Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние, направления развития техники и технологии в области получения декоративных сухих строительных смесей 14
1.1. Характеристика декоративных сухих строительных смесей 14
1.2. Анализ современных конструкции измельчителей для тонкого помола 19
1.3. Анализ современных конструкции смесительного оборудования 27
1.4. Анализ конструкций помольно-смесительных устройств с вертикальными роторами 29
1.5. Цели и задачи исследований 37
1.6. Выводы по главе 39
2. Аналитические исследования основных конструктивных и технологических параметров помольно-смесительного устройства периодического действия 40
2.1. Анализ кинематики загрузки в камере помольно смесительного устройства 40
2.2. Анализ и расчет сил действующих на загрузку 50
2.2.1. Определение нормальной силы, действующей на загрузку в относительном движении 51
2.2.2. Определение касательной силы, действующей на загрузку в относительном движении 54
2.2.3. Определение нормальной силы, действующей на загрузку в переносном движении 56 2.2.4. Определение касательной силы, действующей на загрузку в переносном движении 57
2.2.5. Определение силы Кориолиса, действующей на загрузку 60
2.3. Мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления перемещению загрузки 61
2.4. Расчет производительности помольно-смесительного устройства при различных режимах работы 70
2.5. Исследование напряженного состояния элементов конструкции мешалки 72
2.5.1. Проектирование и расчет на прочность мешалки помольно-смесительного устройства 72
2.5.2. Анализ результатов расчета 75
2.6. Выводы по главе 78
3. Методики проведения исследований 81
3.1. Основные положения подготовки и проведения экспериментальных исследований 81
3.2. План многофакторного эксперимента 84
3.3. Описание экспериментального оборудования и средств контроля 90
3.3. Характеристика исследуемого материала 94
3.5. Выводы по главе 95
4. Результаты экспериментальных исследований 96
4.1. Исследование влияние конструкции мешалок на характер перемещения загрузки 96
4.2. Исследование влияния основных параметров на процесс помола железоокисных пигментов 103
4.3. Исследование влияния основных параметров на процесс смешения 110 4.4. Исследование влияния основных факторов на мощность, затрачиваемую на преодоление сил сопротивления движению загрузки помольно-смесительного устройства 117
4.5. Выводы по главе 121
5. Практическое применение результатов работы 125
Выводы по главе 130
Общиевыводы 131
Список литературы
- Анализ современных конструкции смесительного оборудования
- Определение нормальной силы, действующей на загрузку в относительном движении
- План многофакторного эксперимента
- Исследование влияния основных параметров на процесс помола железоокисных пигментов
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время в нашей стране одним из интенсивно развивающихся направлений в строительстве является производство сухих строительных смесей, в том числе декоративных. Основными процессами производства сухих строительных смесей, оказывающие существенное влияние на их эксплуатационные характеристики, являются подготовка сырьевых компонентов, их дозирование и смешивание. Основным показателем качества современных строительных смесей является однородность распределения материала. От однородности смеси напрямую зависят эксплуатационные характеристики получаемого продукта. От дисперсности компонентов смеси зависит качество готового продукта, т.к. она влияет на повышение его технологических и потребительских характеристик (например, размер частиц пигмента в декоративной штукатурке влияет на равномерность его распределения, а следовательно, и окраски смеси). Необходимость повышения дисперсности компонентов сухих строительных смесей приводит к потребности совершенствования существующего и созданию новых аппаратов и технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения.
Одним из широко используемых устройств для размола и смешения порошковых смесей являются мельницы с вертикальным ротором. В зависимости от свойств обрабатываемого материала конструктивные особенности установки позволяют выбирать рациональные режимы измельчения, смешивания с наибольшей производительностью и получением продукции необходимого качества. Перечисленное позволяет сделать вывод об актуальности выбранной темы.
Цель работы – разработка помольно-смесительного устройства для повышения эффективности и качества готовых продуктов процессов помола и смешения материалов.
Задачи исследований:
1. Провести анализ помольного и смесительного оборудования для получения декоративных сухих строительных смесей.
2. Разработка помольно-смесительного устройства.
3. Аналитические исследования кинематики и динамики движения загрузки при помоле и смешении материалов.
