搅拌仿真分析
刘军，欧可活
（中路杜拉国际工程股份有限公司，广东广州 510336）
［摘要］行星式混凝土搅拌机因其搅拌效率高得到了广泛应用。为了减少设计变更次数，降低研发成本，以某公司生产的行星式混凝土搅拌机结构为参考，首先通过Pro/E对其进行三维建模，然后将三维模型导入离散元软件EDEM中，投入混凝土颗粒，模拟搅拌机的完整搅拌过程，观察物料的流动状态以及分析最终的物料搅拌均匀度。结果表明，在搅拌过程中位于搅拌缸侧壁处的物料运动形式单一，出现局部搅拌不均匀的现象，但整体搅拌均匀性较好，为后续设计改进提供参考依据。 ［关键词］混凝土；行星式搅拌机；搅拌装置；EDEM；仿真分析
［中图分类号］TU642 ［文献标识号］B ［文章编号］1001-554X（2020）11-0062-04
Simulation analysis of planetary concrete mixing equipment based on EDEM
LIU Jun，OU Ke-huo
随着我国城市建筑和公路建设的快速发展，混凝土搅拌设备也随之迅猛发展。在对混凝土需求总量增加的同时，对其性能的要求也在不断提高。混凝土的搅拌过程虽然没有化学变化，但是其性能的好坏对工程安全有很大的影响，因此要求混凝土骨料在搅拌设备内的运动轨迹尽可能复杂，且尽量没有运动死区，达到搅拌均匀的效果［1］。目前市场上使用较多的混凝土搅拌设备大致有两种，分别是立轴式和卧轴式。这两种搅拌机因其结构简单、造价不高等优点从而快速占据了市场，但由于其结构本身的固有特点，在搅拌过程中搅拌缸内存在较大的搅拌死区，导致混凝土的搅拌均匀度不高，进而降低了混凝土的质量，越来越难以满足现代工程的需要。对于这两种搅拌机的研究有很多，长安大学冯忠绪教授对搅拌机做了大量研究，提出了振动搅拌技术来解决传统搅拌设备存在的搅拌死区问题［2-4］。目前搅拌效果较好的是行星式混凝土搅拌机，因其行星齿轮机构的运动形式复杂，使得混凝土骨料颗粒在搅拌缸内具有复杂的运动轨迹，从能够在较短时间内使得混凝土搅拌均匀，现在已经得到了市场的广泛使用。行星式混凝土搅拌机达到搅拌均匀的平均时间比普通强制式立轴和卧轴搅拌机缩短了30～55s，大幅提高了生产效益和经济效益［5］。
目前国内对于行星式混凝土搅拌机的研究并不多，本文以某公司生产的行星式混凝土搅拌机结构为参考，通过三维建模软件Pro/E对其进行了建模并和运动仿真，确认结构运动没有干涉条件下导入离散元仿真软件EDEM，对行星式混凝土搅拌机的搅拌过程进行模拟仿真，详细分析混凝土组成颗粒的运动轨
迹，查颗粒搅拌过程中存在不均匀的原因，为产品的优化改进和相关的研究提供技术参考。
1 搅拌低效区理论
卧轴式和立轴式两种混凝土搅拌机的搅拌原理大致相同，搅拌缸内有1根搅拌轴，搅拌轴的中心与地面保持水平的为卧轴式搅拌机，搅拌轴中心与地面垂直的为立轴式搅拌机。搅拌轴的圆周平均
DOI:10.1981.2020.11.006
［收稿日期］2020-07-20
［通讯地址］刘军，广东省广州市天河区珠江新城平云路163号海格大楼西4楼
2020/11总第537期分布有搅拌桨，动力装置驱动搅拌轴旋转，从而带
动搅拌桨搅拌混凝土物料，达到物料均匀混合的效果。这两种搅拌机的主要缺点类似，二者在搅拌过程中，搅拌轴均只有简单的公转，导致混凝土颗粒的运动轨迹较为简单，搅拌的程度不够强烈。搅拌低区现象是指在搅拌缸内，靠近搅拌轴的区域内，混凝土颗粒受到的搅拌强度很小，而且物料还会粘附在搅拌轴的周围，产生抱轴现象，难以达到混合均匀的效果。而在搅拌桨附近的混凝土颗粒由于受到的搅拌程度较大，会使得物料发生离析，同样也会造成混凝土质量较低的问题［6］。
