Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ процесса приготовления бетонных смесей и конструкций бетоносмесителей 7
1.1. Технология процесса приготовления бетонных смесей 7
1.2. Пути интенсификации процесса смешивания 15
1.3. Обзор и анализ процесса вибросмешивания и конструкций вибрационных смесителей 22
1.4. Постановка задач исследований 42
Глава 2. Методы моделирования процессов смешивания 45
2.1. Обзор методов моделирования 45
2.2. Моделирование рабочего процесса в гравитационном вибросмесителе 48
Глава 3. Исследование рабочего процесса гравитационного вибросмесителя 56
3.1. Описание экспериментального смесителя и задачи производственных испытаний 56
3.2. Проверка надежности вибросмесителя 60
3.3. Исследование передачи вибрации на корпус вибросмесителя 65
3.4. Исследование процесса смешивания 67
Глава 4. Методы проектирования гравитационного вибросмесителя 83
4.1. Расчет основных параметров гравитационного вибросмесителя 83
4.2. Расчет уравновешенного эксцентрикового вибровозбудителя 87
4.3. Расчет экономической эффективности 99
Основные выводы и результаты работы 105
Литература 107
- Пути интенсификации процесса смешивания
- Моделирование рабочего процесса в гравитационном вибросмесителе
- Исследование передачи вибрации на корпус вибросмесителя
- Расчет уравновешенного эксцентрикового вибровозбудителя
Пути интенсификации процесса смешивания
Мало также влияние сепарации. Скорость процесса в это время зависит от характера движения потоков частиц в смесителе. После того как компоненты в основном будут распределены по рабочему объему смесителя tKOm , процессы конвективного и диффузионного смешивания становятся сопоставимыми по их влиянию на общий процесс. Перераспределение минеральных компонентов и вяжущего идет уже на уровне микрообъемов (микросмешивание).
Начиная с некоторого момента, процесс диффузионного смешивания становится преобладающим (II участок кривой). Заметное влияние в это время начинает оказывать процесс сепарации. В определенный момент времени tonm два противоположных процесса - сепарации и смешивания -уравновешиваются. После этого дальнейшее смешивание не имеет смысла, так как качество смеси остается постоянным (III участок кривой). Скорость перераспределения отдельных частиц на участках II и III зависит не только от характера движения материала, но и от его структурно-реологических свойств: размера частиц, величины межфазной поверхности, сил сцепления и тл. Из графика (рис. 1.1) видно, что процесс смешивания подчиняется экспоненциальному закону [18, 55, 79, 83]: С = 1-е-»; C = Cmax(l-e-«), где С, Стах - текущая и максимальная степень смешивания; к - константа скорости смешивания, характеризующая процесс и зависящая от состояния смешиваемых материалов, конструкции смесителя и его кинематических параметров.
Для оценки скорости смешивания определенный интерес представляет классификация движений компонентов смеси в процессе ее приготовления. Для равномерного распределения компонентов смеси в общем объеме замеса им необходимо сообщить такие траектории движения, которые бы обеспечивали наибольшую возможность пересечения.
Движение частиц материалов в корпусе смесителя можно представить как сочетание поступательного и вращательного движения в пространстве в определенный момент времени. М.В. Буниным, И.М. Грушко, А.Г. Ильиным предложено классифицировать все способы смесеобразования по сложности движения массы смешиваемых материалов. на шесть классов - по числу координатных составляющих этого движения: три составляющих поступательного движения и три составляющих вращательного движения. Наименьшее число составляющих равно единице и соответствует I классу, когда поступательное движение смешиваемых материалов совпадает с какой-то координатной осью либо когда вращательное движение происходит в какой-то координатной плоскости. Наибольшее число составляющих движений равно шести и соответствует VI классу, когда движение смешиваемых материалов в пространстве является произвольным и состоит из поступательного и вращательного движений. Очевидно, что способы смесеобразования I класса не представляют практического интереса, ибо движение смешиваемого материала при одной составляющей создает лишь простой его перенос. Большие затруднения вызывает и применение на практике способов смесеобразования с шестью составляющими движениями (VI класса) из-за сложности возникающих конструкции, но наибольшего эффекта следует ожидать в бетоносмесителях более высокого класса.
