基于三维激光扫描的搅拌叶片失效分析及改进_王瑞_.pdf

2023.01建设机械技术与管理 350 前 言双卧轴强制式搅拌机是目前搅拌设备市场上主流机型，其依靠搅拌装置的旋转运动，对物料施加剪切、挤压等拌和作用，最终得到搅拌均匀的混合料1。这种形式的搅拌机所拌制的混合料均匀性好，效率高，但由于混合料与搅拌叶片之间剧烈的相互作用，往往会造成叶片磨损较快，使用寿命偏低。且随着叶片磨损加剧，其抛掷、剪切及交互作用强度减弱，清理难度升级，将严重降低搅拌机的搅拌质量与效率，甚至出现抱轴现象。搅拌机叶片磨损是一个相对复杂的过程，专家学者对此开展了一系列研究，如长安大学王慧强等通过分析稳定土搅拌机磨损工况，得到磨损分为迎面磨损和径向磨损2。安徽工业大学唐秋润等根据叶片磨料磨损机理，利用 Fluent软件估算了搅拌机叶片的线磨损率，从而预估了叶片的理论寿命3。长安大学董玉刚通过设计相应的磨损试验台来实验研究不同材质叶片的耐磨性4等。而现有研究方案对于搅拌叶片的设计取值仅停留在仿真与试验模拟基础上，无法真实反应复杂工况下混凝土搅拌过程，使得设计过程缺乏指导，存在一定的盲目性。因此，本文将从实际运行工况着手，结合先进的三维激光扫描测量手段与方法开展搅拌机叶片的运行磨损特性研究。准确采集回收叶片数据磨损数据，摸清磨损趋势，提出相应的叶片结构优化方案，从而提升搅拌机叶片的耐久性，提高混合料的搅拌质量与效率。1 原理与结构混凝土搅拌机由搅拌装置、传动装置、润滑装置、密封装置、卸料门和附件等结构组成。整个混合过程的物料运动包括对流运动，围流运动，扩散运动和剪切运动5。螺带式搅拌机中各种组分物料在带状螺旋叶片的推动下进行强制搅拌。外螺带将物料从一端向另一端推动，内螺带则使物料向相反的方向运动，里层物料被推到一侧后由里向外翻滚，外层物料被推到另一侧后由外向里翻滚。物料在对流过程中两股物料流相互渗透、搅拌、混合，在两侧翻滚过程中再进行混合，这样反复进行多次，最后通过出料控制机构将混合均匀后的物料从卸料门卸出6。搅拌叶片是直接搅拌混合料的构件，混合料在搅拌槽内被搅拌均匀的过程，颗粒间不断进行剧烈碰撞、挤压和摩擦，因此叶片磨损是一种必然发生、只能改进的问题。当前国内外企业进行搅拌机叶片结构形式设计主要依靠来自生产经验，设计理论依据不够，导致叶片的设计不合理成为制约搅拌机性能的不确定因素。2 叶片失效分析2.1 叶片磨损特性搅拌叶片不同位置的磨损情况是不同的，参考摩擦学原理7、材料的磨料磨损8可知，线磨损率 的计算公式如下：基于三维激光扫描的搅拌叶片失效分析及改进Fault Analysis and Improvement of Mixer Blade Based on 3D Laser Scanning Technology王瑞 郭首君 吴德志 刘慕宇 张瑶（中联重科股份有限公司，湖南 长沙 410205；国家混凝土机械工程技术研究中心，湖南 长沙 410205）摘要：为提高搅拌主机叶片的耐磨性，进一步提高搅拌质量与搅拌效率。本文以实际使用工况下的搅拌叶片为研究对象，以三维激光扫描技术为载体，对比磨损实物与理论模型之间的差异，从而明确搅拌机叶片的磨损趋势，有针对性的提出搅拌叶片结构优化方案。研究结果表明：三维激光扫描技术可成功运用于搅拌叶片结构优化设计中；优化后的不等厚结构形式可有效提高叶片的耐磨性和使用寿命，对搅拌叶片的优化设计具有一定的借鉴意义。关键词：搅拌机；叶片；三维激光扫描；耐磨性；结构优化中图分类号：TU642 文献标识码：B基金项目：湖南省科技重大专项面向新型建筑施工的智能化绿色工程机械研制及应用示范，课题编号（2018GK1040）DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.00836 建设机械技术与管理 2023.01 =KPv （1）其中：K 为磨损系数，P 为表面压力，H 为材料硬度，v 为相对滑动速度，为在搅拌过程中搅拌叶片和石头接触、滑动产生磨损的概率。由公式（1）可知，线磨损率与磨损系数、表面压力、相对滑动速度、磨损概率等四个参数成正比，与材料硬度成反比。在不改变现有搅拌臂布置，叶片安装角、叶片材质等参数下，对于搅拌叶片的结构优化，因螺带式搅拌叶片的螺旋线是经过严格的计算获得的9，叶片优化需保证表面积不变，可关注相对滑动速度指标。搅拌线速度（相对滑动速度）从搅拌叶片外端部到搅拌轴中心呈线性分布，搅拌线速度在搅拌叶片靠近搅拌筒内壁处最大，靠近搅拌轴中心处线速度最低10。因此，叶片磨损最严重的区域将主要集中在各搅拌叶片受压面的外边缘，即叶片的顶端。2.2 三维激光扫描为了论证是否搅拌叶片顶端区域磨损最严重，且能够直观真实的了解实况下的磨损数值与趋势，本研究以三维激光扫描技术为载体，通过扫描待测目标轮廓，获得一系列密集的点坐标（点云数据）来反映物体形状11。