2 行星式搅拌机结构分析
行星式搅拌机主要由驱动装置、搅拌缸、行星齿轮系、搅拌装置、铲板、卸料装置、密封装置、供水系统和机架等部分构成，其中搅拌装置由2根搅拌臂和2个搅拌铲板构成。本文以某企业行星式混凝土搅拌机为原型进行建模分析，为了减少仿真过程中计算机的运算量，将一些对仿真结果没有实质影响的部件简化，简化后的结构如图1所示。由图1可知，该搅拌机的驱动部件为电机，位于搅拌机的顶部。行星搅拌装置装置由2套搅拌臂、2个边刮臂构成。每个搅拌臂均安装2个搅拌铲板，在搅拌过程中，混凝土颗粒受到沿垂直于搅拌铲板方向的推力，铲板为斜面，使得物料颗粒在搅拌缸内作圆周运动的同时还会向搅拌缸顶部运动。由于铲板位于搅拌缸的底部，位于搅拌缸侧臂的物料无法受到铲板的搅拌作用。因此，中心架上装有边刮臂，边刮臂随着中心架作圆周运动，刮除吸附在搅拌缸侧臂的物料颗粒。
搅拌装置安装在行星齿轮系的2个行星轮上，太阳轮固定安装在机架上，驱动电机驱动中心架转动。安装在中心架上的行星轮一方面随着中心架作圆周运动，另一方面，由于行星轮与太阳轮啮合，行星轮同时也在沿着自身的轴线作圆周运动，安装在行星轮上的搅拌装置也因此具有较为复杂的运动轨迹。在Pro/E的机构仿真中，选取底部铲板上的部分点观察其运动轨迹，如图2所示。可以看出，该点在短时间的运动轨迹基本可以完全覆盖搅拌缸的底部，极大提高了搅拌效率和搅拌均匀度。
1
2
3
4
5
6
1. 驱动电机
2. 机架
3. 行星齿轮系
4. 搅拌臂
5. 铲板
6. 边刮臂
图1 三维模型
图2 铲板运动轨迹
3 EDEM仿真
3.1 EDEM模型的建立
EDEM软件主要由3个模块构成，分别是前处理模块、求解器和后处理模块。在前处理模块中，可以进行颗粒的建模、几何体的建模，既可以在EDEM软件中创建也可以从其他三维软件中导入几何体以及设置颗粒的生成方式。求解器模块的作用是进行颗粒的动力学计算。在后处理模块中可以将仿真的过程生成动画，直观的观测颗粒的运动状况，并且能将仿真结果的数据提取与导出［7］。
为了使仿真更加真实，本文中的三维虚拟样机结构和尺寸参数是根据某企业已经量产的设备建立。设置搅拌铲板的个数为4个，每只搅拌轴底部装有2个铲板，搅拌缸的容量为2m3，驱动电机的转速设置为30r/min，行星式混凝土搅拌机虚拟样机的模型采用Pro/E创建。将建好的模型在Pro/E 软件中另存为stp格式后导入EDEM中进行模拟仿真分析。
3.2 仿真参数的设置
针对实际搅拌过程中物料之间存在的相互作用力，如黏结力、碰撞力等，决定选用Hertz–Mindlin with bonding接触模型；水泥混凝土的搅拌过程中物料颗粒之间有一定的黏结力，可以阻止物料颗粒的切向与法向的相对运动，当外作用力达到甚至超过物料颗粒之间的最大法向与切向力时这种黏结就会被破坏掉。Hertz-Mindlin with bond-ing黏结接触模型的特点恰好符合混凝土颗粒之间接触的特点［8，9］。仿
真过程中共投放3种颗粒，分别用来模拟混凝土中的水泥、砂和石。为了减少计算机的运算量，增强显示效果，水泥颗粒的直径设为10mm，共计投放6000颗；砂的颗粒直径设为25mm，共计投放5000颗；石的颗粒直径设为35mm，共计投放3000颗。在EDEM中设置材料属性参数如表1和表2所示。依次按照石、砂、水泥的顺序投料。最底层为石，中间层为砂，最上层为水泥，如图3所示。图4所示为仿真进行11s时的物料状态，设置仿真时间为15s。
