CC BY
129
УДК 691.666.97.031
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СМЕСИТЕЛЬНЫХ МАШИН
А.А. Богомолов, профессор, к.т.н.,
Р.Ю. Иванов, инженер, БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород
Аннотация. Представлены некоторые направления совершенствования конструкции механизма смешивания в смесителях различного типа и выбора рациональных режимов их работы при приготовлении композиционных смесей с различными реологическими свойствами. Приведены теоретические и методические основы создания типо-размерных рядов смесителей роторного типа.
Ключевые слова: смешивание, смеситель, интенсивность, эффективность, реология, лопасть, однородность, параметрический ряд, типо-размерный ряд.
Введение
Основной целью работы является совершенствование механизма смешивания для приготовления композиционных смесей, отличающихся различными реологическими свойствами и на базе этого разработка методики создания типо-размерных рядов смесительных машин.
Анализ публикаций
Асфальтобетонные, цементобетонные смеси, и другие композиционные материалы являются важнейшими строительными материалами в дорожном, промышленном и гражданском строительствах. При производстве вышеуказанных материалов головным и важнейшим процессом является процесс смешивания компонентов смеси, который во многом определяет качество готовой продукции по прочности, износостойкости и долговечности. Как бы ни был рационально и теоретически обоснованно подобран состав смеси, какое бы ни было высокое качество ее компонентов, материал, изготовленный из смеси данных компонентов, не будет обладать высоким качеством, если смесь не будет приготовлена с высокой степенью однородности. Это и определяет значимость и актуальность проблемы совершенствования механизма смешивания в любом смесителе, решение которой позволит создавать типо-размерные ряды смесительных машин и производить их в соответствии с требованиями потребителей.
Обоснование типо-размерных рядов
Очевидно, что одним из важнейших факторов, обуславливающих рациональность конструкции
смесителей и в значительной степени влияющим на интенсивность смешивания и получение высокооднородных смесей, является конструкция собственно смешивающего механизма и, в частности, схема установки смесительных лопастей.
Так в роторных смесителях цикличного действия нами предлагается взамен плоских лопастей, установленных под углом к днищу чаши, равным 5=60...70°, использовать криволинейные лопасти с радиусом кривизны, равным r=h/2 sin 5, где h -высота лопасти, установленной под углом к днищу, равным 5=30...45°. Это мероприятие позволит более чем в 2 раза сократить случаи заклинивания компонентов в зазоре между рабочей кромкой лопасти и днищем, высвободив при этом до 30% энергии на преодоление заклинивания, а образование турбулентного потока смеси перед лопастью позволит интенсифицировать процесс смешивания и повысить однородность смеси на 15...20%. Для обеспечения лучшего массообмена смешиваемых компонентов по высоте зоны смешивания предлагается установка смесительных лопастей в двух уровнях.
Для смесителей цикличного действия с горизонтальными лопастными валами (асфальтосмесите-ли), нами предлагается так называемая «зигзагообразная» схема установки лопастей на смесительных валах, обеспечивающая активный массообмен смешиваемых компонентов, как в поперечном, так и в продольном направлениях во всем смешиваемом объеме. Предлагаемая схема установки лопастей не требует изменения конструкции лопастей и валов, позволяет: сократить продолжительность смешивания до 30...45 с, повысить однородность смеси на 15...20%, обеспечить равномерную загрузку лопастных валов по
их длине и исключить осевое нагружение валов и их подшипников.
Нами также предлагается рациональная схема установки смесительных лопастей в смесителях непрерывного действия с использованием поточных, противоточных и подпорных лопастей. Данная схема также как в смесителях циклического действия, обеспечивает лучший массообмен, как в поперечном так и в продольном направлениях зоны смешивания, равномерную загрузку лопастных валов и позволяет повысить на 20...25% однородность приготовляемых смесей, а за счет сокращения длины зоны смешивания до 20% снизить потребную мощность привода смесителя и его металлоемкость.
Нами предлагается также методика рационального выбора частоты вращения лопастных валов, в значительной степени влияющей на интенсивность и эффективность процесса смешивания, с учетом реологических свойств смешиваемых материалов.
Эффективность использования предлагаемых разработок определяется:
а) сокращением продолжительности процесса смешивания и увеличением на 15...20% производительности смесителей;
б) повышением степени однородности получаемых смесей на 20...30% и сокращением количества потребного вяжущего материала на 15.. .20%;
в) снижением на 25.30% удельного расхода электроэнергии и установленной мощности двигателей привода.
Одним из направлений развития строительных и дорожных машин является совершенствование структуры парка машин, под которой следует понимать количественное соотношение между машинами одного и того же назначения, но разными по своим производственным характеристикам, и между машинами различного функционального назначения. В зависимости от того, насколько это
соотношение удовлетворяет потребностям соответствующей отрасли строительства, во многом зависит эффективность использования техники и стоимость выполняемых ею работ.
В связи с вышеизложенным, разработка типоразмерных рядов машин одного и того же назначения с использованием принципов унификации и стандартизации в настоящее время продолжает оставаться актуальной задачей.
Известно, что типаж машин определяет технически и экономически обоснованную совокупность этих машин, объединённых общностью назначения и обладающих совершенными техническими показателями. 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 машины, и на основе единого конструктивного решения используют общие методы и машинные программы для проектирования и расчета машин.
Основные параметры машины составляют параметрический ряд предпочтительных чисел, который используется при проектировании новой машины, технические параметры которой определяют на базе теории подобия и моделирования.