4. Получение выражений для расчета сил сопротивления действующих на загрузку и мощности для их преодоления при помоле и смешении.
5. Получение выражений для расчета производительности устройства при помоле и смешении материалов.
6. Анализ узловых напряжений и перемещений элементов роторов.
7. Получение экспериментальных уравнений регрессий процессов тонкого помола и смешения материалов в зависимости от технологических параметров, с целью определения рациональных режимов работы устройства с наибольшей производительностью и минимальными энергетическими затратами.
8. Разработать рекомендации и документацию для промышленного внедрения помольно-смесительного устройства периодического действия.
Научная новизна работы представлена конструкциями вертикальных роторов помольно-смесительного устройства; кинетикой загрузки; аналитическими выражениями для расчёта сил, действующих на загрузку, мощностей на преодоление сил сопротивления перемещению загрузки и производительности данного помольно-смесительного устройства; математическими моделями в виде уравнений регрессии, позволяющими получить рациональные конструктивные и технологические параметры устройства при помоле и смешении.
Практическая значимость работы представлена конструкцией помольно-смесительного устройства с вертикальными роторами рациональных конструкций, применяемых как для помола, так и для смешения материалов; анализом напряженного состояния элементов роторов; определением рациональных режимов работы устройства при помоле и при смешении, позволяющими повысить качество готового продукта.
Практические результаты работы защищены авторскими свидетельствами и патентами. Теоретические и экспериментальные исследования используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ кафедры механического оборудования БГТУ
им. В.Г.Шухова.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались на: III Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» - Губкин 2010 г., X Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2010» – Белгород, 2010 г. и Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс». – Губкин, 2012 г.
Реализация работы.
Опытный образец смесителя апробирован в условиях ОАО «Стройматериалы» в технологическом процессе приготовления сухой смеси декоративной штукатурки. Результаты испытаний по помолу пигмента и смешению компонентов декоративной штукатурки в предлагаемом устройстве обсуждались на техническом совещании ОАО «Стройматериалы». Принято решение о проектировании и изготовления опытно-промышленного образца в условиях ОАО «Стройматериалы» с объемом рабочей камеры 30 л.
Публикации. По результатам работы опубликовано 8 печатных работы, в том числе 2 в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, получены 3 патента на полезную модель Российской Федерации № 98151, № 104871 и № 111030, свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ №2011614029.
Автор защищает.
-
Выражения для определения сил действующих на загрузку в помольно-смесительном устройстве.
-
Уравнения для расчета мощности на преодоление сил сопротивления перемещению загрузки.
-
Аналитические выражения позволяющие произвести расчет объемной и весовой производительностей.
-
Регрессионная модель, определяющая влияние основных факторов на средний размер частиц готового продукта при помоле.
-
Регрессионная модель, определяющая влияние основных факторов на коэффициент неоднородности смеси при смешении.
-
Регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов на мгновенную мощность, затрачиваемую на помол и смешение.
Структура и объем работы.
Анализ современных конструкции смесительного оборудования
Свойства смесей во многом зависят от качества и свойств окрашивающих их пигментов, поэтому к пигментам предъявляют особые требования по стойкости к щелочам, солнечному свету и атмосферным воздействиям. Пигменты должны обладать высокой красящей способностью и оказывать слабое влияние на физико-механические свойства смесей [22].
Пигменты для получения цветных смесей подразделяют на: синтетические, природные минеральные, красковые руды и органические. В технологии получения декоративных сухих строительных смесей и цветных бетонов основной объем потребления составляют неорганические пигменты [1]. В строительной индустрии почти все применяемые неорганические пигменты представляют собой соединения железа [23].
Такие неорганические пигменты окрашены: при наличии в них катиона Fe2+ (очень слабого хромофора) – в светлый зеленовато-желтый цвет, а при наличии катиона Fe3+ (сильно-хромофора) – в буро-красный или желто-бурый цвет. Совместное присутствие ионов Fe2+ и Fe3+ вызывает сине-черное окрашивание. Это является причиной существования целого класса неорганических красящих веществ – железоокисных пигментов, имеющих широкую цветовую гамму. Между химическим составом и цветом железоокисных пигментов существует определенная зависимость, а именно: желтые пигменты являются гидратами оксида трехвалентного железа Fe2O3Н2О; красные – оксидами трехвалентного железа Fe2O3; черные – ферритами железа Fe3O4 (FeOFe2O3); коричневые – смесью желтых и красных пигментов.
