CC BY
1
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.926.34
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-3 -661 -662
ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЗАГРУЗКИ В СМЕСИТЕЛЕ С ДВУНАПРАВЛЕННЫМ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА МАТЕРИАЛ
К.А. Юдин, А.Н. Дегтярь, С.И. Анциферов
В статье рассматриваются особенности разработки инновационных смесителей периодического действия. Представлена целесообразность разработки таких смесителей. Представлен вариант лабораторной установки смесителя (трехмерная модель) с описанием воздействий на перемешиваемый материал относительно двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей. Вращение смесительной камеры осуществляется посредством ременной, конической, цепной передач. Возникающее сложное пространственное движение частиц материала можно регулировать частотным преобразователем и подбором соответствующих зубчатых колес. Представлена часть методики по определению траектории движения частиц материала в смесительной камере. Математически решается пространственная задача. Проведены предварительные экспериментальные исследования. Выбран центральный композиционный ортогональный план. Предложены входные факторы. Представлен пример машинной реализации задачи с помощью приложений SolidWorks Flow Simulation и EDEM с выводом диаграмм. Сделаны выводы по работе.
Ключевые слова: устройство для перемешивания материалов, траектории движения частиц материала внутри смесительной камеры, двунаправленное вращательное воздействие.
В современных условиях необходимо обеспечивать энергетическую и технологическую независимость, применяя различные инновационные подходы. Весьма востребованным направлением развития промышленности является переработка материалов. Смесительное оборудование призвано обеспечить однородность, стабильность и качество конечного продукта[1]. Предлагаемым инновационным решением является использование двунаправленного вращательного воздействия на смешиваемый материал в смесителях периодического типа, что предполагает повышение эффективности работы последних [2,3].
Кроме того, необходим учет влияния так называемого гироскопического эффекта, возникающего при вариативном двунаправленном вращательном воздействии на материал в смесительной камере [4].
Техническим результатом создания устройства для перемешивания материалов является повышение эффективности перемешивания.
Технический результат достигается устройством для перемешивания материалов, содержащим смесительную камеру сферической формы с люком, смонтированную на водиле, вращаемом вокруг горизонтальной оси, приводом вращения, конической и цепной передач, стопировщика. Коническая передача в совокупности с цепной передачей служат для вращения непосредственно смесительной камеры вокруг второй горизонтальной оси [5].
Покажем вариант реализации смесителя периодического действия с учетом двунаправленного вращательного воздействия на перемешиваемый материал внутри смесительной камеры относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Основные компоненты показаны на рис.1
Рис. 1. Трехмерная модель устройства для перемешивания материалов: 1 - смесительная камера, 2 - люк, 3 - водило, 4 - стойки, 5 - цепная передача, 6 - коническая передача, 7 - привод.
661
Выбор сферической формы смесительной камеры в сочетании с варьированием частоты вращения целесообразны для устранения застойных зон загрузки и повышения интенсивности перемешивания, так как при определенном соотношении частот двух вращательных воздействий возникает оптимальная для данного материала траектория движения частиц загрузки. Это приводит к увеличению площади контактирующих поверхностей, количеству взаимодействий и т.д., а значит и повышению однородности смеси. Эффективная выгрузка готовых смесей может производиться путем установки под люком смесительной камеры разгрузочного узла, который может быть в соответствии с производственным циклом совместим с подвижным порталом. Качественным показателем может выступать Ус - коэффициент вариации (неоднородности смеси).
Решая пространственную задачу, представим часть методики по определению траектории движения частиц материала [6,7].
Применим второй закон Ньютона, согласно которому та = Ё. Будем считать, что частица материала движется внутри сферической смесительной камеры под действием силы тяжести. Запишем формулу
т^ = , (1)
где т;- масса г'-й частицы, - вес г'-й частицы.
Учитывая, что = т^д и интегрируя дважды уравнение (1), получим
П = -д;_
П = -дь + Ую; (2)
= -д1- + + хю.
