水工型大容量双卧轴混凝土搅拌机电气设计

摘要：本文结合水利部"948"项目"MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机"（编号：200714）的研制，根据水工混凝土的特性和大容量双卧轴搅拌机内物料的运动特点，结合工程中实际应用要求，对大容量双卧轴混凝土搅拌机功率、启动方式、安全保护、在线监控等电气特性进行了研究，并提出了适用于该搅拌机的解决方案。

关键词：双卧轴搅拌机；水工混凝土；搅拌机功率；软启动；电气控制

中图分类号：TU642+.2 文献标识码：B

1 引言

双卧轴强制式搅拌机是当今混凝土生产中最常用的一种搅拌机，大型双卧轴搅拌机不仅对混凝土的水灰比、强度、塌落度的适应性宽，而且由于其搅拌性能好，搅拌均匀，拌制混凝土振捣性能好更容易浇筑，是生产大骨料水工碾压混凝土的最佳选择。水工混凝土搅拌机与一般城建混凝土搅拌机是有区别的，国内搅拌机生产厂家很多，但都不适合生产大粒径、低塌落度的水工混凝土。国外厂家SICOMA、BHS等实际上已统治了我国的水工混凝土搅拌机市场。因此，引进吸收国外先进技术，提高我国水电工程大型强制式搅拌机的设计制造水平，满足大型碾压混凝土坝高速、连续、大强度施工要求，已成为我国大型混凝土搅拌楼核心技术攻关课题。混凝土搅拌机的电气设计是研制的重要组成部分，直接关系到搅拌机以后的运行维护。电气设计主要包括搅拌机功率的确定，搅拌机启动方式的选择，润滑系统、安全保护、在线监控系统的设计等部分。

2搅拌机主参数

根据水利水电工程施工用水工碾压混凝土：混凝土密实度高，体积质量通常在2.5～2.7t/m3；混凝土的骨料级配的骨料粒径大；混凝土坍落度低；碾压砂石粉含量高（16%～20%），骨料的石英含量高（达50%～80%）等特点，对搅拌机构的各主参数进行优化设计。MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机主要技术参数表1：

3搅拌机驱动方式及功率计算

搅拌机的驱动方式通常采用电机驱动和液压驱动两类，电机驱动采用皮带传动，结构简单，维护方便，安装紧凑，无污染；液压驱动采用液压马达，需要配置液压站，安装液压管路，安装复杂，如液压管路泄漏，容易造成油污污染，而且对设备维护要求比较高，成本高。目前世界上主要搅拌机生产企业，如BHS公司、SICOMA公司等，均采用电机驱动方式，根据性价比，维护成本等综合考虑，MSO 9000型搅拌机采用电机驱动。根据总体布置要求，选用4台异步电机，对称布置在两根搅拌轴的两端。

因为搅拌过程中各种参数的变化比较大，各材料组成成份的状态和性质均发生变化，搅拌机功率精确的计算是比较困难的。一般来说是通过计算物料对搅拌叶片（包括搅拌臂）的阻力（阻力系数）来推算。阻力系数和混凝土的级配强度，骨料粒径，坍落度和叶片的线速度有关，其中影响最大的是叶片的线速度。

根据对物料搅拌部位的不同，搅拌机内叶片分为端刮板和刀片，所以在阻力的计算中，可以分别计算刮板阻力和刀片阻力，虽然搅拌机的刀片大小形状可能有所不同，但在计算中可以近似的考虑为相同；由于大容量搅拌机中，搅拌臂尺寸比较大，因此在阻力计算的时候应考虑搅拌臂的阻力，搅拌臂可按柱体考虑，查阅资料和经验，搅拌机工作阻力推算公式：

M=K（Z1*L*b*r1*cosα+ Z2*H*B*R*cosβ

+ Z2*h*D*r2 )；其中：Ｋ-阻力系数；Z1-同时参加搅拌的刮板总数量；Ｌ-刮板高度；b-刮板宽度；r1-刮板平均回转半径；α-刮板与搅拌轴轴向夹角；Z2-同时参加搅拌的叶片总数量；Ｈ-叶片高度；Ｂ-叶片宽度；Ｒ-叶片平均回转半径；β-叶片与搅拌轴轴向夹角；h-搅拌臂高度；Ｄ-搅拌臂阻力面宽度；r2-搅拌臂平均回转半径

对于Ｋ系数的选择，主要由叶片的线速度决定，根据经验在不同叶片的线速度下（双卧轴搅拌机叶片线速度常在v＝1.2～1.7m／s内），Ｋ的一般推荐取值范围为Ｋ＝7～9Ｎ／cm２。经验表明，线速度大时，Ｋ取值较大，反之，取值较小。MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机的叶片线速度为1.67m／s，所以在计算的时候Ｋ＝8.5Ｎ／cm２。代入MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机的各个参数：Ｚ１＝4，Ｌ＝65cm，b＝52.8cm，r1＝42.5cm，α＝53°，Z2＝10，Ｈ＝20cm，Ｂ＝52.8cm，Ｒ＝75cm，β＝53°，h＝65cm，Ｄ＝10cm，r2＝32.5cm。计算MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机工作阻力：

