автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Обоснование конструктивных параметров и режимов работы смесительных агрегатов с внутренними виброактиваторами

На правах рукописи

ФИГУРА КОНСТАНТИН НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ С ВНУТРЕННИМИ ВИБРОАКТИВАТОРАМИ

Специальность: 05.02.13 -Машины, агрегаты и процессы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОПТ 2013

Братск 2013

005534170

005534170

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО Братского государственного университета Ефремов Игорь Михайлович

доктор технических наук, профессор кафедры «Транспортные и технологические системы» ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Кузьмичев Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Строительных и дорожных машин», директор научно-образовательного центра проблем транспорта и сервиса машин ФГБОУ ВПО Забайкальского государственного университета Озорнин Сергей Петрович

Ведущая организация:

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск

Защита состоится ¿ftae/V^AiP 2013 г. в

clD

_____часов на заседании диссертационного совета Д212.0^8.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» в ауд.-^Й^.

665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Для связи с секретарем могут быть использованы: факс (83953) 33-20-08, тел. (8-3953) 32-53-63, e-mail: efremov@brstu.ru.

Автореферат разослан /У 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, . я

кандидат технических наук, доценр^ л? Jo / J^jiM. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одной из ключевых проблем в строительной индустрии является проблема совершенствования оборудования, предназначенного для приготовления строительных смесей. Реалии современного строительного рынка предъявляют жесткие требования к технике, в частности к смесительному оборудованию. Одним из перспективных путей развития смесителей является применение вибрации, обеспечивающей повышение интенсивности рабочего процесса смешивания, в особенности, на стадии диффузионного смешивания. В то же время, имеется ряд проблем, препятствующих внедрению вибрационных смесителей: сложность применения существующих моделей поведения бетонных смесей при наложении вибрации для решения прикладных конструкторских задач, разрушающее воздействие вибрации на конструктивные элементы смесителя, высокие энергетические затраты на осуществление вибрационной обработки бетонной смеси, неэффективные режимы вибрирования.

Целесообразность применения вибрации в технологии бетона обоснована работами таких ученых как: акад. П.А. Ребиндер и И.Н. Ахвердов. Эффективность вибрационного перемешивания доказана в работах А.Е. Десова, JI.A. Файтельсона, Ю.Я. Штаермана, В.А. Кузьмичева, ГЛ. Кунноса, Б.Г. Скрамтаева, Н.Б. Урьева, к.т.н. K.M. Королева и др.

Актуальность исследования процесса виброперемешивания обусловлена возрастающим значением смесительного оборудования, применяемого для приготовления новых видов смесей с использованием отходов производства, смесей на основе составляющих различных по гранулометрии и удельному весу. Это говорит о том, что виброперемешивание обладает высоким потенциалом в поиске, производстве и систематизации различных конструкций вибросмесителей.

Применение вибрационного перемешивания позволяет интенсифицировать технологические процессы в гражданском и дорожном строительстве, что является важной задачей для социально-экономического развития Российской Федерации. Так, например, в соответствии с федеральной целевой программой «Жилище» на 2011-2015 гг., годовой объем ввода жилья к 2015 году должен составить 90 млн.кв. метров. В соответствии с федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)», доля протяженности автомобильных дорог общего пользования федерального значения, соответствующих нормативным требованиям, к 2015 г. должна достигнуть 46,7 процента. Кроме того, прирост количества сельских населенных пунктов, обеспеченных постоянной круглогодичной связью с сетью автомобильных дорог общего пользования по дорогам с твердым покрытием к 2015 г. должен составить 2,3 тыс. единиц. Также виброперемешивание находит применение для приготовления различных порошков и кормосмесей в животноводстве.

Таким образом, можно констатировать, что выбранное направление исследований, направленное на совершенство!зание конструкций и методов проектирования вибрационных смесительных машин, является актуальным.

Объектом исследования является принципиально новая конструкция вибрационного смесителя с виброактиватором наборного типа, защищенная патентами РФ № 2399486 и № 2413572.

Цель исследования: научное обоснование конструктивных параметров и режимов работы смесителей с внутренними виброактиваторами.

Задачи исследования:

1. поиск путей повышения эффективности бетоносмесительного оборудования на основе современного уровня развития технологии приготовления бетонных смесей с применением вибрации;

2. разработка и совершенствование конструкции вибрационных смесителей;

3. экспериментальное исследование, направленное на определение влияния параметров вибрации и геометрических характеристик смесителя на изменение динамической вязкости бетонной смеси;

4. развитие теоретических положений для расчета смесительных агрегатов с внутренними виброактиваторами;

5. определение влияния воздействия вибрации на эксплуатационную надежность предлагаемой конструкции смесителя в целом, так и виброактиватора

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и эмпирические методы. Полученные результаты базируются на основных положениях теории оболочек, применении методов вычислительной нелинейной гидродинамики, методов конечных элементов и конечных объемов. Достоверность полученных результатов подтверждается обработкой результатов методами математической статистики с использованием программных пакетов БТАТКПСА, Мар1е, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических данных с результатами эксперимента и данными, полученными в результате промышленной эксплуатации созданного вибрационного смесителя, а также с результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается двумя патентами РФ на изобретение.

На защиту выносятся:

1. результаты системного поиска путей повышения эффективности вибрационного бетоносмесительного оборудования;

2. разработанная автором конструкция бетоносмесителя с внутренним виброактиватором;

3. результаты вычислительных и натурных экспериментов, направленных на определение влияния вибрации и геометрических характеристик смесителя на изменение динамической вязкости бетонной смеси и прочности образцов готового бетона;

4. методика расчета динамической вязкости бетонной смеси в зависимости от геометрических характеристик смесителя и режимов вибрации;

5. экспериментальные данные и результаты численного моделирования, направленные на оценку влияния воздействия вибрации на эксплуатационную надежность предлагаемой конструкции смесителя в целом, так и виброактиватора.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. разработана математическая модель процесса взаимодействия виброактиватора с бетонной смесью, позволяющая с использованием гидрогазодинамического пакета Амув СРХ получить численное решение полной системы уравнений гидродинамики для нахождения значений динамической вязкости смеси в камере смешивания;

2. на основе теоретических и экспериментальных исследований обоснованы рекомендации по выбору оптимальных режимов вибрации и геометрических параметров смесителя;

3. в результате экспериментальных исследований установлено, что применение наборных виброактиваторов снижает негативное воздействие вибрации на конструкцию смесителя и окружающую среду;

4. исследования усталостной прочности виброактиваторов позволили определить предельные значения циклов нагружения в зависимости от наряженно-деформированного состояния, обеспечивающие надежную и долговечную работу.

Практическая ценность работы и ее реализация:

1.разработаны рабочие чертежи опытно-промышленного образца вибросмесителя, защищеного двумя патентами РФ, повышающего интенсивность процесса и качество смешивания строительных смесей и, одновременно, снижающего воздействие вибрации на конструкцию в целом;

2. разработанная математическая модель в сочетании с гидрогазодинамическим пакетом Апбуз СРХ может быть успешно использована при изучении структурно-реологических свойств смешиваемых материалов в других смесительных агрегатах;

3. Результаты исследований использованы в строительной компании ООО «Полюс Строй» (г.Красноярск), в учебном процессе, в лекционных курсах, дипломном проектировании и при подготовке студентов, магистрантов и аспирантов в Братском государственном университете.

Аппробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: Национальной Научно-Технической конференции (Второй Международный молодежный промышленный форум «Инженеры будущего 2012», о.Байкал, июль 2012 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, сентябрь 2012 г.), Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и образования: прошлое, настоящее, будущее» (г. Тамбов, 29 марта 2012 г.),- Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых (ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (БрГУ, Братск, 2008-2009 гг.), Международной конференции «Вопросы развития механики» (Монголия, г. Улан-Батор, 2009 г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири» (БрГУ, Братск, 2005-2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе в изданиях перечня ВАК - 11, в других изданиях - 4, а так же 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы из 126 наименований. Объем работы составляет 136 стр., в ней 93 рисунка, 14 таблиц и 114 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цели, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе дан обзор методов активации и перемешивания бетонных смесей. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что развитие методов и средств приготовления бетонных смесей неразрывно связано с развитием методов активации цемента и вяжущих, приготовленных на его основе. Под активацией понимается такая обработка вяжущего (цемента) или смеси вяжущего

с заполнителями, в результате которой свойства цемента используются полнее. Активация цементной смеси позволяет решить несколько проблем:

1. необходимость снижения содержания цемента в бетонной смеси до возможного минимума. Данная необходимость, отмеченная еще Ю.А. Штаерманом, обусловлена тем, что прочность обычного бетона ограничивается прочностью цементного камня, которая в свою очередь находится в линейной зависимости от водно-цементного отношения. При обычных способах (без активации) приготовления бетонной смеси, имеющих место в большинстве случаев, свойства цемента не используются в полном объеме. При смешении с водой происходит флокуляция (комкование) частиц цемента в геле, в результате чего цемент гидратирует не полностью. Часто в таких случаях для компенсации непрогидратировавшей части цемента просто увеличивается количество замешиваемого цемента, что не только увеличивает стоимость бетонного изделия, но и уменьшает его прочность. Кроме того, для улучшения удобоукладываемости увеличивают содержание воды в бетонной смеси, что также уменьшает прочность бетона;

2. использование бетонов на мелких заполнителях. Большинство песков, добываемых в российских месторождениях относится к мелким. Применение мелкого песка при приготовлении бетонных смесей приводит к значительному перерасходу цемента и воды. Как отметил Н.В. Михайлов, использование мелкого заполнителя при обычных способах смешивания делает невозможным получение прогрессивных жестких бетонных смесей с малым водосодержанием. В этом случае бетоносмесительное оборудование не в состоянии обеспечить равномерное распределение воды между зернами цемента, что необходимо для образования в бетоне тонкокапилярной структуры цементного камня, определяющей долговечность и морозостойкость бетона в конструкциях. Кроме,, того, затруднительно применение тонкомолотого цемента без увеличения водоцементного отношения. Но, как отмечал еще П.А. Ребиндер, именно использование тонкодисперсных составляющих позволяет обеспечить ббльшую скорость твердения и протекания всех химических процессов и приводит к полному использованию вяжущих свойств цемента при наименьшем его расходе.

Можно выделить несколько методик, направленных на активацию цементного геля, растворов и бетонных смесей:

1. сухой и мохрый домол цемента;

2. виброактивация цементного геля или цементно-песчаного раствора;

3. турбулентная активация;

4. активация ультразвуком;

5. виброперемешивание бетонной смеси.

Как показал анализ приведенных выше методов активации и перемешивания бетонных смесей, каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Но в аспекте приготовления жестких бетонных смесей с низким В/Ц отношением, с применением тонкомолотых цементов и мелких заполнителей, наиболее оптимальным представляется метод вибрационного перемешивания. Это обусловлено тем, что вибрационное перемешивание позволяет приготавливать бетонную смесь за один этап, не прибегая к предварительной активации цементного геля или раствора. Кроме того, данный метод наиболее эффективен при приготовлении жестких смесей с низким В/Ц. Также, вибрационное перемешивание является более эффективным средством активации, чем приготовление бетонных смесей на домолотом цементе, так как при

виброперемешивании достигается не только увеличение активности цемента или обеспечение, как при мокром домоле, микрооднородности цементного геля, но и значительно повышается макрооднородность. При вибрационном перемешивании достигается большая гомогенизация смеси, чем при обычных методах смешивания. А, как известно, прочность готового бетонного изделия в значительной степени зависит от степени однородности бетонной смеси, из которой оно изготовлено. Кроме того, эффект повышения прочности у виброперемешанных бетонов снижается не так значительно на поздних сроках твердения, как у бетонов, приготовленных на активированном вяжущем в обычном смесителе. Но, несмотря на множество достоинств, известные конструкции вибрационных смесителей обладают рядом значительных недостатков. К ним можно отнести: наличие больших колеблющихся масс, в результате чего возникают значительные динамические и вибрационные нагрузки, низкую надежность элементов привода рабочих органов, большую энергоемкость процесса перемешивания, малую производительность. Также отмечено снижение эффективности использования вибрационных смесителей с увеличением объема смесителя. Данные недостатки, приводят к ограниченному применению вибрационного перемешивания в промышленности. Проведенный анализ конструкций вибрационных смесителей позволил установить, что увеличение площади виброактиватора интенсифицирует процесс перемешивания, в связи с чем, с целью повышения эффективности процесса необходимо выбрать такую форму поверхности виброактиватора, которая имеет наибольшую площадь контакта соприкосновения. Поиск новых технических решений позволил предложить устройство на основе оболочечных элементов. Основным отличием данной конструкции является развитая поверхность активатора за счет особенного принципа набора оболочек в единую конструкцию (рис.1). Данное устройство состоит из камеры смешивания 1, ротора 2 с установленными на нем лопастями 3, оси виброактиватора 4 с установленными на нее в определенном порядке сферических оболочек 6, шайб большего 7 и меньшего 8 размеров, резиновых амортизаторов большего 9 и меньшего 10 размеров и кривошипно-шатунного механизма 11. Данное устройство работает следующим образом: при подаче крутящего момента на кривошипно-шатунный механизм (КШМ) 11 крышка 5, шарнирно соединенная с шатуном КШМ оказывает деформирующее воздействие на сферические оболочки 6 и резиновые амортизаторы 9 и 10. В результате периодической деформации виброактиватора вибрационные колебания передаются окружающей бетонной смеси, вследствие чего происходит ее тиксотропное разжижение. Далее разжиженная смесь попадает в зону действия лопастей 3, где происходит ее окончательное перемешивание.

(

>

Рис.1 Схема смесителя с наборным оболочечным виброактиватором

Так как в данном устройстве в качестве источника вибрации используются оболочки, обладающие относительно небольшой массой, значительно снижается негативное воздействие колебаний как на узлы и агрегаты смесительной установки, так и на обслуживающий персонал, кроме того, предлагаемая конструкция вибросмесителя позволяет создавать смесь достаточно гомогенизированной, а мощность, расходуемая на вибрационное перемешивание будет ниже, чем при других видах приготовления за счет явления тиксотропного разжижения. Предложенный способ создания виброактиваторов путем набора оболочечных элементов позволил расширить существующую классификацию вибрационных смесителей (рис.2).

I Вибробетоносмесители

Непрерывные

X

По принципу действия__________

Циклические

Вибрационные (В)

По способу перемешивания

Принудительные с вибрацией (ПВ)

Гравитационные с вибрацией (ГВ)

Корпус Для В ..........