Всё выше сказанное в полной мере относится к разработке типо-размерных рядов смесителей, используемых в строительных отраслях для приготовления разнокомпонентных смесей. До настоящего времени в отечественном машиностроении подобных рядов не существует и разработка их носит актуальное значение.
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 представлены два роторных смесителя с лопастями установленными на различном радиусе Лср вращения. Эти смесители будут подобными при условии, что количество лопастей на роторе Z = Z'=const и
В _ _ И = RcíL _ И = Ь _ И _ с (1)
В Л И Яср И Ь l 1. ( )
ср
Здесь параметр С1 носит название константы геометрического подобия, а индекс «I» означает подобие линейных размеров: диаметр смесительной чаши - В, диаметр внутренней обечайки - d, средний радиус лопастей - Яср, 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 диаметр смесительной чаши.
Тогда
. , И = И. _ ■ •
В~ В'~ л ; В ~ В' ~1Кср ; В~ В'~ И ;
_И__И._. ._Ь--Ъ__ ■ • Л_Л_ ■ • (2)
В~ В' ~1и ; В~ В' ~1ь ; В~ В' ~1‘; ( )
где ¡л ¡Яср, И ¡И, ¡Ь, ц, 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. Эта означает, что в соответствующих точках обеих аппаратов в соответствующие моменты времени /-й параметр явления, происходящего в первом аппарате, пропорционален тому же параметру /'-го явления происходящего во втором аппарате, а отношение этих параметров ///' = С, 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 определённой для этого процесса зависимостью. Такие зависимости получили название критериев подобия. Из анализа критериев подобия используемых при описании процессов смешивания (критерии Рейнольдса, Фруда, Вебера, и Эйлера) следует, что линейные (А1 и А2), объемные (У1 и У2) характеристики, а также массы (т1 и т2), скорости и1 и и2) и мощности (N1 и N2) двух геометрически подобных систем связаны между собой определенными зависимостями.
А1 / А2 _ и1 /и2 _ з/т1 /т2 _ ^N,1N2 _ з/У2/у (3)
На основании выше изложенного при проектировании нового смесителя на основе теории подобия, используя параметры смесителя, принимаемого за аналог в данном типо-размерном ряду, можно записать
А2 _ А1 • з]У2 / V ;т2 _ т1 ■У2/У1;
(4)
N2 _ N1 ■ У2/У1; и2 _ и1 • з/У^У;
При равенстве окружных скоростей в проектируемом и базовом смесителе О] можно записать
п ■ В2 ■ п2 _ п ■ В1 ■ п1,
откуда
В выражениях (4) и (5): A1, mx, N1, и1, nb V соответственно линейные размеры, масса мощность, окружная скорость, частота вращения ротора и объём смесителя, принимаемого за аналог; те же параметры с индексом «2» относятся к проектируемому смесителю.
Таким образом, задаваясь требуемой производственной вместимостью смесителя и принимая отношение N/V=const при равенстве окружных скоростей роторов можно построить типо-размерный ряд смесителей, рассчитав их основные параметры на основе теории подобия.
Таблица 1 Параметрические ряды роторных смесителей
Параметры V=0,25, м3 Кп. V=0,5, м3 Кп. V=0,75, м3 Кп. V=1, м3 Кп. V=1,5, м3
D, м 1,43 1,26 1,5 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
H, м 0,13 1,26 0,165 1,145 0,119 1,1 0,21 1,145 0,24
b, мм 60 1,26 70 1,145 80 1,1 90 1,145 100
l, мм 215 1,26 270 1,145 310 1,1 340 1,145 390
n, 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
m, кг 1000 2,0 2000 1,5 3000 1,33 3999 1,5 5985
Выше приведена табл. 1, содержащая параметрические ряды роторных смесителей различной производственной вместимости смесительной чаши У м3, полученные расчетным путем по установленным зависимостям (4) и (5), с использованием коэффициентов подобия Кп.
Выводы
Полученные параметры могут быть откорректированы применительно к более конкретным условиям работы и требованиям потребителя.
По сравнению с существующей отечественной и зарубежной смесительной техникой модернизируемые смесители с использованием рациональных схем установки лопастей и технологических параметров машин призваные обеспечить повышение качества смеси и изделий из них, увеличение производительности машин, снижение их удельных энергоемкости и материалоемкости, а также экономию дорогостоящих вяжущих материалов.
Указанные разработки могут быть внедрены и использованы на всех машиностроительных заводах по производству смесительной техники, а также на заводах по производству композиционных материалов.
Литература
1. Богомолов А. А. К вопросу о совершенствова-
нии смесительных машин // Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Материалы международной научно-практической конференции. - Йошкар-Ола: Изд-во МГТУ, 2004. - С. 334-339.
2. Богомолов А.А., Иванов Р.Ю. Теоретические
основы создания типоразмерного ряда роторных бетоносмесителей // Современные проблемы технического, естественно-научного и гуманитарного знаний.: Сборник докладов региональной научно-практической конференции. - Губкин: Изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2004. - С. 47-50.
3. Брайнес Я.М. Подобие и моделирование в хи-
мической и нефтехимической технологии. -М., Гостоптехиздат. - 1961.
4. Авторское свидетельство №1335478. Рабочий
орган смесителя принудительного перемешивания / Богомолов А.А., Князев В.Ю. и др.; заявлено 30.12.85; Опубл. 07.09.87; Бюл. №33. - 1987. - 3 с.
Рецензент: А.С. Полянский, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 16 января 2005 г.
