混凝土流变仪结构设计分析

随着混凝土行业的发展，各种混凝土外加剂的出现，混凝土强度基本可以满足现代工程的需要。但新拌混凝土的工作性依旧是人们关注的重点，目前工程上常用新拌混凝土的坍落度来评判混凝土的工作性，但坍落度测量过程复杂，测量结果偏差较大[1]。同时，对于某些混凝土如含有纤维增强剂、磨碎的粒状高炉矿渣等，坍落度测试可能会提供不准确和误导性的结果，因而需要一种新的方式来评价新拌混凝土的工作性。众所周知，坍落度可以直接或间接地描述混凝土的流变行为，与混凝土屈服应力或塑性粘度存在一定函数关系[2-4]，然而混凝土流变仪可以通过测试新拌混凝土在变剪切率作用下的剪切力来获得新拌混凝土的屈服应力和塑性粘度，混凝土的流变特性比坍落度能反映出关于流动度更全面、更准确的信息。随着工程界对混凝土工作性的关注，混凝土流变仪的使用将越来越广泛，但目前国内关于混凝土流变仪的研究较少。本文以混凝土流变仪结构为研究对象，针对提高流变仪的测量精度，从机械结构和安装工艺方面进行了研究。

1流变仪的结构及工作原理

混凝土流变仪是一种检测新拌混凝土流变特性的仪器，可以测量新拌混凝土的塑性粘度、屈服应力和最大屈服应力。仪器整体结构简易、操作方便，测量时间不超过1min。适用于工程生产施工的各个环节，适用对象包括施工单位、设备生产厂家、搅拌站实验室等。混凝土流变仪机械结构布局如图1所示，伺服电机连接行星减速机实现减速，减速机固定在支撑框上，减速机通过联轴器与扭矩传感器入力端连接，扭矩传感器底板与支撑框侧板连接，扭矩传感器出力端通过联轴器与夹紧杆连接，夹紧杆通过轴承座与支撑框相连，夹紧杆上装有搅拌装置，整个传动系统安装在支撑框上，支撑图1混凝土流变仪结构示意图框安装在支撑板并用快速夹紧器固定，支撑板与料筒通过卡槽连接。工作时，向料筒中装入一定高度的新拌混凝土，搅拌叶片埋入混凝土并且保持在料筒中一固定高度，叶片初始以较高速度稳定转动对混凝土进行预剪切，打破触变，接着改变搅拌装置的传动速度，扭矩传感器测量混凝土在不同剪切速率下搅拌轴所受的扭矩，搅拌转速从高到低呈阶梯形，这种方案可以避免扭矩值受新拌混凝土的触变性的影响。由于一般认为新拌混凝土为宾汉姆体，根据宾汉姆模型可以得出新拌混凝土的流变特性[5-7]。

2应变式动态扭矩传感器工作原理

电阻应变片（又叫电阻应变计，简称应变片或应变计）是扭矩传感器的敏感元件，它将其应变转化为电信号的工作元件，在应变片的工作范围内，电阻变化率与应变成正比例关系，将其贴在被测物体表面后，应变片的数值随着被测物体的变化而发生变化，其电阻也发生变化，根据测量电阻的变化就可以计算出物体的应变[8]。扭矩传感器工作原理如图2所示，电阻应变片扭矩传感器在弹性轴上45°和135°方向粘贴应变片组成桥[9-10]，当弹性轴受扭矩时，扭转变形引起电桥电阻变化，应变电桥电阻的变化转变为电压信号的变化，电压信号通过放大器放大后被V/F转换器转换为高频信号，用无线发射传输到固定壳体，最后进行信号解调。

