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 конструк-ции механизма смешивания в смесителях различного типа и выбора рациональных режимов их работы при приготовлении композиционных смесей с различными реоло-гическими свойствами. Приведены теоретические и методические основы созда-ния типо-размерных рядов смесителей роторного типа. Ключевые слова: смешивание, смеситель, интенсивность, эффективность, реоло-гия, лопасть, однородность, параметрический ряд, типо-размерный ряд.

Введение

Основной целью работы является совершенство-вание механизма смешивания для приготовления композиционных смесей, отличающихся различ-ными 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 до-рожном, промышленном и гражданском строи-тельствах. При производстве вышеуказанных ма-териалов головным и важнейшим процессом является процесс смешивания компонентов сме-си, который во многом определяет качество гото-вой продукции по прочности, износостойкости и долговечности. Как бы ни был рационально и теоретически обоснованно подобран состав сме-си, какое бы ни было высокое качество ее компо-нентов, материал, изготовленный из смеси дан-ных компонентов, не будет обладать высоким качеством, если смесь не будет приготовлена с высокой степенью однородности. Это и опреде-ляет значимость и актуальность проблемы со-вершенствования механизма смешивания в лю-бом смесителе, решение которой позволит создавать типо-размерные ряды смесительных машин и производить их в соответствии с требо-ваниями 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 высо-кооднородных смесей, является конструкция соб-ственно смешивающего механизма и, в частно-сти, схема установки смесительных лопастей. Так в роторных смесителях цикличного действия нами предлагается взамен плоских лопастей, ус-тановленных под углом к днищу чаши, равным δ=60...70°, использовать криволинейные лопасти с радиусом кривизны, равным r=h/2 sin δ, где h –высота лопасти, установленной под углом к днищу, равным δ=30...45°. Это мероприятие по-зволит более чем в 2 раза сократить случаи за-клинивания 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 сме-шивания предлагается установка смесительных лопастей в двух уровнях. Для смесителей цикличного действия с горизон-тальными лопастными валами (асфальтосмесите-ли), нами предлагается так называемая «зигзаго-образная» 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 конст-рукции лопастей и валов, позволяет: сократить продолжительность смешивания до 30...45 с, по-высить однородность смеси на 15...20%, обеспе-чить 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 поточ-ных, противоточных и подпорных лопастей. Дан-ная схема также как в смесителях циклического действия, обеспечивает лучший массообмен, как в поперечном так и в продольном направлениях зоны смешивания, равномерную загрузку лопаст-ных валов и позволяет повысить на 20...25% од-нородность приготовляемых смесей, а за счет сокращения длины зоны смешивания до 20% сни-зить потребную мощность привода смесителя и его металлоемкость. Нами предлагается также методика рационально-го выбора частоты вращения лопастных валов, в значительной степени влияющей на интенсив-ность и эффективность процесса смешивания, с учетом реологических свойств смешиваемых ма-териалов. Эффективность использования предлагаемых разработок определяется: а) сокращением продолжительности процесса смешивания и увеличением на 15...20% произво-дительности смесителей; б) повышением степени однородности получае-мых смесей на 20...30% и сокращением количест-ва потребного вяжущего материала на 15…20%; в) снижением на 25…30% удельного расхода электроэнергии и установленной мощности дви-гателей привода.

Одним из направлений развития строительных и дорожных машин является совершенствование структуры парка машин, под которой следует по-нимать количественное соотношение между ма-шинами 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 соот-ветствующей отрасли строительства, во многом зависит эффективность использования техники и стоимость выполняемых ею работ. В связи с вышеизложенным, разработка типо-размерных рядов машин одного и того же назна-чения с использованием принципов унификации и стандартизации в настоящее время продолжает оставаться актуальной задачей. Известно, что типаж машин определяет техниче-ски и экономически обоснованную совокупность этих машин, объединённых общностью назначе-ния и обладающих совершенными техническими показателями. При этом за основу типажа прини-мают базовую модель машины, конструктивные и технологические параметры которой установ-ленные по результатам теоретических и экспери-ментальных исследований и проверенные прак-тикой, являются исходными данными для разработки других модификаций машины, и на основе единого конструктивного решения ис-пользуют общие методы и машинные программы для проектирования и расчета машин. Основные параметры машины составляют пара-метрический ряд предпочтительных чисел, кото-рый используется при проектировании новой машины, технические параметры которой опре-деляют на базе теории подобия и моделирования. Всё выше сказанное в полной мере относится к разработке типо-размерных рядов смесителей, используемых в строительных отраслях для при-готовления разнокомпонентных смесей. До на-стоящего времени в отечественном машино-строении подобных рядов не существует и разработка их носит актуальное значение. Теория подобия предусматривает создание по-добных аппаратов в случае соблюдения как гео-метрического подобия этих аппаратов так и фи-зического подобия явлений, происходящих в них.