应用流程见图 1 所示。（1）新旧叶片收集：采用“以新换旧”方式回收不同运行方量下的磨损叶片，完成表面板结混凝土等影响因素清理及编号，见图 2。完成未使用的原始叶片收集及编号，用以进行后续模型比对。（2）三维激光扫描：在被测物体表面粘贴用于空间位置转换的视觉标记点，实时调整仪器与被测物体之间的距离和角度，完成物体数据的采集，获取物体表面的三维点云，通过逆向建模功能，从点云构建出三维模型，见图 3。（3）模型差异比对：进行磨损模型与原始模型叠加比对，利用 PolyWorks 软件实现检测叶片原始模型与磨损叶片之间在长度、宽度、厚度方向上的差异分析。3D 偏差色差带显示图即可清晰直观的判断出各叶片磨损、腐蚀等缺陷部位的量值，可根据这些量值对缺陷部位进行优化，见图 4。（4）结构优化设计：下表 1 为不同运行方量下搅拌叶图 1 三维激光扫描技术应用于叶片结构优化流程图回收磨损叶片与收集原始叶片获取磨损叶片点云数据点云数据分析处理三维模型建立与存储获取原始叶片点云数据点云数据分析处理三维模型建立与存储三维比对获取差异项叶片最佳结构与尺寸设计新旧叶片收集三维激光扫描模型差异比对结构优化设计图 2 磨损叶片回收及清理 图 3 三维激光扫描图 4 模型差异比对编号MSY-1MSY-2MSY-3MSY-4模型比对表 1 不同方量下搅拌叶片磨损情况H2023.01建设机械技术与管理 37片磨损情况，随着搅拌运行时间的推进，搅拌叶片在长度、厚度方向上均发生不同程度的磨损，逐渐出现缩短、变薄现象。叶片上的磨损底部向顶端逐渐呈现增大趋势，边缘部位磨损最大，损失到一定范围后逐渐趋于稳定，而在靠近搅拌轴的叶片根部处无明显磨损。3 叶片优化方案根据三维激光扫描结果，从加厚易磨损顶端、增加网格状防磨带等角度有针对性的进行叶片的不等厚设计，见图 5。识别易磨损部位，叶型截面上设置为沿径向逐渐增大，对磨损量较大的部位进行加厚，提高螺带叶片的边缘部位的耐磨性和强度，对磨损量相对较小的部位适当变薄或挖坑减重，兼顾螺带叶片的减重和降低成本需求。升级后的不等厚螺带叶片较原有结构可磨损面积增加 1.53 倍。5 结 论本文基于三维激光扫描技术对现有搅拌叶片进行优化设计，并通过工业性考核对改进后方案完成验证：（1）三维激光扫描技术可成功应用于搅拌叶片结构优化中，该技术的应用是可行的，可检测磨损叶片与原始叶片间的偏差，大大提高测量的作业效率与精度，为后续的结构优化提供数据基础，具有广阔的应用前景。（2）搅拌叶片的磨损主要集中于顶端，随着运行时间的递增，搅拌叶片的顶端磨损量将逐步趋于稳定，磨损厚度不均匀，可优化为不等厚结构形式。（3）优化后的不等厚叶片通过工业性考核验证，其寿命可达 13 万罐次（石灰石工况），有效提高了叶片的使用寿命。参考文献1 陈启宗.连续式搅拌与间歇式搅拌设备的比较 J.建筑机械,2000(12):15-18.2 王慧强,董玉刚,郭健,等.稳定土搅拌机叶片失效分析及改进 J.山东交通学院学报,2017(01):76-80.3 唐润秋,汪敏,戚晓利,等.双卧轴强制式混凝土搅拌机叶片的磨料磨损研究 J.冶金设备,2013(01):15-20.4 玉刚.稳定土搅拌机搅拌叶片耐磨性对比试验研究 D.长安大学,2017.5 应武权.双卧轴混凝土搅拌机叶片搅拌特性研究 D.昆明理工大学,2019.6 李科峰.一种新型混凝土搅拌主机的技术分析 J.建筑机械,2018(06):71-74.7 温诗铸,黄平.摩擦学原理 M.北京:清华大学出版社,2002.8 材料耐磨抗蚀及其表面技术丛书编委会主编.材料的磨料磨损 M.北京:机械工业出版社,1990.9 曹阳.螺带式混凝土搅拌装置数值分析与优化研究 D.山东：山东大学，2016.10 冯忠绪.混凝土搅拌理论与设备 M.北京:人民交通初版社,2001.11 乔俊峰,周沅桢,王永,等.三维激光扫描测体积技术及其应用进展 J.激光与红外,2021(09):1115-1121.收稿日期：2022-12-06作者简介：王瑞，硕士，工程师，主要从事工程机械设备核心技术与零部件研发工作。（a）原始结构 （b）优化结构图 5 螺带叶片结构升级图 6 改进后叶片跟进同时，考虑在搅拌过程中，叶身的径向不同位置的线速度不同，即叶身的径向外端的线速度比叶身的径向内端的线速度要大，可在径向外径处增加网状防磨带，使得螺带叶片的结构更为合理，使用寿命更长、生产效率更高。4 改进后叶片磨损工况挑选生产方量大的搅拌站进行优化后的叶片的性能搭载验证，截止目前，已陆续小批量搭载于搅拌站进行工业性考核。通过定期进行客户回访，运行方量 7 万罐次时搅拌叶片均未出现无磨穿现象，仅表面网状防磨带磨平，客户反馈耐磨性明显提升，见图 6。且部分搭载较早，考核周期较长的搅拌站更换前运行方量已达 13 万罐次，市场表现良好。