Содержание
Введение…………………………………………………………………………………3
1.Гравитационные бетоносмесители………………………………………………….11
1.1. Бетоносмеситель СБ-103………………………………………………………...11
2. Расчётная часть………………………………………………………………………14
2.1. Определение производительности……………………………………………...14
2.2. Определение координат центра тяжести……………………………………….14
2.2.1.Определение координат центра тяжести отдельных частей
и всего барабана (без бетонной смеси)…………………………………...14
2.2.2.Определение координат центров тяжести отдельных частей
и всей бетонной смеси в барабане………………………………………...15
2.3. Определение усилий на опорных роликах………………………….………….20
2.4. Определение мощности электродвигателя привода…………………………...22
3. Характеристика расчитываемого бетоносмесителя…………………………....….23
Литература………………………………………………………………………………24
Введение
Классификация смесительного оборудования.
Получение бетона или раствора со свойствами, отвечающими предъявляемым к ним требованиям, может быть обеспечено совокупностью таких факторов, как качественные исходные компоненты, хорошо и надежно работающее смесительное и дозировочное оборудование.
К процессу смешивания предъявляются следующие основные требования: равномерное распределение исходных материалов между собой, сдирание с зерен вяжущего неактивных поверхностных пленок, предупреждение образования комков и пустот в смеси и предупреждение измельчения зерен заполнителей.
Качество смешивания устанавливается равномерностью распределения компонентов между собой и зависит от относительной скорости рабочих органов смесителя и смеси, объема приготовляемого материала и продолжительности процесса.
С целью равномерного распределения компонентов в общем объеме замеса частицам материалов необходимо сообщить такие траектории движения, которые обеспечивали бы наибольшую возможность их пересечения.
Перемещению частиц материалов, входящих в смесь, противодействуют силы инерции, а также силы внутреннего трения (трение частиц материала друг о друга) и силы внешнего трения (трение частиц материала о корпус и лопасти смесителя). Как показали исследования , абсолютная величина первых сил на порядок выше последних. Кроме того, при смешивании преодолеваются силы тяжести, стремящиеся опустить зерна материалов вниз и способствующие их расслоению.
В процессе смешивания из различных по размеру, форме и происхождению материалов образуется однородная смесь, характеризующаяся, тем, что любая проба, взятая в объеме, большем, чем размеры самого крупного зёрна, должна иметь один и тот же состав.
В отечественной практике исторически сложилась классификация смесительных машин для приготовления строительных смесей, в основу которой положен
технологический признак: деление их на бетоносмесители и растворосмесители.
Несмотря на то, что в технологии и оборудовании для приготовления строительных смесей с момента возникновения такой классификации произошли значительные изменения, они существуют и поныне.
Сложившееся положение создает определенные трудности как для строителей и работников промышленности сборного железобетона, так и для машиностроителей и работников НИИ и КБ.
Как известно, большинство нефтеносных районов Западной Сибири и еще целый ряд крупных регионов нашей страны практически не располагают залежами крупных заполнителей и вынуждены работать на привозных заполнителях (что крайне неэкономично) или цементно-песчаных бетонах (без крупного заполнителя),т.е., по существу, растворах. Однако приготовляют такие смеси, как правило, в бетоносмесителях.
Европейским комитетом по строительному оборудованию в основу классификации цикличных смесительных машин положен не технологический, а конструктивный признак самого смесителя, а именно: форма корпуса и расположение смесительных валов.
По этому признаку смесители могут быть классифицированы следующим образом (рис. 1):
гравитационные (барабанные) ;
принудительного действия:
тарельчатые с вертикально расположенными смесительными валами;
лотковые с горизонтально расположенными смесительными валами.
На рис. 1 представлена классификация наиболее широко известных смесительных машин, нашедших практическое применение. Из всего парка смесительных машин, находящихся в эксплуатации, примерно 3/4 занимают барабанные (гравитационные) смесители, а остальная часть падает на тарельчатые и лотковые смесители (принудительного действия). Годовая производительность, приходящаяся на 1 л полезного объема смесителя, составляет для малых моделей (менее 500— 750 л) - 3,5 м3
/л; для больших - 10 м3
/л.
Рис 1. Классификация смесительных машин.
