楊天龍，李天箭，王新華

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

發(fā)泡水泥作為現(xiàn)代常用的建筑外保溫材料，具有綠色環(huán)保、耐火性好、成本低、抗震、不燃等特性[1]，目前常用的是以高壓充氣的方式產(chǎn)生泡沫的第3 代機(jī)型，基本滿足生產(chǎn)要求，但是由于我國(guó)起步晚，現(xiàn)在的水泥發(fā)泡機(jī)仍然存在生產(chǎn)效率低、自動(dòng)化程度低的問題。

水泥在攪拌時(shí)，水的質(zhì)量與水泥粉料的質(zhì)量的比值簡(jiǎn)稱為水灰比，水灰比與攪拌裝置的攪拌質(zhì)量一起決定了攪拌出的水泥的性能。水灰比小，攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，物料太干，發(fā)泡時(shí)產(chǎn)生的氣泡容易被破壞或者合并；水灰比大，水泥漿體的粘度小，漿體之間流動(dòng)性好，氣泡容易合并，成型時(shí)會(huì)出現(xiàn)塌模[2-3]。只有達(dá)到適宜的水灰比才能同時(shí)保證漿體的流動(dòng)性較大且發(fā)泡良好，進(jìn)而提高發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度等性能[4]。目前，關(guān)于水泥發(fā)泡機(jī)的研究多集中在提高泡沫生成質(zhì)量，降低泡沫在運(yùn)輸過程中的破損率，尋找環(huán)保型的發(fā)泡劑等方面。我們通過對(duì)水泥發(fā)泡機(jī)整個(gè)工作流程的分析，希望改進(jìn)水泥發(fā)泡機(jī)的計(jì)量裝置，使攪拌裝置可以更精確地控制水灰比，攪拌出更高質(zhì)量的水泥送往發(fā)泡裝置來提高生產(chǎn)出的發(fā)泡水泥的質(zhì)量。

現(xiàn)有的水泥發(fā)泡機(jī)沒有設(shè)置用于起到計(jì)量作用的計(jì)量裝置，水泥粉料由輸送裝置直接送往攪拌裝置，水泥粉料與水的比例由生產(chǎn)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，并不能嚴(yán)格按照固定的比例進(jìn)行配置，會(huì)使發(fā)泡水泥的性能受到影響。參考工業(yè)中其他裝置的計(jì)量方法，在水泥發(fā)泡機(jī)上采用計(jì)量斗加傳感器加信號(hào)分析處理裝置三部分的組合[5]，可以提高發(fā)泡水泥生產(chǎn)的自動(dòng)化程度以及得到生產(chǎn)中各種原料消耗的具體情況[6]。

由于新增了計(jì)量裝置，整個(gè)水泥發(fā)泡機(jī)的質(zhì)量會(huì)增大，導(dǎo)致裝置的存放、運(yùn)輸變得更加困難，所以對(duì)計(jì)量裝置中質(zhì)量最大的計(jì)量斗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元方法分析計(jì)量斗的各尺寸參數(shù)對(duì)最大變形和固有頻率的影響[7]，確定在滿足一定要求的情況下，計(jì)量斗的質(zhì)量最小。

1 計(jì)量裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)水泥粉料與水的比例控制，將水泥粉料與水分開進(jìn)行計(jì)量，設(shè)置一個(gè)計(jì)量裝置放置在送料裝置之后，攪拌裝置之前對(duì)水泥粉料進(jìn)行計(jì)量，得到水泥粉料的質(zhì)量后，計(jì)算需要的水的質(zhì)量，然后將兩者送往攪拌裝置中進(jìn)行攪拌，經(jīng)過一定時(shí)間的攪拌之后再送往發(fā)泡裝置中完成發(fā)泡，修改后的整個(gè)水泥發(fā)泡裝置的工作流程如圖1 所示，通過計(jì)量裝置得到的信息作為控制送料的關(guān)鍵，進(jìn)而控制整個(gè)裝置的生產(chǎn)。

圖1 添加計(jì)量裝置后的工作流程Fig.1 Workflow after adding metering device

1.1 計(jì)量方式設(shè)計(jì)

采用重力式自動(dòng)裝料秤的方式進(jìn)行稱量，裝置由秤體、稱重傳感器、稱重顯示控制器組成，其中秤體由料斗、氣動(dòng)電磁閥等組成。稱重原理是，物料進(jìn)入料斗之前，料斗底部開關(guān)裝置閉合，物料進(jìn)入料斗之后，由稱重傳感器將物料的質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸給稱重顯示控制器。根據(jù)需要，該控制器也可以控制運(yùn)料裝置的啟停，在物料達(dá)到一定量時(shí)，由控制器關(guān)閉運(yùn)料裝置。需要放料時(shí)，由電磁氣動(dòng)閥控制料斗底部的開關(guān)裝置打開，水泥粉料通過管道進(jìn)入攪拌裝置中。這樣的設(shè)計(jì)使水泥發(fā)泡機(jī)可以在攪拌的同時(shí)進(jìn)行送料和計(jì)量，總的生產(chǎn)效率不會(huì)因?yàn)樵黾恿艘粋€(gè)計(jì)量裝置而受到影響。

