螺杆排列方式对混凝土布料机工作性能的影响分析

邹德芳，高 冶，于天行，张世英，叶 龙

（1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168；2.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210028；3.北方重工集团有限公司设计研究院，辽宁 沈阳 110141）

螺旋输送装置是混凝土布料机的核心部件，其结构形式由螺杆排列方式和底板形状决定，这两项因素直接影响混凝土布料机的工作性能。Sumant[1]等人使用DEM-DEM 方法模拟螺旋输送机的工作过程，改进了螺旋叶片形状及螺杆的排列方式。李勇[2]等人基于DEM 对螺杆转速进行数值模拟，为单螺杆的螺旋输送机优化奠定基础。本文运用离散元仿真与实验相结合的方式，将输送量、物料堆积重心、出料均质度、出料均匀性、残余物料质量作为混凝土布料机工作性能的评价指标，研究螺旋输送装置结构形式对布料机工作性能的影响。

1 混凝土布料机螺旋输送机理

混凝土布料机采用螺旋强制出料方式进行物料输送，其结构主要由行走、布料、支承等系统组成。其中布料系统是关键[3]，螺旋输送装置位于布料系统底部，由若干螺杆平行排布，与底板结合组成若干布料通道，每根螺杆对应一个闸门，每个闸门开合由单独的气缸控制，如图1 所示。在布料过程中，螺杆同时工作[4～5]，当行走装置运动到构件中有预留孔的位置时，通过控制程序控制对应位置螺杆停转，对应闸门关闭，达到精细化布料的目的。

图1 螺旋输送装置结构图

2 实验平台及仿真模型建立

为了研究布料机的工作性能，设计了四螺杆混凝土布料实验装置，如图2 所示，本实验的混凝土采用C30 混凝土。按照控制变量法，在控制其余变量不变的前提下分别改变螺杆的排列方式、底板形状等，研究其对混凝土的输送量、出料均质度等指标的影响。

图2 实验设备

本文采用离散元法[6]对布料机工作过程进行仿真，实验设备采用1∶1 设计。在离散元软件中将混凝土设定为粗骨料与砂浆的混合体[7]，以JKR 黏结模型表示混凝土间的粘性，按照混凝土表标定实验结果设材料间的接触力学参数。按照实验操作条件进行设置进行单位输送量和转矩验证性实验，通过图3、图4 证明仿真模型可靠性较高。

图3 实验与数值模拟输送量对比

图4 螺杆平均转矩随转速的变化

3 螺杆排列方式对布料机工作性能的影响

四螺杆布料机可采用的螺杆排列方式共有4 种，分别为单向旋转（LLLL 型）、相对旋转（RLRL 型）、向心旋转（RRLL 型）、相向旋转（LRLR 型），顺时针旋转的螺杆为右旋螺杆线(R)，逆时针旋转的螺杆为左旋螺杆线(L)。

3.1 螺杆排列方式对布料机输送量的影响

在不同的螺杆排列方式下，布料机每根螺杆对于物料的输送量有着不同程度的差异[8]，在布料机4 个闸门处分别设定Grid Bin Group 区域来检测在布料机输出物料的过程中每个闸门的物料输出量，当布料完成时，累加每个布料通道的出料总量，图5 为实验与仿真结果。

图5 出料量实验与仿真对比结果

对比实验与仿真结果得知LLLL 排布方式中从右至左出料量递增，最大差值比约为16%；RLRL 排布方式中两侧螺杆出料量较中间螺杆少7%；RRLL 排布方式中两侧螺杆较中间螺杆出料量少约9%；LRLR 排布方式两侧螺杆输出量比中间螺杆少约11%。因此RLRL排布方式效果最佳。

3.2 螺杆排列方式对布料机物料堆积重心影响

将新拌混凝土放入布料机料斗，设置螺杆电机转速为30r/min，分别采用上述4 种不同的螺杆排列方式进行多次重复实验。在实验过程中选定相同时间间隔，测量并记录不同时刻四根螺杆上方的物料堆积高度，记录结果平均值如图6。