В общем случае, при отсутствии контакта выбранной частицы шарообразной формы с другими частицами и футеровкой смесительной камеры, движение центров масс каждой частицы описывается уравнением:
П = По + уш + Щ-. (3)
Уравнение (3) в проекциях примет вид:
= + V\хоt\ Vi = Ую + Viy о t;
I zt = zi0 + Vixot
gt2
(4)
Для каждой г'-ой частицы можно определить время Ьц, ее движения по параболической траектории до соударения со смесительной камерой. Граничное условие имеет вид:
+ У2 + ^ =(Rb-rs)2,
(5)
где Rb- радиус смесительной камеры, rs - радиус частицы. Уравнение (5) с учетом (4) принимает вид:
(xi0 + Vixotib)2 + (yi0 + Vlyotlb)2 + (zi0 + Vizotib -2t^b)2 = (Rb - rs)2 (6)
Поскольку изначально частица материала находится внутри смесительной камеры, то один корень будет всегда отрицательным, а необходимый корень является минимальным положительным. Варианты движения частицы можно интерпретировать графически (рис. 2). Выполняя ряд преобразований
aitu, + а-2^ь + astfb + + as = 0, (7)
% = y, а2 = -Vlzog, а3 = V2l0 - zi0 g, где Vi0 - модуль полной начальной скорости; коэффициенты полинома.
а4 = 2(xl 0 ri0 - модуль радиус
+ УюViy0 + zi0ViZ0), as = rt20 - (Rь - rs)2
■ вектора частицы,
ai, a2, a3 , a4,as
Рис. 2. Варианты движения частиц
Уравнение (7) является уравнением четвертой степени и имеет 4 действительных корня. Их физическая интерпретация представлена на рис.2 (траектория 1). Возможна ситуация, когда уравнение 7 имеет два действительных корня (траектории 2 и 4), при этом один положительный.
В случае 3 будет два действительных корня, если вершина параболы находится внутри смесительной камеры. В противном случае возможны два варианта в зависимости от положения параболы.
Аналогично можно рассчитать время до соударения частиц \г\ = 2г5 , которое в скалярном виде выглядит так:
(Х10 + ^1X0^1)5 — Х]0 — + (Ую + — У]0 — ^]уо^1]!!) +
( 9 2 9 2 \2 г Л2 (8)
+ + УаоЬф — 2 ^ЦБ — г]0 — Цго^ЦБ + ^ ) = — гз)
Рассмотрим соударение частицы материала со смесительной камерой. Будем считать, что положение частицы в течение удара не меняется, а происходит мгновенное изменение скорости центра масс частицы.
Запишем для частицы теоремы об изменении количества движения и об изменении момента количества
движения
шУ\ -шУо = №п + №т;
(гап-гао1) = тг ) + тг т); ^(га1П - стоп) = шу (№п) + шу т).
(9)
, 2-т.г2
где ] = —---момент инерции частицы относительно оси, проходящей через ее центр масс; юо , Ю1 - угловые скорости до контакта и после контакта; Бп - импульс силы нормального давления; Бт - импульс силы тангенциального давления; Уо , VI - скорость частицы до контакта и после контакта.
Спроецируем уравнение (9) на оси координат, привязанные к выбранной точке B на внутренней поверхности смесительной камеры. На рис. 3 представлена скорость в точке В после соударения.
шУ 1п - шУ оп = (№ 1п); шУ 1т1 - шУ 0т1 = S1тl■;
шУ 1т2 - шУ от2 = S1т2; (1о)
Jст 1 = 2 ш2 №); Jста = 2шу №).
В результате решения системы (10) определяем составляющие скорости частицы V! после контакта.
Рис. 3. Скорость в точке B после соударения
К математическим зависимостям следует добавить натурные исследования на лабораторной установке и машинные эксперименты [8,9]. Например, диаметр смесительной камеры лабораторной установки составляет 0500 мм. А для варьирования частоты вращения смесительной камеры применен частотный преобразователь LS600-4010-7.5/38о.
