автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование и создание малогабаритных циклических растворосмесителей принудительного действия

Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов

УДК. 621.929.2

На правах рШсописи

Почупайло Борис Иванович

Исследование и создание малогабаритных цикличных растворосмесителей принудительного

действия.

05.02.13 Машины и агрегаты (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Богданов В. С.

г. Белгород, 1999 г.

Содержание

стр.

Введение 4

1. Предпосылки создания цикличных смесителей с улучшенной энергетической эффективностью 9

1.1. Методики расчета энергетических показателей бетоносмесителей 9

1.2. Анализ методик расчета удельного расхода энергии смесителей цикличного принудительного действия 12

1.3. Выбор объектов исследования 23

1.4. Состояние и направления развития смесительного оборудования 26

1.5. Цель и задачи исследований . 30

1.6. Выводы 31

2. Расчет конструктивных, технологических и энергетических параметров циклического бетонораствороемееителя принудительного действия 33

2.1. Определение угла установки лопасти вертикального ротора смесителя 33

2.2. Расчет производительности и частоты вращения ротора 43

2.3. Условия образования ядра уплотнения смеси перед лопастью и его влияние на КПД лопасти 54

2.4. Методика определения потребляемой мощности и полного

КПД цикличного смесителя принудительного действия 65

2.5. Определение КПД лопастного ротора цикличного смесителя принудительного действия 77

2.6. Выводы 80

3. Исследование технологических и энергетических показателей

цикличного смесителя принудительного действия 82

3.1. План, программа экспериментов, обработка результатов измерений, определение масштаба модели 82

3.2. Исследование коэффициентов внутреннего трения бетона и

трения бетонной смеси по стали 85

3.3. Исследование процесса образования ядра уплотнения перед лопастью и его перемещения вдоль поверхности лопасти 91

3.4. Влияние режимов работы смесителя на его энергетические показатели 101

3.5. Выводы 120 4. Практическая реализация результатов исследований 121

4.1. Методика расчета конструктивных, энергетических параметров цикличных смесителей принудительного действия 121

4.2. Экономическая эффективность использования модернизированного цикличного смесителя принудительного действия 134

5. Общие выводы 140

6. Литература 142

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время существенно возросли объемы индивидуального строительства. Анализ сметы расходов показывает, что стоимость бетона и раствора, используемых на фундамент, кирпичную кладку, штукатурку составляет около 30% стоимости коттеджа. Стоимость раствора и бетона, приготовленных на стройплощадке в 2-3 раза меньше их стоимости при получении с заводов ЖБИ или централизованных БРУ.

Наиболее целесообразно на таких объектах использовать комбинированные

О

растворобетоносмесители циклического действия с объёмом смеси 0,1-0,2 м с установленной мощностью не превышающей 10 кВт, что упрощает электроснабжение в условиях новостройки.

При этом смеситель должен без замены рабочего органа достаточно эффективно приготавливать бетонные смеси и растворы, обладать высокой эксплуатационной надёжностью, быть простым в управлении и обслуживании, иметь минимально возможный удельный расход энергии.

Известные, серийно выпускаемые цикличные растворобетоносмесители не удовлетворяют вышеуказанным требованиям, а существующие методики их испытаний и расчёта не обеспечивают определения эффективной установочной мощности привода.

В связи с этим целью настоящей работы ставится создание и внедрение в промышленность комбинированного малогабаритного цикличного растворобетонос-месителя принудительного действия; разработка методики расчета его конструктивных, технологических и энергетических основных параметров. В ходе исследований необходимо решить следующие задачи: теоретически исследовать процесс взаимодействия рабочего органа смесителя с перемешиваемыми компонентами;

разработать методику расчета потребляемой мощности привода;

определить КПД рабочих органов растворобетоносмесителя;

рассчитать рациональный угол установки лопастей смесителя;

экспериментально исследовать энергетические и технологические параметры работы смесителя;

разработать рациональные конструктивные решения рабочего органа смесителя;

создать промышленный образец смесителя и опробовать результаты исследований в промышленных условиях.

Диссертационная работа направлена на совершенствование методов расчета энергетических параметров смесителей и совершенствование их конструкции на базе комплексного анализа известных математических моделей, описывающих работу смесителей в различных энергетических режимах.

Настоящая работа выполнялась на основе комплексного плана научных исследований Белгородской государственной технологической академии строительных материалов и Белгородского завода металлоконструкций (БЗМК).

Объектами исследований явились лабораторные и промышленные цикличные смесители, оснащенные различными рабочими органами, их математические модели, а также технологические процессы перемешивания.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты научных разработок в области приготовления растворов и бетонов, выполненные различными научными организациями и авторами [359].

