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德基机械微课堂(二)
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沥青混合料搅拌器,俗称“拌锅”,是整个沥青搅拌设备最核心的组成部分,充盈率和搅拌时间在拌锅的实际设计中,是两个最基本且重要的参数,德基机械重视基础数据的研究工作,在这里把这些内容以理论的形式描述出来,供业内人士共同探讨。

1. 充盈率

充盈率是指搅拌器内装纳的混合料占拌锅有效容积的百分比,即:

η=V料/Vh×100%

式中:η为充盈率,%;

V料为混合料体积,m 3;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,一般取 1.8t/ m3;

V h为拌锅有效容积,m 3,即高度为 2R 的锅内体积减去搅拌轴、搅拌臂和桨叶等;

搅拌锅的体积,如图所示。其中,R为搅拌锅内半径,等于搅拌轴中心到拌锅衬板内壁的距离。



设计时,充盈率制约着拌锅的几何容积与相关尺寸参数;生产使用时,实际装料质量下的充盈率直接影响着沥青混合料的搅拌均匀性、搅拌效率以及搅拌能耗。对于特定的一台搅拌器,实际生产时的充盈率是由投入拌锅的混合料质量决定的,当充盈率改变时,混合料在搅拌过程中受到搅拌锅的机械强制作用与运动效果也会随之变化。

充盈率对搅拌器的生产能力有着直接的影响,高充盈率意味着每批搅拌物料质量的增加,在其它参数相同的条件下,这样做可以显著提高搅拌器的生产率。但是充盈率不能过大,主要有以下两个方面的原因:

一是因为充盈率影响着搅拌器的功率消耗。在合理的充盈率条件下,搅拌功率基本上与充盈率成线性的正比关系,但是当充盈率达到较大程度后继续提高,搅拌功率会急剧增大。二是因为随充盈率的增大,搅拌器内混合料的有效运动空间必然减小,拌锅上部难以形成松散料层,这不但增大桨叶搅拌时的工作阻力,而且影响桨叶对混合料的翻拌和抛掷作用,减弱不同粒径颗粒群在拌锅内的大范围运动。当搅拌时间维持不变时,会导致所搅拌的沥青混合料均匀性不佳,沥青含量偏差超出标准要求,难以均匀分散和裹附在矿料表面,影响了混合料的使用。因而为了拌匀拌透,充盈率较高时沥青混合料往往需要更长的搅拌时间,而这有可能导致沥青老化,影响成品料和最终所铺筑路面的性能。

当然充盈率也不能过小,因为这不但会显著降低搅拌器的生产率,延长施工工期,而且由于拌锅所填充的物料较少,无法完成良好的大范围对流运动,物料受到搅拌叶片的有效强化作用减少,物料间的碰撞与摩擦减弱,同样也会影响到沥青混合料的搅拌均匀性。



额定生产率作为搅拌设备的主要技术指标与型号依据,要求搅拌器设计有不同的几何容积以能够装纳所需额定质量的混合料,因此额定充盈是拌锅内混合料为额定质量时的充盈率。对于不同型号的搅拌器,其拌锅几何尺寸必然随着混合料额定质量的增加而增大,而额定充盈率作为二者的体积比值,设计时通常控制在一定的范围内。目前,不同型号的双卧轴搅拌机,其额定质量下的充盈率一般在55%左右。实际生产中,考虑到搅拌器的适当超载和运料车的匹配情况,搅拌器的实际充盈率一般在 40—60%,最大不宜超过60%。通过核算我们不同型号拌锅的充盈率,在55%—60%左右,均在合理设计范围之内。

2. 搅拌时间

搅拌时间是指各种材料从计量装置开始投入搅拌器到搅拌完成卸料门开启所经历的时间,可以被分为干拌和湿拌两个时间阶段。所谓干拌时间是指矿料开始置入搅拌器到沥青开始撒布所持续的时间;湿拌时间则是从沥青开始撒布到搅拌完成开始卸料所经历的时间。

搅拌时间决定着物料在搅拌器内参与搅拌、承受各种机械搅拌作用所持续的时间,对搅拌器的生产效率和作业质量有着重要影响,也是实际生产中要控制的重要参数。当搅拌器所搅拌的成品料色泽均匀、没有花白料且矿料级配和沥青含量偏差都到达许可范围内时的最短时间为最佳搅拌时间,对于不同的沥青搅拌器和搅拌介质,其最佳搅拌时间并不相同。



短搅拌时间可以显著提高搅拌器的生产率,如搅拌时间减少 5s 时,搅拌器的产量会增加 10%左右,这对降低施工成本、缩短施工工期意义重大。但是搅拌时间也不能太短,否则会使沥青混合料搅拌不均匀,造成所铺筑路面的早期破坏严重,使用寿命较短。

适当延长搅拌时间则可以改善材料的搅拌均匀性,从而改变沥青成品料的使用性能。当然搅拌时间也不能过长,否则会降低其使用品质。由于沥青混合料拌制时的温度一般高达 160—180℃,而沥青是以 5—15um 的薄膜状态裹覆在矿料表面的,沥青膜一方面要受到高温熏烤,另一方面又要接触氧气,这使得其中的轻质油分迅速挥发,与氧气的不良化学反应有充足的时间完成,经历高分子有机物断链、有机质碳化等复杂过程,沥青会严重老化,其路用性能大打折扣。具体表现为针入度降低、粘度变大、软化点升高、密度增大等参数的变化,这通常被称之为“热老化”。同时过长的搅拌时间增加了矿料被碰碎的概率,沥青混合料的级配也就无法得到保障。有相关研究数据表明,当混合料搅拌时间超过90s时,所得沥青成品料的质量明显变坏,当延长至 200s 后,混合料已经完全无法使用。

合理的搅拌时间应同时兼顾搅拌质量和搅拌效率,需要与搅拌器的结构形式、所搅拌物料的特性以及搅拌速度和充盈率等参数相适应。我国《公路沥青路面施工技术规范》中对搅拌时间有所规定,间歇强制式搅拌器每锅的生产期不宜少于 45s,其中干拌时间不宜少于 5—10s。



德基机械凭借20余年在沥青搅拌设备领域的专注投入,2021年10月参与并制定了中国工程机械工业协会关于“沥青混合料搅拌设备间歇式搅拌器”,“沥青冷再生厂拌设备”,“沥青混合料搅拌设备综合能效试验与评价方法”等五项团标审查会的工作,推动我国沥青搅拌设备早日达到“高标准、高质量”的目标要求。