<<
>>

Выбор и обоснование функций отклика и основных факторов, оказывающих влияние на процесс смешения

Задача смешивания - равномерно распределить все компоненты по объему рабочей зоны смесителя, чтобы проба, взятая из любого места бетонной смеси, имела один и тот же состав. Кроме однородности бетонная смесь должна также обладать необходимой связностью, т.е.

способностью формоваться без разрывов и расслоения. Эти свойства смеси обычно обеспечиваются правильным подбором состава бетона, качественным его перемешиванием.

Для организации эффективного процесса смешивания и получения качественных бетонных смесей при минимально возможном энергопотреблении в смесителе необходимо организовать подбор рациональных параметров смешения исходных компонентов. При экспериментальных исследованиях процесса смешивания необходимо учесть влияние качества полученной смеси (концентрация крупного заполнителя C, %) на физико-механические свойства готового бетона (предел прочности на сжатие σ,МПа) и удельный расход электроэнергии (q,кВт-ч/т). В связи с этим, целесообразно выбрать вышеперечисленные показатели (C, σ, q) функциями отклика регрессионных уравнений, полученных при проведении исследования влияния конструктивных и технологических параметров на процесс перемешивания при изготовлении бетонной смеси.

Цикл работы лабораторной установки роторного смесителя принудительного действия при исследовании процесса смешивания состоит из:

- времени загрузки смесительной чаши компонентами смеси (8-10 с);

- времени, необходимого для качественного смешивания и получения готовой смеси (33-67 сек);

- времени выгрузки готовой смеси из смесительной чаши (10 сек).

На значения функций отклика уравнений регрессии в рассматриваемом роторном смесителе влияют следующие конструктивно-технологические параметры:

где D- внешний диаметр рабочего объема смесительной чаши, м;

d- внутренний диаметр рабочего объема смесительной чаши, м;

H0- высота смесительной чаши, м;

Hp- высота рабочего объема смесительной чаши, м;

z- количество лопастей, шт.;

h- высота лопасти, м;

l- длина лопасти, м;

R0- радиус закругления лопасти, м;

a- угол установки лопастей относительно вертикальной оси, град;

L- расстояние между серединами соседних лопастей, м;

Lk- ширина кольцеобразной рабочей зоны смесительной чаши, м;

K- коэффициент загрузки смесительной чаши;

n- частота вращения ротора, мин-1;

t- время смешивания, с.

Для выявления значений основных факторов и уровней их варьирования (4.1) были проведены предварительные оценочные эксперименты с видеосъемкой процесса перемешивания на лабораторной установке роторного смесителя принудительного действия при различных режимах работы.

Проведенный обзор конструкций существующих роторных смесителей принудительного действия выявил [14, 64], что наиболее рационально

использовать соотношение диаметра его рабочей зоны к высоте смесительной чаши (D/H0) равным 4-5 [80, 128], следовательно, принимаем размеры

смесительной чаши установки D=880 мм, H0=220 мм.

Внутренний диаметр рабочего объема смесительной чаши dобусловлен конструкцией смесительного узла и соотносится с внешним диаметром D

смесительной чаши, как D/d=2,6, что укладывается в рамки значений существующих смесителей D/d=2,5-3,5, так для смесителей: СБ-79 - D/d=2,75; СБ-93 - D/d=2,9; СБ-80 - D/d=3,1; С-773 - D/d=3,5. Высота рабочего объема смесительной чаши Hp,как правило, составляет (0,5-0,8)H0и примерно в 1,2 раза больше высоты лопастей h. Поэтому в лабораторной установке высота Hp = 120 мм.

При теоретических исследованиях кинематики бетонной смеси по поверхности лопасти (п. 2.2) было предположено, что движение бетонной смеси будет осуществляться по криволинейной поверхности лопасти смесителя по винтовой траектории от одной лопасти к другой (рис. 2.4, рис. 1.14-1.16), обеспечивая циркуляцию смеси от внутренней стенки смесительной чаши к внешней и обратно.