Трудоемкость производства 1 м3
смеси на малых моделях смесителей равна 2,5-3 чел.-ч/м3
, на больших — 1—1,5 чел.-ч/м3
.
Выпускаемое в настоящее время смесительное оборудование в ряде случаев не отвечает возросшим потребностям строительства и строительной индустрии; отсутствуют смесители для приготовления бетонных смесей на пористых заполнителях вместимостью 1000—1200 л. Турбулентные (тарельчатые) смесители не обеспечивают приготовления качественных смесей на пористых заполнителях плотностью 1000—1300 кг/м3
. Кроме того, процесс приготовления и измельчения в таких смесителях зависит от ряда факторов и не поддается контролю и регулированию.
Необходимо создание и освоение новых универсальных смесителей принудительного действия лоткового типа, пригодных для приготовления как бетонных смесей на пористых заполнителях, так и арболита.
В стране начинает находить применение фибробетон — бетон, армированный различными волокнами (металлическими, стеклянными, капроновыми, полипропиленовыми, базальтовыми и др.), имеющий определенные преимущества перед бетоном с традиционным армированием. Как показали исследования и опытно-промышленное внедрение, приготовление таких смесей в серийно выпускаемых смесителях в ряде случаев невозможно.
Для этих целей Специальным проектно-конструкторским объединением Оргтехстром МПСМ ЛатвССР была разработана и выпущена опытная партия спирально-вихревых смесителей (безлопастных смесителей с гибким корпусом).
Чтобы повысить срок службы серийно выпускаемых смесителей и улучшить санитарно-гигиенические условия работы обслуживающего персонала (снижение уровня звукового давления), необходимо начать работы по замене наиболее изнашивающихся стальных элементов смесителей на полимеррезиновые. Зарубежный опыт свидетельствует о том, что подобная замена позволяет увеличить срок службы деталей в 3—4 раза и снизить уровень звукового давления на 10—15 дБ.
Назрела необходимость в разработке смесителей повышенной вместимости до 4,5—6 м3
для гидротехнического, дорожного строительства и в ряде случаев заводов сборного железобетона.
Из схемы видно, что среди гравитационных (барабанных) смесителей у нас совсем не производятся смесители с вводным лотком и реверсивные. Наиболее производительными при достаточно высоком качестве приготовляемой смеси являются опрокидные смесители за счет сокращения времени разгрузки готовой смеси.
У нас полностью отсутствуют также тарельчатые смесители с вращающимся корпусом. Выпускавшиеся ранее смесители этого типа С-371, С-355 и С-356 вместимостью соответственно 250, 500 и 1000 л в настоящее время сняты с производства, хотя на некоторых заводах ЖБИ они еще продолжают эксплуатироваться.
Среди смесителей принудительного действия тарельчатые смесители с неподвижным корпусом занимают ведущее место и производятся в достаточном количестве.
До настоящего времени лотковые двухвальные смесители в СССР не производились, хотя потребность в таких смесителях у нас значительная. Их применение необходимо при приготовлении бетонных смесителей на пористых заполнителях, арболите и других подобных материалах. В настоящее время изготовлен опытный образец такого смесителя с объемом готового замеса 1 м3
(СБ-163). Необходимо также создание гравитационных смесителей с вместимостью по загрузке 7—10 м3
и принудительного действия — 4—6 м3
.
Бетоносмесители принудительного действия тарельчатого типа по сравнению с гравитационными смесителями обладают более высоким качеством смеси, производительностью, в 2—3 раза большей скоростью вращения, в 3—4 раза большей энергоемкостью, однако и в 7—8 раз большим износом лопастей и в 3—4 раза — износом корпуса.
Перспективы развития смесителей.
В последнее время появились оригинальные конструкции смесителей для приготовления вязко-пластичных строительных сред, а также выполнено немало работ, посвященных анализу технико-экономических показателей различных смесителей. Объектами сравнения являлись гравитационные смесители и смесители принудительного действия.
