螺旋分料器是路面机械中常用的一种分料装置,担负着横向输送物料的任务,它的结构性能及参数选择是否合理将直接影响螺旋分料器的生产能力和路面的施工质量。因此,沥青混合料摊铺机的螺旋分料器设计是整机设计的关键环节。
1 螺旋分料器输送沥青混合料的机理
螺旋分料器是沥青混合料摊铺机必不可少的重要组成部分。其功能就是将混合料按照一定的生产率,无离析地均匀分布到熨平板前一定的宽度上。它的最重要的性能指标是输送效率、生产率、防离析等。这些指标主要取决于螺旋转速、螺距、螺旋直径、扭矩等参数。要确定分析这些参数,首先要明确混合料在螺旋旋转中被输送的机理,各参数之间关系及它们对性能的影响。我们选择螺旋分料器中某一颗粒料为研究对象进行运动学和动力学分析。
1.1 运动学分析
混合料在输送过程中,其颗粒的运动由于受到螺旋旋转的影响,并非是单纯的直线运动,而是一个空间运动。洪致育[2]认为螺旋中的物料是靠本身的重力及其对料槽的摩擦力向前运移的,并且通过理论计算出物料颗粒轴向移动速度V轴和圆周速度V圆为
V圆=nt60×μ+t/2πr1 + (t/2πr)2(1)
V轴=nt60×1 -μt/2πr1 + (t/2πr)2(2)
式中:t—螺距;
n—螺旋轴转速;
μ—混合料与螺旋面的摩擦系数,一般取μ=0.5
~0.8,为简单起见,本文暂以μ=0.6计算
分析;
r—所研究的物料颗粒离轴线的距离。
同时,他还讨论了螺距选择的两个依据:
①满足轴向力大于零。
②满足圆周速度小于轴向速度。
从式(1)、(2)可知:V轴、V圆是螺距t、转速n和半径r的函数。
(1)在某一转速n、螺距t下,V轴、V圆都是r的函数,根据其函数关系式:将式(1)、(2)对r求偏导,并令V圆r=0
当半径为rV圆max=μ+ 1+μ22πt时,V圆有最大值,绘出V轴和V圆随r的变化曲线见图1。图1 V-r曲线
混合料的轴向速度V轴随半径增加而增加;圆周速度随r的增加,是个有极点的变化曲线。
a.在A-A线以左即r≤0.1t时,混合料轴向速度为负值。混合料不能前移,只能在原地翻滚甚至后退,产生很大的内部摩擦阻力。
b.在B-B线以后即r≥0.6t时,混合料轴向移动的平均速度大,圆周速度小,物料内部的相对运动小,属于高生产率区。
c.在A-A线与B-B线之间即r=0.1~0.6t时,混合料轴向移动速度仍然不大,圆周速度却很大,混合
料颗粒间的相对速度很大。同时由于圆周速度大于轴向速度很多,使混合料沿着其合速度方向抛射,形成一般附加物料流有时会越过螺旋体,严重影响混合料的轴向输送。因此由以上分析可知:输送料螺旋的实体轴径Dmin≥0.2t。
(2)在某一确定的转速n、半径r下,V轴、V圆都是t的函数,将式(1)、(2)对t求偏导得:
当t=1+ 1+μ2μ×2πr时,V圆有最大值。
当t=( 1+μ2-μ)2πr时,V轴有最大值。
绘出V圆、V轴随t的变化曲线,见图2。图2 V-t曲线
a.当t在A-A′线的
左侧时,V轴≥V圆,并且随t的增加V圆、V轴增加,这个区域的取值有利于混合料输送。
b.当t在A-A′与B-B′之间时,V轴<V圆,但V圆、V轴随t增加而增加。混合料颗粒间相对速度很大,与前述c项结果相似。
c.当t在B-B′与C-C′之间时,V轴<V圆,V圆随t的增加达到最大值。而V轴随着t增加逐渐减小,不利于混合料的输送。
d.当t在C-C′以右时,V轴≤V圆,且V圆、V轴随着t增加而减小,混合料的输送更差。
对上述进行综合分析,当n、t一定时,在图1中B-B线以右时,随着r增加越有利于混合料的输送,而在图2中A-A′线以左及以右,当n、r一定时,在V轴最大值前,t增加越有利于混合料输送。当t超过这个极点后,随着t的增加V轴逐渐减小,所以t的取值范围应在V轴max以前的A-A′线附近为佳。也就是说t最好的取值范围应是1.1r<t<2.2r,即0.9t≤D≤1.8t;综合之,螺旋外径D的公共取值范围应为0.9t≤D≤1.8t,螺旋实体轴径的取值范围应≥0.24t,而且在满足生产率的前提下,t取值越小越好,也就是说小螺距、大直径更有利于混合料的输送,而且摊铺宽度越宽,摊铺厚度越厚,D取值越大。
纵观国内外优秀机型,其螺旋D、t及轴径d的取值皆在此范围以内。