Для определения характера взаимодействия лопастей различной длины с материалом при разной частоте вращения ротора проведена серия экспериментов с коэффициентом загрузки равным 0,5, как минимально целесообразном для смесителей принудительного действия [30, 118, 120]:

1. Лопасти длиной 0,14 м:

- частота вращения ротора 15 мин-1 (рис. 4.1);

- частота вращения ротора 19 мин-1 (рис. 4.2);

- частота вращения ротора 33 мин-1 (рис. 4.3);

- частота вращения ротора 40 мин-1 (рис.

4.4).

2. Лопасти длиной 0,18 м:

- частота вращения ротора 19 мин-1 (рис. 4.5);

- частота вращения ротора 33 мин-1 (рис. 4.6);

- частота вращения ротора 40 мин-1 (рис. 4.7);

- частота вращения ротора 40 мин-1, коэффициент загрузки 1,0 (рис. 4.8).

При определении характера взаимодействия лопастей длиной 0,14 м с материалом анализ фотографий, полученных при раскадровке видеозаписи показал, что:

1. При частоте вращения ротора 15 мин-1 (рис. 4.1) бетонная смесь перемещается лопастью прямо перед ней по траектории ее вращения, не смещаясь в сторону (рис.4.1, а), что приводит к накоплению слоев смеси непосредственно перед лопастью (4.1. б-г), т.е. не обеспечивается винтовое движение материала и

он медленно перемещается от одной лопасти к другой.

Рисунок 4.1. Взаимодействие материала с лопастью длиной 0,14 м при частоте вращения ротора 15 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

2. При наблюдении возникновения винтового движения смеси при частоте вращения ротора 19 мин-1 отображен начальный момент контакта внешней лопасти со смесью (рис. 4.2). В начальный момент (рис. 4.2, а-в) возникновение винтового движения смеси наблюдается на 1/2...2/3 длины лопасти. Далее (рис.

4.2, г-д) винтовое движение формируется вдоль всей длины лопасти, при этом перемещая материал в радиальном направлении смесительной чаши, на что

указывает отсутствие материала за лопастью и заполнение следа от воздействия

на материал предыдущей.

Рисунок 4.2. Взаимодействие материала с лопастью длиной 0,14 м при частоте вращения ротора 19 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

3. При увеличении частоты вращения ротора до 33 мин-1 (рис. 4.3) возникновение винтового движения смеси происходит аналогично, как при частоте вращения ротора 19 мин-1, но с большей интенсивностью винтового перемещения материала (рис.

4.2, д, 4.3, в), что обеспечивает радиальное передвижение смеси на большее расстояние.

4. При дальнейшем увеличении частоты вращения ротора до 40 мин-1 (рис. 4.4) разрушается винтовое движение материала и происходит организация веерообразного характера его передвижения в области контакта с лопастью, что нарушает циркуляцию смеси от внутренней стенки смесительной чаши к внешней

и обратно.

Рисунок 4.3. Взаимодействие материала с лопастью длиной 0,14 м при частоте вращения ротора

33 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

Рисунок 4.4. Взаимодействие материала с лопастью длиной 0,14 м при частоте вращения ротора 40 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

Т.к. при использовании лопастей длиной 0,14 м установлено, что винтовое движение материала образуется в диапазоне частот вращения ротора 19-33 мин-1,

поэтому для лопастей длиной 0,18 м были выбраны такие же скоростные режимы вращения ротора смесителя, но ввиду их большей длины было проведено дополнительное исследование при частоте вращения ротора 40 мин-1 и коэффициенте загрузки равном 1,0.

При определении характера взаимодействия лопастей с материалом анализ фотографий, полученных при раскадровке видеозаписи показал, что:

1. При частоте вращения ротора 19 мин-1 в начальный момент контакта внешней лопасти со смесью (рис. 4.5, а-б) возникновение винтового движения смеси наблюдается на 2/3 длины лопасти. Далее (рис. 4.5, в-е) винтовое движение формируется вдоль всей длины лопасти, при этом перемещая материал в радиальном направлении смесительной чаши, на что указывает отсутствие материала за лопастью и заполнение следа от предыдущей.

2. При увеличении частоты вращения ротора до 33 мин-1 (рис. 4.6) винтовое движение смеси имеет очень интенсивный характер, что обеспечивает перемещение материала радиально на большее расстояние и соответственно более интенсивную циркуляцию смеси от внутренней стенки смесительной чаши к внешней и обратно, чем при использовании лопастей длиной 0,14 м (рис.