Пигмент, поступающий на рынок, под названием «зеленый железо-окисный пигмент» представляет собой продукт помола механической смеси, состоящей из 90% желтого железоокисного пигмента и 10% голубого фтало-цианинового пигмента. Химический состав пигмента обусловливает такие его свойства, как термостойкость, коррозионную и химическую устойчивость, цвет. Железоокисные пигменты обладают высокой укрывистостью и красящей способностью, они устойчивы к действию света, солей, слабых кислот и щелочей. Благодаря этим свойствам, железоокисные пигменты обеспечивают стойкое окрашивание продуктов гидратации портландцемента.
Эти свойства обусловливают повсеместное применение железоокисных пигментов в производстве. Пигменты используют, когда выпускают декоративные сухие строительные смеси. Кроме того, с их помощью производят и цветной цемент, а также декоративные бетоны. Для получения сухой смеси заданного эталона цвета железоокисные пигменты вводят в количестве 3–15% от веса цемента. Дисперсность железоокисных пигментов во много раз выше дисперсности портландцемента, поэтому увеличение указанной концентрации приводит к резкому повышению водопотребности смеси (до 32%), что способствует повышению пористости цементного камня и сопровождается сбросом прочности при затвердевании камня на 20% и выше. Уменьшение - вызывает снижение интенсивности окраски смеси. Введение железоокисных пигментов в сухую строительную смесь в указанных пропорциях не оказывает существенного влияния на сроки схватывания цемента и кинетику нарастания прочности, если цемент является нормально схватывающимся. При этом начало схватывания наступает не ранее 45 минут, а конец - не позднее 10 часов с момента затворения.
Эффективность применения пигментов с высокой красящей способностью зависит от технологических характеристик оборудования, используемого для производства декоративных сухих строительных смесей и бетонов. Для достижения высокой степени гомогенизации малого количества пигмента в большой массе смеси требуется энергонапряженное оборудование с высокой скоростью перемешивания.
Очень важным показателем при выборе пигмента является его укрывистость. Укрывистость выражается через расход весового количества пигмента на единицу поверхности (г/м). Укрывистость определяет экономическую эффективность использования того или иного пигмента. На практике лучше использовать качественный более дорогой пигмент, но в меньшем количестве, чем дешевый пигмент с большим расходом на весовую часть цемента.
На красящую способность пигмента влияет главным образом его химический состав и дисперсность. С увеличением дисперсности пигмента его интенсивность (красящая способность) увеличивается. По ГОСТ 8135-74 размер частиц пигмента "сурик железный" должен быть от 2 до 20 мкм, что обеспечивает наилучшую укрывистость.
Определение нормальной силы, действующей на загрузку в относительном движении
Целью настоящих исследований является разработка и исследование помольно-смесительного устройства для повышения эффективности и качества готовых продуктов процессов помола и смешения материалов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Провести анализ помольного и смесительного оборудования для получения декоративных сухих строительных смесей. 2. Разработка помольно-смесительного устройства. 3. Аналитические исследования кинематики и динамики движения загрузки при помоле и смешении материалов. 4. Получение выражений для расчета сил сопротивления действующих на загрузку и мощностей для их преодоления при помоле и смешении. 5. Получение выражений для расчета производительности устройства при помоле и смешении материалов. 6. Анализ узловых напряжений и перемещений элементов роторов. 7. Получение экспериментальных уравнений регрессий процессов тонкого помола и смешения материалов в зависимости от технологических параметров, с целью определения рациональных режимов работы устройства с наибольшей производительностью и минимальными энергетическими затратами. 8. Разработать рекомендации и документацию для промышленного внедрения помольно-смесительного устройства периодического действия.