Схемы смесителей свободного перемешивания: а) циклического действия; б) непрерывного действия В настоящее время по способу смесеобразования можно выделить два наиболее часто встречающихся типа смесителей [11, 90] - со свободным (гравитационным) и принудительным перемешиванием. Свободное перемешивание осуществляется в цилиндрическом барабане, вращающемся вокруг собственной оси. Дозированные компоненты смешиваются между собой за счет многократного попеременного поднятия их лопастями корпуса и свободного падения. Принудительное перемешивание осуществляется за счет вращающихся валов лопатками. Схемы типовых конструкций смесителей свободного и принудительного перемешивания показаны на рис. 1.2, 1.3. Стрелками обозначено движение отдельных объемов смешиваемой массы.
К достоинствам гравитационных смесителей относятся: простота конструкции, возможность работы на крупных заполнителях (свыше 100 мм), незначительный износ рабочих органов, малая энергоемкость, низкая стоимость изготовления, к недостаткам - возможность использования их только для приготовления пластичных (литых) бетонных смесей. На основании вышесказанного повышение интенсивности процесса смешивания бетонных смесей в гравитационных смесителях является весьма актуальным [72].
Достоинствами смесителей принудительного действия являются возможность производства жестких смесей, большая производительность, недостатками - ограничение применения заполнителей по крупности (до 40...70 мм) и более высокая, по сравнению с гравитационными смесителями, энергоемкость и металлоемкость. Общим недостатком смесителей свободного и принудительного перемешивания, несмотря на их широкое применение, является весьма слабое протекание диффузионных процессов смешивания на уровне микрообъемов.
Следует отметить также, что используемые в настоящее время бетоносмесители рассчитаны на приготовление разных по гранулометрическому составу смесей и не являются универсальными.
Анализ вышеперечисленных способов смешивания показывает, что по классификации М.В. Бунина и др. авторов их класс не превышает третьего. Отсюда ясно, какие большие возможности имеются для создания новых бетоносмесительных машин, позволяющих приготавливать более качественные бетонные смеси.
Моделирование рабочего процесса в гравитационном вибросмесителе
Известно, что корни этого уравнения образуют последовательность у{, z=l, 2, ..., и значения у1 возрастают с ростом і. Для отыскания этих корней можно решать уравнение (2.9) численно, заменяя функции J Q,N 0 их приближенными выражениями, см. [54].
Неравное тождественно нулю решение уравнения Бесселя (2.6) имеет вид: В силу линейности и однородности уравнения (2.1) и граничных условий (2.3) решением будет любая линейная комбинация этих решений, тогда: равномерному распределению компонента по объему смеси после длительного перемешивания.
Для анализа процесса перемешивания интерес представляет разность W(z,r,t)-UQQ и особенно слагаемое, убывающее со временем медленнее коэффициент неоднородности концентрации компонента в начальный момент времени; а - коэффициент скорости смешивания, характеризующий геометрические и кинематические параметры смесителя.
Так как теоретическое определение коэффициента скорости смешивания не представляется возможным, его предлагается получить на основе экспериментальных данных.
Коэффициент неоднородности Vt может быть определен коэффициентом вариации прочности, который используют для определения однородности смеси в производственных испытаниях.
Выражение (2.10) является математической моделью рабочего процесса вибросмесителя. Изменение коэффициента неоднородности смеси во времени имеет вид, изображенный на рис. 2.5, и характеризует кинетику процесса смешивания.
Определяя в процессе экспериментальных исследований уравнение кинетики процесса смешивания, необходимо установить, насколько оно верно для типовых геометрически подобных конструкций смесителей.
Известно, что для геометрически подобных конструкции смесителей время перемешивания пропорционально квадрату геометрической константы
Вибрационный смеситель (вид спереди) Конструкция вибросмесителя разработана на базе серийно выпускаемого на «Тюменском заводе строительных машин» гравитационного бетоносмесителя марки СБ-91Б с объемом готового замеса 500 л. Главным отличием экспериментального смесителя является, то что внутри смесительного барабана установлен вибровозбудитель (рис. 3.1, 3.2), который служит для передачи вибрационного воздействия на бетонную смесь. Устройство и принцип работы вибрационного смесителя приведены в главе 1.4.
