CC BY
6Юдин К. А., канд. техн. наук, доц. Богданов Д. В., канд. техн. наук Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ДВУНАПРАВЛЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МАТЕРИАЛ В СМЕСИТЕЛЯХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
kyudin@mail.ru
Рассмотрены особенности работы смесителей периодического действия. Представлена целесообразность разработки таких смесителей. Выполнен литературный обзор отечественных и зарубежных авторов по данной тематике. Показаны авторская кинематическая схема и вариант лабораторной установки смесителя, описывающие воздействие на перемешиваемый материал относительно двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей.. Вращение смесительной камеры осуществляется посредством зубчатых (конических и цилиндрических) передач. Возникающее сложное пространственное движение частиц материала можно регулировать частотным преобразователем и подбором соответствующих зубчатых колес. Возможен расчет энергетической составляющей для описанного типа устройств. Проведены предварительные экспериментальные исследования. Был выбран центральный композиционный ортогональный план дробного факторного эксперимента. Представлены входные факторы для проведения экспериментальных исследований с лабораторной установкой - смесителем периодического типа с элементами гироскопического эффекта. На начальной стадии ограничились четырьмя входными параметрами. Сделаны выводы по экспериментам.
Ключевые слова: смеситель, двунаправленное воздействие на смешиваемый материал, гироскоп, вращение вокруг двух взаимно горизонтальных осей, траектории движения материала внутри смесительной камеры, зубчатые передачи._
Введение. Отраслевое оборудование промышленности строительных материалов и смежных отраслей специфично и весьма энерго-затратно, что приводит к необходимости эксплуатации оборудования с учетом инновационных подходов к способам переработки материалов. Эффективное перемешивание различных материалов - это проблемное направление при переработке материалов.[1,2,3].
Анализ действующего смесительного оборудования для малотоннажных производств показал потребность в инновационных решениях.
Одним из таких инновационных подходов является использование двунаправленного воздействия на смешиваемый материал в смесителях периодического типа, что предполагает повышение эффективности работы последних [4,5].
Основная часть. Интересным дополнением к имеющейся классификации смесительных машин периодического действия являются смесители с использованием элементов гироскопического эффекта. Это предполагает вращение смесительной камеры относительно двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей.
Создаваемое устройством в двух взаимно перпендикулярных направлениях воздействие на частицы смешиваемого материала приводит к их разрушению и перемешиванию. Под воздействием центробежных сил материал перемещается по сложной траектории, определяемой зуб-
чатыми передачами и переменной частотой вращения привода.
В общем случае, движение частиц материала происходит по траекториям свободного падения [6].
После отрыва частиц от камеры свободное движение частиц происходит только под действием веса и описывается следующей системой уравнений:
* = х + V;
у = у + V/; ^ = + V;, *
V = V ■
х х'
V = V ■
у У1 '
V = V,
(1)
где
х1; у,; *1;ух,;уу,;К
х1>- л'' г1 - координаты и скорости движения частицы материала вдоль соответствующих осей в момент отрыва. При использовании второго, перпендикулярного воздействия на частицы материала наблюдается суперпозиция сил и скоростей.
Использование устройства с двумя степенями свободы аналогично воздействиям, применяемым в гироскопах [7,8,9].
На основе проведенного литературного обзора предлагается устройство для перемешива-
ния материалов, реализующее воздействие на перемешиваемый материал в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях [10].
Варьирование частот вращения целесообразно для устранения застойных зон загрузки, повышения интенсивности перемешивания и как результат - сокращению рабочего цикла устройства. При определенном соотношении частот возникает оптимальная для данного материала траектория движения загрузки, что способствует увеличению площади контактирующих поверхностей, количества взаимодействий, диффузии материалов, гомогенизации смесей.
Привод вращения снабжен зубчатыми передачами, обеспечивающими вращение водила с камерой вокруг горизонтальной оси и непосредственно смесительной камеры вокруг второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой.
Изменение частоты вращения происходит путем установки частотного преобразователя. Кроме того, направления воздействия вращающих моментов возможны как по часовой, так и против часовой стрелки.
Кинематическая схема устройства изображена на рисунке. 1.
Устройство состоит из привода 1, вращающего водило 2, закрепленное на вертикальной тарели 3, вокруг горизонтальной оси посредством цилиндрической зубчатой передачи 7. Кроме того, осуществляется вращение непосредственно смесительной камеры вокруг второй горизонтальной оси посредством конической зубчатой передачи 6 . На водиле смонтирована смесительная камера сферической формы 4, футерованная изнутри и снабженная загрузочным люком 5. Разгрузочный узел на кинематической схеме не показан.