Согласно теории планирования экспериментов, выбирается соответствующий план. Выбран центральный композиционный ортогональный план (ЦКОП) дробного факторного эксперимента. В качестве входных параметров могут быть выбраны: п - частота вращения смесительной камеры, с-1; 1 - время перемешивания загружаемой смеси, с; ф - коэффициент загрузки камеры; г - крупность частиц загружаемого материала, м; р - объемная масса загружаемого материала, кг/м3, к - количество фракций материала.
Время перемешивания соответствует техническому регламенту для традиционных смесителей периодического типа.
Машинная реализация может включать перекрестное использование специфичных графических пакетов. Применим два графических продукта. Высокопроизводительный решатель ЕБЕМ предназначен для анализа поведения сыпучих материалов (в нашем случае моделирование для сухих смесей). Например, используя ЕБЕМ можно показать изменение скорости частиц определенной фракции от времени перемешивания. На рис.4 временной лаг - 1 минута.
_"ЕРЕМ
ышншшшы и
Рис. 4. Диаграмма зависимости скорости частиц материала от времени перемешивания
Выбрав временной лаг 1 минуту, видно, что в первые 2 секунды скорость произвольной частицы максимальна, а затем частица попадает в малоподвижное ядро загрузки и скоростные перепады будут незначительными.
Второй применяемый пакет - SolidWorks Flow Simulation. Выбираем это современное прикладное программное обеспечение для проведения машинного эксперимента.
Используя соответствующие сита, загружаем в смесительную камеру диаметром 0500 мм исходные материалы. Посредством SolidWorks Flow Simulation получаем ряд диаграмм. Представляем пример из выборки, задаваясь частотой вращения n=0.3 с-1. На рис.5 представлены траектории движения частиц. Диаграммы движения частиц представлены на рис. 6.
Рис. 5 Траектории движения частиц
Из диаграмм следует, что в результате двунаправленного вращательного воздействия траектории частиц фракции отображают колебательный процесс. Предельная длина траекторий составляет 7 м, а максимум скорости частиц чуть превышает 2.5 м/с. Даже самые активные частицы выборки к окончанию временного лага снижают скоростные показатели. Колебательный характер представленных траекторий изменяется от -0.23 до 0.23м.
Рекомендуемое применение предлагаемого смесителя - малотоннажные производства в промышленности строительных материалов, химической и смежных отраслях. Адаптация под конкретный готовый продукт приведет к доработке и совершенствованию конструкции.
1.SLDA5M [Проект(1]1
—^рзкци" 2_2
■■'Fub.i^ С [НИМ/-—'7 [ чи 11/- 1 "
IM- ,_h
ГIf"I- л - п - гт; Алнна-
Рис. 6. Диаграммы анализа движения часпшц
Работа выполнена в рамках реализации федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова
This work was realized in the framework of the Program "Priority 2030" on the base of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. The work was realized using equipment of High Technology Center at BSTU named after V.G. Shukhov.
Список литературы
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 для вузов. Старый Оскол, ТНТ, 2015. 680 с.
2. Юдин К.А., Погосбеков А.А. Особенности моделирования приводного узла смесителя с двунаправленным вращательным воздействием на материал// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 4. С. 101 - 107.
3. Юдин К.А., Дегтярь А.Н., Харин Н.П. Моделирование двунаправленного вращательного воздействия на материал в сферической смесительной камере // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №5. С. 126-132.
4. Yudin К.А., Degtyar A.N. Calculation Time Traffic Loading Particles Prior to Reacting with Bi-Directional Rotational Impact //Lecture Notes in Civil Engineering book series. 2021. P. 149-156.
5. Патент №174442 РФ. Устройство для перемешивания материалов / К.А. Юдин, И.А. Семикопенко, Ю.М. Фадин. Заявка №2017112567 от 12.04.2017; опубл. 13.10.17, Бюл. №29.
6. Каримов И. Теоретическая механика. [Электронный ресурс] URL: http://www.teoretmeh.ru (дата обращения: 10.02.2024).
7. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. М: КноРУС, 2011. 603 с.