Первоначальная конструкция вибровозбудителя [73] (рис. 3.3) состояла из корпуса вибровозбудителя (3), установленного на эксцентриковом валу (6). Первой опорой корпуса вибровозбудителя служил подшипниковый узел (4). В качестве подшипника применялся роликоподшипник радиальный двухрядный сферический № 3610 с предельным числом оборотов 330 рад/с, позволяющий компенсировать технологические неточности изготовления, с одной стороны, и обеспечить необходимый режим колебаний, с другой. Для смазки подшипника применялась пластичная смазка - жировой солидол с рабочей температурой 75 С. Второй опорой корпуса вибровозбудителя являлась резиновая муфта (2), которая выполняет также передачу крутящего момента от барабана (1) к вибровозбудителго и обеспечивает заданный режим колебаний. Для предотвращения передачи вибрации на корпус смесителя на валу были установлены противовесы (7, 8).
Первоначальная конструкция вибровозбудителя 1 - смесительный барабан; 2 - резиновая муфта; 3 - корпус вибровозбуди 4 - подшипник; 5 - втулка; 6 - эксцентриковый вал; 7, 8 - противовесы Техническая характеристика экспериментального вибросмесителя:
Согласно методам испытаний смесителей по ГОСТ 16349-88 [76] и требованиям к вибрационным машинам по ГОСТ 12.1.012-90 [19], СН 2.2-4/2.1.8.566-96 [60], а также в результате анализа предыдущих исследований определены следующие основные задачи производственных испытаний вибросмесителя:
Испытания проводились согласно ГОСТ 16349-88 [76] под рабочей нагрузкой в непрерывном режиме без выгрузки смеси. В качестве материала использовалась бетонная смесь без добавления воды. Отказ наступил после 30 часов непрерывной работы. Вышел из строя шатунный подшипник и эксцентриковый вал (рис. 3.4, 3.5), произошел прорыв резиновой прокладки (рис. 3.3, 3.6). Анализ поломок позволил выявить причины отказа. Наличие высоких температур в подшипниковом узле вибровозбудителя, что подтвердили исследования температурного режима (см. далее), привело к вытеканию консистентной смазки из подшипника. Прорыв резиновой прокладки произошел в результате существенных деформаций прокладки и постоянного взаимодействия со смесью. Последнее привело к попаданию в подшипниковый узел частиц смеси и заклиниванию подшипника.
Выполнение второго условия в новой конструкции вибровозбудителя (рис. 3.7) обеспечивает резиновая муфта, состоящая из резиновых прокладок (3, 4, 6, 7), фланца (1), стакана (2) и пальцев (5, 14). В качестве подшипника применяется роликоподшипник радиальный двухрядный сферический № 3612 с предельным числом оборотов 330 рад/с. Смазка подшипника осуществляется в масляной ванне, для чего дополнительно установлена манжета (12) и резиновая прокладка (13).
Исследование передачи вибрации на корпус вибросмесителя
Измерения уровня вибрации рамы смесителя проводились в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 [19], СН 2.2-4/2.1.8.566-96 [60]. Использовалась следующая измерительная аппаратура: измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М2 № 4875; IT ТВИЛ 01 ДМ - шумовиброинтегратор логарифмирующий; датчик трехкомпонентныи, измеряющий среднеквадратичное амплитудное значение ускорения колебаний по трем направлениям (оси X, Y, Z). Датчик устанавливался на раме вибросмесителя (рис. 3.10).
Измерения проводились при наличии смеси в двух режимах: опыт № 1 -вибратор включен, барабан не вращается; опыт № 2 - включены оба привода, вибратора и вращения барабана. Обработанные результаты испытаний представлены в табл. 3.2, а также в протоколе измерения параметров вибрации (Приложение 2). На рис. 3.11 представлена фотография вибросмесителя в процессе вибросмешивания, которая наглядно показывает уровень вибрации на раме.
