竇澤浩，孫 芹，王保平，王富瑤，夾鳳仙

（1.山東交通學(xué)院工程機(jī)械學(xué)院，濟(jì)南 250357；2.山東陸達(dá)機(jī)械設(shè)備有限公司，山東菏澤 274900）

0 引言

水泥凈漿是由水泥和水按照一定比例拌合而成的可塑性混合物，廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)、巖土工程、水利水電等各種領(lǐng)域。道路施工過程中，為了增強(qiáng)水泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層的層間整體性，在分層施工的水泥穩(wěn)定碎石底基層與基層、基層與上基層的層間灑布一層水泥漿[1]。利用粘層漿的粘結(jié)力增加基層、底基層的整體性，從而提高公路的整體性能[2]。傳統(tǒng)施工中水泥漿灑布車的水泥使用袋裝水泥，其需要人工搬運(yùn)及配制水泥漿，致使每次噴灑的水泥漿水泥含量不均勻，且噴灑范圍單一，缺乏靈活性[3]。而水泥凈漿灑布車在道路施工過程中占據(jù)重要位置，尤其是在高等級(jí)公路的鋪設(shè)過程中，各種工程機(jī)械諸如壓路機(jī)、推土機(jī)、水泥凈漿灑布車協(xié)作完成水泥凈漿的灑布作業(yè)。這些大型機(jī)械的出現(xiàn)大大提高了工作效率和施工質(zhì)量。同時(shí)，在施工過程中人們發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)企業(yè)制造的水泥凈漿灑布車混合效果并不理想，噴灑出來的水泥凈漿會(huì)出現(xiàn)水泥團(tuán)聚現(xiàn)象。如圖1（a）所示，許多文獻(xiàn)對(duì)水泥凈漿混合不均勻的原因和影響因素進(jìn)行了深入分析[4-6]。

為此本文設(shè)計(jì)一款基于乳化泵原理的水泥凈漿混合泵，解決水泥凈漿的強(qiáng)度和均勻性問題。如圖1（b）所示，混合泵采用液力剪切和離心擠壓的方法將不相容兩相生成的混合液均勻混合，從而使得水泥粉料避免出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。預(yù)計(jì)研制水泥凈漿混合泵可實(shí)現(xiàn)水泥粉料與水高效混合，在最大化提高施工速度的同時(shí)，能夠避免粉塵飛揚(yáng)，節(jié)省勞動(dòng)資源，生產(chǎn)效率大幅度增加，進(jìn)一步簡化了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝。水泥凈漿是非常典型的固-液兩相流，由于固-液兩相流流動(dòng)非常復(fù)雜，依靠經(jīng)驗(yàn)配制和理論分析的方法難以對(duì)水泥凈漿均勻性的微觀特性進(jìn)行分析。因此，借助于流體力學(xué)軟件（Fluent）對(duì)混合泵進(jìn)行流場特性研究，并且對(duì)混合泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)優(yōu)化有重要意義。

圖1 水泥粉料分布狀態(tài)

1 混合泵的設(shè)計(jì)理論及其建模

1.1 混合泵總體設(shè)計(jì)思想

基于乳化泵的工作原理，完成混合泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

混合泵工作原理：在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，進(jìn)入剪切泵的物料在轉(zhuǎn)子與定子的狹窄間隙間高速運(yùn)動(dòng)，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)和離心力的作用下，進(jìn)行劇烈的剪切、分散混合，承受高速剪切均勻混合、研磨破碎、攪拌乳化等，最終得到穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品[7]。由于水和水泥粉料在混合之前分別盛放在不同的儲(chǔ)料箱內(nèi)，只有在混合前的瞬間，粉末呈彌散狀導(dǎo)入水中，所以可有效達(dá)到粉與液混合、分散、均質(zhì)等工藝要求。該設(shè)備的研制可以減少施工成本，節(jié)省勞動(dòng)資源，達(dá)到最佳施工效果。

