CC BY
58
УДК 691.66.97.031
ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ТИПОРАЗМЕРНЫХ РЯДОВ СМЕСИТЕЛЕЙ
А.А. Богомолов, профессор, к.т.н., БГТУ им. В.Г. Шухова,
г. Белгород
Аннотация. На основе анализа существующего смесительного оборудования и теории подобия приведены теоретические и методические основы создания типоразмерного ряда смесителей роторного типа.
Ключевые слова: смесительное оборудование, размерный ряд, теория подобия.
Введение
В настоящее время каждая категория потребителей бетоносмесительных машин приобретает специфические модели, выбор которых зависит от объёмов и условий работ.
Анализ публикаций
При этом основными параметрами выбора являются производственная вместимость смесителя, энергоёмкость процесса смешивания, надёжность и долговечность машины, её цена. Оптимизировать эти параметры можно лишь в случае создания теоретически и технически обоснованного типоразмерного ряда выпускаемых смесителей, что имеет место в зарубежных фирмах, например по выпуску землеройной техники (КОМАТSU, СаtеrрШar и др.). Создание такого ряда бетоносмеситель-ных машин позволяет оптимизировать структуру парка этих машин и выпускать их в строгом соответствии с потребностями строительной индустрии, развитие которой непосредственно связано с общественным развитием. При этом за основу типажа принимают базовую модель машины, конструктивные и технологические параметры которой установленные по результатам теоретических и экспериментальных исследований и проверенные практикой, являются исходными данными для разработки других модификаций машин, и на основе единого конструктивного решения используют общие методы и машинные программы для проектирования и расчета машин. Основные параметры машины составляют параметрический ряд предподчительных чисел, который использу-
ется при проектировании новой машины, технические параметры которой определяют на базе теории подобия и моделирования.
Решение задачи
Теория подобия предусматривает создание подобных аппаратов в случае соблюдения, как геометрического подобия этих аппаратов, так и физического подобия явлений, происходящих в них.
На рис. 1 представлено два роторных смесителя с лопастями, установленными на различном радиусе Rcр вращения. Эти смесители будут подобными при условии, что количество лопастей на роторе Z=Z'=const и
В - ё - Н - - И - Ь - 1- - С В ~ ё ~ Н ~ я"7" ~Н ~ ~Ь ~ 1 ~ ', (1)
здесь параметр С1 носит название константы геометрического подобия, а индекс означает подобие линейных размеров: диаметр смесительной чаши - В, диаметр внутренней обечайки - ё, средний радиус лопастей - Яф, уровень загрузки смешиваемой массы - Н, высота установки лопастей - И, высота лопастей - Ь, длина лопастей - I.
В случае геометрически подобных смесителей размеры следует подбирать с использованием многократности одного избранного размера, например диаметра смесительной чаши.
Рис. 1. Геометрическое подобие двух роторных смесителей
Тогда
d d' О ~ О'
= г,
Rср'
h h'
О О'
Ь Ь'
= г„
я я; 'о " О'
= г.
I I'
О О '
г.;-
О О '
гь;-
ОО
= г;; (2)
где гл 1кср, 1н, 1н, гь, г называются инвариантами геометрического подобия, которые должны быть идентичными для идентичных размеров геометрически подобных смесителей. Физические явления, происходящие в геометрически подобных аппаратах, подобны, если подобны все характеризующие их параметры. Это означает, что в соответствующих точках обеих аппаратов в соответствующие моменты времени г-ый параметр явления, происходящего в первом аппарате, пропорционален тому же параметру г'-го явления происходящего во втором аппарате, а отношение этих параметров г/г '=Сг является константой подобия для данного параметра. Всякий процесс, в том числе и процесс смешивания, характеризуется несколькими параметрами. Для существования подобия сложных процессов достаточно, чтобы константы подобия С, были связаны между собой определенной для этого процесса зависимостью. Такие зависимости получили название критериев подобия. Из анализа критериев подобия, используемых при описании процессов смешивания (критерии Рейнольд-са, Фруда, Вебера и Эйлера) следует, что линейные (А1 и А2), объемные характеристики {У1 и V), а также массы (т1 и т2), скорости (и и и2) и мощности (Л1 и Л2) двух геометри-
чески подобных систем связаны между собой определенными зависимостями.