По конструкционным узлам, создающим вибрационные колебании

Для ГВ |

"V

! Элемент ы

| конструкции

Каркас _____

Корпус

-| Для ПВ

Лопастной вал

Элемент конструкции

Корпус

Для В

По виду виброакшиатора

1 Дл^ПВ

Дебалансный

Дебалансный

[ Кинематический [ ! Комбинированный I

Кинематический

| Электромагнитный | Г Пневматический [ | Магнитострикционный |

I Для гв I

| Дебалансный '

| Кинематический ; | Гидравлический |

1 Электромагнитный

Комбинированный

Бсзоболочечные Н

По конструктивному наличию колеблющихся оболочечных элементов

I

| Корпус виброактиватора —| Оболочечные I-

"""ИГ"

- И Камера ]

СМеСНТеЛЯ !

Цельнотелые

Пластинчатые и/ или мембранные

/

Наборные

I

Эластичные толстостенные открытые

/

Тарельчато-пружинные

Гофрированные осесимметричне или сильфонные

V

Толстостен ньге цилиндрические

Тарельчато-пружшшые с аиоргазаторами

Тарельчато-пружинньге с амортизаторами и пластинами

Рис.2. Классификация вибрационных смесителей

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям взаимодействия вибрирующих оболочечных элементов с бетонной смесью.

Изучение процесса вибрации наборных оболочечных элементов погруженных в бетонную смесь аналитическими методами представляет собой сложную физико-математическую проблему, так как изучается высокочастотная деформация оболочки со сложной геометрической конфигурацией, находящейся в среде с неньютоновским характером течения. Для ее решения можно использовать методы конечных элементов и конечных объемов. Данные методы давно и широко

применяется для решения различных задач механики и вычислительной гидрогазодинамики. В наших исследованиях для моделирования вибрации наборного элемента в бетонной смеси использовались пакеты прикладных программ ANSYS CFX и ANSYS Structure.

Для оценки воздействия виброактиваторов различного типа используются функциональные зависимости вязкости от нескольких независимых переменных. Для случая наборного виброэлемента можно написать функциональные зависимости:

и = /(<М,fp.fi), (1)

где ц - динамическая вязкость смеси, Па-с, со - частота вибрации, Гц, А- амплитуда §

вибрации, м,— - отношение площади поверхности виброактиватора к объему смеси, м"1, р - плотность бетонной смеси, кг/м3, — - отношение высоты точки

н

замера, отложенная от дна смесителя к высоте слоя бетонной смеси, — -

R

отношение радиальной точка замера, отложенной от оси смесителя к радиусу чаши смесителя. Независимые переменные из уравнения (1) варьировались в

следующих пределах: <в=50...150 Гц, А=0,001...0,003 м, -^=0,75...3,1 м"1,

р=1800...2500 кг/м3, —=—=0,1 ...1.

Н R

На первом этапе проведения вычислительного эксперимента был проведен анализ объема выборки с помощью программного комплекса Statistica. Расчет объема выборки был выполнен с уровнем ошибки первого рода (а), равным 0,01 и мощностью 0,99. Предполагалось, что в выборке из генеральной совокупности квадрат коэффициента множественной корреляции равен 0,9. Как показал расчет для достижения требуемых статистических показателей объем выборки должен составить не менее 173 наблюдений. Для составления плана эксперимента использовался робастный план Тагучи для 6 предикторов, каждый из которых варьировался на 5 уровнях.

В качестве расчетной была принята модель бетоносмесителя с виброактиватором, изображенная на рис. 3. Данная модель состоит из: корпуса смесителя 1, наборного вибрационного элемента 2, лопастей 3, кривошипно-шатунного механизма 4.

Для оценки воздействия вибрации наборного виброактиватора на вязкость смеси использована методика, основанная на взаимосвязи скоростей потоков смеси, вызванных вибрирующим элементом и вязкостью смеси, в связи с чем, расчет проходил в несколько этапов:

1) оценка деформации наборного виброэлемента, вызванной статической нагрузкой (пакет структурных расчетов Ansys Static Structure),

2) нахождение скоростей потоков смеси как отношения деформаций на разных уровнях виброактиватора ко времени, за которое данные деформации произошли,

3) численное решение полной системы уравнений гидродинамики (гидрогазодинамический пакет Ansys CFX) для нахождения значений динамической вязкости.

Объектами исследования являлись бетонная смесь с погруженным в нее виброактиватором (рис.4).

Рис.3. Смеситель с наборным вибрационным элементом

Для оценки деформации наборного виброактиватора была создана его трехмерная модель с общей площадью поверхности контакта 0,56 м2 (рис.4). Для металлических деталей виброактиватора была выбрана сталь Ст.4, для резиновых амортизаторов - резина НО - 68-11 ТУ 38-005-1166-98.

Для данной модели виброактиватора была построена трехмерная твердотельная модель и сгенерирована расчетная сетка, содержащая порядка 2 млн. узлов. В качестве граничных условий были выбраны жесткое закрепление нижнего фланца оси виброактиватора и нагрузка, прилагаемая вдоль вертикальной оси. Кроме того, установленные граничные условия позволяли шайбам, амортизаторам и сферическим оболочкам виброактиватора перемещаться в вертикальной плоскости (вдоль оси X см. рис. 4) и запрещали перемещения в двух других плоскостях и вращение. Контактные условия допускали скольжение оснований сферических оболочек по шайбам (в результате деформации). В результате статической деформации наборного виброактиватора были получены картины деформации под воздействием различных нагрузок см. рис. 5.___

А: ЭПИс ІЛЮІМ (АИЭУЗ»

ТоїаІ Оеіоігпаїіол Туре: ТоШ О*отіа№л ипімтіт Типе: 0.78197 18.11.2012 13:21

0.00 40.00

2000 60 00

Рис.5. Деформация наборного виброактиватора

Рис.4. Трехмерная модель бетонной смеси с погруженным в нее наборным виброактиватором

Скорости потоков смеси, вызванные вибрацией, были найдены как отношения значений деформации на разных уровнях наборного виброэлемента ко времени, за

Рис.6. Распределение динамической вязкости по объему смеси

которое эти деформации происходили. Для выбранной модели бетонной смеси с погруженным в нее активатором была создана расчетная сетка, содержащая порядка 4 млн. узлов.

Скорости потоков, определенные ранее, задавались в качестве входных граничных условий на поверхности наборного виброэлемента. Направления потоков были ориентированы в нормальном направлении от соответствующих поверностей наборного виброактиватора. Смесь моделировалась как бингамовская среда. Трехмерный нестационарный гидродинамический расчет выполнялся с помощью модифицированного метода Эйлера второго порядка точности. Количество временных шагов для каждого расчета составляло 60 с интервалом в 1 шаг (что соответствует вибрации активатора в бетонной смеси в течение 1 минуты). Для каждого временного шага выполнялось по 5 подитераций. В результате гидродинамического расчета были получены распределения динамической вязкости по объему смеси, рис. 6.

Графики зависимости вязкости от различных независимых переменных изображены на рис.7-9.

Для выяснения степени и вида зависимости между переменными в функциональной зависимости (1) был использован корреляционно-регрессионный анализ. Для проведения статистической обработки данных, полученных в численном эксперименте, использовалась программа Statistica.

Коэффициенты корреляции и р-уровни (уровни статистической значимости) между вязкостью и независимыми переменными приведены в таблице 1.