混合泵系統(tǒng)主要包括：混合泵、馬達(dá)機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)、小帶輪裝置、料斗、整體支撐機(jī)構(gòu)、內(nèi)部裝置?；谌榛玫奶匦赃M(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合具體工作要求，可計(jì)算出混合泵的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸。采用畫圖軟件SolidWorks對(duì)其進(jìn)行繪制。混合泵整體結(jié)構(gòu)固定在支撐機(jī)構(gòu)上，混合泵上剛性連接著馬達(dá)。馬達(dá)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，中間有機(jī)封冷卻結(jié)構(gòu)部分、確保其裝置在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下機(jī)封裝置的安全性。

1.2 主體結(jié)構(gòu)建模

為了使水泥漿體能夠充分混合，綜合考慮使用兩組定子、轉(zhuǎn)子共8 層組成，定子和轉(zhuǎn)子對(duì)偶耦合，并且高度配合。定子、轉(zhuǎn)子間間隙值的大小是保證這一空間的速度場和剪切力場的關(guān)鍵因素[8]。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，定轉(zhuǎn)子的間隙越小，剪切碰撞作用越大，物料更容易混合均勻。因此，從提高混合效果出發(fā)，定轉(zhuǎn)子間間隙應(yīng)取較小值。從理論上認(rèn)為，間隙越小混合越好，但間隙越小，是以減少流體流動(dòng)量和增加能耗為代價(jià)的[9]?；旌媳玫闹饕康氖鞘顾嗯c水均勻混合而非精細(xì)乳化，所以定子和轉(zhuǎn)子間隙不必過小。若間隙過小，反而容易造成堵塞和加劇工件磨損現(xiàn)象，定轉(zhuǎn)子的間隙最好在2～4 mm 之間即可。這樣在滿足施工要求的同時(shí)，延長了各個(gè)零部件的使用壽命，從而減少施工成本。定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)集合了以下幾類優(yōu)點(diǎn)：具有膠體磨所具有的強(qiáng)大的剪切力；獨(dú)特的封閉式定子孔使其具有均化器所具有失壓而膨脹和高速?zèng)_擊碰撞的雙重作用；中心處的入口和切線處的出口所配的標(biāo)準(zhǔn)法蘭讓它具有靜態(tài)混合器的管道化程度；同時(shí)定轉(zhuǎn)子的強(qiáng)大的相對(duì)線速度使其擁有了像攪拌器那樣能產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流脈沖[10]。定轉(zhuǎn)子粉碎物料的示意圖如圖2所示。

圖2 粉料粉碎示意圖

圖3 混合泵結(jié)構(gòu)

新型高剪切混合乳化泵的中心處為進(jìn)料口，切線處為出料口，進(jìn)口方向與軸線重合，轉(zhuǎn)向從驅(qū)動(dòng)向泵頭端方向看為順時(shí)方向[11]。依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，得出混合泵的結(jié)構(gòu)尺寸如下：進(jìn)水口直徑D1=150 mm、進(jìn)料口直徑D2=100 mm、出料口直徑D3=80 mm、總長度L=1 137 mm。

根據(jù)混合泵結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建整體三維模型，混合泵的模型使用SolidWorks 軟件對(duì)混合泵的外部結(jié)構(gòu)和不同尺寸的定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行建模?；旌媳玫年P(guān)鍵部件定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為對(duì)稱形式。如圖3 所示，對(duì)混合泵各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)體建模。為了便于建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)轉(zhuǎn)子模型作了一定的簡化，基本符合實(shí)際[12]。

定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和配合方式有多種不同的形式，本次設(shè)計(jì)的水泥凈漿混合泵有兩組不同齒寬的定子和轉(zhuǎn)子，定轉(zhuǎn)子間隙的大小是影響泵腔內(nèi)液力場和速度場的關(guān)鍵。第一組定轉(zhuǎn)子采用粗齒完成撞擊、剪切，第二組定轉(zhuǎn)子采用細(xì)齒進(jìn)行分散、混合。水泥和水經(jīng)過定轉(zhuǎn)子兩次的剪切擠壓將獲得高品質(zhì)的水泥凈漿。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是影響液力剪切和分散效果的關(guān)鍵。接下來的實(shí)驗(yàn)仿真也是從定轉(zhuǎn)子間隙和轉(zhuǎn)子速度兩個(gè)方面開展，探究水泥凈漿均勻程度與兩者之間的關(guān)系。滿足實(shí)驗(yàn)要求的同時(shí)減少能耗，使之達(dá)到理想狀態(tài)。目前，運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行假設(shè)分析、討論，不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測、結(jié)構(gòu)改善，對(duì)導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，最后研制出滿足要求的水泥凈漿混合泵。