8. Трусов П.В. Введение в математическое моделирование: Учебное пособие. М.: Логос, 2005. 439 с.
9. Рогов В.А., Позняк Г.Г. Методика и практика технических экспериментов: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 288 с.
665
Юдин Константин Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Дегтярь Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Анциферов Сергей Игоревич, канд. техн. наук, доцент, anciferov.sergey@gmail. com, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
STUDY OF LOADING MOVEMENT IN A MIXER WITH BI-DIRECTIONAL ROTATIONAL INFLUENCE
ON THE MATERIAL
K.A. Yudin, A.N. Degtyar, S.I. Anciferov
The article discusses the features of the development of innovative batch mixers. The feasibility of developing such mixers is presented. A variant of a laboratory mixer installation (three-dimensional model) is presented with a description of the effects on the mixed material relative to two mutually perpendicular horizontal axes. The rotation of the mixing chamber is carried out by means of belt, bevel, and chain drives. The resulting complex spatial movement of material particles can be controlled by a frequency converter and selection of appropriate gears. Part of the methodology for determining the trajectory of movement of material particles in the mixing chamber is presented. The spatial problem is solved mathematically. Preliminary experimental studies have been carried out. A central compositional orthogonal plan has been selected. Input factors are proposed. An example of a computer implementation of a problem using the SolidWorks Flow Simulation application with diagram output is presented. Conclusions are drawn from the work.
Key words: device for mixing materials, trajectories of movement of material particles inside the mixing chamber, bidirectional rotational effect.
Yudin Konstantin Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, kyudin@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Degtyar Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, andrey-dandr@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Anciferov Sergey Igorevich, candidate of technical sciences, docent, anciferov. sergey@gmail. com, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
УДК 69.002.5
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-3 -666-667
ОПИСАНИЕ ДИНАМИКИ ВИБРАЦИОННОГО ОШТУКАТУРИВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕН
Р.Р. Шарапов, Н.С. Шихов
В статье рассмотрены основные аспекты изучения эффективного применения штукатурных машин и смесей в строительстве путем применения автоматизированных и механизированных систем, агрегатов и роботов. Теоретический аспект исследования процесса уплотнения штукатурного слоя с помощью виброплатформы робота-штукатура с регулируемыми параметрами. Выявлены основные конструктивно-технологические параметры виброуплотнения штукатурного слоя и их влияние на эффективность процесса уплотнения вертикальных стен. Описаны методики проведения экспериментальных исследований, а также экспериментальные установки, на которых проводился лабораторный эксперимент. Использование данной технологии позволяет решить проблему временных затрат и увеличить показатели производительности труда, а также аспекты экономического характера. При изменении физико-механических характеристик виброплатформы ее зависимость факторов варьирования позволяет сформировать наиболее благоприятные условия для механического воздействия колебаний на эффективность процесса оштукатуривания вертикальных стен. Изучены штукатурные смеси для получения штукатурного слоя, проанализированы основные физико-механические характеристики, требования, которые необходимо учитывать в процессе оштукатуривания. В работе приведено сравнение физико-механических характеристик виброплатформы, выявлены преимущества и недостатки при использовании разных комбинаций параметров. Установлено, что использование определенной комбинации либо изменение одного важного параметра способствует повышению физико-механических характеристик по сравнению с традиционным методом механического воздействия.
Ключевые слова: штукатурная смесь, оштукатуривание, робот-штукатур.
Ведущие компании, связанные с робототехникой, уже сейчас выпускают разнообразные строительные аппараты, с успехом используемые при строительстве больших объектов. Такие устройства показали свою высокую эффективность на всех стадиях — от проектирования до финишной отделки.
Разработка нового устройства штукатурной машины и технологии использования для автоматизированного уплотнения вертикальных стен. Разработка новой автоматизированной штукатурной машины. [1]
Необходимостью изучения более широких связей и свойств объектов, воздействия кинематических, силовых, энергетических и других параметров штукатурных машин с целью выявления новых закономерностей их функционирования и создания на их основе новых конструкций вибромашин обладающих повышенной эффективностью.