Dynamic Viscosity 50 Hz, 1 mm. S/V=0.75, rtio=1800

Contour

щ 1.225e+003

™ 1.103e+003 9.808e+002 8.587e+002 7.366e+002 > 6.145e+002 4.924e+002 ; 3.703e+002 2.481 e+002 1.260e+002

[Pas]

Л Д Д А=2мм, р=2200кг/м»,ЗЛ/=1.5.Ь/Н=0.25,г/Р=Ю.25 • • • А=2.5 мм, р=2500кг/м«,3/У=1.25,№|=0.5.г/К=0.5 + + + А-Змм. р»211Юкг>и>.ЗЛ/=3.1.И/Н=1.г«=1

I 100 120

Частота вибрации, Гц

Рис.7. Зависимость вязкости бетонной смеси от частоты вибрации

1800 2000 2200 2400 2600

Плотность бетонной смеси, КГ/М3

Рис.8. Зависимость вязкости бетонной смеси от плотности

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

S/V, м-'

Рис.9. Зависимость вязкости бетонной смеси от S/V

Проведенный анализ данных, полученных в ходе численного эксперимента, показывает, что наилучшим образом зависимость вязкости и напряжения сдвига от независимых переменных описывается кусочно-линейными уравнениями регрессии с точками перекрытия вида:

у = Ь0\+ЬХ\х1+...+ЬпЛхт при у<у„ y = b02+b12xl+...+bm2xm при у > уп где у - зависимая переменная, х\...хт - независимые переменные, Ьт и Ь02 -свободные члены уравнения регрессии, b\\...bm\ и bl2...bm2 - коэффициенты уравнения регрессии, уп - точка перекрытия.

Таблица 1

Коэффициент корреляции и р-уровень м/у вязкостью и независимыми

переменными

Независимая переменная Коэффициент корреляции р-уровень

со -0,97 0,000001

А -0,63 0,000001

S V -0,85 0,000001

Р 0,89 0,0003

h Н 0,9 0,000001

г R 0,92 0,000001

С учетом значений неизвестных коэффициентов уравнения (2), найденных при статистической обработке данных, для вязкости можно записать:

ц = 228 - 2,45оз - 43,12Л - 2,09- + 0,1р + 2,71 — + 4,52—,при ц < 311,14

V н я

ц = 1564- 1,86<а - 35,2Л - 35,5- + 1,1р + 5,89—+8,31—, при ц > 311,14

V н я

Рис.10. Ротационный реометр Рис.11. Тарировка

реометра

Данное устройство состоит из: 1 - электродвигателя, 2 - лопастного вала, 3 -стойки штатива, которая выполнена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, стрелы 4, предназначенной для фиксации электродвигателя 1 и выполненной с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости,

Для данного уравнения доля объясненной дисперсии составляет 0,95 и множественный коэффициент корреляции равен 0,9.

Аналлиз результатов вычислительного эксперимента позволил сделать следующие выводы:

1. частота вибрации имеет значительно большее влияние на снижение вязкости бетонной смеси, чем амплитуда;

2. частота вибрации должна лежать в пределах 50-70 Гц.

3. отношение площади виброактиватора к объему перемешиваемой смеси должно составлять не менее 1,75 м-1.

В третьей главе для проверки теоретических результатов, полученных ранее, были проведены экспериментальные исследования вибрационного воздействия, оказываемого наборными оболочечными элементами на бетонную смесь.

Так как бетонная смесь обладает ярко выраженными неньютоновскими свойствами, сначала были определены методы и средства для проведения реологических измерений, оптимально соответствующие условиям данного экспериментального исследования. Анализ существующих методик реологических измерений показал, что для исследования реологических свойств бетонных смесей наилучшим образом подходят ротационная вискозиметрия и реометрия. Для экспериментальных исследований был создан ротационный реометр, схема которого изображена на рис. 10.

частотного преобразователя 5, предназначенного для регулирования скорости вращения вала электродвигателя 1, а также для измерения напряжения и тока двигателя 1. Частотный преобразователь 5 подключен к питающей сети. Для определения значения вязкости использовали известное выражение

у

где т - напряжение сдвига [Ла],т0-предельное напряжение сдвига [Па] (определялось по данным K.M. Королева), у - скорость сдвига, с"1.

Напряжение сдвига определялось формуле:

-(4)

2-n-h-r

где: А/,,, - момент сопротивления вращению ротора [Нм],, г - радиус ротора [м], h - длина погружаемой части ротора [м]. Как видно из уравнения (4), для нахождения искомых параметров бетонной смеси необходимо знать значение момента сопротивления вращению ротора. Момент вращения ротора находится в зависимости от тока статора двигателя:

где: к - коэффициент пропорциональности, I - сила тока.

Для выяснения зависимости момента сопротивления вращению ротора от тока двигателя была проведена тарировка реометра (рис.11) и построены тарировочная диаграмма.

В результате статистической обработки полученных данных было составлено уравнение регрессии, связывающее момент сопротивления вращения ротора с током двигателя:

= 24,14 •/'•89. (5)

Для уравнения (5) объясненная доля дисперсии составляет 0,98 и коэффициент корреляции равен 0,99.

Для лопастных реометров величина скорости сдвига находится из выражения

. 4™Р Y= —

где <Dp - скорость вращения ротора реометра, S - наклон графика логарифмической

зависимости крутящего момента от скорости вращения ротора.

Статистическая обработка экспериментальных данных дала среднее значение

у = 1,58. В дальнейшем для получения значений вязкости по известным значениям

напряжения сдвига использовали выражение

т-500

ц =-.

1,58

Исследования воздействия вибрации наборного облочечного элемента на бетонную смесь проводились в экспериментальном смесителе, изображенном на рис.12.

Устройство данного смесителя соответствует схеме, изображенной на рис.1. Наборный оболочечный виброактиватор изображен на рис.13.

Рис. 13 Наборный оболочечный виброактиватор

Рис. 12. Экспериментальный смеситель

Значения независимых величин, изменявшихся в ходе эксперимента отображены в таблице 2.

Таблица 2

Частота вибрации,©, Гц Амплитуда вибрации, мм Отношение площади поверхности виброактиватора к объему смеси, м-1 V й Я г й Плотность смеси, р, кг/м3,

50 3 11.2 0,25 0,25

75 2 2,4 0,25 0,1

100 1,5 4,6 0,3 0,3 2500

125 1 9 0,5 1

150 2,5 6,8 1 0,5

Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента приведено на рис.14.

Данное сравнение показало, что расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 23%.

Эффективность перемешивания бетонной смеси принято определять по результатам сравнения прочности бетонов приготовленных в смесителе с применением вибрации и без нее. Для проведения данного исследования состав бетонной смеси был выбран в соответствии с ГОСТ 27006^86 с В/Ц=0,5 и Ц:П:Щ=1:2:3 по проектному классу БГС В25 Ж1 ГОСТ 7473-94. Плотность бетонных смесей определялась в соответствии с ГОСТ 10181-2000. В качестве вяжущего применяется портландцемент Ангарского цементного завода марки М400 Д20. Мелким заполнителем являлся зуевский сортированный песок, добываемого карьером №1 братского месторождения. В качестве крупного заполнителя щебень диабазовый фракции 10-20 мм. Формование и испытание образцов размером 100x100x100 мм проводились в соответствии с ГОСТ 101812000 и ГОСТ 10105-86. В наших исследованиях эффективность виброперемешивания определялась по результатам сравнения прочности бетонов приготовленных в смесителе с применением вибрации и без нее. Оценка

прочности бетонных образцов производилась на 3-й, 7-е, 14-е и 28-е сутки твердения. Для оценки прочности на 3-й сутки использовался ударно-импульсный измеритель прочности "Оникс-2.5", а для оценки прочности на 7-е, 14-е и 28-е сутки - пресс П-50. Измерения прочности производились в соответствии с ГОСТ

10180-90 и ГОСТ 18105-86.