2 流場的數(shù)值模擬

網(wǎng)格的劃分在流場流動(dòng)的理論分析中是特別重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以毫不夸張地說，這是直接決定CFD 計(jì)算結(jié)果的成功與否[13]。在Space Claim 軟件中對(duì)混合泵模型進(jìn)行流體域提取，考慮到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)以及后期網(wǎng)格劃分，將流體域拆分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域。通過Mesh對(duì)流場域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且設(shè)置膨脹層以接近真實(shí)情況。通過仿真模擬，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，確保無誤后再對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化，使得每個(gè)重要零部件的力學(xué)性能達(dá)到要求。在網(wǎng)格導(dǎo)入過程中，注意格式的選擇，防止出現(xiàn)文件不能導(dǎo)入的情況的發(fā)生。統(tǒng)計(jì)該模型節(jié)點(diǎn)共121 341 個(gè)、單元902 217 個(gè)，平均網(wǎng)格質(zhì)量在0.7以上。網(wǎng)格的劃分越密集，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但是計(jì)算也會(huì)相應(yīng)變慢。比較好的方法是采用非一致的網(wǎng)格：對(duì)梯度變化較大和研究比較關(guān)心的區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格，而對(duì)梯度變化小的區(qū)域采用粗網(wǎng)格[14]。這樣可以大大減少網(wǎng)格數(shù)量并且提高計(jì)算精度。

流場域的網(wǎng)格劃分情況如圖4 所示。基于混合泵的自身工作特性，其內(nèi)部流體仿真選擇ANSYS Fluent 作為求解器。在穩(wěn)態(tài)求解中采用多重參考系法（MRF），內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)參考系，外部靜止區(qū)域采用靜止參考系。湍流模型采用修正后的RNGk-?模型，其中C1=1.42，C2=1.68，Cmu=0.084 5。選擇歐拉模型方法作為多相流模型，水作為基礎(chǔ)項(xiàng)，水泥粉料作為第二項(xiàng)，采用隱式求解的方法求解。水的密度998 kg∕m3，流速2.7 m∕s；粉料的密度3 100 kg∕m3，流速1 m∕s；水泥凈漿黏度1 450 cP；水泥粉料∶水=0.5∶1（質(zhì)量比）。

圖4 流場域網(wǎng)格示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 不同間隙的結(jié)果分析

固液混合是指固體顆粒在液相中的分散并且在液相中均勻分布。其實(shí)質(zhì)是顆粒在液相中逐漸分離散開，與液相均勻混合的過程。顆粒在液體中的分散過程主要為以下3 個(gè)階段：顆粒在液相中的潤濕；顆粒群的解體；穩(wěn)定顆粒的分散性，阻止顆粒再團(tuán)聚[15]。為了使水泥粉料與水可以均勻混合，需要調(diào)整定轉(zhuǎn)子間隙在合理的范圍內(nèi)。間隙過大容易使液力剪切力減小，不能將粉料與水很好地混合在一起；間隙過小容易造成水泥凈漿在齒間的堵塞和加劇磨損。實(shí)驗(yàn)所用的硅酸鹽水泥粒徑平均在80μm 以下，因此定轉(zhuǎn)子間隙不需要過小，滿足實(shí)驗(yàn)要求即可。下面對(duì)于定轉(zhuǎn)子間隙2～4 mm、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均為1 000 r∕min，通過Fluent進(jìn)行仿真分析。

通過圖5 所示的水泥粉料體積分布云圖可以看出，定轉(zhuǎn)子間隙為2 mm時(shí)，粉料經(jīng)過兩組定轉(zhuǎn)子的剪切擠壓后，粉料分散并不均勻，水泥凈漿中粉料的體積分?jǐn)?shù)還不能趨于一致。旋轉(zhuǎn)域的中心位置粉料濃度較低，泵腔周圍濃度較高。流出口位置還出現(xiàn)混合不均勻的情況。觀察速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，流出口的后端和兩旋轉(zhuǎn)域之間的水泥粉料與水的混合較為劇烈。