Наилучшими показателями обладают лотковые двухвальные смесители, позволяющие приготовлять смеси с относительно низким В/Ц
при наибольшей крупности заполнителей 100—180 мм, наименьшей продолжительностью смешивания и выгрузки готовой смеси. Энергоемкость их ниже тарельчатых, но выше, чем гравитационных смесителей. Наибольшая вместимость по загрузке 3,5— 5 м3
. Это подтверждают сравнительные испытания, проведенные в ФРГ , пяти типов смесителей: тарельчатых с вращающимся корпусом вместимостью 500—750 и 1000—2000 л, лотковых двухвальных аналогичных вместимостей и гравитационных вместимостью 500 л. Результаты проведенного анализа показывают, что из числа испытанных смесителей наилучшими данными обладают лотковые двухвальные смесители вместимостью 2000 л, так как коэффициент вариации отклонения отдельных компонентов от средних значений у них (за исключением фракции 16—22 мм) не выходят за пределы 5%; с увеличением вместимости смесителя равномерность распределения компонентов между собой улучшается во всех случаях; равномерность распределения компонентов в тарельчатых смесителях хуже, чем в лотковых; по-видимому, это связано с тем, что в тарельчатых смесителях имеется значительная разность скоростей на периферии и в центральной части, а также с тем, что при этом возникают центробежные силы, способствующие расслоению смеси; в отличие от сложившегося ранее представления о том, что при смешивании наиболее трудно равномерно распределяется вода, данные опыты показали, что наименее равномерно распределяются крупные фракции; увеличение продолжительности смешивания свыше 60-90 с не во всех случаях приводит к более равномерному распределению компонентов; исходя из указанного положения следует признать, что оптимальная продолжительность смешивания в зависимости от конкретных условий должна быть для гравитационных смесителей 90—180 с, тарельчатых — 60—180 с и лотковых — 30-90 с.
По данным Института строительства Венгрии лотковые двухвальные смесители с двумя горизонтальными валами по сравнению с тарельчатыми смесителями роторного типа позволяют снизить энергоемкость на 20% и сократить расход цемента на 50 кг/м3
.
Применение двухвальных лотковых смесителей по сравнению с тарельчатыми смесителями позволяет снизить энергоемкость до 45%, а расход цемента — до 11%.
Как показывает многолетняя практика эксплуатации тарельчатых смесителей, они достаточно хорошо себя зарекомендовали на приготовлении бетонных смесей на плотных заполнителях и цементно-песчаных смесях. Приготовление смесей на пористых заполнителях плотностью 1000—12000 кг/м3
и менее в тарельчатых смесителях сопровождается увеличением времени смешивания до 5—7 мин, образованием перед вращающимися лопастями призм материала, перемещающихся вместе с лопастями, и всплытием легких фракций заполнителей.
В настоящее время находят ограниченное применение турбулентные (тарельчатые) смесители для приготовления бетонных смесей на пористых заполнителях. При этом приводятся данные о благоприятном воздействии на качество смесей этого процесса, обусловленное избирательным дроблением слабых зерен пористых заполнителей при больших частотах вращения рабочего органа.
Сравнительные испытания и обследования заводов, приведенные ВНИИжелезобетоном, показали, что конструкционно-теплоизоляционный бетон на пористых заполнителях, приготовленный в турбулентных смесителях, обладает низкой однородностью, имеет плотность, равную или большую, чем такой же бетон, приготовленный по традиционной технологии с применением керамзитового песка. Однородность конструктивного керамзитобетона марок 150—200, приготовленного в турбулентных смесителях, выше, однако расходы цемента не отличаются от средних нормативных для бетонов тех же марок, приготовленных по обычной технологии. Продолжительность смешивания должна составлять 1,5—2 мин.
Технология приготовления бетонов на пористых заполнителях с применением турбулентных смесителей не получила значительного распространения в связи с конструктивными недостатками турбулентного смесителя (его нельзя использовать в качестве измельчителя-дробилки, требуется коренная переработка конструкции); сложностью эксплуатации, связанной с частой наплавкой или заменой быстроизнашивающихся узлов и деталей, в частности ротора; повышенной энергоемкостью приготовления, обусловленной, во-первых, большой частотой вращения ротора и, во-вторых, увеличенной продолжительностью процесса (вместо рекомендуемых авторами 30 с, необходимо 90—120 с); невозможностью приготовления смесей с удобоукладываемостью ниже 7 см осадки конуса по ГОСТ 6508-81.