Рис. 1. Кинематическая схема устройства для перемешивания материалов с вращением камеры вокруг двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей: 1 - привод; 2 - вращающееся водило; 3 - вертикальная тарель; 4 - смесительная камера; 5 - загрузочный люк; 6 - коническая зубчатая передача;7 - цилиндрическая
зубчатая передача
Расчет передаточных чисел осуществляется по следующей методике:
U = — • U = — • U - -1
12 ' 34 ' 56 _
Z1 z3 z5 (2)
где U12, U34, U56 - передаточные числа соответствующих кинематических пар (цилиндрические и конические зубчатые передачи); z2, z1, z4, z3, z6, z5 - число зубьев шестерни и колеса соответ-
ствующих кинематических пар (цилиндрические и конические зубчатые передачи).
Если необходимо обеспечить определенное передаточное отношение и* , то получим
со, тт* со3 — = U или —3
= и , где юь ю2, Юз, ю4 -
'2 ^4
угловые скорости шестерен и колес цилиндрических зубчатых передач.
Тогда число зубьев шестерни и колеса цилиндрической зубчатой передачи, например, и 72определяетсяиз выражений (при фиксированной величине межосевого расстояния А):
т
А = ^
2
+ г.
где А - межосевое расстояние, мм, т - значение модуля передачи, мм.
Вариант лабораторной установки по перемешиванию материалов представлен на рисунке
г
и • г
(3)
)=т <*
1 )=т_£1 (1+и • )
и • г, 1= .
(4)
2. Представленный вариант не включает электродвигатель с частотным преобразователем и устройство приема готовой смеси.
Рис. 2. Лабораторная установка
Цикл перемешивания частиц материала продолжается до получения заданного качества перемешивания смеси на основании заранее проведенных экспериментов.
Для данного устройства были проведены экспериментальные исследования [11]. Выводы о возможности использования таких смесителей, степени влияния на соответствие результатов экспериментальных исследований и результатов промышленных испытаний могут быть сделаны в результате сравнения рассчитанных с помощью разрабатываемой методики параметров процессов смешивания. Эксперименты проводились по центральному композиционному ортогональному плану дробного факторного эксперимента. План проведения таких экспериментов предполагал изменение: ф - коэффициента загрузки смесительной камеры; п - частоты вращения, с-1; р - крупность частиц загружаемого материала, м; 1 - время перемешивания загружаемой смеси, с;
по перемешиванию материалов
Определение оптимальных конструктивно -технологических параметров смесителей осуществляется например, последовательным симплекс - методом с использованием математической модели многофазного цикла движения смеси.
Заключение.
Применение описанных устройств приемлемо лишь для малотоннажного производства.
Цикл перемешивания частиц материала может варьироваться как для разных материалов, так и для получения заданного качества перемешивания смеси на основании заранее проведенных экспериментов. Это позволит варьировать экономическую целесообразность предлагаемого устройства для перемешивания материалов.
Выводы
1. Анализ работы существующего смесительного оборудования и теорий процесса смешивания показал необходимость разработки ме-
тодики определения оптимальных параметров взаимодействий смесей с конкретными физико-механическими характеристиками и заданным качеством перемешивания смеси.
2. Разработана методика экспериментальных исследований по смешиванию в устройствах, реализующих двунаправленное воздействие на материал.
3. Созданы экспериментальные установки и проведено необходимое количество экспериментов по центральному композиционному ортогональному плану.
4. Полученная информация необходима для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров смесителей периодического действия.
5. На конструкции устройств для перемешивания материалов, разработанных с учетом предложенной методики, получены авторские свидетельства на полезную модель.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богданов В.С., Шарапов Р.Р., Фадин Ю.М., Семикопенко И.А., Несмеянов Н.П., Герасименко В.Б. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий: учебник. Старый Оскол: ТНТ, 2013.680 с.
2. Бауман В.А. и др. «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций». М., «Машиностроение», 1981. - 324 с.
3. S. P. Deolalkar, 2009. Handbook for designing cement plants. CRC Press, pp: 1220.
4. United States Patent 4326428, Two degree of freedom rate gyroscope, dateviews 27.04.1982http://www.freepatentsonline.com/4326 428.html
5. Юдин К.А., Фадин Ю.М. Устройство для реализации взаимно перпендикулярного воздействия на измельчаемый материал при перемешивании и измельчении/Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвузовский сб. ст./под ред. В.С. Богданова. -Белгород, 2011. Выпуск X. -С. 361-363.
6. Богданов В.С. Ильин А.С., Семикопенко И.А. Процессы в производстве строительных материалов и изделий: учебник. - Белгород: Везелица, 2007. 512 с.
7. Каримов И. Теоретическая механика/ Электронный учебный курс http://www.teoretmeh.ru/
8. John J. Uicker, Gordon R. Pennock, Joseph E. Shigley, 2009,Theory of Machines and Mechanisms. Oxford University Press, pp: 590
9. J. Hannah, R.C. Stephens, 2004. Mechanics of machines 4Th/Ed. Arnold International Student Editions, pp: 312.
10. Патент РФ №2013112706/05, 21.03.2013. Богданов В.С., Юдин К.А., Савкин И.Н. Устройство для перемешивания материалов // Патент России №135536.2013.Бюл.№35.
11. Трусов П.В. Введение в математическое моделирование: учебное пособие. М.: Логос, 2005. 439 с.