M=8831413.232N·cm=88314.13232 N·m

搅拌需要总功率：

n-搅拌机轴的转速（rpm）；η-搅拌机轴的传动效率

单台电机所需功率：

KA-电机的容量储备系数;Ｎ-电机数量

MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机轴的设计转速n＝18.8rpm。

对于搅拌机轴的传动效率η的确定，搅拌机电机通过皮带轮传动，再经过涡轮蜗杆减速机驱动搅拌轴，传动效率为综合的传动效率，经过查询相关产品的参数和相关规范，减速机的传动效率为0.81，皮带传动效率为0.96，4台电机的同步效率为0.95，综合考虑η取0.74。

对于电机的容量储备系数KA的确定，由于混凝土搅拌机在搅拌开始时，受物料下料的冲击，受力极不均匀，轴上承受的阻力比正常搅拌的时候大的多，同时在搅拌的过程中会出现叶片和桶体之间卡料想象，并能保证搅拌均匀后混凝土的重载启动，所以在电机选择的时候要有一定的容量储备系数，通常情况下取KA下＝1.1～1.25， MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机需考虑在停机５分钟内重载启动的能力，所以KA取1.25。代入MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机的其他参数，计算得到整机功率和每台电机的功率：

根据电机功率档次的选型规格，最终确定选用4台75KW异步电机。

在样机测试中生产４级配混凝土时实测功率为207Ｋw，所选择电机满足实际使用需要。

4启动方式选择

自藕变降压启动是通过自藕变压器降低启动时的电流，启动电压可以根据实际需要通过变压器进行调整，该启动方式由于设备笨重，缺少必要的监控方法，在混凝土搅拌行业应用较少。随着控制技术的发展，软启动技术越来越多的在大电机中使用，本搅拌机就选用了软启动方式。软启动器启动方式可以满足搅拌机、研磨机等设备重载负荷启动要求，具体有如下优点：

1）、软启动可以按需求设置搅拌机启动电流倍数和启动时间，减少对供电系统和设备的启动冲击；

2）、软启动可以通过输入搅拌机电机参数和设定启动电流参数，来调整启动力矩，满足搅拌机重载启动要求；

3)、软启动具有启动保护功能，可以设置过载、过热、启动时间过长、电源缺相等保护，并有报警和显示；

4）、软启动具有良好的扩展性，可以通过RJ45/Modbus接口进行远程通讯，远程监控软启动器和搅拌机电机的工作情况。

5电气安全保护设计

通过软启动，搅拌机具有了过载（过流）、过热、缺相等保护装置，本搅拌机同时还安装了转速保护、检修保护，润滑系统运行监控和保护。

⑴、搅拌机转速保护装置。为了在超载或搅拌叶片被卡住的情况下能有效的保护搅拌机，在搅拌机传动轴上安装有非接触式转速测量装置，通过接近开关的脉冲输入,检测搅拌机的转速，当搅拌机过载时，搅拌机电动机转速下降，当检测到转速低于设置值时，转速保护装置将给出报警信号，及时停止搅拌机，保护搅拌机安全。

搅拌机电机的额定转速为 ，为了有效的保护设备的运行，当转速低于80％额定转速，即低于 时，搅拌机应自动停机。

⑵、润滑系统运行监控和保护装置。润滑系统为搅拌机重要的运动部件提供润滑脂，包括轴端密封、浮动环、调心滚子轴承和卸料门轴承共14个润滑点，可以按照用户设定自动循环。为了保证润滑系统的正常工作，更好的保护搅拌机，必须对润滑系统进行监控和保护装置。对润滑电机故障、油路分配器故障、润滑油位低等进行指示报警；对润滑系统工作状态进行实时监控。

⑶、检修保护装置。为了保护进入搅拌机内部进行维护和检修的工作人员的安全，在搅拌机的检修门安装有检修门接近开关，当该检修门打开时，搅拌机无法启动。

6搅拌机出料门控制设计

MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机采用大开口的弧门卸料门，卸料速度快，卸时间短；卸料门配备独立的标准小型液压站，采用液压缸驱动，与传统的气动形式相比，具有结构紧凑、动作平稳、能停在任意位置等特点。工作油路压力由一个溢流阀调定，通过三位四通换向阀切换工作油路，使液压缸动作，推动卸料门作相应的旋转。换向阀带液压锁，油路切换到换向阀中位时，可让卸料门在任意位置停住，并对油泵卸荷。液压系统工作压力选用7~10Mp，为一般工程机械常用压力范围，因压力不高，所以不容易泄漏，噪声低、可靠性高。为了检测和控制方便，利用非接触接近开关设置了门开、2/3开、1/3开和门关4个位置信号，供搅拌机运行控制采用。

结束语：通过对水工型大容量双卧轴搅拌机内物料的运动特点和实际应用需求的分析，提供了一套MSO 9000型双卧轴强制式混凝土搅拌机电气控制的解决方案，并在实践测试中得到了检验。为其他混凝土搅拌机的设计提供了参考。

参考文献

[1]李超，陈礼祥.双卧轴混凝土搅拌机主要参数的设计计算[J].建筑机械与管理，2001（1）：18-22.

[2]魏觉.ＪＳ型混凝土搅拌机功率计算及结构设计[J]. 工程机械，1991（5）：7-11.

[3]施耐德电气公司.Altistar 48软启动－软停止单元用户手册，2004.08：27-82.