空間分布如圖2 所示，設(shè)計(jì)有專用的支架用于支撐攪拌裝置與計(jì)量裝置。支架上層平面放置壓力傳感器，壓力傳感器上面放置計(jì)量斗，即計(jì)量斗的上板的下面與壓力傳感器接觸，計(jì)量斗上面由支架的蓋子密封，防止水泥粉料混入雜質(zhì)。蓋子上開有通道，用于送料裝置將水泥粉料送入計(jì)量斗中，下端通過管道將水泥送入攪拌裝置中，攪拌后的水泥通過攪拌裝置下方的電磁氣動(dòng)閥進(jìn)入發(fā)泡裝置中。

圖2 計(jì)量裝置在系統(tǒng)中的裝配Fig.2 Assembly of metering devices in the system

與傳統(tǒng)水泥發(fā)泡機(jī)相比，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使整個(gè)裝置豎直方向上的尺寸增大，水平方向上的尺寸減小，為了確定具體的尺寸影響，對(duì)計(jì)量裝置的關(guān)鍵零件計(jì)量斗進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。在圖3 中對(duì)計(jì)量斗的各尺寸進(jìn)行標(biāo)注，方便進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 計(jì)量斗及參數(shù)標(biāo)注Fig.3 Metering bucket and parameter annotation

1.2 計(jì)量斗基本參數(shù)設(shè)計(jì)

計(jì)量斗預(yù)計(jì)每次計(jì)量600 kg 的水泥粉料，允差+20%，以結(jié)構(gòu)變形Δ＜3 mm 為設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)重量最小和1 階模態(tài)頻率最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。需要確定的各變量及變量值域匯總于表1。

表1 計(jì)量斗基本設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Basic design parameters of metering bucket

根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)與壓力傳感器接觸處進(jìn)行位移約束，在計(jì)量斗的內(nèi)部施加作用力，鋼材的密度ρ=7.85 g/cm3，剛度K=200 GPa，泊松比為0.3，水泥的密度采用普通硅酸鹽水泥的堆積密度。壓力分為側(cè)板受到的壓力與底面圓錐面受到的壓力，兩者都以最大壓力處的受壓情況對(duì)整個(gè)面進(jìn)行加載。

優(yōu)化設(shè)計(jì)公式為

需設(shè)計(jì)的參數(shù)為圖1 中列出的8 個(gè)，其中小圓柱的半徑r 及高度h 相較其他部分都較小，對(duì)整體結(jié)果影響很小，所以都確定為50 mm，即r=50 mm；h=50 mm。

對(duì)表1 中的參數(shù)采用枚舉法計(jì)算V2，得到滿足要求的參數(shù)14 組，選擇其中m1較小的共有3 組。將V2中未確定的參數(shù)列于表2 中。

表2 滿足要求的計(jì)量斗參數(shù)Tab.2 Parameters of metering bucket meeting requirements

計(jì)算m1需要得到上面板厚度b 和側(cè)板厚度c的數(shù)值。以表2 中第3 組數(shù)據(jù)的3 個(gè)參數(shù)，厚度選擇3 mm 進(jìn)行建模，變量為上面板厚度，得到6 個(gè)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，在Workbench 中對(duì)內(nèi)壁圓柱體側(cè)面添加壓力6 000 Pa，對(duì)內(nèi)壁圓錐體側(cè)面添加壓力8 000 Pa，分析上面板產(chǎn)生的位移大小。

在Workbench 中對(duì)這6 種模型進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到圖4 所示的上面板變形以及第1 階模態(tài)的頻率。以上面板厚度為自變量，上面板變形和計(jì)量斗1 階頻率為因變量得到表3。

圖4 以上面板厚度為變量的有限元分析結(jié)果Fig.4 Finite element analysis results of panel thickness as variable

表3 計(jì)量斗上面板變形及一階模態(tài)頻率Tab.3 Deformation and first-order modal frequency of metering bucket upper panel

將表3 中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB 中繪制圖表，得到圖5。

圖5 計(jì)量斗上面板厚度與位移關(guān)系圖Fig.5 Relation between thickness and displacement of upper panel of metering bucket

從圖5 可以看出，在上面板厚度達(dá)到8 mm 之后，上面板變形發(fā)生的位移Δ 以及計(jì)量斗的1 階模態(tài)頻率f0基本不再隨著上面板的厚度增加而減小，因此上面板的厚度選擇為8 mm，即b=8 mm

確定上面板厚度之后，以側(cè)板厚度為變量進(jìn)行建模，同樣得到6 個(gè)模型。對(duì)計(jì)量斗內(nèi)壁添加壓力，對(duì)內(nèi)壁圓柱體側(cè)面添加壓力6 000 Pa，對(duì)內(nèi)壁圓錐體側(cè)面添加壓力8 000 Pa。