图6 料斗内的物料堆积高度

当采用LLLL 排列方式时，布料机内物料呈三角型向右侧堆积，且坡度较大，当右侧物料排空时，布料机中间仍有物料剩余，左侧残留大量物料未排空；在采用RLRL 排列方式输送物料时，布料机内的各螺杆上方物料基本平缓排出，没有出现明显的坡度现象；在RRLL 排列方式下，布料机内两侧物料下降较快，中间物料下降较慢，物料少量堆积于布料机内的中部，当1、4 号螺杆上方物料排空时，2、3 号螺杆上方仍有部分物料未排净；LRLR 排列方式让布料过程的前期表现良好，各螺杆上方物料高度基本保持一致，但在输送的中后期，中间螺杆上方存积物料明显多于两侧螺杆，直至布料机内物料全部排空。综上，RLRL 的排列方式在物料堆积程度方面表现最好，各螺杆上方混凝土基本同时排出；LRLR 的排列方式次之，前期液面基本保持一致，在布料后期稍有差异。

在以上4 种不同的螺杆排列方式中，LLLL的排列让颗粒在输送过程中具有明显偏移趋势，料斗内物料液面出现明显的高度差规律。RRLL的排列使物料有小幅度向中心掺杂的趋势，物料液面具有明显拱形规律。而在RLRL 和LRLR的排列方式下，料斗内物料掺杂情况不明显，液面虽有小幅度高度差异，但差值处于可接受范围内。因此在仿真分析中，RRLL 和LRLR 的是两种较为理想的螺杆排列方式。

对比分析不同螺杆排列方式的实验和仿真结果，混凝土布料机物料液面高度的变化趋势基本一致，LLLL 和RRLL 排列方式均会产生较为明显的高度差，这会对螺杆电机造成负载较大的影响，同时长期在此条件下工作也会导致不同螺杆的磨损程度差异较大。RLRL 和LRLR 在物料液面高度方面表现良好，内部颗粒运动稳定，适合实际生产需求。

3.3 螺杆排列方式对布料机出料匀质度的影响

在配制新拌混凝土时，根据粒径差异在石子中混入不同颜色的染色石，7mm 以下采用红色石子，7～10mm 采用黄色石子，10mm 以上采用蓝色石子，通过实际生产时的石子随机抽样测量，采用相同粒径配合比，为红色石子∶黄色石子∶蓝色石子为2.7∶1∶4。螺杆转速仍调整为30r/min，分别采用上述4 种不同螺杆排列方式重复实验，采集每根螺杆输出的混凝土，用水将其冲散并收集其中的彩色石子，分拣并记录每个螺杆输出的各颜色石子质量，计算10mm 以上的蓝色石子质量占彩色石子的比例，如图7。

图7 各螺杆输出蓝色石子比例

由图7 可知，在LLLL 排列方式下，较大的石子容易移动到旋转的一侧，因此左侧的蓝色石子出料率相比右侧更高，布料的均匀性较差；在RLRL 的排列方式下四根螺杆输出蓝色石子的出料率相对较为平稳，无明显增减趋势；RRLL 排列方式会使四根螺杆都向布料斗内中心旋转，2、3 号螺杆输出的蓝色石子相对1、4 号螺杆较多些，布料的均匀性略微较差；LRLR 的排列方式使大骨料颗粒在输送后期稍有向中部聚集，但总体颗粒走向趋于平稳。因此，LRLR 和RLRL 排列方式都可以使生产出的预制构件骨料粒径差异较小，不会出现大粒径骨料在部分区域聚集的情况，产品质量可以在一定程度上得到提高。

4 结论

以输送量、物料堆积重心、出料均质度、出料均匀性、残余物料质量作为布料机工作性能评价指标，通过实验和仿真得出，采用RLRL 螺杆排列方式在输送量的稳定性、物料分配、出料均质度、方面均表现最好，是最佳的螺杆排列方式。