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【摘要】针对沥青混合料搅拌设备中普通使用的双卧轴搅拌机，试验研究了不同实际充盈率对混合料搅拌功率以及成品料搅拌均匀性的影响。试验结果表明，搅拌功率和搅拌不均匀性都随着实际充盈率的增大而增加，特别是充盈率超过60%继续增大时，搅拌功率和搅拌不均匀性的增幅都更为显著；随着实际充盈率的增大，适当延长搅拌时间有利于提高搅拌均匀性，但对于已经达到良好均匀性的混合料，继续延长搅拌时间并不能持续改善均匀性；实际充盈率应根据搅拌机的额定充盈率进行选取，但不能超过额定充盈率的10%，建议控制在60%以内，以能够同时兼顾搅拌性能和生产率。
【关键词】沥青混合料 双卧轴搅拌机 充盈率 搅拌功率 搅拌均匀性
【基金项目】陕西省重大科技创新项目（2008ZKC01-16）
【中图分类号】G64；TU7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）13-0043-02
引言
双卧轴搅拌机作为间歇强制式搅拌设备的核心工作装置，其性能和水平决定着整台设备的作业质量与效率。目前国内外关于沥青混合料搅拌机充盈率的报道并不多见，专门性的研究更少。美国的专家和技术人员认为，充盈率过大或者过小都会减弱混合料的翻拌效果而造成不均匀搅拌，并特别指出拌锅内投放的混合料不能高出攪拌叶片旋转所到达的活动区域[1，2]；国内的学者认为，合理增大充盈率对提高生产率是有利的，但随着充盈率的增大，会造成均匀搅拌所需时间的延长。实际上，由于搅拌过程的动态复杂性，无法用准确的数学模型来优化，在选定充盈率时一直采用经验值，缺乏科学性。为明确充盈率对沥青混合料搅拌性能的影响，本文在现场试验的基础，研究了不同实际充盈率与混合料搅拌功率以及搅拌均匀性的变化关系，并给出了实际充盈率的合理选择依据。
一、充盈率的概念
对于沥青混合料搅拌机，充盈率是指搅拌机内装纳的混合料占拌锅有效容积的百分比。
式中：η—充盈率，%；V料—混合料体积，m3；V料=m/ρ，m为拌锅内混合料的质量，t；ρ为混合料的平均松装密度，一般1.8t/m3；Vh—拌锅有效容积，m3，即高度为2R的锅内体积减去搅拌轴、搅拌臂和桨叶等搅拌装置的体积，其中，R为锅内半径。
额定生产率是搅拌设备的主要技术指标与型号依据，额定充盈率是拌锅内混合料为额定质量时的充盈率。根据额定充盈率η额
和实际充盈率η实，可以得到搅拌机的生产率：
式中：Q—生产率，t/h；m额—搅拌机内装纳的混合料额定质量，kg；T—搅拌周期，s，即一个搅拌过程中的投料时间、搅拌时间和卸料时间的总和。
二、试验设备与方法
1.试验设备
试验设备为国内某企业生产的4000型间歇式搅拌设备。配置的搅拌机为齿轮同步式双卧轴结构，采用两台55kW电机独立驱动。搅拌机主要参数见表1：
表1 搅拌机的主要参数
参数 混合料额定质量m额/kg 锅内长度L/mm 锅内宽度B/mm 锅内半径R/mm 有效容积Vh/m3 额定充盈率η额/% 搅拌轴转速/（r/min）
设计值 4000 1976 2118 595 4.10 54.2 43
2.试验材料
试验所用的混合料为AC-20C，主要配比见表2。
3.试验方法
根据试验搅拌机的额定充盈率，选取4种实际充盈率，即65%、60%、55%和45%作为试验工况，分别测定相应搅拌过程的电机功率以及成品料的搅拌均匀性。搅拌功率是测量单个电机在整个搅拌过程中的功率消耗。测试仪器为美国FLUKE公司的434型三相电参数测试仪。搅拌均匀性是在现场取样后通过抽提和筛分试验，按照混凝土取样标准进行抽取。试验标准工况的投料顺序和搅拌时间为：先投入矿料和沥青，延迟3s后投入粉料，投料与搅拌37s后开启卸料门，总卸料时间约10s。一个全搅拌周期约47s。
三、试验结果与分析
1.对搅拌功率的影响
图1 单电机搅拌功率随搅拌时间的变化曲线
图2 实际充盈率对稳定搅拌功率的影响
图1给出了不同的实际充盈率工况下，单电机搅拌功率随搅拌时间的变化曲线。可以看到，不同实际充盈率的搅拌功率有着相同的变化规律。随着搅拌时间延长，搅拌功率在材料的加入过程中增大至最大值，在搅拌均匀后趋于稳定，随着混合料卸出，搅拌功率随之快速下降并最终处于空载值。但是对于不同的实际充盈率，搅拌过程各阶段的功率值有较大的差异性。根据图2的试验结果，在其他参数相同的条件下，随着实际充盈率的增大，搅拌过程各阶段的搅拌功率都随之增大，特别是实际充盈率达到65%时，搅拌功率的增幅最为显著，表明在这种大充盈率的工况下，搅拌功率对拌锅内负载的变化更为敏感。由图2可以看到，对于搅拌阶段后期的稳定功率，当实际充盈率由45%增大至60%时，基本上充盈率每增大5%，搅拌功率增加约2kW；而当实际充盈率超过60%继续增大时，虽然充盈率只增大了5%，但搅拌功率却增加了约10kW。