ВНИИжелезобетон не рекомендует включать турбулентные смесители в проекты заводов КПД и ЖБИ по выпуску ограждающих конструкций из конструкционно-теплоизоляционного керамзитобетона.
Опыт эксплуатации лотковых одновальных смесителей (растворосмесителей СМ-290) показал, что на них с успехом можно приготовлять легкобетонные смеси различной плотности за нормируемый отрезок времени.
В зарубежной практике для приготовления бетонных смесей на пористых заполнителях используются лотковые одновальные и двухвальные смесители.
Имевшееся ранее представление о том, что в лотковых смесителях из-за заклинивания крупных зерен заполнителей между вращающимися жесткопосаженными лопастями и корпусом нельзя приготовлять смеси с крупностью заполнителей более 40 мм, не верно. По данным фирмы "Arbau" (ФРГ), если в тарельчатых смесителях с объемом готового замеса 250—300 л допускается наибольшая крупность заполнителя 70 мм, 500 л — 80 мм, 750— 1200 л - 85 мм и 1000-1500 л - 100 мм, то в лотковых двух-вальных с объемом готового замеса 1000-1500 л допускается наибольшая крупность заполнителя 120 мм, 2000—3000 л -150 мм и 3500 л - 180 мм.
Для приготовления черных дорожных и цементно-бетонных смесей для строительства дорог используют только лотковые двухвальные смесители.[2]
1.Гравитационные бетоносмесители.
В гравитационных смесителях исходные компоненты смеси поднимаются во вращающемся барабане, на внутренней поверхности которого жестко закреплены лопасти, и затем под действием силы тяжести падают вниз. Процесс повторяется несколько раз, благодаря чему получается смесь, однородная по составу. Загрузка исходных компонентов смеси производится через загрузочное отверстие в барабане, а разгрузка или через разгрузочное отверстие, или путем опрокидывания барабана. К преимуществам гравитационных смесителей относятся простота конструкции и кинематической схемы, возможность работы на смесях с наибольшей крупностью заполнителей (до 120-150 мм), незначительное изнашивание рабочих органов, малая энергоемкость, простота в обслуживании и эксплуатации и низкая себестоимость приготовления смеси. Оптимальное время смешения в таких смесителях составляет 60 ... 90 с, а полный цикл, включая загрузку, смешение, выгрузку и возврат барабана в исходное положение, - 90... 150 с. [1]
1.1.Бетоносмеситель СБ-103
входит в комплект обо
Траверса представляет собой сварную конструкцию коробчатого сечения, выполненную в виде полукольца с цапфами на концах. Цапфы с подшипниками закреплены на стойках и служат для поворота смесительного барабана. На траверсе смонтированы опорные и поддерживающие ролики, обеспечивающие вращение и удержание барабана при разгрузке. На наружной стенке левой стойки установлен - пневмопривод. На правой стойке находится выводная коробка и два конечных выключателя крайних положений барабана. Опорный ролик, вращающийся в подшипниках, установлен на эксцентриковой оси, позволяющей регулировать положение роликов для нормального зацепления шестерни и зубчатого венца при монтаже, и изнашивании роликов. Оси установлены на двух опорах и крепятся к стойке траверсы болтами. Поддерживающие ролики также смонтированы в подшипниках на эксцентриковых осях, позволяющих регулировать зазор между коническими поверхностями зубчатого венца и ролика. Для смещения ролика в осевом направлении предусмотрены регулировочные шайбы. Пневмокинематическая схема бетоносмесителя СБ-103: двухступенчатый редуктор закреплен на вертикальной стенке траверсы. Движение от электродвигателя через муфту и редуктор передается шестерне и зубчатому венцу барабана. Пневмопривод служит для опрокидывания барабана при разгрузке готовой смеси, возврата и фиксации его в рабочем положении и заключает в себя пневмоцилиндр, воздухораспределитель, маслораспределитель, запорный вентиль, резинотканевые рукава и трубы. Пневмоцилиндр выполнен с тормозным устройством, позволяющим изменять скорость движения поршня в конце опрокидывания и подъема барабана.[1]
Технические характеристики бетоносмесителя СБ-103 представлены в виде таблицы 1.