4.3).

3. При увеличении частоты вращения ротора до 40 мин-1 (коэффициент загрузки 0,5) происходит налипание смеси на лопасти на 1/2 поверхности дальней по ходу движения, и в той же части лопасти (рис. 4.7, а) или перед ней (рис. 4.7, б, в) образуется замкнутая траектория перемещения материала, причем сход налипшей смеси не наблюдается в течение всего цикла смешивания.

4. При увеличении частоты вращения ротора до 40 мин-1 (коэффициент загрузки 1,0) происходит нарушение винтового режима движения смеси, что влечет за собой возрастание коэффициента трения между слоями смеси и лопастью и, как следствие, её налипание и образование замкнутой траектории перед лопастью (рис. 4.8), при дальнейшем накоплении определенного количества материала на лопасти происходит его сход с неё.

Рисунок 4.5. Взаимодействие материала с лопастью длиной 0,18 м при частоте вращения ротора 19 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

Рисунок 4.6. Взаимодействие материала с лопастью длиной 0,18 м при частоте вращения ротора 33 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

Рисунок 4.7. Налипание смеси на лопасти длиной 0,18 м при частоте вращения ротора 40 мин-1и коэффициенте загрузки 0,5

Рисунок 4.8. Налипание смеси на лопасти длиной 0,18 м при частоте вращения ротора

40 мин-1и коэффициенте загрузки 1,0

Т.о., в применяемых на производстве смесителях наиболее распространенная частота вращения ротора составляет от 20 до 40 мин-1. Покадровый анализ съемки процесса смешивания в лабораторной установке (рис.

4.1-4.8) показал, что при увеличении частоты вращения ротора до 40 мин-1 происходит нарушение винтового режима перемещения смеси для лопастей длиной 0,14 м и организация веерообразного её движения. А для лопастей длиной 0,18 м также из-за нарушения винтового режима происходит возрастание коэффициента трения между слоями бетонной смеси и лопастью и, как следствие, её налипание и образование замкнутой траектории перед ней (рис. 4.7-4.8) как при коэффициенте загрузки равном 0,5 и 1,0. При коэффициенте загрузки равном 1,0 материал накапливается до определенного количества и совершает сход с лопасти.

При снижении частоты менее 19 мин-1 (рис. 4.1) не образуется необходимый винтовой режим движения, поэтому в дальнейших экспериментах частота вращения ротора было принято варьировать в пределах от 19 до 33 мин-1.

Известно [81], что в роторных бетоносмесителях наиболее целесообразно в смесительном узле использовать от 4 до 6 лопастей. Для организации перемещения всего объема смешиваемых компонентов от внешней стенки к внутренней и обратно за один оборот ротора наиболее целесообразно установить 6 лопастей, так, чтобы каждая лопасть подхватывала смесь и перемещала её к следующей (рис. 4.9-4.11).

Для определения характера перемещения материала внутри смесительной чаши был произведен покадровый анализ съемки процесса смешивания при следующих режимах:

- лопасти длиной 0,14 м, частота вращения 33 мин-1 при коэффициенте загрузки равном 1,0 (рис. 4.9);

- лопасти длиной 0,18 м, частота вращения 19 мин-1 при коэффициенте загрузки равном 0,5 (рис. 4.10);

- лопасти длиной 0,18 м, частота вращения 33 мин-1 при коэффициенте загрузки равном 0,5 (рис. 4.11).

Определен характер передачи лопастями бетонной смеси, т.е. организация перемещения материала от внутренней стенки к внешней и обратно, при этом использовались лопасти длиной 0,14 м, частота вращения ротора 33 мин-1 и коэффициент загрузки равный 1,0 (рис. 4.9), как максимально рекомендуемый, т.к. при его дальнейшем увеличении снижается воздействие лопасти на смешиваемый материал. Масса смеси захватывается лопастью и перемещается по ходу её движения (рис. 4.9, а, б), на что указывает отсутствие материала за ней. Следующая лопасть подхватывает и смещает материал к внешней стенке смесительной чаши (рис. 4.9, в-д) и далее внешняя лопасть начинает перемещение материала к внутренней стенке чаши (рис. 4.9, е).