表1 材料属性参数设置
材料密度/（g·cm-3）剪切模量/（108Pa）泊松比钢7850100.30
石243040.33
砂280030.25水泥140030.25
表2
接触参数设置
接触对恢复系数静摩擦系数动摩擦系数钢-石0.80.20.030
钢-砂0.50.30.030
钢-水泥0.50.20.025
石-石0.60.30.02
石-砂0.60.20.03
石-水泥0.60.20.01
砂-砂0.60.20.02
砂-水泥0.60.30.02
水泥-水泥0.80.350.015
图3 投料结束时物料状态
图4 搅拌11s时物料状态
4 仿真结果分析
4.1 颗粒运动轨迹
传统的实验方法很难获取搅拌过程中颗粒的运动轨迹，EDEM的后处理模块中提供了获取颗粒运动轨迹的方法。仿真结束后，选取编号为7600的颗粒，获取其在整个搅拌过程中的运动轨迹。如图5和图6所示，从图中可以看出，该颗粒在搅拌缸内的运动轨迹复杂，在俯视图方向，颗粒在搅拌缸内作大范围圆周运动的同时，还在小范围内作圆周运动。通过分析可知，这种现象是由于行星搅拌臂绕自身的中心轴
旋转而产生的。在正视图方向，该颗粒的运动轨迹表明，颗粒在搅拌缸内的上下运动也较剧烈。从整体来看，行星式混凝土搅拌机内颗粒的运动轨迹较为理想，基本充满了整个搅拌空间区域。
4.2 搅拌低效区分析
由仿真结束时搅拌缸内的物料颗粒状态显示可知，在搅拌缸的侧臂位置有较多相同颜的颗粒团聚在一起，混合效果较差（如图7所示）。分析可知，这是由于边刮臂与搅拌缸的位置距离较远，
2020/11总第537期
存在部分颗粒无法受到搅拌，因此依附在侧臂的颗
粒主要是受到相邻的颗粒的挤压作圆周运动。
图5
指定的颗粒运动轨迹俯视图
图6
指定的颗粒运动轨迹正视图
图7 仿真结束时物料状态
4.3 颗粒混合均匀度分析
根据仿真初始时投放的颗粒个数可知，搅拌缸内石、砂和水泥的比例为3∶5∶6，该比例可作为评定搅拌均匀性的理想值。在仿真结束后，在EDEM 后处理模块对仿真的区域进行空间网格划
分，然后将每个网格内3种颗粒的个数进行数据导出。在Excel 表格中进行数据处理，可以得到每个网格内3种颗粒的个数之比，最后将每个网格内的颗粒个数比例取平均值，可用来表示搅拌均匀度。该数值与初始颗粒个数比例越接近，则表示搅拌的均匀度越好。
划分后的网格如图8所示，网格的划分不宜过大或过小。若网格的尺寸划分过大，则每个网格内的混合均匀度并不具有局部的代表性。若网格尺寸划分太小，则每个网格内所包含的颗粒个数过少，如每个网格内仅包含1～2个颗粒，同样不能表示整体的混合均匀度。
处理数据时，对于位于搅拌机边界处的网格
进行舍去处理。经过计算处理后的数据如表3所示，可以看出，搅拌后的颗粒混合均匀度与理想值
接近，搅拌效果较好。
图8 网格划分表3 搅拌后的均匀度
颗粒种类
初始投放 个数/颗占总个数的比例/%搅拌后的 均匀度/%石300021.4322.24砂500035.7136.52水泥
6000
42.86
41.24
5 结束语
通过Pro/E 建立了行星式混凝土搅拌机的物理模型，然后导入到离散元分析软件EDEM 中进行搅拌仿真，发现搅拌缸内颗粒的运动轨迹复杂，搅拌缸内颗粒的流动理想，并进行了颗粒混合均匀度的
（下转第71页）
2020/11总第537期
从图中可以看出，湿喷机的作业时间与理论曲线较为接近，因此，湿喷机的作业时间近似服从负指数函数分布。概率密度函数如下
()
exp 0.510.51f x =- ⎪⎝⎭
卸
()()2230.211