800 —

40 60 80 100 120 140 160

Частота вибрации, Гц

Рис.14. Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента

Из результатов исследования бетонных образцов на прочность, следует, что прочность образцов, изготовленных из вибрированного бетона выше прочности образцов, изготовленных без применения вибрации: на 3-е сутки-до 46%, на 7-е сутки - до 37%, на 14-е сутки - до 24%, на 28-е сутки - до 23%. Кроме того, виброперемешанный бетон быстрее набирает прочность (17,41 МПа на 3-й сутки у бетона, обработанного при А<о2=22,5 м/с2 и времени перемешивания 30 секунд против 15,41 МПа на 7-е сутки у бетона перемешанного без вибрации в течение 60 секунд). Также отмечается, что применение вибрации позволяет снизить время перемешивания в среднем в 2 раза. Как показывает сравнение прочности образцов бетона, изготовленных в смесителях с наборным виброактиватором и с сильфонным виброактиватором, образцы, приготовленные в смесителе с наборным виброактиватором, в среднем на 12% прочнее, чем образцы, приготовленные с использованием сильфонного активатора.

В четвертой главе приведен анализ прочностных характеристик конструкции смесителя в условиях вибрационного нагружения.

В первой части четвертой главы дана оценка вибрационного воздействия, оказываемого наборным оболочечным виброактиватором на конструкцию смесителя.

Так как для многих машин результаты измерений вибрации статорных элементов являются достаточными для адекватной оценки условий надежности их эксплуатации, а также влияния на работу соседних агрегатов, в наших

18

исследованиях для оценки воздействия вибрации на конструкцию смесителя и окружающую среду мы использовали контактный метод измерения вибрации на невращающихся частях смесителя. Для измерения вибрации использовался многоканальный регистратор сигналов "Атлант -8". Данный прибор состоит из пьезоакселерометров 1 типа ВК-310, блока регистрации и синхронизации сигналов

Рис. 15. Крепление акселерометров к корпусам подшипников кривошипно-шатунного механизма и виброполу

Рис.16. Блок регистрации и синхронизации сигналов, персональный компьютер комплекса "Атлант-8"

Вибрация измерялась для семи точек: по две точки для каждого подшипника кривошипно-шатунного механизма (в вертикальной и горизонтальной плоскостях), на опоре смесителя в направлении перпендикулярном направлению колебаний наборного виброактиватора, на корпусе смесителя, в направлении, совпадающим с направлением колебаний виброактиватора и на виброполе на расстоянии 100 см от оси корпуса смесителя. В качестве результатов измерений были получены графики изменения виброускорения, виброскорости и виброперемещения от времени воздействия для данных семи точек и девяти рабочих частот виброактиватора.

В ходе экспериментального исследования наибольшие значения вибрационных показателей были зафиксированы на подшипниковых узлах кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Поэтому, о влиянии вибрации оболочечного элемента на конструкцию смесителя можно судить по значениям вибрационных показателей на подшипниках КШМ.

В соответствии с ГОСТ ИСО 10816-1-97 максимальное значение, полученное в результате измерения на каждом подшипнике или опоре сравнивают с границами зон вибрационного состояния, установленных исходя из международного опыта проведения исследований и эксплуатации. Данные зоны предназначены для качественной оценки состояния машин и подразделяются следующим образом: зона А - в эту зону попадают, как правило новые машины, только что введенные в эксплуатацию; зона В - машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков;зона С -машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации; зона О - уровни вибрации в данной зоне рассматривают как достаточно серьезные, для того чтобы вызвать повреждения машины. Используя измеренные значения среднеквадратической виброскорости, можно определить примерные границы зон вибрационного состояния для подшипников КШМ. Как видно из графиков, изображенных на рис.17, 18,

значения виброскорости не выходят из зоны В, что может свидетельствовать о том, что для выбранного промежутка частот значительная часть энергии поглощается оболочечным элементом.

Кроме того, наличие или отсутствие в чаше смесителя бетонной смеси не оказывает значительного влияния на показатели виброскорости, что также может свидетельствовать о решающей роли оболочечного элемента в распространении вибрации на конструкцию смесителя.

ООО Зйртикдпъкая ""У*кэ замера(6ег смеси) ф ф ф Горизонтальная лжз заморл(5оз смеси) Вертикальная томна замеса (со смесью) <[_"■ <[> Горизонтальная точно замера (со смесью)

О о ко яамера^бвз смаси)

• • Ф Горизонтальная очно замерд(&ез сиосл)

+ + + Вертикальная то» на замеря(оо смесью)

о о О Горизонтальная очка замсра(со смесью)

Рис.17. Примерные зоны вибрацион- Рис.18. Примерные зоны вибрационного состояния для подшипника ного состояния для подшипника КШМ расположенного рядом с элек- КШМ расположенного рядом с кри-тродвигателем вошипом

Во второй части четвертой главы приведен анализ мощности, затрачиваемой на привод оболочечных виброактиваторов.

Для оценки мощности, затрачиваемой на привод виброактиватора использовался электрический способ. Величина мощности находилась по известному выражению

IV = л/З/С/ соБф,

где \¥ - полезная мощность на валу электродвигателя [Вт], и - напряжение на статоре электродвигателя [В], I- сила тока на статоре электродвигателя [А], собф -коэффициент мощности электродвигателя. Для измерения значений напряжения и силы тока электродвигателя использовался частотный преобразователь. При измерении мощности частота вибрации варьировалась от 50 до 150 Гц с шагом в 25 Гц, амплитуда изменялась от 1 мм до 3 мм. В результате статистической обработки экспериментальных данных было получено уравнение, связывающее мощность, затрачиваемую на привод виброактиватора с амплитудой и частотой вибрации:

ЙГ = -14,25 + 0,37ю+97,4 А, где IV-мощность[Вт], со - частота вибрации [Гц], А - амплитуда вибрации, мм.

Для данного уравнения объясненная доля дисперсии составляет 0,97 и множественный коэффициент корреляции равен 0,98.

Кроме того было проведено экспериментальное сравнение затрачиваемой мощности на привод виброактиваторов различного типа Данное сравнение показало, что в среднем на привод сильфонного виброактиватора затрачивается на 16 % больше энергии, чем на привод наборного оболочечного виброэлемента, а на привод дебалансного виброактиватора в среднем затрачивается на 23 % больше энергии, чем на привод сильфонного и на 35% больше энергии, чем на привод наборного оболочечного виброэлемента.

В третьей части четвертой главы дана оценка усталостной прочности сильфона и сферической оболочки, работающих в условиях интенсивной вибрации.

В данном исследовании сильфона и сферической оболочки на усталостную прочность мы воспользовались методом конечных элементов. Расчет производился в программном модуле ANSYS Slructure. Силы, прикладываемые для деформации сильфона и сферической оболочки, составляли 100, 200, 300, 400 и 550 Н. При расчете усталостной прочности было принято, что характер нагрузки цикличный, знакопеременный, с постоянной амплитудой. В качестве результатов расчета были получены значения усталостной долговечности- число циклов, которое оболочечный элемент при данной нагрузке выдержит до выхода из строя. В условиях реальной вибрационной работы в смесителе оболочечные виброактиваторы подвергаются достаточно большому числу циклов нагружения, так например, при вибрации с частотой в 50 Гц в течение 30 секунд на оболочечный виброэлемент приходится 1500 циклов.