圖5 定轉(zhuǎn)子間隙為2 mm時(shí)粉料體積分布云圖和速度矢量圖

通過圖6 所示的水泥粉料體積分布云圖可以看出，定轉(zhuǎn)子間隙為3 mm時(shí)，水泥粉料與水經(jīng)過兩次混合效果較好，粉料體積分?jǐn)?shù)從混合到流出保持著很好的均勻分布狀態(tài)。分析上述速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，水泥凈漿在流動(dòng)方面較好，沒有出現(xiàn)回流、堵塞、漩渦等現(xiàn)象。

圖6 定轉(zhuǎn)子間隙為3 mm粉料體積分布云圖和速度矢量圖

觀察圖7 所示的體積分?jǐn)?shù)云圖和速度矢量圖，定轉(zhuǎn)子間隙為4 mm 時(shí)，經(jīng)過兩次混合后分布效果并不理想，流出口水泥粉料體積分?jǐn)?shù)不能趨于一致。分析上述速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，水泥粉料與水在流出口的后端混合劇烈。

圖7 定轉(zhuǎn)子間隙為4 mm粉料體積分布云圖和速度矢量圖

通過分析不同定轉(zhuǎn)子間隙的體積云圖可以看出，在定轉(zhuǎn)子間隙為3 mm 時(shí)，混合均勻性明顯優(yōu)于其他兩組，經(jīng)過兩次的混合，在流出口水泥粉料與水已經(jīng)呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)?；旌闲Ч^好。通過速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，水泥粉料和水的混合在流出口最為劇烈。

3.2 不同轉(zhuǎn)速的結(jié)果分析

通過對(duì)不同定轉(zhuǎn)子間隙的仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在定轉(zhuǎn)子間隙為3 mm、轉(zhuǎn)速為1 000 r∕min 時(shí)，水泥凈漿混合均勻，效果較好。以下實(shí)驗(yàn)均在定轉(zhuǎn)子間隙為3 mm的情況下進(jìn)行。為了探究轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)均勻性的影響，分別在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000、1 500、2 000 r∕min時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真并進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，粉料體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)越來越大，混合效果越來越差。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r∕min 時(shí)，粉 料體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)較小并最終趨于一致，相較于其他兩組而言，混合均勻性要好。

通過圖9所示的速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r∕min時(shí)，水泥凈漿在出料口的最大流速達(dá)到3.924 m∕s，并且出現(xiàn)了回流的現(xiàn)象。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下粉料體積分?jǐn)?shù)分布

圖9 2 000 r∕min速度矢量圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)目前水泥凈漿攪拌設(shè)備混合不均勻問題進(jìn)行改進(jìn)，摒棄傳統(tǒng)的罐式攪拌，基于乳化泵工作原理設(shè)計(jì)完成水泥凈漿混合泵設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了粉料與水分別存儲(chǔ)、即時(shí)即混、無需停滯，并且該設(shè)備完美解決罐式攪拌存在的水泥漿浪費(fèi)問題。保障該產(chǎn)品在線混合后能達(dá)到漿料均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、無水泥團(tuán)聚現(xiàn)象。通過對(duì)比不同速度矢量圖與粉料體積云圖可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速到達(dá)2 000 r∕min 時(shí)，水泥凈漿出現(xiàn)回流現(xiàn)象。適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速避免回流現(xiàn)象的發(fā)生；在整個(gè)流體域內(nèi)，水泥粉料與水的混合在流出口的后端最為劇烈；當(dāng)定轉(zhuǎn)子間間隙為3 mm、轉(zhuǎn)速為1 000 r∕min 時(shí)，混合效果較好，水泥粉料在水中基本呈現(xiàn)均勻分布。通過對(duì)設(shè)計(jì)的混合泵進(jìn)行仿真分析，獲得最佳組合的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)，并且為后續(xù)水泥凈漿攪拌技術(shù)提供了重要理論依據(jù)。