exp 2 5.372π 5.37t f t ⎛⎫
- ⎪=-
⎪⨯⨯⎝
⎭
()()2234.321
exp 2 6.582π 6.58t f t ⎛⎫- ⎪=-
⎪⨯⨯⎝⎭
()1=exp 0.680.68x f x ⎛⎫- ⎪⎝⎭
3 结论
通过对隧道现场施工机具的大量统计数据分析，发现虽然各隧道项目的施工特点、项目管理模式、施工机械的运行状态各不相同，但各自作业时间遵从以下规律：
（1）电脑凿岩台车每循环进尺完成施工作业时间服从正态分布。
（2）装载机每装载一车废渣时间服从负指数函数分布。
（3）自卸汽车每装一车渣及卸一车渣完成作业时间均服从负指数函数分布，每运渣一次和每卸渣后返回时间均服从正态分布。
（4）混凝土搅拌车每装一车料及卸一车料完
成作业时间均服从负指数函数分布，每运料一次和卸料后返回时间均服从正态分布。
（5）湿喷机每完成一次作业时间服从负指数函数分布。
［参考文献］
［1］ 赖涤泉，汪西应，王金祥. 隧道安全快速施工机械化
关键技术与装备研究［J ］. 建设机械技术与管理，2009，22（11）：107-113.
［2］ 赵宏强，朱建新，林宏武，等. 我国矿山凿岩设备现
状与发展方向［J ］. 金属矿山，2009（S1）：482-486.
［3］ 段海峰，王波. 山岭隧道两种常规施工方法的比较
［J ］. 工业建筑，2005（S1）：817-821.
［4］ 高盟，王滢，高广运，等. 中国隧道及地下工程修建
技术［J ］. 岩土力学，2013，34（03）：761. ［5］ 孙赫. 浅谈公路机械化施工与管理的重要性［J ］. 黑
龙江科技信息，2016（05）：268.
［6］ 王磊. 浅谈长大隧道机械化施工设备配套［J ］. 山西
交通科技，2009（06）：79-
80+88.
验证。通过仿真分析发现，该搅拌机的结构设计中，边刮臂与搅拌缸内壁的距离过远，存在局部搅拌不均匀的现象。该仿真的实验结果可为后续产品改进提供一定参考，并在产品研发设计阶段发现设计中存
在的不足，能够有效减少研发成本，提高经济效益。
［参考文献］
［1］ 蔡海霄. 沥青混凝土搅拌设备的行业现状及技术发展
趋势［J ］. 交通世界，2005（10）：32-35. ［2］ 冯忠绪，赵利军，姚运仕，江建卫，王卫中. 搅拌机
低效区及其消除方法［J ］. 长安大学学报（自然科学版），2005（06）：82-85.
［3］ 冯忠绪，陈静，徐卫民. 混凝土的搅拌过程及其模拟
［J ］. 西安公路交通大学学报，1997（4）：71-76.［4］ 付昌会，冯忠绪，张磊. 搅拌方式对混凝土含气量
及孔结构的影响［J ］. 郑州大学学报（工学版），2011，32（02）：42-45.
［5］ 廖振中. 行星式新型搅拌机的应用［J ］. 中国水泥，
2007（04）：65-67.
［6］ 赵利军. 搅拌低效区及其消除方法的研究［D ］. 西
安：长安大学，2005.
［7］ 董玉刚，林亮亮，孔鲜宁，刘云飞. 基于EDEM 的双
卧轴搅拌机搅拌工艺对比研究［J ］. 水泥工程，2016（02）：87-90.
［8］ 张军. 基于EDEM 的混凝土搅拌机搅拌过程的料流分
析［J ］. 筑路机械与施工机械化，2018，35（08）：102-106.
［9］ 王振鹏，赵悟，李耀，丁渭渭. 双立轴强制式混凝土
搅拌机物料流动的模拟分析［J ］. 工程机械，2016，47（02）：13-
18+6.
（上接第65页）
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