基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计
作者：李慧慧杨勇刘冰王玉玲徐君飞
来源：《科技创新导报》2011年第26期
摘要:目前干混砂浆混合设备存在混合均匀度和混合效率低的问题。本文在剖析现有混合设备结构与物理作用的基础上,通过采用复合运动高效混合原理,设计一种基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机。该新型混合机通过定轴轮系使搅拌叶片对物料进行强制式搅拌,同时又借助外筒旋转对物料进一步混合,从而使物料混合更加均匀,混合效率更高。该新型混合机的设计将为干混砂浆行业关键混合设备研制水平的提高提供理论指导和参考。
关键词:干混砂浆混合设备定轴轮系外筒旋转叶片搅拌
中图分类号:TU5 文献标识码:Ａ文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0021-02
1 引言
混合设备是干混砂浆生产线中最关键的设备,也即是工厂的“心脏”[1]。目前国内对干混砂浆的研究大多数集中在砂浆品种开发及性能优化方面,而缺乏对生产设备的全面系统深入研究,特别是混合设备方面研究不足,仅局限于引进和仿制国外产品,混合设备发展的不足成为制约干混砂浆行业发展的瓶颈之一。
目前国内使用的混合设备大多是机械式的,按作用方式分为容器回转型、容器固定型和复合型混合设备。容器回转型混合设备缺陷是回转速度慢,容器回转空间大,伴随回转容易引起负荷变动;容器固定型混合设备缺陷是清洗困难,适合于少品种大批量的生产,同时存在搅拌桨叶磨损问题[2];复合型混合设备是在容器回转型的基础上,在容器内部增设搅拌物料用的叶片,这类混合设备容易造成物料的磨损。以上机械混合设备的共性缺陷是干混砂浆混合均匀度低,机械磨损较大[3]。除采用以上机械混合搅拌方法外,在医药、化工等领域也使用了磁力搅拌、超声波搅拌、气力搅拌等方式,经过检索和分析现有的相关文献可知,根据这些方式所设计的混合搅拌设备或是结构复杂,成本高,或是针对液体溶液搅拌,以及混合搅拌效率低,这些混合搅拌设备难以应用到产量大、效率高的干混砂浆生产过程中[4]。
本论文在剖析现有混合设备结构与物理作用的基础上,通过采用复合运动物料高效混合原理,设计一种基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机,该新型混合机相对传统仅是搅拌轴作用的混合机在混合均匀度和混合效率方面具有显著优势。
2 复合运动高效混合原理
当物料处于自落状态和挤压状态时,分别沿主轴方向对物料单元进行轴向受力分析如图1(a)所示。其中为叶片转动角度,即为物料下滑角[5]。
当物料处于自落状态时,其上的受力应满足:
(1)
其中有:,,
图1(b)为沿叶片方向的受力分析图,其中为叶片安装角。
其中有:
(2)
进而由(1)、(2)得出用速度表示的关系式:
(3)
其中为摩擦系数,为重力加速度,为叶片顶端到主轴线的距离。而当物料在挤压状态下,该状态下搅拌设备工作的物料离心力应不大于它与搅拌叶片间的摩擦力,即:
(4)
而此时,参照径向的受力分析图,可以近似的认为物料单元所受的正压力等于重力。从以上受力分析可以发现,物料在搅拌叶片的作用下沿着轴向和径向的合成运动进行混合。
另外,混合机外筒利用定轴轮系与主轴向相反方向旋转,打破了通过搅拌形成的稳定的流场,增大了接触面积,能够增强搅拌的均匀度,外筒旋转还能够有效避免箱体底部低效区的出现,在搅拌大循环的过程中实现有效增加混合均匀度的小循环,如图2所示。
3 新型混合机设计
3.1 总体设计
总体结构设计示意图如图3所示。
该混合机由支撑部件、驱动装置、混合装置、进出料口以及外筒等主要部分组成。各零部件连接关系如下:电动机1经过减速器减速后,通过联轴器3将减速器2与搅拌轴相连;搅拌轴通过平键与定轴轮系连接,搅拌轴通过定轴轮系带动外筒体5旋转;外筒体5支撑在第一支架7上,所述第一支架7上设有滚柱8,通过滚柱8与外筒体5的外壁接触支撑,第一支架数量设置为4个,支撑安全可靠。