Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Несмеянов Н.П. 1 Почупайло Б.И. 1 Дмитриенко В.Г. 1 Бражник Ю.В. 1 Матусов М.Г. 1

---

1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

В связи с ростом индивидуального строительства актуальным вопросом в настоящее время является создание высокоэффективного малогабаритного комбинированного смесителя для получения бетонорастворных смесей различного качества. Данная статья посвящена вопросу влияния конструктивных параметров смесителей принудительного действия на эффективность процесса смешивания – качество готовой продукции и энергетические параметры рассматриваемого оборудования. Необходимо отметить, что изменение конструкции рабочего органа циклического смесителя принудительного действия значительно влияет на энергоемкость процесса перемешивания и на качество получаемой смеси. В первую очередь это зависит от эффективности воздействия на материал лопастей, установленных на роторе смесителя. Предложенная в настоящей статье методика расчета энергетических показателей смесителя с учетом движения смеси по лопасти, движущейся по круговой траектории, показала, что при неизменных ширине и высоте захвата лопасти потребляемая бетоносмесителем мощность зависит от коэффициента полезного действия (КПД) лопасти. При этом повышение КПД лопасти возможно в первую очередь за счет изменения формы устанавливаемых на роторе лопастей. Перспективными в этом направлении являются лопасти геликоидной, желобчатой и других форм.

Статья в формате PDF

0 KB

бетон

смеситель

лопасть

ротор

КПД лопасти

энергетические показатели

1. Артоболевский И.И. Теория механизмов. – Н.: Наука, 1967. – С. 719.

2. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны / B.C. Демьянова, В.И.Калашников. – М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. – 368 с.

3. Богданов В.С. Основные процессы в производстве строительных материалов: учебник / В.С. Богданов, А.С. Ильин, И.А. Семикопенко. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. – 551 с.

4. Горячкин В.П. Собрание сочинений в 3-х томах. – М.: Колос, 1968. – т. 2. – С. 455.

5. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. – М.: Машиностроение, 1969. – С. 269.

6. Колчин Н.И. Механика машин. – Л.: Машиностроение, 1972. – т. 2. – С. 456.

7. Королев К.М. Интенсификация приготовления бетонной смеси. – М.: Стройиздат, 1976. – С. 144.

8. Кузнецова Е.Ф., Соболев Г.М., Соболев К.Г. Получение эффективных литых бетонных смесей и бетонов на основе наноматериалов и отходов камнеобработки // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2014. – № 2. – С. 7–10.

9. Патент РФ № 2014125744/0, 02.09.2014. Богданов В.С., Несмеянов Н.П., Дмитриенко В.Г., Матусов М.Г. Смеситель // Патент России № 149622.2015 Бюл. № 1.

10. Пулин В.П. Повышение эффективности смесителей принудительного действия. Информационный листок. – Запорожье: Запорожский ЦТИ1972. – № 163.

11. Юдин К.А., Богданов Д.В. Двунаправленное воздействие на материал в смесителях периодического действия // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2014. – № 4. – С. 108–111.

В настоящее время значительное расширение строительных работ увеличивает расход современных материалов

Наибольшее распространение получили бетонные смеси с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами [8]. Большое количество достоинств – широкая распространенность исходных компонентов, высокая прочность, долговечность, относительно низкая себестоимость, возможность повторной переработки – привело к тому, что бетон в ближайшем будущем будет оставаться самым распространенным строительным материалом.

Основным фактором, обуславливающим работу предприятий по производству бетона и изделий из него, можно считать эффективную эксплуатацию оборудования, а также деятельность по повышению технических характеристик (производительность, удельная энергоемкость) оборудования, заложенных при его проектировании [2].

При выборе оптимальной конструкции бетоносмесителя принудительного действия роторного типа необходимо учитывать действие сил на частицу материала, находящегося в кольцевом смесительном пространстве. Это внешние силы от лопасти, меняющиеся по значению и направлению, центробежные силы, силы внутреннего и внешнего трения и силы, обусловленные вязкопластичными свойствами материала. Под воздействием указанных сил зерно материала может перемещаться в направлении вращения лопасти в радиальном направлении, а также опускаться вниз [3].

Примером может служить разработанное устройство [11] для бетоносмесителей роторного типа, реализующее воздействие рабочего органа на материал в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях, позволяющее интенсифицировать процесс перемешивания и устранения застойных зон смесителя.

Поэтому в основу разработки смесителей данного типа закладываются два основных принципа.

Первый – это когда при движении лопасть смесительного аппарата, воздействуя на смесь, первоначально начинает ее уплотнять. В смеси возникают напряжения, увеличивающиеся по мере перемещения лопасти. При достижении напряжений в смеси, превосходящих силы сопротивления, оказываемые смесью, призма смеси начинает движение относительно прилегающих слоев.