Характеры перемещения материала лопастями длиной 0,18 м при коэффициенте загрузки 0,5, частоте вращения ротора 19 мин-1 (рис. 4.10) и 33 мин- 1(рис. 4.11) аналогичны. При этом обеспечивается винтовое движение смеси, что перемещает материал радиально, создает циркуляцию смеси от внутренней стенки смесительной чаши к внешней и обратно и имеет достаточно интенсивный характер. При данных режимах работы не наблюдается налипания материала на лопасти и образование замкнутых траекторий перед ними.

Коэффициент загрузки смесителя, для обеспечения максимальной производительности и исходя из проведенных предварительных опытов (рис. 4.9) был принят равным 1,0, потому что при повышении уровня загрузки более 1,0, воздействие лопасти на смесь не осуществляется по всей толщине её слоя, что приводит к снижению эффективности работы смесителя. Использование коэффициента загрузки менее 0,5 не целесообразно (рис. 4.1-4.11). т.к. это приводит к повышению затрат удельного расхода электроэнергии.

Рисунок 4.9. Передача материала между лопастями длиной 0,14 м при частоте вращения ротора

33 мин-1и коэффициентом загрузки 1,0

Рисунок 4.10. Передача материала между лопастями длиной 0,18 м при частоте вращения ротора 19 мин-1и коэффициентом загрузки 1,0

Рисунок 4.11. Передача материала между лопастями длиной 0,18 м при частоте вращения ротора 33 мин-1и коэффициентом загрузки 0,5

При проведении серии экспериментов (рис. 4.1-4.11) установлено, что для обеспечения эффективного перемещения смеси в горизонтальной плоскости, угол установки лопастей а должен варьироваться от 23° до 69° (рис. 4.12), а расстояние межу серединами соседних лопастей Lсоставлять примерно (0,3 - 0,4)/.

Рисунок 4.12. Угол установки лопастей в смесителе

По результатам проведенных наблюдений было установлено, что при ширине кольцеобразной рабочей области чаши Lk=(D-d)∕2=270мм необходимо выбрать следующие геометрические параметры лопастей - длина от 140 до 180 мм, высота - 100 мм, радиус кривизны 60 мм, т.о. принято соотношение Z=(0,5...0,7)L⅛.

Лопасть в развертке и компьютерная модель (рис. 4.13) представляют собой параллелограмм с углом между прилежащими сторонами ζ=75°, так как более острый угол приводит к перекатыванию смеси через лопасть.

Рисунок 4.13. Лопасть геликоидного типа:

а) - лопасть в развертке, б), в) - компьютерная модель лопасти

Качество получаемых смесей напрямую зависит от времени смешивания. При малых значениях данного параметра, исходные компоненты не будут успевать равномерно распределяться по всему объему смесительной чаши, а при больших значениях будет происходить расслоение смеси на компоненты, имеющие различную плотность [85], также происходит увеличение потребления электроэнергии [116].

В применяемых на производстве смесителях время смешивания составляет, в зависимости от их конструкции и типа получаемых смесей (бетонная или строительная смесь) от 40 до 60 с. В ходе проведенных предварительных экспериментальных исследований было принято время смешивания варьировать в интервале от 33 до 67 с.

Т.о., определены функции отклика (концентрация крупного заполнителя C, %; предел прочности на сжатие σ,МПа; удельный расход электроэнергии q,

кВт-ч/т) и основные факторы, а так же уровни их варьирования (частота вращения ротора n=19-33, мин-1; время смешивания t=33-67,с; длина лопасти /=0,14-018, м).

4.2.

<< | >>
Источник: МАТУСОВ МИХАИЛ ГЕННАДЬЕВИЧ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАГРУЗКИ И СМЕШИВАНИЯ В РОТОРНОМ СМЕСИТЕЛЕ С ЛОПАСТЯМИ ГЕЛИКОИДНОГО ТИПА. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук. Белгород - 2018. 2018

Еще по теме Выбор и обоснование функций отклика и основных факторов, оказывающих влияние на процесс смешения:

  1. 9.3. О понимании права в переходный период: основные доктринальные подходы
  2. Оглавление
  3. Выбор и обоснование функций отклика и основных факторов, оказывающих влияние на процесс смешения