1. Установлено, что для повышения эффективности процесса смешения компонентов необходимо организовать движение загрузки по возможно наибольшей траектории, а при помоле необходимо организовать такое движение загрузки, при котором можно обеспечить наибольшее количество точечных контактов, что даст возможность увеличить истирающее воздействие на измельчаемый материал.
2. Анализ существующих конструкций помольно-смесительного оборудования показал, что эффективными, как для процесса помола, так и для смешения, являются устройства с вертикальными роторами.
3. Предложено устройство комбинированного типа со сменным рабочим органом, предназначенное как для помола, так и смешения сухих порошков.
Предлагаемое помольно-смесительное устройство имеет различные технологические параметры при использовании его отдельно, как помольное или как смесительное. Поэтому необходимо произвести теоретические исследования изменения технологических параметров при использовании его по выше названным назначениям.
Для того чтобы определить мощность, затрачиваемую на помол или смешение, как одного из технологических параметров, необходимо учесть в первую очередь мощность, затрачиваемую на преодоление сил сопротивления, действующих на загрузку, а также кпд привода. Один из способов определения сил базируется на принципах механики сплошной среды. Для этого необходимо рассмотреть кинематику загрузки при помоле и при смешении материалов, в исследуемом устройстве.
Анализ кинематики загрузки в камере помольно-смесительного устройства Объяснить механические процессы, происходящие внутри рабочей камеры можно используя принципы механики сплошной среды [77], для этого принимаем следующие допущения:
1. Рассматриваемая среда однородна по всему объему.
2. Частота вращения мешалки является постоянной, что соответствует установившемуся режиму работы устройства и движения среды.
3. Точкой отсчета является ось симметрии корпуса, движение частиц в этой системе отсчета принимается за относительное. При использовании устройства для помола перемещается смесь мелющих тел и материалов, а при смешении - смесь компонентов. При этом, удельный вес загрузки в первом случае отличается примерно в 2-3 раза, в зависимости от материала мелющих тел (удельный вес металлических мелю 3 3 щих тел равен 7800 кг/м , а из уралита равен 3500 кг/м ). Предположим, что для наилучшего процесса смешения компонентов необходимо организовать движение загрузки по возможно наибольшей траектории (рис 2.1, б), а при помоле необходимо организовать такое движение загрузки, при котором можно обеспечить наибольшее количество точечных контактов, что даст возможность увеличить истирающее воздействие на измельчаемый материал (2.1, а). Это можно обеспечить различными конструкциями мешалки.
На основании выше изложенного примем расчетные схемы для помола (рис. 2.1, а) и для смешения (рис. 2.1, б). Рассмотрим кинематику движения материальной точки М вокруг оси неподвижной камеры OY [78]. Введем оси координат X, Y, Z, причем начало координат совместим с центром окружности в нижней плоскости камеры (днищем), а ось Y направим по оси симметрии камеры.
Предположим, что точка М совершает движение по сложной траектории, представляющую собой движение по эллипсу в плоскости X101Y1, которая со временем поворачивается на некоторый угол по окружности радиусом Г] [79].
План многофакторного эксперимента
1. На основании анализа кинетики загрузки были построены расчетные схемы сил действующих на материальную точку загрузки при помоле и при смешении, получены уравнения сил Fnr ,Fr ,Fne,Fe ,Fc и мощностей Pnr ,Pr ,Pne,Pe,Pc на преодоление сил сопротивления, зависящие от геометрических и технологических параметров устройства. 2. Анализ графиков зависимости величины сил при помоле и смешении от числа оборотов привода показал что: силы сопротивления перемещению загрузки при помоле больше, чем при смешении, это объясняется тем, что удельный вес загрузки при помоле в 2 раза больше, чем при смешении.
3. Анализ графиков мощностей, затрачиваемых на помол и смешение, показал, что: - при смешении 81% затрачиваемой мощности тратится на преодоление нормальной силы в относительном движении (48%) и силы Кориолиса (33%), а при помоле - на преодоление сил в относительном перемещении 57 % и на преодоление сил в переносном перемещении и силы Кориолиса 43 %. Из этого следует, что при смешении мощность тратиться в основном на перемещение загрузки к центру рабочей камеры, а при помоле на измельчение материала во всем объеме, что обеспечивает предлагаемые схемы расчета сил; - общая мощность, затрачиваемая на перемещение загрузки, при помоле, в исследуемом устройстве меньше, чем у аттритора в 1,8 раз, и в 1,7 раз меньше, чем мощность затрачиваемая на смешение рамной мешалкой. Это позволяет сделать вывод о целесообразности применения разрабатываемого устройства как для помола, так и для смешения материалов.