| Показатели |
Значение |
| Объём готового замеса, л. |
2000 |
| Вместимость по загрузке, л. |
3000 |
| Число циклов приготовления бетонной смеси, цикл/ч. |
20 |
| Наибольшая крупность заполнителя, мм. |
120 |
| Частота вращения барабана, с-1
|
0,21 |
| Мощность двигателя вращения барабана, кВт. |
22 |
| Механизм опрокидывания барабана |
Пневматический |
| Угол наклона барабана, град.: при загрузке и смешении при выгрузке |
15 55 |
| Габаритные размеры, мм.: длина ширина высота |
2500 4100 3300 |
| Масса, кг. |
7200 |
Таблица 1. Технические характеристики бетоносмесителя СБ-103.[1]
2. Расчётная часть
2.1.Определение производительности
Определение производительности бетоносмесителя периодического действия производится по формуле 1:
(1)
где: V
- паспортная вместимость смесителя, л., по готовому замесу;
- продолжительность цикла, с., которая слагается из длительности загрузки t1
=30с
, перемешивания t2
=90с
, разгрузки t3
=30с
и возврата смесителя в исходное положение t4
=30с.
[3]
2.2.Определение координат центра тяжести
2.2.1.Определение координат центра тяжести отдельных частей и всего барабана (без бетонной смеси).
Начало координат принимается в точке О (рис.2) по оси вращения барабана.
Координаты центров тяжести конусных и цилиндрической частей барабана лежат на его оси вращения (координата y1
= 0). Абсцисса общего центра тяжести, м., всего барабана определятся по уравнению статических моментов сил тяжести отдельных его частей:
(2)
Рис 2. Схема к расчёту координат центра тяжести
барабана двухконусного бетоносмесителя.
где: G1-1
, G1-2
, G1-3
- вес, Н., соответственно короткого конуса, цилиндрической части и длинного корпуса барабана. Координаты этих частей:
, , (3,4,5)
Расстояния центров тяжести усечённых конусов от их оснований:
(6) , (7)
где: - высота соответствующих частей барабана, м.;
- радиусы оснований соответствующих усеченных конусов, м..
Положение центра тяжести цилиндрической части барабана определяется величиной (8)
(9)
Вес всего барабана (без бетонной смеси), Н.:
(10) [3]
2.2.2.Определение координат центров тяжести отдельных частей и всей бетонной смеси в барабане.
Расположение порции смеси для одного замеса (рис. 3) характеризуется размером h,
от оси барабана до поверхности смеси. Начало координат принимают в точке О.
Объем смеси в цилиндрической части барабана характеризуется радиусом R1-2
, центральным углом и толщиной l1-2
.
Угол , град, находится аналитически по формуле 11:
(11)
Рис 3. Схема к расчёту координат центра тяжести бетонной смеси
Площадь сегментной части смеси, м2
, определяется по формуле 12:
(12)
Объём смеси цилиндрической части барабана, м3
.:
(13)
Координаты центра тяжести смеси в цилиндрической части барабана находятся по следующим формулам:
(14)
(15)
Объемы и центры тяжести бетонной смеси соответственно в коротком конусе барабана (V2-1
,
x2-1
,
y2-1
) находятся графоаналитическим методом. Для этого конусная часть барабана вычерчивается в масштабе (рис. 4) и делится на произвольно взятые одинаковой длины 5 частей, а коническая поверхность полученных элементарных объемов заменяется усредненной цилиндрической.
Радиусы элементарных цилиндрических сегментов находятся графически по чертежу (рис. 4):
Рис 4.Схема к расчёту координат центра тяжести бетонной смеси в конических частях
барабана смесителя.