3流变仪机械误差来源

混凝土流变仪中扭矩传感器固定方式为底座连接，底座与支撑框侧板用螺栓连接。减速机安装凸台与支撑框孔间隙配合，夹紧杆安装在的轴承上，轴承通过法兰与支撑框连接。传感器测力轴一端连接减速机，一端连接夹紧杆，之间使用联轴器连接，具体安装方式如图3所示。在使用应变式扭矩传感器进行测量时，由于测力轴受到弯矩作用会产生附加扭矩从而影响测量精度，测力轴产生弯矩产生的原因有两个方面。第一个是支撑框的加工基准与安装基准的不同，造成轴旋转中心与自身几何中心不一致，当有外力作用在这样的轴的轴端时，则测力轴端接受到的从上一轴端传递来的扭矩中的一部分会产生弯矩，所以扭矩传感器测出的扭矩值与加载到轴系上的真实扭矩是有差异的，测出的值实际上是合成力矩。而在安装过程中扭矩传感器轴端与减速机轴端，扭矩传感器与夹紧杆轴端不可避免的会出现轴心偏差的问题，包括径向偏差、轴向偏差和角度偏差，如图4所示。另一方面，由于支撑框在扭矩传感器和电机减速机的重力作用下发生变形，导致传感器测力轴承受附加扭矩。为了减小测力轴的附加扭矩，本文从3个方面考虑，首先是支撑框加工误差，其次是支撑框的变形，最后则是安装的误差。3.1支撑框加工误差分析。如图5所示，扭矩传感器、减速机和夹紧杆的安装基面为A与C，工艺上一般通过加工B面来作为基准面，通过加工孔来保证扭矩传感器与孔轴线的距离54mm，但是由于尺寸a误差大，很难保证安装尺寸54mm，只能通过后期调整安装来保证，因此需要留有调整余量0.1～0.2mm。为使得减速机、夹紧杆与扭矩传感器的回转中心在同一轴线上，要求保证支撑框的上下两个孔的同轴度公差，一般上下两个孔可以同时加工。3.2支撑框的变形。依次在在CATIA中建立支撑框三维模型、导入模型材料铝合金、网格划分；网格划分时多以4边形网格为主，用少量三角形网格进行过渡，以满足网格质量需求，大部分网格尺寸为5mm，局部网格尺寸为0.5mm；定义约束如图6所示。变形位移和应力分布如图7所示。已知铝合金的屈服强度[σs]=80MPa，对比发现其产生的最大应力小于材料的屈服强度。通过图7中的变形位移数值得出最大位移为0.0256mm，说明变形量对传感器的测量精度影响可以忽略。3.3合理安装方式为了提高扭矩传感器在使用过程中的测量精度，必须采取相关措施减小扭矩传感器工作时承受的附加弯矩。安装合适的联轴器可以有效减小附加弯矩，常见的联轴器有刚性联轴器和挠性联轴器，刚性联轴器不具备补偿同轴度误差的能力，当其连接两轴之后，如果同轴度不好，会使轴强迫弯曲变形，使测力轴承受额外的附加载荷。而挠性联轴器具备补偿同轴度误差的能力，包括轴向误差、径向误差、角度误差，所以一般选择挠性联轴器。但挠性联轴器又分为半耦合(单弹体)和全耦合(双弹体)，半耦合只补偿轴向和角度偏差，全耦合可以补偿轴向误差、径向误差、角度向差。由于本装置上下两端的安装误差较大，因此需要选择全耦合联轴器。调整安装补偿在安装过程产生的轴向误差、径向误差、角度向误差也可以减小附加弯矩。调整轴向误差，可以通过安装直径为6mm的螺栓和直径为8mm的传感器底座孔来调整螺栓与孔的间隙进而补偿误差。调整径向误差的措施有多种，例如在传感器底座与支撑框之间添加垫片，使用垫片厚度的一般为0.1mm与0.01mm厚的不锈钢垫片，并且传感器底板的安装孔为长条孔，也可进行微调来改善径向误差。而对于角度方向的误差补偿，由于传感器底座与支撑框使用4个螺栓连接，因此可以在单个螺栓孔上增减垫片来调整传感器的测力轴的角度。合理的安装方法可以使流变仪传动系统运转平稳，传感器在工作过程中测量准确，同时提高装置的使用寿命。

4结束语

（1）对混凝土流变仪的结构及工作原理进行了论述，通过测量在不同转速下搅拌轴所受的扭矩，并对其进行数据处理，可以计算出新拌混凝土的流变特性。（2）对动态扭矩传感器的工作原理进行了介绍，传感器信号结构为轴式带底座，通过测量应变或者扭转角获得扭矩值，扭矩值通过无线信号传出。（3）对产生扭矩测量机械误差的进行分析，误差来源主要包括支撑框加工误差、支撑框受压变形和安装方式3个方面。（4）为减小支撑框加工误差的影响，预留出0.1～0.2mm的安装调整余量。（5）通过有限元分析计算支撑框变形，最大变形位移为0.0256mm，对传感器的测量精度影响可以忽略。（6）合理的安装方式减小误差的措施主要是安装合适的联轴器和补偿轴向误差、径向误差、角度向误差的安装手段。

作者:杨岩岩 赵悟 孔鲜宁 岳超 陈阳 单位:长安大学