ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.В настоящее время одним из важнейших направлений в строительной индустрии является производство высококачественных бетонных и строительных смесей, используемых при изготовлении железобетонных изделий и конструкций, проведении дорожных, фундаментных, монолитных работ, а также используемых при кладке кирпича, блоков и т.д.

Практика применения бетона в мировом и отечественном строительстве показала, что он является эффективным, т.е. обладает целым рядом преимуществ по сравнению с новыми видами строительных материалов, обеспечивает высокую производительность при строительных работах, является универсальным и достаточно простым в получении. Исходные компоненты для производства бетона весьма распространены, легкодоступны и обладают транспортируемостью на большие расстояния, что позволяет обеспечить выпуск бетонной смеси в отдаленных точках при помощи мобильных заводов [8, 16, 23, 32, 142, 143].

С каждым годом повышается объем выпуска бетонных и строительных смесей, а также предъявляемых к ним требований. В последнее время, как в России, так и зарубежом [150, 151], свое применение находят различные перспективные разработки смесительного оборудования, используемого при получении бетонных и строительных смесей. В современных экономических условиях вопрос эффективности работы технологического оборудования для получения бетонных и строительных смесей, снижения энергоемкости производства, а также повышения технологических свойств готового бетона очень важен [28, 29, 33, 47, 61].

Результат анализа многолетних теоретических и экспериментальных исследований показал, что добиться увеличения эффективности работы

смесительного оборудования и повышения однородности получаемых строительных смесей, при снижении энергоемкости и технико-экономических затрат, возможно за счет рационального режима загрузки крупного заполнителя в смеситель и создания интенсивной циркуляции смешиваемых компонентов под воздействием лопастного аппарата [19, 31, 48, 61, 66, 72, 87].

На современном этапе развития производства строительных материалов, при решении задач по повышению эффективности смешивания, необходимо учитывать свойства и поведение смешиваемых компонентов, а также применять моделирование процессов, происходящих в смесителе [67, 69, 73, 74, 90, 98].

На сегодняшний день предприятиями стройиндустрии осуществляется выпуск оборудования различной конструкции и принципов действия, используемого для смешивания [153, 154, 155]. В строительном производстве при получении бетонных смесей нашли применение разнообразные смесительные машины, имеющие как достоинства, так и недостатки [80, 94, 108, 118, 119, 128].

Несмотря на большое количество и разнообразие различных конструкций смесителей, применяемых при получении бетонных смесей, по-прежнему на предприятиях наиболее распространенными являются смесители принудительного типа с вертикальным ротором [14, 26, 133, 134, 136].

Имеющееся смесительное оборудование зарубежных и отечественных производителей не позволяет удовлетворить возрастающие требования к повышению однородности бетонных и строительных смесей и, следовательно, к качеству готового бетона. Смесители, получившие распространение на предприятиях стройиндустрии, имеют невысокую энергетическую эффективность, длительное время смешивания и не обеспечивают, требуемый в современном мире, уровень качества готового продукта. Различные способы интенсификации, применяемые в существующих смесителях, позволяют повысить качество готовой бетонной смеси, но при этом усложняют конструкцию оборудования, снижают его надежность и повышают уровень энергопотребления. [68, 120, 124, 156].

В связи с этим, вопрос повышения качества строительных материалов за счет разработки смесительного оборудования, обеспечивающего рациональный режим загрузки крупного заполнителя и интенсивное воздействие на смешиваемые компоненты с минимальными энергозатратами на получение готовой высококачественной бетонной смеси является актуальным [142, 157].

Степень разработки темы исследования.При выполнении диссертационной работы были рассмотрены и изучены многочисленные научные труды зарубежных и отечественных ученых, в которых поднимались вопросы теоретических и практических исследований проблем смешивания жидких, сухих и разнородных материалов, например: Баженов Ю.М., Богданов В.С., Борщев В.Я., Уваров В.А., Сапожников В.А., Макаров Ю.И., Пулин В.П., Селиванов Ю.Т., Теличенко В.И., Стрэнк Ф., Густов Ю.И., Богомолов А.А., Райхель В., Williams D.A.

Объектом исследованияявляется роторный смеситель принудительного действия с лопастями геликоидного типа и устройством, обеспечивающим рациональный режим загрузки крупного заполнителя, для получения высококачественных бетонных смесей.

Предметом исследованияявляется процесс смешивания различных компонентов бетонных смесей в роторном смесителе принудительного действия с лопастями геликоидного типа и устройством, обеспечивающим рациональный режим загрузки крупного заполнителя при изменении конструктивно­технологических параметров смесителя.

Цель работы- повышение качества готовой бетонной смеси и снижение расхода электроэнергии за счет рационального способа загрузки крупного заполнителя и использования лопастей геликоидного типа в роторном смесителе принудительного действия.

Задачи исследования:

1. Провести анализ свойств исходных компонентов и тенденций развития оборудования для получения бетонных и строительных смесей.