Проведенные исследования усталостной прочности оболочечных виброактиваторов — сильфона и сферической оболочки (являющейся одним из основных элементов наборного вибрационного активатора), показали, что данные устройства в условиях интенсивной вибрации выдерживают относительно небольшое число циклов (в наших исследованиях максимум 670 циклов при нагрузке в 100 Н и частоте приложения данной нагрузки 50 Гц). При этом стоит отметить, что с точки зрения ремонтопригодности наборный виброактиватор выглядит более выгодно, так как вышедшую из строя сферическую оболочку достаточно просто заменить и не требуется полная замена виброактиватора, в то время как сильфон устройство полностью ремонгонепригодное и при малейшем нарушении целостности корпуса требует полной замены.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ перспективных путей повышения эффективности бетоносмесительного оборудования на основе современного уровня развития технологии приготовления бетонных смесей с применением вибрации. Была расширена существующая классификация вибрационных бетоносмесителей.

2. Конструктивно проработан и создан вибрационный смеситель с внутренним виброактиватором наборного типа. Конструкция защищена 2 патентами РФ на изобретение.

3. На основе численного моделирования процесса вибрации наборного виброактиватора, погруженного в бетонную смесь получена математическая модель, связывающяя динамическую вязкость бетонной смеси с режимами вибрации и геометрическими характеристиками смесителя. Данная модель позволяет определять рациональные режимы вибрации и геометрические характеристики роторных смесителей с наборными виброактиваторами.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено:

- для эффективного разрушения структуры бетонной смеси виброактиватор должен вибрировать с частотой, лежащей в пределах 50-70 Гц;

- отношение площади виброактиватора к объему смеси должно составлять не менее 1,75 м"1;

- на привод наборного виброактиватора в среднем затрачивается на 16 % меньше энергии, чем на привод сильфонного и на 35 % меньше энергии, чем на привод дебалансного активатора;

- применение вибрации при перемешивании бетонных смесей позволяет бетонной смеси быстрее набирать прочность в процессе твердения, кроме того, вибрация позволяет уменьшить время цикла смешивания в среднем в 2 раза;

- образцы готового бетона, изготовленные в смесителе с наборным активатором на 28 сутки твердения в среднем на 12% прочнее, чем образцы, изготовленные в смесителе с сильфонным виброактиватором.

5. Проведенные измерения вибрации на подшипниках кривошипно-шатунного механизма привода наборного виброактиватора, показывают, что среднеквадратические значения виброскорости на всем диапазоне рабочих частот виброактиватора не выходят за пределы, при которых начинается разрушение подшипников. Кроме того, при моделировании спектрального отклика корпуса смесителя выяснилось, что вибрация наборного активатора на выбранном диапазоне рабочих частот не вызывает критических напряжений в конструкции смесителя.

6. Проведенная оценка усталостной прочности сильфона и сферической оболочки показала, что при частоте вибрации данных оболочечных элементов более 50 Гц, нагрузка, прикладываемая с данной частотой не должна превышать 100 Н.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях перечня ВАК:

1. Фигура К.Н., Ефремов И.М., Лобанов Д.В. Моделирование процесса вибрации сферической оболочки, погруженной в бетонную смесь // Механизация строительства. 2013. № 4. С. 40-44.

2. Фигура К.Н., Ефремов И.М. Эффективность применения сильфонных виброэлементов в бетоносмесителях: исследование методом численного моделирования // Строительные и дорожные машины. 2011. № 12. С. 47-50.

3. Ефремов И.М., Лобанов Д.В., Фигура К.Н., Ивасиив Д.М. Определение реологических показателей бетонных смесей по их критериальной значимости // Вестник машиностроения. 2011. № 9. С. 44-48.

4. Ефремов И.М., Лобанов Д.В., Фигура К.Н., Комаров И.В. Современное бетоносмесительное оборудование в аспекте исследования способов механической активации бетонных смесей при интенсификации процессов перемешивания // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 3(11). С. 19-27.

5. Ефремов И.М., Лобанов Д.В., Фигура К.Н., Комаров И.В. Патентно-аналитический обзор и расширенная класификация бетоносмесительных машин в аспекте исследования вибрационных технологий перемешивания бетонных смесей // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 2(10). С. 38-45.

6. Ефремов И.М., Лобанов Д.В., Фигура К.Н., Никифоров P.E., Комаров И.В. Вибрационные методы перемешивания бетонных смесей в аспекте патентно-информационного анализа // Механизация строительства. 2011. № 4(802). С. 6-10.

7. Ефремов И.М., Лобанов Д.В., Фигура К.Н. Механическая активация бетонных смесей при интенсификации процессов перемешивания // Механизация строительства. 2011. № 2(800). С. 6-8.

8. Ефремов И.М., Лобанов Д.В., Фигура К.Н. Современные технологии интенсификации процессов перемешивания бетонных смесей // Строительные и дорожные машины. 2011. № 1. С. 37-41.

9. Ефремов И.М., Фигура К.Н. Особенности применения метода физического моделирования к расчету бетонного смесителя // Системы. Методы. Технологии. 2010. №3(7). С. 36-41.

10. Ефремов И.М., Фигура К.Н. Процесс распространения колебаний в условиях перемешивания смесей // Системы. Методы. Технологии. 2010. № 2(6). С. 42-45.

11. Ефремов И.М., Фигура К.Н. Использование метода физического моделирования при расчете роторно-вибрационного смесителя // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2009. № 2(22). С. 21-25.

- в других изданиях:

12. Фигура К.Н. Выбор оптимальных геометрических параметров и режимов вибрации для бетоносмесителей с оболочечными виброактиваторами // Актуальные проблемы науки и образования: прошлое, настоящее, будущее: сб. науч. тр. по материалам междунар. заочной науч.-практ. конф. 29 марта 2012 г. Тамбов, 2012. Ч. 6. С-113-114.

13. Фигура К.Н., Ефремов И.М. Применение оболочечных элементов в качестве источника вибрации в бетоносмесителях // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, окт.-нояб. 2011 г. Новочеркасск, 2011. С. 139-141.

14. Ефремов И.М. .Фигура К.Н., Решение задачи по усовершенствованию конструкции роторно-вибрационного смесителя // Mechanical development issues. International Conference: collection of papers. Ulanbaatar, Mongolia: Mongolian University of Science and Technology, 18-20 June, 2009. P. 203-205.

15. Ефремов И.М., Фигура K.H., Математическая модель процесса распространения колебаний в смесях в условиях виброперемешивания // Механики XXI веку: материалы VIII всерос. науч. - техн. конф. с междунар. участием: сб. докл. Братск, 2009. С. 68-71.

- патены:

16. Фигура К.Н., Ефремов И.М. Устройство для перемешивания бетонной смеси: пат. 2399486 Рос. Федерация. № 2009120342/03; заявл. 28.05.09; опубл. 20.09.10.

17. Фигура К.Н., Ефремов И.М. Роторный смеситель с тарельчато-пружинным вибровозбудителем: пат. 2413572 Рос. Федерация. № 2009119931/05; заявл. 26.05.09; опубл. 10.12.10.