4. Получены теоретические выражения объемной и массовой произво-дительностей, зависящие от геометрических (высота H0 и радиус R0 рабочей камеры) и технологических (времени помола, плотности используемых материалов загрузки, коэффициент загрузки устройства) параметров помольно-смесительного устройства.
5. Анализ узловых напряжений роторов для помола и для смешения показал, что наибольшие напряжения (3,07310-5 Н/мм2) возникают в месте крепления вала с диском, при этом вал работает на срез и имеет достаточно большой коэффициент запаса прочности ([]/мах = 5,74).
6. Анализ узловых перемещений показал что: - для ротора используемого при помоле, при достижении максималь ных усилий возможна деформация в центре диска вертикально вниз, при этом перемещения распространяются на места крепления скоб к диску, причем скобы расположенные ближе к центру имеют большие перемещения, чем на краях, что нужно учитывать при проектировании промышленных образцов. Максимальные перемещения для стали Ст3, из которой изготовлены детали ротора, составляют 2,45110-8 мм, следовательно, конструкция ротора имеет достаточную жесткость; - для ротора используемого при смешении, при достижении максимальных усилий происходит деформация диска, при этом наблюдается прогиб со стороны крепления лопатки максимальной длины и выгибание диска со стороны крепления лопатки минимальной длины, что нужно учитывать при проектировании промышленных образцов. Максимальные перемещения наблюдаются в местах крепления всех лопаток и составляют 4,44910-9 мм, следовательно, конструкция ротора имеет достаточный запас жесткости.
Основные положения подготовки и проведения экспериментальных исследований
Планирование эксперимента – это оптимальное управление экспериментом в условиях неполной информации о механизме процесса. Главная цель планирования эксперимента состоит в раздельной оценке эффектов в многофакторной ситуации. Планирование экспериментов позволяет, используя минимальное число опытов, выбрать те условия, которые оптимизируют выходные параметры. При этом в первую очередь необходимо исследовать влияние наиболее существенных факторов на процессы внутри рабочей камеры, не усложняя метод экспериментирования и анализа полученных данных экспериментов[96-101].
Для получения продукта требуемого качества конструкция помольно-смесительного устройства должна обеспечивать соответствующий характер силового воздействия на исходные материалы. При проведении экспериментальных исследований, необходимо установить какими технологическими параметрами и характеристиками машины можно получить готовый продукт требуемого качества.
В соответствии с целью работы и поставленными задачами, программа проведения экспериментальных исследований включает в себя следующие направления: - разработка и изготовление экспериментальной установки для изучения параметров, влияющих на протекание процессов измельчения и смешения; - выбор плана проведения многофакторного эксперимента и интервалов варьирования исследуемых параметров; - выбор критериев оценки, характеризующих эффективность процессов помола и смешивания; - определение факторов, влияющих на эффективность работы помольно-смесительного устройства; - проведение экспериментальных исследований и получение данных, необходимых для построения математических моделей; - определение показателей качества получаемого продукта. Исследование процессов, протекающих в помольно-смесительном уст ройстве периодического действия, проводилось в четыре этапа:
1. Оценка характера перемещения загрузки в рабочей камере при различных конструкциях ротора.
2. Экспериментальные исследования измельчения сырья для производства железного сурика с изменением основных факторов влияющих на помол: размера мелющих тел, отношения объема мелющих тел к общему объему загрузки, частоты вращения ротора.
3. Экспериментальные исследования по смешиванию компонентов сухой смеси, имеющих разные размеры частиц в помольно-смесительном устройстве с предлагаемой конструкцией ротора, с целью определения влияния на показатели эффективности ее работы следующих факторов: времени смешения, частоты вращения ротора и коэффициента загрузки рабочей камеры смесителя.