Центральные углы соответствующих цилиндрических сегментов находятся аналитически из соотношения 16:
(16)
(17)
Площадь элементарного цилиндрического сегмента, м2
.,определяется по формуле 18:
(18)
Объём элементарной части цилиндрического сегмента, м3
., находится по формуле 19:
(19)
где: а
= 0,11м – высота принятой элементарной части цилиндрического сегмента;
Объём смеси в коротком конусе, м3
.:
(20)
Координаты центра тяжести смеси в коротком конусе определяются по уравнениям статических моментов объемов элементарных цилиндрических сегментов:
(21) (22)
где: xi
и y
i
-
координаты центров тяжести объемов элементарных цилиндрических сегментов, м:
(23) (24)
x1
=0,055м y1
=0,334м
x2
=0,165м y2
=0,399м
x3
=0,275м y3
=0,464м
x4
=0,385м y4
=0,528м
x5
=0,495м
y5
=0,592м
Координаты центра тяжести смеси в длинном конусе барабана находится другим способом. Для этого строится схема сечения барабана смесителя по оси и находятся точки пересечения медиан треугольников (рис. 4); затем определяются расстояния x2-3
и
y2-3
по масштабу:
x2-3
=1,06м
y2-3
=0,397м
Объем бетона в длинном конусе барабана можно уподобить объему пирамиды, для которой:
(25)
Координаты центра тяжести всего объема бетонной смеси в барабане, м, определяются по формулам 26 и 27:
(26)
(27)
Общий вес бетонной смеси в барабане:
(28)
где: - удельный вес бетонной смеси.[3]
2.3. Определение усилий на опорных роликах
Определение усилия, с которым действует барабан с бетонной смесью на опорные ролики при статическом положении смеси в барабане (рис.5), из условия: (29)
Усилие на опорных роликах:
(30)
где:- угол установки роликов.
Рис. 5. Схема к расчёту сил, действующих на опорные ролики смесителя (R≈R1-2
- радиус бандажа, с-расстояние до точки К опоры бандажа на ролики).
Далее определяется нагрузка бандажа барабана на поддерживающие ролики в двух положениях барабана: 1) во время перемешивания при наклоне барабана под углом 10... 15° и 2) при разгрузке барабана, наклоненном в сторону длинного конуса под углом 60°. Во втором случае считается, что бетонная смесь размещается только в длинном конусе.
Рис 6. Схемы к расчёту усилий на поддерживающие ролики смесителя:
а –
при перемешивании смеси; б - при разгрузке смесителя.
Сумма моментов сил относительно точки К опоры барабана на опорные ролики
при перемешивании (рис.5, 6а):
(31)
тогда нагрузка на каждый поддерживающий ролик равна:
(32)
Сумма моментов при разгрузке относительно точки К (рис. 5б):
(33)
Нагрузка на каждый поддерживающий ролик равна:
(34)
где: е,
, е,,
и S’
,
S”
– соответствующие плечи сил G1
и G2
;
с
– вертикальная проекция расстояния от оси вращения барабана до опорного ролика.
Координата опорного бандажа барабана X1
принимается посередине его цилиндрической части (рис 10,б):
(35) [3]
2.4. Определение мощности электродвигателя привода
Определение мощности, необходимой для перемешивания бетонной смеси и преодоления трения опорных роликов.
Момент неуравновешенных сил, создаваемых бетонной смесью при вращении барабана (рис 7) :
(36)
где φ=300
– угол естественного откоса бетонной смеси при вращении барабана.
Рис 7. Схема к расчёту мощности смесителя
Мощность:
(37)
где ω=1,6 рад/с – угловая скорость вращения барабана.
Сопротивление вращению барабана, обусловленное силами трения:
(38)
где: f
=0,0008м - коэффициент трения качения бандажа барабана по роликам;
μ=0,1 - коэффициент трения скольжения в цапфах роликов;
D
– диаметр роликов, м.;
d – диаметр цапф, м.;
Тогда мощность:
(39)
Суммарная расчетная мощность электродвигателя привода вращения барабана: (40)
3.Характеристика расчитываемого бетоносмесителя
| Характеристики |
Значение |
| Вес всего барабана (без бетонной смеси), Н. |
6900 |
| Общий вес бетонной смеси в барабане, Н. |
4030 |
| Усилие на опорных роликах, Н. |
6672 |
| Нагрузка на каждый поддерживающий ролик, Н. |
630 |
| Мощность электродвигателя привода вращения барабана, кВт |
2,16 |
Технические характеристики рассчитываемого бетоносмесителя представлены в виде таблицы 2
Таблица 2. Результаты расчёта бетоносмесителя.
Литература
1). Борщевский А.А., Ильин А.С. Механическое оборудование для
производства строительных материалов и изделий. М., Высшая школа. 1987.
2). Королёв К.М. Механизация приготовления и укладки бетонной смеси.
М., Стройиздат. 1986.
3). Методические указания к курсовому проекту по дисциплине
«Механическое оборудование» . Т., 2003.