2.对搅拌均匀性的影响
由表3的沥青含量抽提结果可见，不同实际充盈率下的沥青含量均值与设定值之间的系统偏差都在±0.1%以内，但沥青含量偏差却随着实际充盈率的变化出现了明显不同。对于45%和55%充盈率，两者沥青含量偏差相差不大；而当充盈率达到60%时，沥青含量偏差超出了标准要求，并且超差幅度随着实际充盈率的继续增大而显著增加。
搅拌时间分别延长5s、10s和20s后，重复60%和65%充盈率工况试验，沥青含量结果见图3、图4和图5。可以看到，随着搅拌时间的不断延长，不同位置试样的沥青含量波动性逐步减小，沥青含量偏差值逐步降低；当实际充盈率为60%时，搅拌延长5s和10s的沥青含量偏差降低率在4～5%/s，并且延长10s后的沥青含量偏差已达到标准要求，而在此基础上继续延长搅拌10s，沥青含量偏差降低率却只有0.9%/s，说明搅拌时间的不断延长并不能够达到搅拌均匀性的持续改善。
三、结论
1）充盈率是搅拌机内装纳的混合料占拌锅有效容积的百分比，确切的说包括设计时的额定充盈率和使用时的实际充盈率。合理的实际充盈率应能首先保证混合料的搅拌均匀性，又能达到较高的生产率和良好的混合料性能。
图3 实际充盈率65%工况的沥青含量抽提结果
图4 实际充盈率60%工况的沥青含量抽提结果
图5 沥青含量偏差随搅拌周期的变化曲线
2）试验表明，搅拌功率和搅拌不均匀性都随着实际充盈率的增大而增加，尤其是充盈率超过60%继续增大时，搅拌功率和搅拌不均匀性的增幅都更为显著；随着实际充盈率的增大，适当延长搅拌时间有利于提高搅拌均匀性，但对于已经达到良好均匀性的混合料，继续延长搅拌时间并不能持续改善搅拌均匀性。实际充盈率应根据搅拌机的额定充盈率进行选取，但不能超过额定充盈率的10%，建议控制在60%以内。
参考文献：
[1]孙祖望.热沥青混合料在施工过程中的不均匀性及其质量控制[J].建筑机械，2004（9）：28-32.
[2]邵明建.沥青路面机械化施工技术与质量控制[M].北京：人民交通出版社，2001：16-18.
第一作者简介：
申岩（1993-），男，甘肃天水人，长安大学硕士研究生，主要从事机械制造及其自动化。
【关键词】沥青混合料 双卧轴搅拌机 充盈率 搅拌功率 搅拌均匀性
【基金项目】陕西省重大科技创新项目（2008ZKC01-16）
【中图分类号】G64；TU7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）13-0043-02
引言
双卧轴搅拌机作为间歇强制式搅拌设备的核心工作装置，其性能和水平决定着整台设备的作业质量与效率。目前国内外关于沥青混合料搅拌机充盈率的报道并不多见，专门性的研究更少。美国的专家和技术人员认为，充盈率过大或者过小都会减弱混合料的翻拌效果而造成不均匀搅拌，并特别指出拌锅内投放的混合料不能高出攪拌叶片旋转所到达的活动区域[1，2]；国内的学者认为，合理增大充盈率对提高生产率是有利的，但随着充盈率的增大，会造成均匀搅拌所需时间的延长。实际上，由于搅拌过程的动态复杂性，无法用准确的数学模型来优化，在选定充盈率时一直采用经验值，缺乏科学性。为明确充盈率对沥青混合料搅拌性能的影响，本文在现场试验的基础，研究了不同实际充盈率与混合料搅拌功率以及搅拌均匀性的变化关系，并给出了实际充盈率的合理选择依据。
一、充盈率的概念
对于沥青混合料搅拌机，充盈率是指搅拌机内装纳的混合料占拌锅有效容积的百分比。
式中：η—充盈率，%；V料—混合料体积，m3；V料=m/ρ，m为拌锅内混合料的质量，t；ρ为混合料的平均松装密度，一般1.8t/m3；Vh—拌锅有效容积，m3，即高度为2R的锅内体积减去搅拌轴、搅拌臂和桨叶等搅拌装置的体积，其中，R为锅内半径。
额定生产率是搅拌设备的主要技术指标与型号依据，额定充盈率是拌锅内混合料为额定质量时的充盈率。根据额定充盈率η额
和实际充盈率η实，可以得到搅拌机的生产率：
式中：Q—生产率，t/h；m额—搅拌机内装纳的混合料额定质量，kg；T—搅拌周期，s，即一个搅拌过程中的投料时间、搅拌时间和卸料时间的总和。