Момент начала относительного движения призмы материала свидетельствует о том, что активные силы превысили силы внешнего и внутреннего трений.

При движении лопасти в смеси ей необходимо преодолеть силы внутреннего и внешнего трения, обусловленные предельными напряжениями сдвига смеси по смеси и смеси по металлу. Первые силы при определении энергетических показателей смесителя на порядок выше, чем вторые.

Второй – это когда лопастной аппарат при вращении должен перемешать материал не только в направлении движения, но и в радиальном направлении, что достигается путем установки лопастей под определенными углами, которые могут быть как «положительными», так и «отрицательными», в зависимости от направления перемещения смеси [7].

Поэтому в практике конструирования рабочих органов смесителей в виде наклонных плоскостей, установленных на роторе, иногда используется эффект «косого резанья» с целью уменьшения силы сопротивления в заданном направлении движения [4].

Рассмотрим влияние эффекта «косого резанья» на энергетические показатели при движении смеси по лопасти смесителя принудительного действия с горизонтально движущимися лопастями по круговой траектории.

Примем следующие технологические условия: ширина и высота захвата в течение цикла постоянны. Это означает, что при проектировании изменение угла γ установки лопасти влечет за собой необходимость изменения ее геометрических размеров.

При движении бетонной смеси в направлении линии ac, перпендикулярной основанию лопасти (рис. 1, а) сила, действующая на лопасть, и ее КПД определяются так же, как и для любого тела, движущегося вверх по наклонной плоскости [1, 5, 6].

а

б

Рис. 1. Расчетная схема сил, действующих на лопасть смесителя

Если лопасть установлена под некоторым углом 90°+ ω к направлению движения и находится вблизи поверхности бетона, частица может двигаться вверх, например, по линии b1c1 (рис. 2), лежащей в плоскости движения.

Проведем параллельно вектору скорости движения лопасти, т.е. , отрезки и взаимно перпендикулярны, т.е. и , линия I – перпендикулярна υ. Из этих построений можно получить зависимость

(1)

где α1 – угол между направлением скольжения бетонной смеси и горизонтальной плоскостью; γ – угол наклона лопасти; H – проекция лопасти на вертикаль.

То есть

tgα1 = tgγ?cosω1

Рис. 2. Расчетная схема для определения энергетических показателей движения смеси вверх по лопасти смесителя

При движении лопасти в перемешиваемой массе должно соблюдаться следующее условие:

Pcosα = Qsinα + Qfcosγ + Pfsinα, (2)

где Qcosγ – сила нормального давления на лопасть; α – угол между траекторией скольжения и ее проекцией.

Из выражения (2) определим усилие, действующее на лопасть:

(3)

где Q – вес смеси, поднимаемой лопастью; f – коэффициент трения бетонной смеси по стали.

Коэффициент полезного действия лопасти для рассматриваемого случая равен

(4)

где υ_ck – скорость движения бетонной смеси по лопасти.

Математическое описание процесса перемешивания бетонных смесей лопастями, вращающимися в горизонтальной плоскости на вертикальном валу, можно составить на основе баланса относительной мощности, потребляемой лопастью смесителя.

На рис. 3 показана схема процесса перемешивания (а), план скоростей (б) и план сил (в).

а

б

в

Рис. 3. Расчетная схема перемешивания смеси

Составим уравнение баланса мощности, потребляемой наклонной лопастью. Исходя из рис. 3 имеем

v_ad?P_db?cosa = = v_ad?(P_db?f?sina + P_z?f?cosa + P_z?sina).

Поскольку υad сокращается, в дальнейшем можно рассматривать условие равновесия сил:

Pdb?cosa = Pdb?fsina + Pz?fcosa + Pz?sina.

При большом заглублении лопасти в смесь и произвольном расположении ее в пространстве во время перемешивания смесь перемещается по плоскости лопасти в сторону наименьшего сопротивления, и сила давления будет направлена перпендикулярно к основанию lbd треугольника cbd, у которого линия lbc – линия скольжения частицы (рис. 1, а).

Из рис. 1, а следует:

lad ⊥ lbd; lcd ⊥ lac; lbc ⊥ lcd; lbd ⊥ I.

Из треугольника cbd находим

где

lcd = lad?sinγ;

С учетом этого имеем

sina = sinγ?cosω. (5)

На основании вышеизложенного получим

(6)

(7)

Или с учетом (6)

(8)

где p – угол внутреннего трения смеси.

Заметим что вид формулы (8) совпадает с известными зависимостями [11, 4], однако угол α здесь не равен углу γ наклона лопасти, используемого при расчетах КПД наклонной лопасти (рис. 1).

Используя формулы (6), (8), можно показать, что перемещение лопасти в направлении линии скольжения bc имеет наименьшее сопротивление.