Подписано в печать 17.09.2013

Формат 60x84^g

Печать трафаретная Уч.-изд. л. 1,4. Усл. Печ. л. 1,4.

Тираж 120 экз. Заказ 150 Отпечатано в издательстве ФГБОУ ВПО «БрГУ» 665709, Братск, ул. Макаренко,40

Братский государственный университет

На правах рукописи

04201363385

Фигура Константин Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ С ВНУТРЕННИМИ

ВИБРОАКТИВАТОРАМИ

Специальность: 05.02.13. «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Ефремов Игорь Михайлович

Братск 2013

Содержание

Введение...............................................................................................................4

Глава 1. Анализ методов активации цемента и оборудования для смешивания бетонных смесей............................................................................9

1.1. Сухой домол цемента.........................................................................9

1.2. Мокрый домол цемента...................................................................10

1.3.Виброактивация цементного геля или цементно-песчаного раствора....................................................................................................10

1.4. Турбулентная активация цементного геля....................................12

1.5. Активация ультразвуком.................................................................23

1.6. Вибрационное перемешивание.......................................................27

Глава 2. Теоретическое обоснование использования оболочек в качестве элементов, передающих вибрацию бетонной смеси в процессе перемешивания..................................................................................................41

2.1. Теоретическое исследование вибрации сферической оболочки, погруженной в бетонную смесь.............................................................42

2.2. Теоретическое исследование вибрации наборного оболочечного элемента, погруженного в бетонную смесь..........................................55

2.3. Общие выводы по главе...................................................................64

Глава 3. Экспериментальное исследование вибрационного воздействия, оказываемого наборными оболочечными элементами на бетонную смесь....................................................................................................................65

3.1. Описание метода реологических измерений и устройства для его осуществления.........................................................................................65

3.2. Выбор модели бетонной смеси.......................................................73

3.3.Экспериментальное исследование процессов вибрационного

перемешивания в смесителе с наборным виброактиватором.............80

3.4.Оценка прочности бетона, приготавливаемого в смесителе с наборным виброактиватором.................................................................87

3.5. Общие выводы по главе...................................................................95

Глава 4. Анализ прочностных характеристик конструкции смесителя в

условиях вибрационного нагружения.............................................................96

4.1. Оценка вибрационного воздействия, оказываемого на узлы и

корпус смесителя.....................................................................................96

4.2.Оценка мощности, затрачиваемой на привод виброактиватора 108 4.3. Усталостная прочность сильфона и сферической оболочки в

условиях циклического нагружения....................................................112

4.4.Оценка собственных частот и форм колебаний сильфона и

сферической оболочки..........................................................................120

4.5.Общие выводы по главе..................................................................122

Основные выводы............................................................................................123

Список используемой литературы.................................................................125

Приложение......................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

История использования цемента и бетона насчитывает несколько тысяч лет. С момента начала применения римского бетона и до настоящего времени пройден огромный путь по усовершенствованию технологии изготовления данного строительного материала. Была проведена большая работа по оптимизации составов бетонных смесей, созданы различные пластифицирующие и воздухововлекающие добавки. В течение XX века происходило бурное развитие машин и оборудования для приготовления бетона, от простых перемешивающих и транспортирующих механизмов до сложных машин, использующих вибрацию, ультразвук и турбулентность.

Большой вклад в развитие науки о бетоне внесли такие дисциплины, как реология, виброреология, физико-химическая механика, коллоидная химия. Для моделирования процессов, протекающих при изготовлении бетонной смеси и обработке изделий из бетона широко используются математический анализ, математическая физика, теория подобия, анализ размерностей, статистика.

Несмотря на долгую историю использования бетона и на огромный массив накопленных в этой области знаний, на практике приготовление бетонов все еще сталкивается с рядом значительных проблем. Так, например, является актуальной отмеченная еще Ю.А. Штаерманом [121123] необходимость снижения содержания цемента в бетонной смеси до возможного минимума. Данная необходимость обусловлена тем, что цементный камень, продукт твердения цементного геля, является самой слабой составляющей бетона. А прочность бетона ограничивается прочностью наиболее слабой составляющей - прочностью цементного камня, которая в свою очередь находится в линейной зависимости от водно-цементного отношения [123]. При обычных способах приготовления бетонной смеси, имеющих место в большинстве случаев, свойства цемента не используются в полном объеме. При смешении с водой происходит

флокуляция (комкование) частиц цемента в геле, в результате чего цемент гидратирует не полностью. Часто в таких случаях для компенсации непрогидратировавшей части цемента просто увеличивается количество замешиваемого цемента, что не только увеличивает стоимость бетонного изделия, но и уменьшает его прочность. Кроме того, для улучшения удобоукладываемости увеличивают содержание воды в бетонной смеси, что также уменьшает прочность бетона.

Другой проблемой является использование бетонов на мелких микрозаполнителях. Большинство песков, добываемых в российских месторождениях относится к мелким. Применение мелкого песка при приготовлении бетонных смесей приводит к значительному перерасходу цемента и воды. Как отметил Н.В. Михайлов [93], использование мелкого микрозаполнителя при обычных способах смешивания делает невозможным применение прогрессивных жестких бетонных смесей с малым водосодержанием. В этом случае бетоносмесительное оборудование не в состоянии обеспечить равномерное распределение воды между зернами цемента, что необходимо для образования в бетоне тонкокапилярного цементного камня, определяющего долговечность и морозостойкость бетона в конструкциях. Кроме того, в наше время все еще затруднительно применение тонкомолотого цемента без увеличения водоцементного отношения. Но как отмечал еще П.А. Ребиндер [101], именно использование тонкодисперсных составляющих позволяет обеспечить большую скорость твердения и протекания всех химических процессов и приводит к полному использованию вяжущих свойств цемента при наименьшем его расходе.

Актуальность исследования процесса виброперемешивания обусловлена возрастающим значением смесительного оборудования, применяемого для приготовления новых видов смесей с использованием отходов производства, смесей на основе составляющих различных по

гранулометрии и удельному весу. Это говорит о том, что виброперемешивание обладает высоким потенциалом в поиске, производстве и систематизации различных конструкций вибросмесителей.

Применение вибрационного перемешивания позволяет интенсифицировать технологические процессы в гражданском и дорожном строительстве, что является важной задачей для социально-экономического развития Российской Федерации. Так, например, в соответствии с федеральной целевой программой «Жилище» [98] на 20112015 гг., годовой объем ввода жилья к 2015 году должен составить 90 млн.кв. метров. В соответствии с федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)» [114], доля протяженности автомобильных дорог общего пользования федерального значения, соответствующих нормативным требованиям, к 2015 г. должна возрасти до 46,7 процента. Кроме того, прирост количества сельских населенных пунктов, обеспеченных постоянной круглогодичной связью с сетью автомобильных дорог общего пользования по дорогам с твердым покрытием к 2015 г. должен составить 2,3 тыс. единиц. Также виброперемешивание находит применение для приготовления различных порошков и кормосмесей в животноводстве.

Таким образом, можно константировать, что выбранное направление исследований, направленное на совершенствование конструкций и методов проектирования вибрационных смесительных машин, является актуальным.

Объектом исследования является принципиально новая конструкция вибрационного смесителя с виброактиватором наборного типа, защищенная патентами РФ № 2399486 и № 2413572.