При исследовании и разработке смесителя был использован системный подход к изучению и описанию всех значимых входных факторов, влияющих на исследуемые параметры. С этой целью были использованы методы физического и математического моделирования, математическая статистика, теория подобия и электронно-вычислительная техника.

В лабораторных и промышленных условиях проверялись теоретические выво-

ды работы, на основе этого определялись рациональные параметры конструкции смесителя и режимов его работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в работе подтверждается большим объемом экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, охватывающих все возможные режимы работы смесителя; применение современных методов измерений и статистических методов обработки результатов экспериментов.

Научная новизна работы заключается:

в теоретическом и экспериментальном исследовании адекватной математической модели, потребляемой мощности привода смесителя;

в аналитическом обосновании и экспериментальном исследований влияния ядра уплотнения на величину КПД лопасти смесителя;

в совершенствовании модели процесса цикличного перемешивания компонентов смеси;

в разработке методики расчета конструктивных, кинематических и энергетических параметров смесителей;

в создании патентно-чистых конструкций циклических растворо-бетоносмесителей с повышенной энергетической эффективностью.

Автор защищает следующие основные положения:

Математические модели, включающие формулы для определения рационального угла установки лопастей смесителя в условиях различной интенсивности процесса перемешивания с учетом величины загрузки барабана смесителя.

Методику расчета коэффициента полезного действия смесителя цикличного действия с принудительным перемещением лопастей.

Обобщенную модель расчета потребляемой мощности смесителя с учетом его конструктивных параметров и режимов работы.

Методику расчета кинематических, технологических и конструктивных параметров смесителя.

Практические результаты экспериментальных исследований, проведенных на новой патентно-чистой конструкции смесителя цикличного действия.

Практическая ценность работы.

Разработаны экспериментально подтвержденные аналитические методики расчета установочной мощности привода, полного КПД, конструктивных и кинематических параметров смесителя.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана рациональная конструкция цикличного смесителя с повышенной энергетической эффективностью.

Внедрение результатов работы.

Растворобетоносмесигели цикличного действия серийно выпускаются Белгородским заводом металлоконструкций. Методика расчёта основных конструктивно-технологических и энергетических параметров смесителя используется заводом изготовителем при проектировании и производстве смесителей; также аспирантами и студентами БелГТАСМ в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы.

Основные теоретические положения диссертации и её практические результаты обсуждались и получили одобрение на научных конференциях в БелГТАСМ (1995, 1997, 1998 г.) международной конференции по совершенствованию оборудования и технологии строительного комплекта (г. Полтава, 1996) на технических советах БЗМК (1994-97 г. г.) на заседаниях кафедры механического оборудования БелГТАСМ (1995-1997 г. г.) на технических советах объединения Белгород-промстрой (1994-1996 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 статей, получено 3 патента России.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы (137 наименований), приложений. Общий объём диссертации 152 страни-

цы, в том числе 130 страниц основного текста, 46 рисунков, 18 таблиц.

Работа выполнена на кафедре механического оборудования Белгородской государственной технологической академии строительных материалов под руководством доктора технических наук, профессора Богданова B.C.

1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ЦИКЛИЧНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ С УЛУЧШЕННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ.

1.1 Методики расчёта энергетических показателей бетоносмесителей.

В настоящее время благодаря научно обоснованным методам расчётов и исследований, с достаточной точностью определены КПД и потери на трение в силовых установках и передаточных механизмах. Этому способствовали глубокие исследования кинематики и динамики машин и механизмов [2, 3, 4, 44, 45, 46, 106], а также многочисленных потерь в механизмах и их КПД [11, 28, 42, 50, 51, 53, 83, 87, 88, 105, 108].

На основе существующих представлений о КПД разработаны методы определения КПД различных механических систем, для которых выведен ряд формул, позволяющих производить качественную оценку механизма или узла [15, 18, 19, 61, 85, 104].

Анализ выполненных исследований позволяет сделать вывод, что существующие методы позволяют определять КПД отдельных узлов и механизмов, но не позволяют определять КПД технологических машин в целом.

Исследование машинных агрегатов, как правило, производится на основании дифференциальных уравнений их движения, представленных в обобщенном виде [4]. Но множество силовых приводов и разнообразие рабочих органов машин при различных сочетаниях их механических характеристик в машинных агрегатах затрудняет составление таких дифференциальных уравнений, которые бы обобщали все возможные случаи совместной работы. В условиях нормальной эксплуатации механизмов [2] кинематические связи определяются не только известными основными показателями, но и большим числом второстепенных, случайных, неустранимых в практике факторов. Поэтому как отмечает А. В. Желиговский [27] "дифференциальные" уравнения движения машинных агрегатов в обобщённой

форме позволяют анализировать динамическое состояние механизма силовой передачи, но совершенно не дают связи между требующейся для привода агрегата мощностью и производительностью, а также не дают связи между необходимыми маховыми массами и массой обрабатываемого материала, на которую действует рабочий орган. Расчёт машинных агрегатов технологических машин надо начинать с изыскания наивыгоднейших механических условий, характера и численных значений параметров процесса полезного восприятия энергии материалом и в связи с этим подбирать способ механического воздействия рабочего органа на материал. Исследованию процессов работы оборудования для приготовления бетонных смесей посвящён ряд работ [59, 60, 62, 67, 110, 115].

