ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования.Сегодня сухие строительные смеси являются одним из наиболее перспективных строительных материалов. Наметившийся в конце прошлого десятилетия рост объемов выпуска сухих смесей на существующих предприятиях страны, создание новых малых и средних форм бизнеса в этом направлении, не только не утратило положительной динамики, но и продолжает расти.
Сфера производства сухих строительных смесей (ССС) является наиболее перспективной и экономически привлекательной отраслью России. Их применение взамен традиционных растворов и бетонов экономически и практически выгодно и обосновано. Такие смеси способны обеспечивать высокое качество выполненных работ, их результативность и высокую скорость, снизить трудоемкость производства, повысить стабильность физико-механических характеристик готового продукта и уменьшить расходы на транспортировку и хранение [11,19,40,89,90,117]. На сегодняшний день производство ССС является не только одним из крупных сегментов строительного отечественного рынка, но и своеобразным испытательным полигоном для перспективных разработок современного технологического оборудования, где оно подвергается самой серьезной проверке и апробации [6,54,90].Использование сухих строительных смесей в мировом и отечественном опыте показало их эффективность и большое преимущество по сравнению с классическими методами проведения строительных работ: повышение производительности труда от 1,5 до 5 раз, снижение материалоемкости в сравнении с традиционными технологиями в 3—10 раз, однородность составов и, как следствие, повышение качества строительных работ, длительный срок хранения без изменения свойств и возможность транспортирования и хранения при отрицательной температуре [13,19,58,75].
Для приготовления ССС необходимо использовать компоненты, обеспечивающие получение заданных технологических и эксплуатационных свойств, как на стадии применения, так и на стадии готового продукта [6,58,90].
Известно, что основными процессами в линии по производству сухих строительных смесей, существенно влияющих на их качество, являются подготовительные работы, дозирование компонентов при производстве и непосредственно само смешивание.
Учитывая многообразие рецептур и сложный модифицированный состав ССС на сегодняшний день, наиболее ответственной стадией в процессе их производства по праву можно считать этап смешивания, так как именно тут должно происходить равномерное распределение всех исходных компонентов в общем объеме приготовляемой смеси.Следовательно, для решения всех поставленных задач на пути получения высококачественных модифицированных строительных сухих смесей необходимо применение смесительного оборудования, позволяющего обеспечить получаемой смеси все заявленные характеристики [9,41,42,50,52,84,88,100].
Сегодня процесс смешивания сыпучих материалов превратился в особую область развития технологических знаний, которые основываются на моделировании механических процессов, целью которых является достижение максимального экономического эффекта от использования смесительного оборудования при обеспечении высокой степени смешивании отдельных компонентов в готовом продукте и минимальных энергозатратах производства.
В настоящее время смесительное оборудование, используемое на отечественных производствах ССС, не в полной мере отвечает возрастающим требованиям к повышению однородности готового продукта. Недостаточный уровень технической вооруженности предприятий и малоэффективные технологические схемы производства часто не позволяют обеспечить требуемый уровень качества и, что особенно важно, стабильность заданных характеристик строительных смесей сложного модифицированного состава [13,20,75,84].
На основании современных научных работ, многочисленных исследований и производственной практики [9,14,42,45,52,65,67,70,84,88,89,91,96], можно сказать, что повышение степени однородности смеси и снижение энергетических и технико-эксплуатационных затрат предприятия могут дать лишь способы,
обеспечивающие высокую интенсивность энергетических воздействий на смешиваемые компоненты.
Поэтому, создание смесителей, как одного из наиболее значимого оборудования в технологической цепочке производства сухих строительных модифицированных смесей, с высоким уровнем энергетического воздействия на смешиваемые компоненты при минимизации потребляемых энергоресурсов и достижении готовой смесью всех заданных физико-технологических свойств является актуальной задачей, стоящей перед инженерами в области производства сухих строительных смесей.
Степень разработанности темы исследования.
В ходе выполнения диссертационной работы изучались научные труды отечественных и зарубежных ученых, в работах которых отражались проблематика и вопросы совершенствования процесса смешивания сухих материалов, таких как: Макаров Ю.И., Борщев В.Я., Strenk F., Klein G., Золотухин В.И., Першин В.Ф., Сапожников В.А., Телешов А.В., Богданов В.С., Уваров В.А., Лозовая С.Ю., Бродский Ю.А., Stuart R., Хавлица Дж., Богомолов А.А., Сиваченко Л.А., Горшков П.С. и другие. Научные работы данных ученых способствовали расширению знаний о процессе смешивания сухих материалов, характере движения сыпучей среды в барабане смесителя, влиянии конструктивнотехнологических параметров машины на процесс смешивания и качество готового продукта. Однако, при этом на сегодняшний день недостаточно проработан вопрос об обеспечении высокой интенсивности энергетических воздействий на смешиваемые компоненты и создании дополнительной циркуляции частиц смеси из застойных зон.
Объектом исследованияявляется лопастной смеситель с высокоскоростным режимом смешивания для получения сухих строительных смесей.
Предметом исследованияявляется процесс смешивания в высокоскоростном лопастном смесителе при изменении его конструктивнотехнологических параметров.