А
А2
и 2
(3)
На основании вышеизложенного при проектировании нового смесителя на основе теории подобия, используя параметры смесителя, принимаемого за аналог в данном ти-по-размерном ряду, можно записать
V
А = А 31 ; т2 = т1 —
V
К
N2 = N1V.. и 1 = и 2 377;
(4)
При равенстве окружных скоростей в проектируемом и базовом смесителе получаем
р О2п2 = р О1п1, (5)
о V
откуда п2 = ОП1 или п2 = п1л—■ (6)
О2 V ^2
В выражениях (4) и (6): А1, ть Л1, и1, п1, У1 соответственно линейные размеры, масса, мощность, окружная скорость, частота вращения ротора и объем смесителя, принимаемого за аналог; те же параметры с индексом «2» относятся к проектируемым смесителю.
Таким образом, задаваясь требуемой производственной вместимостью смесителя и принимая отношение N/V=const при равенстве окружных скоростей ротора можно построить типоразмерный ряд смесителей, рас-
считав их основные параметры на основе теории подобия. В конечном итоге коэффициенты
Таблица 1 Ряды роторных смесителей
Параметры V=0,25, м3 К V=0,5, м3 К V=0,75, м3 К V=1, м3 К Р=1,5, м3
D, м 1,43 1,26 1,8 1,145 2,06 1,1 2,27 1,145 2,59
d, м 0,36 1,26 0,45 1,145 0,51 1,1 0,56 1,145 0,64
Н, м 0,13 1,26 0,165 1,145 0,119 1,1 0,21 1,145 0,24
Ь, мм 60 1,26 70 1,145 80 1,1 90 1,145 100
1, мм 215 1,26 270 1,145 310 1,1 340 1,145 390
п, с-1 0,67 0,794 0,532 0,87 0,463 0,91 0,421 0,87 0,366
N кВт 6,5 2,0 13,0 1,5 19,5 1,33 26,0 1,5 39,0
т, кг 1000 2,0 2000 1,5 3000 1,33 3999 1,5 5985
подобия определяются по следующим зависимостям: для линейных размеров
(7)
для частоты вращения ротора
(8)
для мощности привода и масса смесителя
А', = | (9)
В табл. 1 приведены параметрические ряды роторных смесителей различной производственной вместимости смесительной чаши
V м3, полученные расчетным путем по установленным зависимостям (7) - (10) с использованием коэффициентов подобия К„. Полученные параметры могут быть откорректированы применительно к более конкретным условиям работы и требованиям потребителя.
Выводы
Организация производства бетоносмеситель -ных машин данного типоразмерного ряда позволит осуществлять выпуск этих машин в соответствии с конкретными нуждами потребителя и, тем самым, совершенствовать структуру парка машин, под которой следует понимать количественное соотношение между машинами (бетоносмесителями) одного и того же назначения, но разными по своим производственным характеристикам. В зависимости от того, насколько это соотно-
шение удовлетворяет потребностям предприятий строительной отрасли, во многом зависит эффективность использования техники и стоимость выполняемых ею работ. В России насчитывается более двух десятков производителей и поставщиков смесительного оборудования, такие как: ОАО «Тульский завод стройтехники», ОАО «Строймаш» г. Лебедянь Липецкой области, АОЗТ «АОР» г. Санкт-Петербург, ОАО Ярославский завод «Стройтехника», ООО «УПТК Стройтехника» г. Москва и др. Анализ конструкции и технических характеристик смесителей принудительного действия, выпускаемых этими предприятиями, показал их значительное разнообразие, как по конструктивным, так и по технологическим параметрам. При их разработке в основном не соблюдались какие-либо закономерности и положения создания типоразмерных рядов машин и реологические свойства смесей.
Литература
1. Богомолов А. А. К вопросу о совершен-
ствовании смесительных машин. // Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Материалы меж-дун. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Изд-во МГТУ, 2004. - С. 334 - 339.
2. Богомолов А.А., Иванов Р.Ю. Теоретиче-
ские основы создания типоразмерного ряда роторных бетоносмесителей // Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знаний: Сб. докладов региональной науч.-практ. конф. - Губкин: Изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2004. - С. 47 - 50.
3. Брайнес Я.М. Подобие и моделирование в Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., химической и нефтехимической техно- ХНАДУ. логии. - М.: Гостоптехиздат, 1961.
Статья поступила в редакцию 12 июня 2007 г.