На рис. 1, б показаны три мнимые положения точки С: С, С1, С2. Поскольку Q сила – величина постоянная для рассматриваемого случая, сопротивление перемещению лопасти будет наименьшим (рис. 1, б и формула (6)).

Если lcd будет перпендикулярна , при смещении точки С вдоль линии ac угол а возрастает как в направлении С1, так и в направлении С2. Поэтому величина силы сопротивления среды движению лопасти Pcp = –P станет наименьшей и только тогда, когда lcd перпендикулярна к lac. При изменении соотношения величин размеров lab и lAB таким образом, чтобы lab = const, в этом случае следует учесть изменение силы Q, которая станет равной

Q = σz Fл tg(a + p),

где Fл = la0?lab; σz – вертикальное удельное давление смеси.

Может наступить момент, когда силы равны (рис. 1, а)

здесь

несмотря на то, что a2 > a1.

Второй случай аналогичен первому и описывается теми же формулами и так же соответствует принципу наименьшего сопротивления движения смеси. Следовательно, при выборе угла установки лопасти необходимо учитывать соотношение ее размеров так, чтобы движение смеси по лопасти происходило в требуемом направлении. Желаемое соотношение размеров определяется из условия, при котором сила Р была бы наименьшей при движении смеси по лопасти в желательном направлении.

Условно горизонтальной плоскостью разделим лопасть на две зоны (рис. 2).

Очевидно, что в случае, когда будет преобладать движение по линии b2c2. Если же то преобладающим станет движение вдоль линии b1c1. Таким образом, следует учитывать эффект разделения потока даже при отсутствии ядра.

В этом случае

(9)

а

где Fл – общая площадь рабочей поверхности лопасти; – площадь рабочей поверхности нижней части лопасти; – площадь рабочей поверхности верхней части лопасти.

Такое же явление наблюдается и в том случае, если изменение размеров лопасти производится при условии Fл = const (рис. 4). На этом рисунке показаны три лопасти А, В и D, имеющие одинаковую площадь поверхности Fл. Линией b1c1 обозначена линия наименьшего сопротивления перемещению смеси. Очевидно, что для квадратной лопасти А нижняя зона скольжения и верхняя одинаковы по площади, а для прямоугольных лопастей В и D эти зоны 1 и 2 равны между собой.

Следовательно, выбирая соответствующее соотношение размеров верхней и нижней частей лопасти при сохранении постоянства площади рабочей поверхности можно направлять встречный поток перемешиваемой смеси в желанную сторону, сохраняя рациональные, в энергетическом смысле, углы установки лопасти.

Рис. 4. Схема лопастей смесителя с равновеликими перемешивающими поверхностями

Например, известна лопасть, рабочая поверхность которой выполнена из вращающихся резиновых пневматических роликов. Тяговое сопротивление предложенной лопасти на 17 % ниже обычной. Лопасть с роликовой поверхностью позволяет не только снизить силы трения, но и направлять поток смеси вдоль ряда роликов в заданном направлении.

Представим силу Q в виде

Q = σ2 xγ, (10)

здесь

A, B, D – лопасти; b1c1 – линия наименьшего сопротивления движению смеси.

Тогда

и в соответствии (рис. 2)

Умножив числитель и знаменатель на tga, получим

с учетом формулы tgα1 = tgγ?cosω1 имеем

(11)

Расход энергии на единицу получаемой продукции определим из выражения

где vл – скорость перемещения лопасти; ηмех и ηдв – КПД механизма и двигателя смесителя; MC – масса обработанной смеси на пути S перемещения лопасти.

где γм – объемная масса смеси; m – число проходов;

S = vл t,

где t – время перемешивания смеси.

С учетом вышеизложенного

(12)

Следовательно, исходя из формул (11), (12) при соблюдении основных технологических условий, что ширина и высота захвата лопасти – величины неизменные, можно сделать вывод, что выигрыш в силе, энергоемкость процесса перемешивания, относительная мощность и мощность, потребляемая бетоносмесителем, зависят от КПД лопасти.

КПД лопасти имеет максимум [10] и зависит от угла а подъема линии скольжения частицы материала по отношению к вектору скорости лопасти и от угла γ установки лопасти. Угол а подъема зависит от обоих углов установки лопасти γ и ω. Наиболее экономичное решение можно получить при ω = 0, при этом a = γ и длина лопасти получается наименьшей – равной ширине ее захвата.

Таким образом, рациональным является угол установки лопасти, равный γ = a.

Теоретические исследования показывают, что изменение направления движения потока материала возможно и конструктивными приемами.

Например, использование лопастей желобчатой и геликоидной формы [9] позволит управлять движением набегающего на них потока смеси при минимальном расходе электрической энергии.

Библиографическая ссылка