Максимальный уровень вибрации рамы смесителя составил 5,45 м/с , что соответствует требованиям к точности балансировки технологического оборудования по ГОСТ 22061-76 [57]. В результате измерений уровня вибрации, передаваемого на окружающую среду, установлено, что превышения допустимых значений по ГОСТ 12.1.012-90 нет - это позволяет сделать вывод о вибрационной безопасности смесителя.
Гравитационные смесители предназначены для приготовления подвижных и мало подвижных бетонных смесей с водоцементным отношением от 0,5 до 0,7 и осадкой конуса от 3 до 12 см. Для оценки качества смешивания использовались как подвижные, так и жесткие бетонные смеси, приготавливающиеся в принудительном роторном бетоносмесителе типа СБ-93 на «Тюменском заводе железобетонных изделий» (ТЗЖБИ). Составы бетонных смесей взяты в соответствии с нормами расхода материалов ТЗЖБИ (Приложение 3):
Объемный вес - 2530 кг/м3. Загрузка дозированных компонентов в смеситель осуществлялась вручную. Для сравнения результатов перемешивания использовался серийный смеситель СБ-91Б, при этом привод на вибровозбудитель экспериментального смесителя отключался.
В качестве основных определяемых характеристик бетонной смеси приняты прочность бетона на сжатие, коэффициент однородности прочности бетона (1.1) (коэффициент вариации) и удобоукладываемость. Для анализа процесса смешивания отбор проб производился в различные моменты времени на протяжении процесса приготовления бетонной смеси. По истечении заданного времени смеситель останавливался и производился отбор проб в специальную форму. Полученные контрольные образцы испытывались в соответствии с ГОСТ 10180-90 [12].
Удобоукладываемость смеси определялась по показателям подвижности (осадка конуса - ОК) и жесткости (Ж) бетонной смеси в соответствии с ГОСТ 10181.1-81 [75]. Использовался стандартный конус и технический вискозиметр. На рис. 3.14 показано испытания смеси стандартным конусом. Данные результатов подвижности и жесткости представлены в журналах испытаний бетонных смесей (Приложение 1, табл. 2, 3, 6).
Твердение контрольных образцов проводилось в естественных условиях в течение 28 суток в соответствии с ГОСТ 18105-86 [14].
Контроль прочности образцов на сжатие производился двумя методами: 1. По истечении 7-ми суток твердения испытания проводились методом неразрушающего контроля по ГОСТ 22690-88 [13]. В качестве характеристики прочности принято значение параметра ударного импульса. Использовался прибор измерения прочности ударного действия ИПС-МГ4 (рис. 3.15).
Данные результатов испытаний представлены в табл. 2...8 приложения 1. Обработанные результаты испытаний приведены ниже в графическом виде. Математическая обработка данных, получение аналитических зависимостей и построение графиков осуществлялось с помощью известных методик обработки результатов экспериментов [31, 32, 37], программ «Microsoft Excel» и «Statistika».
Полученная зависимость подтверждает положение о росте прочности бетона при снижении водоцементного отношения [21].
Данные статистического расчета представлены в приложении 5. Из выборки статистических данных (приложение 1) исключены результаты измерений прочности при перемешивании в серийном смесителе жесткой бетонной смеси № 3, т. к. проектная прочность не была достигнута. Коэффициент корреляции Спирмена (І?) составляет 0,92. Средняя погрешность расчета прочности равна 9,1 %.
Следует отметить, что используя установленные зависимости (3.1), (3.2) и (3.3) можно сократить экспериментальные исследования для определения прочности и коэффициента однородности прочности бетона, приготовленного в экспериментальном смесителе, определив коэффициент интенсивности смешивания этого смесителя.
Пользуясь, зависимостями (3.2) и (3.3) можно, с одной стороны, определить необходимое (минимальное) время смешивания для получения заданного коэффициента вариации и проектной прочности, с другой стороны, можно, увеличивая время смешивания, получить минимально возможный (наилучший) коэффициент вариации и, тем самым, повысить прочность бетона либо сократить расход цемента [15].
