变径变螺距螺旋分料器的设计及抗离析研究

摘要：为了优化变径变螺距螺旋分料器的性能，通过理论及试验两方面，从螺旋分料器中物料的动力学特性及运动学特性入手，指出了变径变螺旋分料器合理的设计规律，并通过数理统计进行参数优化，由对比试验进行了验证，证实变径变螺距螺旋分料器良好的抗离析功能。

关键词：螺旋分料器；变径；变螺距；抗离析

中图分类号：U415.5 文献标志码：B

0 引言

螺旋分料器作为摊铺机的布料装置，一方面要具有沿宽度方向均匀布料的能力，另一方面要具备合理的二次搅拌功能，传统的等径等距螺旋分料器未考虑到螺旋槽内混合料流量的变化而容易加剧施工中物料的横、竖向离析。针对上述问题，国内学者从螺旋分料器的结构入手提出了变径变螺距螺旋分料器的设计，其具有一定的二次搅拌功能，不但可以消除前期工艺中运料车输送、卸料及刮板输送等过程中产生的骨料离析及温度离析，也可以有效地降低螺旋分料器自身布料时发生的离析，但具体的叶片直径及螺距的变化规律仍存在争议。三一重工的《变径、变节距螺旋分料器》及邱爱红等的《变径变螺距长度轴参数化模型及性能仿真》中指出螺旋叶片直径及螺距均应从中间到两边逐渐递减，而岳作强《基于摊铺机面料槽内粒料运动均匀性与充盈稳定性的螺旋布料器结构》的研究则表明螺旋叶片的直径应从中间向两边递减，而螺距则应从中间向两边递增；同时有关变径变螺距螺旋分料器应用的大多数文献研究止于理论分析方面，缺乏实际的实践数据支撑，并且未对螺旋叶片直径及螺距的计算进行相关的优化分析[13]。为弥补上述缺陷，本文从理论及试验入手，分析了变径变螺旋作用下物料的动力学、运动学特性，并通过参数优化，试验数据分析等对变径变螺旋抗离析提供了一定的依据。

1 变径变螺距作用下物料的动力学特性

在螺旋分料器工作过程中，随着螺旋轴的旋转，沥青混合料会在螺旋叶片推力、粒料间相互作用力、自身重力及外界阻力等的共同作用下沿料槽向两端运动，同时具有沿径向圆周做绕轴翻滚的运动趋势[47]。将螺旋面按螺旋升角β展开，取距离螺旋轴线半径为r处的颗粒M为研究对象，对其进行受力分析，结果如图1所示。

结合公式（1）～（6）可知，在假定粒料摩擦角、物料间相互作用力等均不变的情况下，粒料所受的轴向力及周向力均是以叶片半径、螺距为变量的函数，为改善前期卸料、输送及自身布料时产生离析等问题，螺旋分料器两端的物料不应单纯的处于层流状态，应伴随一定的紊流，使离析料产生一定的翻滚，达到重新搅拌的效果，而螺旋分料器中部则应满足最大限度的轴向布料，以满足螺旋分料器输料能力的需求[811]。物料翻滚被搅拌的临界条件是：物料所受的周向力刚好满足其随螺旋叶片转动所需的向心力，具体如下式所示〖WTBX〗

当螺旋轴转速一定时，随着螺旋叶片半径的减小，螺旋轴角速度逐步增大，物料随螺旋轴转动所需的向心力相应地增大，当向心力大于物料所受的周向力时，粒料发生离心抛甩运动，使得混合料在布料槽中不断翻滚，实现又一次搅拌。因此变径变螺旋分料器叶片的直径变化应满足中间大两边小的结构要求，同时中间螺距应大于两边，满足不同位置物料所受的挤压力趋于一致，以实现更均匀的布料。

2 变径变螺距作用下物料的运动学特性

螺旋料槽中混合物的运动一方面受整机行驶速度的影响，一方面受螺旋叶片推动速度的影响。由于摊铺机的行驶速度一般在1～3 m·min-1之间，数值较小且整机行驶中力求保证速度的稳定性，因此此处忽略行驶速度对物料运动的影响。在螺旋叶片推动作用下物料的速度分析如图2所示。

3 变径变螺距螺旋分料器的设计及优化

3.1 变径变螺距螺旋分料器数学模型

假设变径变螺距螺旋分料器的螺旋线方程为等角圆锥旋线，则其参数方程如下所示

3.2 变径变螺旋计算及参数优化实例

4 试验研究

由于构造深度可反映沥青混合料粗、细料的分布情况，渗水系数可以反映水在路面结构中的流动程度，进而可说明路面内部的连通性及孔隙率，因此可采用构造深度及渗水系数来作为评定路面离析的指标。在湖南某施工段，分别采用变径变螺距螺旋分离器及普通分料器进行试验，用铺砂法测定路面的构造深度，用渗水仪测定路面的渗水系数，试验结果如表5、6所示。

根据表5、6的相关数据计算所得构造深度变异系数对比结果及渗水系数变异系数对比结果如图5、6所示。

5 结语

本文从变径变螺距螺旋分料器的动力学及运动学特性分析入手，指出螺旋分料器应满足中间快速布料以符合布料能力的需求，而两边则要具有二次搅拌功能以消除前期及自身产生的骨料离析、温度离析；同时通过对实例螺旋在变径、变螺距条件下，其轴向、圆周速度变化的分析指出，其螺旋叶片半径、螺距应符合从螺旋中间至两边逐次变小的规律，并借助数理统计工具，对变径变螺距做出参数优化选择；最后通过试验应用，证实了变径变螺距螺旋分料器在消除沥青混合料离析方面的有效作用。

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[责任编辑：谭忠华]