Цель работы - повышение качества готового продукта и снижение энергоемкости процесса смешивания путем создания псевдоожиженого слоя с дополнительными циркуляционными потоками движения частиц в высокоскоростном лопастном смесителе.
Задачи исследования:
1. Провести анализ основных тенденций развития техники получения сухих смесей.
2. Усовершенствовать конструкцию высокоскоростного лопастного смесителя для сухих строительных смесей, направленную на улучшение процесса смешивания компонентов смеси.
3. Разработать модель движения частиц смеси, находящихся в псевдоожиженном состоянии, учитывающую конструктивные особенности смешивающего механизма смесителя.
4. Установить теоретические зависимости, описывающие скоростной режим движения смеси в различных зонах смешивания при переходе материала в псевдоожиженное состояние.
5. Разработать математическую модель расчета потребляемой лопастным смесителем мощности при высокоскоростном режиме его работы.
6. Создать экспериментальную установку смесителя, разработать план и методику проведения экспериментальных исследований процесса смешивания в смесителе с высокоскоростным режимом работы.
7. Исследовать влияние основных факторов на эффективность процесса смешивания сухих компонентов в лопастном смесителе.
8. Установить рациональные конструктивные параметры рабочих органов и режимы процесса смешивания в лопастном смесителе периодического действия.
9. Разработать рекомендации для промышленной реализации результатов исследований.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.13 по областям исследования:
3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных вспомогательных процессов и операций.
6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой.
Научная новизна:
• получены аналитические зависимости, описывающие движение сыпучей среды, находящейся в псевдоожиженном состоянии, с учетом конструктивных особенностей механизма смешивания;
• получены уравнения по определению коэффициента разрыхления сухой смеси при высокоскоростном режиме смешивания;
• разработаны математическая модель расчета потребляемой смесителем мощности, учитывающая конструктивные параметры и технологические особенности его работы;
• получены математические модели в виде уравнений регрессии, позволяющие на основе полного многофакторного эксперимента определить рациональные режимы процесса смешивания в высокоскоростном лопастном смесителе с учетом совершенствования конструкции его рабочих органов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
• на основе теоретических и экспериментальных исследований создана усовершенствованная конструкция лопастного смесителя принудительного действия, которая обеспечивает получение
качественных сухих строительных смесей при высокоскоростном режиме смешивания;
• новизна конструктивного решения защищена патентом РФ на полезную модель;
• получена зависимость, позволяющая определить потребляемую высокоскоростным лопастным смесителем полную мощность с учетом его конструктивно-технологических параметров;
• получена зависимость, определяющая взаимосвязь между
конструктивными и технологическими параметрами
высокоскоростного лопастного смесителя;
• успешно реализована производственная апробация результатов работы по получению сухих строительных смесей для приготовления клеевых растворов для кладки керамической плитки.
Методы исследования.
В диссертационной работе использовались теоретические методы анализа, экспериментальные методы, а именно: визуального наблюдения, лабораторного эксперимента, математической статистики, абстрагирования, сравнения теоретических и экспериментальных результатов.
Автор защищает следующие положения, выносимые на защиту:
1. Аналитическую зависимость для расчёта полной мощности, потребляемой приводом, учитывающую конструктивные и технологические параметры работы лопастного смесителя принудительного действия с высокоскоростным режимом работы для сухих строительных смесей.
2. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессивных зависимостей, позволяющие определить влияние основных факторов на формирование функций отклика: качественные показатели процесса
смешивания сухих компонентов смеси и полную мощность, потребляемую приводом лопастного смесителя.
3. Конструкцию камеры смешивания высокоскоростного лопастного смесителя для сухих строительных смесей, подтвержденную патентом РФ на полезную модель № 154251.
Достоверностьнаучных положений и выводов диссертационной работы соответствует предъявляемым требованиям, основана на использовании контрольно-измерительной и вычислительной аппаратуры высокого класса точности, основополагающих принципов и законов, и подтверждена высоким показателем соответствия теоретических расчетов с результатами экспериментальных данных и положительной промышленной апробацией результатов исследований.
Апробация результатов работы:основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова в 2015-2016 гг., на технических совещаниях ООО «Боникс» и ООО «Новатор», г. Белгород в 2017 году, на Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, посвященной 160-летию со дня рождения В.Г. Шухова, г. Белгород в 2013 году, на научно-практической конференции POWX2014 BULKPOWEREXPORUSSIA, г.
Москва в 2014 году, на научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно - технический прогресс», г. Губкин в 2016 году, а также работа стала победителем в научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» - 2015 при поддержке фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере.Реализация результатов работы:
Разработанный вариант конструкции лопастного смесителя принудительного действия для получения сухих строительных смесей опробован в условиях ООО
«Боникс» и ООО «Новатор» (г. Белгород). Экономический эффект от внедрения составит 415 тыс. рублей в год.
Публикации.
По результатам проделанной работы опубликовано 27 статей, в том числе 4 статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в изданиях SCOPUS, получен 1 патент на полезную модель РФ № 154251 U1.
Структура и объем работы:работа выполнена на 193 стр., содержит 5 глав, 77 рисунков, 14 таблиц, 172 формулы, 130 источников использованной литературы, 5 приложений.