二、试验设备与方法
1.试验设备
试验设备为国内某企业生产的4000型间歇式搅拌设备。配置的搅拌机为齿轮同步式双卧轴结构，采用两台55kW电机独立驱动。搅拌机主要参数见表1：
表1 搅拌机的主要参数
参数 混合料额定质量m额/kg 锅内长度L/mm 锅内宽度B/mm 锅内半径R/mm 有效容积Vh/m3 额定充盈率η额/% 搅拌轴转速/（r/min）
设计值 4000 1976 2118 595 4.10 54.2 43
2.试验材料
试验所用的混合料为AC-20C，主要配比见表2。
3.试验方法
根据试验搅拌机的额定充盈率，选取4种实际充盈率，即65%、60%、55%和45%作为试验工况，分别测定相应搅拌过程的电机功率以及成品料的搅拌均匀性。搅拌功率是测量单个电机在整个搅拌过程中的功率消耗。测试仪器为美国FLUKE公司的434型三相电参数测试仪。搅拌均匀性是在现场取样后通过抽提和筛分试验，按照混凝土取样标准进行抽取。试验标准工况的投料顺序和搅拌时间为：先投入矿料和沥青，延迟3s后投入粉料，投料与搅拌37s后开启卸料门，总卸料时间约10s。一个全搅拌周期约47s。
三、试验结果与分析
1.对搅拌功率的影响
图1 单电机搅拌功率随搅拌时间的变化曲线
图2 实际充盈率对稳定搅拌功率的影响
图1给出了不同的实际充盈率工况下，单电机搅拌功率随搅拌时间的变化曲线。可以看到，不同实际充盈率的搅拌功率有着相同的变化规律。随着搅拌时间延长，搅拌功率在材料的加入过程中增大至最大值，在搅拌均匀后趋于稳定，随着混合料卸出，搅拌功率随之快速下降并最终处于空载值。但是对于不同的实际充盈率，搅拌过程各阶段的功率值有较大的差异性。根据图2的试验结果，在其他参数相同的条件下，随着实际充盈率的增大，搅拌过程各阶段的搅拌功率都随之增大，特别是实际充盈率达到65%时，搅拌功率的增幅最为显著，表明在这种大充盈率的工况下，搅拌功率对拌锅内负载的变化更为敏感。由图2可以看到，对于搅拌阶段后期的稳定功率，当实际充盈率由45%增大至60%时，基本上充盈率每增大5%，搅拌功率增加约2kW；而当实际充盈率超过60%继续增大时，虽然充盈率只增大了5%，但搅拌功率却增加了约10kW。
2.对搅拌均匀性的影响
由表3的沥青含量抽提结果可见，不同实际充盈率下的沥青含量均值与设定值之间的系统偏差都在±0.1%以内，但沥青含量偏差却随着实际充盈率的变化出现了明显不同。对于45%和55%充盈率，两者沥青含量偏差相差不大；而当充盈率达到60%时，沥青含量偏差超出了标准要求，并且超差幅度随着实际充盈率的继续增大而显著增加。
搅拌时间分别延长5s、10s和20s后，重复60%和65%充盈率工况试验，沥青含量结果见图3、图4和图5。可以看到，随着搅拌时间的不断延长，不同位置试样的沥青含量波动性逐步减小，沥青含量偏差值逐步降低；当实际充盈率为60%时，搅拌延长5s和10s的沥青含量偏差降低率在4～5%/s，并且延长10s后的沥青含量偏差已达到标准要求，而在此基础上继续延长搅拌10s，沥青含量偏差降低率却只有0.9%/s，说明搅拌时间的不断延长并不能够达到搅拌均匀性的持续改善。
三、结论
1）充盈率是搅拌机内装纳的混合料占拌锅有效容积的百分比，确切的说包括设计时的额定充盈率和使用时的实际充盈率。合理的实际充盈率应能首先保证混合料的搅拌均匀性，又能达到较高的生产率和良好的混合料性能。
图3 实际充盈率65%工况的沥青含量抽提结果
图4 实际充盈率60%工况的沥青含量抽提结果
图5 沥青含量偏差随搅拌周期的变化曲线
2）试验表明，搅拌功率和搅拌不均匀性都随着实际充盈率的增大而增加，尤其是充盈率超过60%继续增大时，搅拌功率和搅拌不均匀性的增幅都更为显著；随着实际充盈率的增大，适当延长搅拌时间有利于提高搅拌均匀性，但对于已经达到良好均匀性的混合料，继续延长搅拌时间并不能持续改善搅拌均匀性。实际充盈率应根据搅拌机的额定充盈率进行选取，但不能超过额定充盈率的10%，建议控制在60%以内。
参考文献：
[1]孙祖望.热沥青混合料在施工过程中的不均匀性及其质量控制[J].建筑机械，2004（9）：28-32.
[2]邵明建.沥青路面机械化施工技术与质量控制[M].北京：人民交通出版社，2001：16-18.
第一作者简介：
申岩（1993-），男，甘肃天水人，长安大学硕士研究生，主要从事机械制造及其自动化。