Применять полученные зависимости рекомендуется для предварительного (прогнозируемого) расчета времени смешивания и прочности бетона. При использовании других типоразмеров гравитационных вибросмесителей, чем в данной работе, численные коэффициенты, входящие в расчетные формулы, необходимо уточнить экспериментальным путем.
Расчет уравновешенного эксцентрикового вибровозбудителя
Главным параметром гравитационных смесителей циклического действия является объем готового замеса (V), который может быть представлен следующим рядом: 65, 165, 330, 500, 800, 1000 литров.
Между объемом готового замеса и объемом сухих компонентов (Узаг), загружаемых в барабан, существует зависимость: V = kVзаг , где к -коэффициент выхода смеси равный от 0,65 до 0,7 для бетонных смесей и от 0,85 до 0,95 для растворов. Геометрический объем барабана (К,) принимается в
В основу расчета геометрических параметров положена методика Б.И. Ушакова для гравитационных бетоносмесителей. Основные геометрические размеры определяются в зависимости от требуемого объема загрузки смеси.
Геометрическую форму барабана, представленную на рис. 4.1, рекомендуется определять по следующим зависимостям [3]:
Форма лопастей плоская, угол установки горловинной лопасти к продольной оси барабана - 20, донной лопасти - 40. Высота лопасти (hx) является величиной переменной по ее длине и определяется допустимым размером перекрытия слоя смешиваемых материалов: hx =(0,17...0,25)1) , где
Dx - диаметр сечения барабана, в котором определяется высота лопасти. Зазор между лопастями и корпусом барабана составляет 1,5... 2 размера максимальной фракции смешиваемых материалов. Частота вращения барабана определяется РІЗ условия влияния центробежных сил, прижимающих смесь к стенкам барабана. На практике используют приближенную формулу [3]: О) = 2/. jD2 , где (О - частота вращения барабана, рад/с.
Мощность двигателя определяется по формуле: N = {Л +N2)lf], где соответственно мощности, потребляемые на вращение барабана и вибровозбудителя; rj - КПД привода. Мощность Nl=GR(D, где G - вес смеси; R - расстояние от оси вращения до положения центра тяжести смеси в барабане при его вращении, Л = (0,2...0,3) 2(рис.4.2).
Мощность, потребляемая вибровозбудителем N2, включает две составляющие: N2=N2i+N22, где N2i и N22 соответственно мощность, расходуемая на повышение степени смешивания, и мощность, расходуемая на трение в подшипниках.
Мощность N22, расходуемая на трение в подшипниках, определяется по следующей формуле: N22-PRCorf, где PR - радиальная нагрузка в подшипнике (4.3); г - радиус внутреннего кольца подшипника, / - приведенный коэффициент трения, который рекомендуется принимать равным от 0,01 до 0,02.
Мощность N2i, расходуемая на повышение степени смешивания, зависит от следующих параметров: А, со - соответственно амплитуды и частоты колебаний; F - площади вибрирующей поверхности; V - объема смеси; р -плотности смеси, g - ускорения свободного падения.
С помощью метода анализа размерностей получено критериальное уравнение мощности Л у [49]: - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально.
Для определения коэффициентов проведены измерения расхода мощности вибровозбудителя (использовался аналоговый измеритель мощности CDA 778 N) при изменении частоты колебаний (aS) и объема загрузки смеси (Узаг)- Эксперимент спланирован в виде матрицы 2x4. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.1.
Регрессионный анализ экспериментальных данных, проведенный с помощью программы "Statistika", позволил установить зависимость определения мощности N2i, расходуемой на вибрирование смеси: N 10 3 рю 3A
Данные статистического расчета представлены в приложении 4. Средняя погрешность расчета мощности по формуле (4.1) равна 2,5 %, коэффициент корреляции Спирмена R составляет 0,99.
Расчет уравновешенного эксцентрикового вибровозбудители Эксцентриковые вибровозбудители относятся к вибровозбудителям с кинематическим возбуждением колебаний также как и кривошипно-шатунные. В конструкциях уравновешенных эксцентриковых вибровозбудителей принудительные колебания корпуса осуществляются за счет использования плоской кинематической вращательной пары выполненной в виде колена (кривошипа либо эксцентриковой втулки), как показано нарис. 4.3.