Цель исследования: научное обоснование конструктивных параметров и режимов работы смесителей с внутренними виброактиваторами.

Задачи исследования:

1. поиск путей повышения эффективности бетоносмесительного оборудования на основе современного уровня развития технологии приготовления бетонных смесей с применением вибрации;

2. разработка и совершенствование конструкции вибрационных смесителей;

3. экспериментальное исследование, направленное на определение влияния параметров вибрации и геометрических характеристик смесителя на изменение динамической вязкости бетонной смеси;

4. развитие теоретических положений для расчета смесительных агрегатов с внутренними виброактиваторами;

5. определение влияния воздействия вибрации на эксплуатационную надежность предлагаемой конструкции смесителя в целом, так и виброактиватора.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. разработана математическая модель процесса взаимодействия виброактиватора с бетонной смесью, позволяющая с использованием гидрогазодинамического пакета АшуБ СБХ получить численное решение полной системы уравнений гидродинамики для нахождения значений динамической вязкости смеси в камере смешивания;

2. на основе теоретических и экспериментальных исследований обоснованы рекомендации по выбору оптимальных режимов вибрации и геометрических параметров смесителя с оболочечным виброактиватором;

3. в результате экспериментальных исследований установлено, что применение наборных виброактиваторов снижает негативное воздействие вибрации на конструкцию смесителя и окружающую среду;

4. исследования усталостной прочности виброактиваторов позволили определить предельные значения циклов нагружения в зависимости от

наряженно-деформированного состояния, обеспечивающие надежную и долговечную работу.

Практическая ценность работы и ее реализация:

1 .разработаны рабочие чертежи опытно-промышленного образца вибросмесителя, защищеного двумя патентами РФ, повышающего интенсивность процесса и качество смешивания строительных смесей и, одновременно, снижающего воздействие вибрации на конструкцию в целом;

2. разработанная математическая модель в сочетании с гидрогазодинамическим пакетом Апэуз СБХ может быть успешно использована при изучении структурно- реологических свойств смешиваемых материалов в других смесительных агрегатах;

3. Результаты исследований использованы в строительной компании ООО «Полюс Строй» (г. Красноярск), в учебном процессе, в лекционных курсах, дипломном проектировании и при подготовке студентов, магистрантов и аспирантов в Братском государственном университете.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ АКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Чтобы понять, какие способы воздействия на бетонную смесь в наибольшей степени подходят для приготовления жестких бетонных смесей с низким содержанием цемента и воды, необходимо рассмотреть существующие методики активации и перемешивания.

Развитие методов и средств приготовления бетонных смесей неразрывно связано с развитием методов активации цемента и вяжущих, приготовленных на его основе.

Согласно работе [105] под активацией понимается такая обработка вяжущего (цемента) или смеси вяжущего с заполнителями, в результате которой свойства цемента используются лучше, полнее.

Можно выделить несколько методик, направленных на активацию цементного геля, растворов и бетонных смесей [105]:

1. сухой и мокрый домол цемента;

2. виброактивация цементного геля или цементно-песчаного раствора;

3. турбулентная активация;

4. активация ультразвуком;

5. виброперемешивание бетонной смеси.

1.1. Сухой домол цемента

Сухой домол применяется для увеличения удельной поверхности частиц цемента до 3500-4000 см /г. Вследствие увеличения удельной поверхности частицы цемента активнее участвуют в процессе гидратации, поверхностные явления, такие как образование двойного электрического слоя происходят более интенсивно. Для предотвращения снижения эффективности цемента с большой удельной поверхностью при хранении

и транспортировке (вследствие высокой гигроскопичности), домол применяют непосредственно перед употреблением на бетонном заводе.

Эффект активации в значительной степени зависит от вида исходного цемента и типа мельницы. Наибольшие влияние сухой домол оказывает на активность цемента в образцах из цементного геля, меньше всего эффект активации сказывается на прочности бетонов. Исследованием влияния сухого домола занимались исследователи: Куннос Г.Я., Баженов А.И., Штейерт Н.П., Иоффе A.A., Миронов С.А., и др. [33, 85, 90, 124]. Среди более поздних исследований можно отметить работы [56, 69, 97, 125].

1.2. Мокрый домол цемента

При мокром домоле происходит непрерывное механическое удаление рыхлосвязанной воды с поверхности частиц цемента, за счет чего увеличивается количество цемента, вовлеченного в процесс гидратации, кроме того, вода распределяется более равномерно между частицами цемента. Мокрый домол производится в шаровых мельницах [49], переоборудованных бетономешалках [104], в вибромельницах с мелющими телами [96]. Мокрый домол эффективен при В/Ц лежащим в пределах 0,4-0,5 [118], неэффективен для приготовления жестких бетонных смесей. Исследованиями мокрого домола занимались Скрамтаев Б.Г., Будилов A.A., Мошанский H.A., Бухман A.C., Маркелов М.А., и др. [49, 89,91,92,96, 104, 118].

1.3. Виброактивация цементного геля или цементно-песчаного

раствора

Применение предварительной виброактивации цементного геля или цементно-песчаного раствора было предложено Ю.А. Штаераном [121-

123]. Суть метода заключается в виброобработке цементного геля или цементно-песчаного раствора жесткой консистенции внутренним виброактиватором. Виброактиватор погружается в емкость с заранее приготовленной смесью или же непосредственно во время приготовления цементного геля или цементно-песчаной смеси.

Эффект, оказываемый виброактивацией был теоретически обоснован П.А. Ребиндером [100, 101]. Изучению вибрационного воздействия, оказываемого на цементно-водные или цементно-песчаные смеси посвящены работы И.Н. Ахвердова [26-31], воздействие вибрации на дисперсные системы описаны в работах П.Ф. Овчинникова [95] и И.И. Блехмана [46]. Исходя из данных работ, виброактивационный эффект можно описать следующим образом. При виброобработке происходит разрушение коагуляционных структур, состоящих из зерен цемента, молекул воды и микрозаполнителя, благодаря чему происходит более равномерное распределение воды по объему замеса. При пептизации флокул цементного геля под воздействием вибрации пленки рыхлосвязанной воды удаляются с поверхности цементных частиц, вследствие чего все большее количество цемента вовлекается в процесс гидратации. При соударении зерен цемента активнее происходят процессы адсорбционного и химического диспергирования, что ведет к увеличению числа коллоидных частиц, кроме того, вибрирование облегчает образование большего числа мелких кристалликов, то есть дает возможность получить мелкокристаллическую структуру цементного камня [105].

Прочность бетонов и растворов, приготовленных на материале, активированном данным методом, повышается, как и при мокром домоле, благодаря увеличению числа коллоидных частиц в смеси и равномерному распределению воды между зернами цемента [105].

Виброобработка цементного геля по методу Ю.Я. Штаермана проводится при В/Ц, составляющем 0,8-0,9 его нормальной густоты в зависимости от минералогического состава цемента [121-123]. при увеличении В/Ц водная прослойка между частицами твердой фазы становится слишком большой и активация при вибрации практически не происходит. При значениях В/Ц ниже рекомендуемых эффект от виброактивации также малозаметен [121].

Помимо улучшенной гидратации активированного цемента, исследователями [121-123, 74] был отмечен прирост прочности образцов, изготовленных из активированного цемента. В данных исследованиях также отмечается, что эффект активации по методу Ю.А. Штаермана наблюдается при использовании цементов низких марок и шлакопортландцемента.

Значительным недостатком метода виброактивации является то, что а