2. Разработать конструкцию роторного смесителя принудительного действия с лопастями геликоидного типа и устройством, обеспечивающим рациональный режим загрузки крупного заполнителя, установить режимы процесса смешивания и конструктивные параметры смесителя.

3. Разработать математическую модель движения бетонной смеси по поверхности лопасти геликоидного типа, учитывающую её конструктивные особенности и режим работы смесителя.

4. Установить аналитические зависимости для расчета концентрации крупного заполнителя в бетонной смеси и потребляемой смесителем мощности в зависимости от его конструктивных и технологических параметров.

5.

6. Провести промышленное внедрение результатов работы на предприятии по выпуску бетонных смесей и железобетонных изделий.

Соответствие диссертационной работ паспорту специальности.

Работа полностью соответствует паспорту специальности 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (строительство и ЖКХ), а именно следующим областям исследования:

3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций.

5. Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса.

6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой.

Научная новизна.

- впервые получены математические зависимости, описывающие характер движения бетонной смеси по винтовой траектории вдоль лопасти геликоидного типа с учетом конструктивно-технологических параметров смесителя;

- разработана математическая модель для расчета потребляемой смесителем мощности с новой конструкцией лопастного аппарата, учитывающая его технологические особенности работы;

- получены аналитические выражения, описывающие изменение концентрации крупного заполнителя в зависимости от конструктивно­технологических параметров смесителя с лопастями геликоидного типа и устройством, обеспечивающим рациональный режим его загрузки;

- получены регрессионные зависимости для определения удельного расхода электрической энергии, изменения концентрации крупного заполнителя и предела прочности на сжатие готового бетона, позволяющие определить рациональные режимы работы роторного смесителя с лопастями геликоидного типа с учетом его конструктивных и технологических особенностей.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- получена зависимость для определения потребляемой роторным смесителем мощности с учетом его конструктивно-технологических параметров;

- получена математическая зависимость для определения изменения концентрации крупного заполнителя в смесителе с учетом его конструктивно­технологических параметров;

- на основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработана конструкция роторного смесителя принудительного действия с устройством, обеспечивающим рациональный режим загрузки крупного заполнителя и лопастями геликоидного типа, которая обеспечивает получение бетонной смеси высокого качества с минимальными затратами электроэнергии и защищенная патентом РФ на полезную модель;

- реализована апробация разработанного смесителя на заводе ЖБИ ООО «Возрождение», г. Белгород, а также проведено внедрение полученных аналитических зависимостей для расчета основных параметров смесителя в учебный процесс при подготовке бакалавров по направлению 15.03.02 - «Технологические машины и оборудование», профиль «Технологические машины и комплексы предприятий строительных материалов».

Методы исследований:

в процессе выполнения диссертационной работы использовались методы теоретического анализа и экспериментального исследования: лабораторного исследования, абстрагирования, визуального наблюдения, математической статистики, а также сравнения теоретических и экспериментальных результатов исследований.

Автор выносит на защиту следующие основные положения:

1. Зависимость для расчета загрузочного устройства при различных конструктивно-технологических параметрах смесителя.

2. Математическую модель для определения полной мощности, затрачиваемой смесителем при получении бетонной смеси.

3. Аналитическую зависимость изменения концентрации крупного заполнителя в смесителе с учетом его конструктивно-технологических параметров.

4. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных уравнений для определения влияния факторов на следующие величины: удельный расход электрической энергии; концентрацию крупного заполнителя в бетонной смеси; предел прочности на сжатие готовых образцов бетона.

5.

Степень достоверностинаучных положений выполненной работы, её выводов соответствует предъявляемым требованиям и обоснована использованием основополагающих принципов и фундаментальных законов, применением точной контрольно-измерительной аппаратуры, согласованностью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными исследований и положительным результатом промышленной апробации.

Апробация результатов работы:

Основные результаты и положения выполненной работы докладывались и обсуждались: на технических советах ООО «Возрождение», г.Белгород; на заседаниях кафедры «Механическое оборудование» БГТУ им. В.Г. Шухова в 2013 - 2018 гг.; на международных научно-технических конференциях «Молодежь и научно-технический прогресс» - г. Губкин в 2014-2015 гг.; на Юбилейной Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (2014г.), а также работа представлялась в научно­инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» в 2015 - 2017 гг.

Реализация результатов работы:

Разработанный роторный смеситель принудительного действия с лопастями геликоидного типа и устройством, обеспечивающим рациональный режим загрузки крупного заполнителя, внедрен в производственный процесс завода ЖБИ ООО «Возрождение» (г. Белгород). Экономический эффект от внедрения разработанной конструкции смесителя составит 2222,781 тыс. рублей в год.

Публикации:

По результатам выполненной работы опубликована 21 статья, в том числе 3 статьи в ведущих периодических изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ № 149622.

Структура и объем диссертационной работы:

Диссертационная работа содержит 188 стр., введение, 4 главы, заключение,

6 таблиц, 67 рисунков, 151 формулу, 162 источника используемой литературы, 4 приложения.