圖6 所示為6 組分析結(jié)果。計(jì)量斗的最大變形為2.939 8 mm，即預(yù)先給定的所有側(cè)板厚度都可以滿足變形小于3 mm 的要求，將側(cè)板厚度進(jìn)一步減小到2 mm 進(jìn)行有限元分析，得到最大變形為 3.120 2 mm，不滿足變形要求。

圖6 以側(cè)板厚度為變量的有限元分析結(jié)果Fig.6 Finite element analysis results with side plate thickness as variable

對(duì)這6 種模型進(jìn)行模態(tài)分析。得到6 種側(cè)板厚度下計(jì)量斗的1 階模態(tài)頻率，根據(jù)公式計(jì)算不同側(cè)板厚度計(jì)量斗的質(zhì)量m1，以側(cè)板厚度作為自變量，計(jì)量斗1 階模態(tài)頻率以及質(zhì)量作為因變量得到表4。

表4 計(jì)量斗1 階模態(tài)頻率及體積Tab.4 Metering bucket first-order modal frequency and volume

將表4 數(shù)據(jù)放入MATLAB 中繪制圖表，得到圖7。從圖7 見，隨著側(cè)板厚度的增加，計(jì)量斗的1 階模態(tài)頻率f0減小，且計(jì)量斗使用的鋼材質(zhì)量m1增加，所以選擇側(cè)板的厚度為3 mm 即：c=3 mm。

圖7 計(jì)量斗側(cè)板厚度與最大位移的關(guān)系Fig.7 Relationship between thickness of measuring bucket side plate and the maximum displacement

對(duì)表2 中滿足容量要求的3 組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中第1 組R=700、H=300、l=250，第2 組R=700、H=400、l=150，第3 組R=600、H=500、l=150，對(duì)其中的第1 組與第2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，得到圖8 所示的靜力學(xué)分析變形圖以及1 階模態(tài)頻率，通過公式計(jì)算3 組數(shù)據(jù)的容量以及計(jì)量斗的質(zhì)量，最終得到表5 數(shù)據(jù)V2，m1，Δ，f0。

表5 3 組計(jì)量斗的參數(shù)Tab.5 Parameters of three groups of measuring bucket

圖8 第1 組與第2 組有限元靜力學(xué)分析Fig.8 Statics analysis of the first and second finite element groups

1.3 確定計(jì)量斗的尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果及校核

根據(jù)表5 中的數(shù)據(jù)，在滿足容量要求的數(shù)據(jù)中，第1 組與第2 組的參數(shù)均不滿足變形要求，且1 階頻率都小于第3 組，其他滿足容量要求的尺寸參數(shù)的質(zhì)量m1都遠(yuǎn)大于表5 中的3 組參數(shù)，所以第3組的參數(shù)為最終需要的參數(shù)，將最終的設(shè)計(jì)結(jié)果匯總在表6 中。

表6 計(jì)量斗基本設(shè)計(jì)參數(shù)確定Tab.6 Determination of basic design parameters of metering bucket

1.4 壓力傳感器選擇

計(jì)量斗及計(jì)量斗滿載時(shí)裝的水泥粉料的總質(zhì)量為807.52 kg，重7 913.70 N，壓力傳感器分4 個(gè)放置在計(jì)量斗上面板的下面同時(shí)承重，所以平均每個(gè)壓力傳感器需要承受1 978.43 N 的力，選擇單個(gè)容量為2 000 N。例如LCM302-2KN 的壓力傳感器，單個(gè)傳感器直徑19 mm，高度13 mm，允許超載50%。

2 結(jié)論

通過對(duì)水泥發(fā)泡機(jī)發(fā)泡流程的分析，發(fā)現(xiàn)水泥發(fā)泡機(jī)在發(fā)泡水泥生產(chǎn)過程中并沒有精確地控制水泥與水的比例，生產(chǎn)出的發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度等性能會(huì)受到影響，所以在該系統(tǒng)中增加計(jì)量裝置，用于攪拌前得到使用的水泥粉料的質(zhì)量。

對(duì)添加了計(jì)量裝置的整個(gè)工作流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)計(jì)算了計(jì)量斗的各項(xiàng)尺寸參數(shù)，在容納600 kg 水泥的情況下，確定了上面板為8 mm、側(cè)板厚度為3 mm 時(shí)計(jì)量斗可以滿足變形和固有頻率要求的同時(shí)使用的材料最少，對(duì)其余的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出參數(shù)R=600 mm，H=500 mm，l=150 mm為滿足容量要求的最佳參數(shù)。

通過在攪拌前計(jì)量水泥粉料的質(zhì)量，可以得到需要的水的質(zhì)量，從而達(dá)到預(yù)定的水灰比提高生產(chǎn)出的發(fā)泡水泥的質(zhì)量。新增的計(jì)量裝置還能使整個(gè)水泥生產(chǎn)的用料情況更加清晰，也可以用在其他需要計(jì)量的場(chǎng)合，對(duì)計(jì)量斗的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)方法也可以用在其他各種容器的設(shè)計(jì)中。