При этом следует отметить, что процесс взаимодействия рабочей поверхности лопасти смесителя принудительного действия с перемешиваемыми компонентами исследован недостаточно полно, в основном исследованы потери на трение в механических передачах [22, 60, 67].

Д. М. Ярошев [108] осветил общие вопросы анализа работы строительных машин и механизмов энергетическим методом и изложил методику энергетической оценки их эксплуатационных качеств при организации технологического процесса. Однако в монографии Ярошева Д. М. не вскрыты источники потерь энергии, связанные с устройством узлов, деталей и рабочих органов, а также вызванные неправильной эксплуатацией машин.

Вопросам изучения явления трения твёрдых тел уделяется значительное внимание. Так, проф. И. В. Крагельский указывает [50], что важнейшими задачами современной науки о трении являются обобщение и систематизация данных о коэффициентах трения в конкретных условиях работы тех или иных кинематических пар механизмов, совершенствование известных, а также разработка новых методов моделирования трения. В работах Крагельского И. В. приводятся аналитические зависимости, а также содержатся экспериментальные данные по коэффициентам сухого и граничного трения твёрдых тел.

Проф. Соловьев А. И. [87] применил метод "энергетических потоков" для теоретического и экспериментального решения задач определения коэффициентов полезного действия механизмов и машин. Как указывает автор, один из путей экспериментального уточнения данных о КПД механизмов - это путь уточнения коэффициентов трения как функции скорости скольжения, давления, температуры и т. п., вводимых в аналитические выражения КПД получения сравнимых приведённых коэффициентов трения геометрически подобных механизмов и подшипниковых узлов с последующим введением их в формулу КПД механизмов, получения приведённых моментов трения, коэффициентов потерь и КПД типизированных механизмов и подшипниковых узлов.

Как видно из приведенных работ, коэффициенты трения твердых тел, коэффициенты трения в кинематических парах изучены достаточно подробно. Однако вопросы определения трения бетонных смесей изучены недостаточно полно.

В работе В. С. Мосакова [68] описаны результаты экспериментов по определению сил трения, возникающих при перемешивании неуплотненных бетонных смесей по металлической поверхности. Приведены экспериментальные данные о влиянии водоцементного отношения /В/Ц/, количества цементного теста на величину коэффициента трения и сцепления бетонных смесей. В зависимости от В/Ц и состава бетонной смеси величина коэффициента трения бетонной смеси по металлической поверхности находится в пределах от 0,085 до 2,216. Заниженные значения коэффициента трения объясняются тем, что автор, очевидно, пренебрегал силами трения бетонной смеси о боковые поверхности цилиндра. Кроме того, усилие, прикладываемое к тележке в момент ее сдвига и при установившемся движении, оставалось постоянным, что противоречит законам механики. Известно, что коэффициент трения покоя всегда больше, чем коэффициент трения движения.

В исследованиях К. М. Королева [49] была использована установка для определения коэффициента трения бетонной смеси по стали. Однако величины коэффициентов трения не приводятся, а утверждается, что с увеличением В/Ц нор-

мальное напряжение растет, а потом, пройдя максимум, оно уменьшается. Для определения касательных напряжений при перемещении бетонной смеси был использован вискозиметр Воларовича. Полученные значения касательных напряжений имеют погрешности результата измерений, в связи с тем, что при вращении ротора происходит как трение бетонной смеси по бетонной смеси (слоях смеси), так и трение бетонной смеси по стали.

В настоящее время существуют несколько методов обработки опытных данных, позволяющих находить корреляционные зависимости от многих факторов. К ним относятся методы теории подобия и размерностей, связанные с выбором критериев и выражением искомых зависимостей в критериальной форме. Планирование экспериментов производится таким образом, чтобы решение сложных систем уравнений со многими неизвестными сделать доступными даже для немеханизированного счета. Так, например, используется метод рандомизации, метод наискорейшего поиска, разработанный академиком Л. С. Понтрягиным [76], метод динамического программирования и др. Однако эти методы предназначены для таких процессов, при которых предстоит выяснить интересуемые закономерности, чтобы найти оптимальное решение. Поэтому нет смысла применять их там, где уже установлены основные законы и даны математические описания происходящих явлений. Вопросы поиска закономерностей в таких случаях отпадают, и нахождение оптимальных решений - это исследование известных функциональных зависимостей.