Рис. 1. Геометрическое подобие двух роторных смесителей

На рис. 1 представлены два роторных смесителя с лопастями установленными на различном радиу-се Rcp вращения. Эти смесители будут подобными при условии, что количество лопастей на роторе Z = Z'=const и

cp

cp

'' ' ' ' ' 'l

RD d H h b l CD d H R h b l

= = = = = = = . (1)

Здесь параметр Сl носит название константы гео-метрического подобия, а индекс «l» означает по-добие линейных размеров: диаметр смесительной чаши – D, диаметр внутренней обечайки – d, средний радиус лопастей – Rcp, уровень загрузки смешиваемой массы – Н, высота установки лопа-стей – h, высота лопастей – b, длина лопастей – l. В случае геометрически подобных смесителей размеры следует, подбирать с использованием многократности одного избранного размера, на-пример диаметр смесительной чаши. Тогда

diDd

Dd

=='' ;

cp

cp cp '' R

R Ri

D D= = ; HiD

HDH

=='' ;

hiDh

Dh

=='' ; biD

bDb

=='' ; liD

lDl

=='' ; (2)

где id, iRcp, iH, ih, ib, il, называются инвариантами геометрического подобия, которые должны быть идентичными для идентичных размеров геомет-рически подобных смесителей. Физические явления, происходящие в геометри-чески подобных аппаратах, подобны если подоб-ны все характеризующие их параметры. Эта оз-начает, что в соответствующих точках обеих аппаратов в соответствующие моменты времени i-й параметр явления, происходящего в первом аппарате, пропорционален тому же параметру i′-го явления происходящего во втором аппарате, а отношение этих параметров i/i′ = Сi, является константой подобия для данного параметра. Всякий процесс в том числе и процесс смешива-ния характеризуется несколькими параметрами.

Для существования подобия сложных процессов достаточно, чтобы константы подобия Сi, были связаны между собой определённой для этого про-цесса 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), объем-ные (V1 и V2) характеристики, а также массы (m1 и m2), скорости υ1 и υ2) и мощности (N1 и N2) двух геометрически подобных систем связаны между собой определенными зависимостями.

312

321

3212121 ///// VVNNmmAA ===υυ= (3)

На основании выше изложенного при проектиро-вании нового смесителя на основе теории подо-бия, используя параметры смесителя, принимае-мого за аналог в данном типо-размерном ряду, можно записать

31212 /VVAA ⋅= ; ; 1212 /VVmm ⋅=

(4)

1212 /VVNN ⋅= ; 31212 /VV⋅υ=υ

При равенстве окружных скоростей в проектируе-мом υ2 и базовом смесителе υ1 можно записать

1122 nDnD ⋅⋅π=⋅⋅π ,

откуда

12

12 n

DDn = ; или 3

2

112 V

Vnn ⋅= . (5)

В выражениях (4) и (5): A1, ml, N1, υ1, nl, Vl соот-ветственно линейные размеры, масса мощность, окружная скорость, частота вращения ротора и объём смесителя, принимаемого за аналог; те же параметры с индексом «2» относятся к проекти-руемому смесителю. Таким образом, задаваясь требуемой производст-венной вместимостью смесителя и принимая от-ношение N/V=const при равенстве окружных ско-ростей роторов можно построить типо-размерный ряд смесителей, рассчитав их основные парамет-ры 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 параметри-ческие ряды роторных смесителей различной производственной вместимости смесительной чаши V м3, полученные расчетным путем по ус-тановленным зависимостям (4) и (5), с использо-ванием коэффициентов подобия Кп.

Выводы Полученные параметры могут быть откорректи-рованы применительно к более конкретным усло-виям работы и требованиям потребителя.

По сравнению с существующей отечественной и зарубежной смесительной техникой модернизи-руемые смесители с использованием рациональ-ных схем установки лопастей и технологических параметров машин призваные обеспечить повы-шение качества смеси и изделий из них, увеличе-ние производительности машин, снижение их удельных энергоемкости и материалоемкости, а также экономию дорогостоящих вяжущих мате-риалов. Указанные разработки могут быть внедрены и использованы на всех машиностроительных заво-дах по производству смесительной техники, а также на заводах по производству композицион-ных материалов.

Литература

1. Богомолов А.А. К вопросу о совершенствова-нии смесительных машин // Актуальные проблемы строительного и дорожного ком-плексов: Материалы международной науч-но-практической конференции. – Йошкар-Ола: Изд-во МГТУ, 2004. – С. 334–339.

2. Богомолов А.А., Иванов Р.Ю. Теоретические основы создания типоразмерного ряда ро-торных бетоносмесителей // Современные проблемы технического, естественно-науч-ного и гуманитарного знаний.: Сборник док-ладов 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 переме-шивания / 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.