4. Экспериментальные исследования влияния частоты вращения мешалки и коэффициента соотношения компонентов загрузки на затрачиваемую мощность устройства при помоле и при смешении.
Исследование влияния основных параметров на процесс помола железоокисных пигментов
Полученные порошки пигмента, в результате проведенных промышленных исследований, использовались при производстве опытной партии декоративной штукатурки. Результаты проведенных исследований показали, что порошки пигмента, полученные в помольно-смесительном устройстве, являются более предпочтительными при производстве декоративной штукатурки. Повышение степени измельчения материала пигмента до размера меньше 20 мкм (более 94,9 %), позволило улучшить качество получаемой строительной смеси, что проявляется в увеличении яркости цвета декоративной штукатурки, что в свою очередь снижает потребность в объеме используемого пигмента, существенно удешевляя смесь, при тех же условиях изготовления. Качество полученных смесей соответствует ГОСТ Р 54358-2011.
Определение гранулометрического состава, получаемых в помольно-смесительном устройстве, порошков пигмента производилось с использованием лазерного анализатора. Результаты испытаний приведены в приложении А.
Технологические процессы, осуществляемые при производстве сухих смесей: хранение порошков, дозирование, сушка, грохочение, размол, аспирация, пневмотранспорт, упаковка, отгрузка – аналогичны процессам, реализуемым при производстве цемента и других вяжущих веществ.
С учетом проведенных испытаний предложено использовать помольно-смесительное устройство в помольно-смесительном комплексе включающем в себя: дозатор, помольно-смесительное устройство периодического действия, ленточный конвейер, устройство для фасовки продукта в клапанные мешки, для фасовочной установки требуется компрессор (расход воздуха 300 л/м, давление от 4 атмосфер).
Дозатор весовой ДВ - 800 (рис. 5.2) предназначен для накопления, взвешивания и выгрузки сыпучих материалов крупностью до 5 мм с температурой до 50С при температуре окружающей среды от 5С до 60С. Состоит из приемного бункера, установленного на тензометрических датчиках силы, и рамы. На выходе приемного бункера расположен дисковый затвор, управляемый пневмоприводом. В состав весового дозатора входит также электронный прибор управления взвешиванием. Наполнение приемного бункера компонентами от одного до четырех производится питателями поочередно.
Все части агрегата собраны на вертикальной стойке 1, установленной на раме 2. Фасуемый материал из расходного бункера самотеком поступает в дозатор 5, снабженный верхними и нижними поворотными заслонками, управляемыми пневмоцилиндрами. Перед началом фасовки открываются верхние заслонки и материал заполняет объем дозатора, после этого верхние заслонки закрываются, а нижние открываются и доза материала высыпается в мешок, установленный на столе 3 и закрепленный с помощью прижимов 4 на приемной горловине. После заполнения мешка материалом зажимы на приемной горловине расходятся, мешок вручную снимается с горловины и зашивается скрепками с помощью пневмопистолета ПП-5. Агрегат обслуживается одним оператором.
Данное устройство это простой и дешевый способ фасовки и упаковки материала. Отсутствие в агрегате электроприводов снижает стоимость производства и эксплуатации агрегата и обеспечивает взрывобезопасность. Возможность переналадки позволяет использовать агрегат для сыпучих материалов с различным насыпным весом и другим способом упаковки мешков. Техническая характеристика:
Описание технологического процесса: рабочий загружает компоненты смеси в приемный бункер дозатора. Материалы из дозатора в заданном объеме загружаются в помольно-смесительное устройство, где происходит помол либо смешение компонентов (в зависимости от требуемой технологической операции). Затем через разгрузочное устройство готовая смесь разгружается на ленточный конвейер и подается в приемный бункер фасовочной установки. Фасовка готового продукта в бумажные мешки осуществляется вручную оператором линии. Запечатанные мешки оператор укладывает на поддон, который впоследствии отвозится на склад готовой продукции.
Экономический эффект от внедрения помольно-смесительного устройства периодического действия, при получении декоративной штукатурки, составит около 350 тыс. руб. т.к. качество получаемого пигмента позволяет снизить концентрацию пигмента в смеси на 10 % при сохранении качества и характеристик получаемого продукта.