏心振動(dòng)攪拌機(jī)的不足。并且，可以通過(guò)提高攪拌軸內(nèi)壁凸起的數(shù)量或振動(dòng)傳動(dòng)軸上每一周振動(dòng)傳動(dòng)臂的數(shù)量來(lái)提高激振頻率，又可以通過(guò)改變攪拌軸內(nèi)壁凸起的高度來(lái)改變激振振幅。為實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)提供了新方法，原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)合理。