例如:ABG423:D螺=Φ360、Φ420、t=280、d轴=Φ100;DYNAPAC 1500K:D螺=Φ310、t=290、d轴=
Φ102。这里附带说明一下,为什么ABG423螺旋采用中间Φ420直径,两边采用Φ360直径,笔者认为混合料输送两边后需要的螺旋生产率在逐渐减小,全面考虑工艺及材料,在满足上述最佳取值范围的条件下减少螺旋直径更有利。
1.2 动力学分析
当螺旋轴旋转时,实体螺旋面作用在混合料上的力,不仅有轴向力P轴,而且有圆周方向的切向力P圆,如图3所示,这个圆周力使混合料沿圆周方向倾斜一个角度,由于颗粒间的摩擦力及自重使混合料沿圆弧图3 受力分析图下滑的力与螺旋面圆周力相平衡,当圆周力增大时,倾斜角也增大,大到一定程度使混合料沿圆周方向翻滚,而不沿螺旋轴线方向输送。由图3可知,螺旋面对混合料的作用力P合可分解。
轴向力P轴和圆周力P圆,有以下关系式
P轴=P合cos(α+ψ)
P圆=P合sin(α+ψ)
P圆=P轴tg(α+ψ)
式中:α—螺旋面升角,tgα=t2πr;
t—螺距;
ψ—混合料与螺旋面的摩擦角。
在螺旋面上的各点螺距是相同的,越靠近螺旋轴的混合料螺旋轴的距离r越小,螺旋升角α越大。因此圆周力P圆也越大,使混合料的扭转程度也越大,当圆周力达到一定程度,使得混合料的摩擦力、自重力无法与其平衡时,混合料就随螺旋轴翻滚,混合料最容易翻滚的是靠近螺旋轴部分,也就是说在螺旋分料器输送混合料时,靠近螺旋轴的一部分与混合料随着螺旋轴旋转,而远离螺旋的一部分混合料扭转到一定角度后与圆周力平衡,在螺旋面的轴向推力下,被轴向输送。从摊铺机螺旋分料器的工作状态分析,螺旋分料器是随着摊铺机边前进边旋转的情况下输料,要保证熨平板前整个摊铺宽度上料的充足,就必须要求在输料过程有一定料落在螺旋下面,这是适当的V圆所必须的。
因为越靠近螺旋轴的部分越容易随轴旋转,产生较多的翻滚,于是使得离析现象产生。因此,我们应力求将翻滚的部分埋在里面减小离析。建议混合料的深度在输送时至少达到螺旋高度的4/5。
2 螺旋分料器的计算
2.1 D、t的确定
根据第一节混合料在料槽中运动学、动力学分析,综合考虑生产率、工艺等因素,从理论和实际经验建议不同铺宽的机型,按下列数据取值:当设计4.5 ~6 m宽摊铺机时,D=0.9~1.1t;6 ~9m宽摊铺机时,D=1.1~1.3t;9 ~13m宽摊铺机时,D=1.3~1.5t;>12
m宽摊铺机时,D=1.5~1.8t。
2.2 n的确定
根据供料与铺料的匹配原则,用下面公式确定n
n=bHvρ1/2Atρ2K
式中:n—螺旋转速,r/min;
b—B-A螺旋有效输送长度,m,B为摊铺宽度,A
为刮板宽度;
v—行走最大速度,m/min;
ρ1—压实后混合料的密度,ρ1=2.0 t/m3;
H—摊铺厚度,m;
ρ2—松散料密度,ρ2=1.5 t/m3;
t—螺旋螺距,m;
K—供料均衡系数,一般K=0.8~0.85;
F—螺旋有效输料面积,m2。
F=F1-F2=π(D2-r2)/4
式中:D—螺旋直径,m;
r—螺旋实体直径,m。
螺旋分料器转速对沥青混合料的输送效果和输送质量有着重要影响,随着转速n的增加,料的轴向移动速度增加,生产率增加,但输送功率也相应增加,圆周速率增加,离析现象也越来越严重,因此合理选择n是必要的。nmax一般取为85 r/min,如果按上面公式计算出的n值偏大,则应在取值范围内修正D、t。
2.3 生产率计算
Q= 3 600×πD24×tnρk1k2 (t/h)
式中:D—螺旋分料器螺旋的直径,m;
t—螺距,m;
n—螺旋分料器的转速,r/min;
k1—截面填充系数,k1=0.7;
k2—由于混合料溜走和挤后对生产率降低的系数,k2=0.9。
2.4 功率计算
P=αQLωgk/1 000η2 (kW)
式中:α—考虑混合料流耗的系数,α=0.6;
Q—螺旋分料器的生产率,kg/s;
L—混合料移动的最大距离,m;
ω—考虑混合料性质的移动阻力系数,ω=5;
k—考虑混合料在输送器作用下可能集料的安全
系数,k=1.5;
η2—螺旋分料器转动的机械效率。
2.5 扭矩计算
M=716.2Nn (kg·m)
式中:N—螺旋分料器功率,HP;
n—螺旋分料器转速,r/min。
