ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТБУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИРЕФЕРАТРОЗРОБКА НОВОЇ ТЕОРІЇ ПРИГОТУВАННЯ БУДІВЕЛЬНИХ СУМІШЕЙБлажко Володимир Володимировичкандидат технічних наук, доцент кафедри «Механізації будівельних процесів»Харківського державного технічного університету будівництва та архітектуриДоброходова Ольга Валеріївназавідувач лабораторією, аспірант кафедри «Будівельних матеріалів і виробів»Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури^ Аніщенко Анна Ігорівнааспірант кафедри «Механізації будівельних процесів»Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури^ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИАктуальність теми Стан теоретичних досліджень процесів приготування будівельних сумішей потребує подальшого розвитку, бо на даний час діють наукові основи, на базі яких були розроблені старі змішувачі. Їх стан потребує суттєвого покращення або створення нових машин. Особливої уваги заслуговує покращення процесу приготування малорухомих сумішей, тому що сучасні машини не дозволяють досягти тих властивостей, які потребують нормативні документи. Крім того, на даний час відсутня чітка методична основа розрахунку процесу змішування з урахуванням його особливостей та конкретних умов роботи машини. Тому розробка нових фізико-математичних моделей процесу змішування на принципово новій основі суттєво розширить існуючі результати теоретичних досліджень в галузі приготування будівельних сумішей і дозволить створити нові ефективні змішувачі. Головною гіпотезою досліджень, що пропонуються є можливість підвищити якість будівельних сумішей завдяки використанню каскадного режиму в процесі змішування компонентів суміші. При цьому, теоретичні принципи створення нових змішувачів будуть базуватися на вказаних процесах як на макрорівні, так і на мікрорівні. Теоретичними дослідженнями процесів приготування бетонних сумішей займались такі вчені як Бунін М. В., Корольов К. М. Відомі результати досліджень сучасних вчених Богомолова А. В., Маслова О. Г. Але ці дослідження не дозволяють описати процес приготування бетонних сумішей на нових тривальних бетонозмішувачах, які експлуатуються з використанням каскадного режиму. Тому результати досліджень виконаної роботи актуальні.^ Мета роботи – створення фізико-математичних моделей процесів приготування будівельних сумішей на принципах каскадного режиму та усереднювальної здатності змішувача. ^ Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до теми державної реєстрації № 0107U003000 «Розробка обладнання для роботи на малорухомих бетонних сумішах в умовах будівельного майданчика». Та є частиною роботи «Дослідження та удосконалення малогабаритного обладнання для роботи на крупнозернистих бетонних сумішах в умовах будівельного майданчика», що виконується на кафедрі механізації будівельних процесів Харківського державного будівельного університету будівництва та архітектури.^ Завдання дослідження. Дослідження присвячені підвищенню ефективності роботи бетонозмішувачів примусової дії завдяки використанню в процесі приготування будівельних сумішей каскадного режиму перемішування її складових.^ Об'єкт дослідження – процес приготування бетонних сумішей у бетонозмішувачах нової конструкції.Метод дослідження – використання диференціального обчислення, положень теорії гідродинаміки та механіки суцільних середовищ. Математична модель роботи тривального змішувача отримана в результаті реалізації планування експериментів і статистичної обробки експериментальних даних. Достовірність отриманих результатів визначена шляхом використання стандартних допущень і підтверджена результатами теоретичних і експериментальних досліджень, розбіжність яких не перевищує 10%. ^ Наукова новизна отриманих результатів. Побудовані фізико-математичні моделі процесів змішування компонентів будівельних сумішей різного призначення, на основі яких створено методику розрахунку нових машин. При цьому: - знайдено залежності для визначення відношення кількості переміщуваних пакетів сумішей до загальної кількості лопаток верхнього та нижнього валів. При цьому, одержана залежність дозволила прогнозувати необхідну кількість циркуляцій компонентів суміші в корпусі змішувача, яка дозволяє досягти високого ступеня однорідності; - знайдено залежності для визначення продуктивності тривального змішувача з урахуванням коефіцієнтів повернення суміші в першій та другій зонах машини. Наведені формули для знаходження цих коефіцієнтів; - теоретичні залежності для визначення потужності бетонозмішувача з урахуванням коефіцієнтів повернення знайшли підтвердження у результатах експериментальних досліджень; - отримані експериментальним шляхом залежності показників ефективності роботи бетонозмішувача від коефіцієнта заповнення робочого простору машини; - відкрито новий закон процесу перемішування складових бетонної суміші – наявність каскадного руху компонентів при роботі усіх трьох валів нового бетонозмішувача; - створена методика розрахунку тривальних бетонозмішувачів з урахуванням їх конструктивних особливостей, яка може пропонуватися для розрахунку змішувачів такого класу; - знайдені критерії подоби, які охоплюють як конструктивні параметри машини, так і фізико-механічні характеристики робочих сумішей, дозволяють зробити обґрунтований перехід від лабораторного зразка машини до діючого в умовах будівництва; - запропонована гіпотеза підтверджена результатами досліджень бетонних зразків, відформованих на сумішах, які виготовленні в нових змішувачах. Випробування зразків на міцність та дослідження їх структури продемонстрували високу ступінь однорідності сумішей які готувалися в новому змішувачеві; - завдяки отриманим результатам досліджень тривального бетонозмішувача розроблено принципову схему нового бетонозмішувача як симбіоз двох машин гравітаційної та примусової дії. Знайдено основні фактори, які характеризують ефективну роботу бетонозмішувача; - визначені можливості розширення впливу факторів на ступінь однорідності суміші, яка готується у тривальному бетонозмішувачі. - знайдено залежності для встановлення взаємодії робочого органу тривального бетонозмішувача з бетонною сумішшю в процесі каскадного та зворотно-поступального рухів її часток; - знайдено закономірності для визначення основних показників бетонозмішувача, які дозволяють готувати бетонні суміші високої однорідності; - використання каскадного режиму часток суміші в робочому просторі змішувача дозволяє суттєво змінити умови змішування та значно покращити її якісні властивості. Цей принцип закладено в тривальний бетонозмішувач Новий змішувач відповідає світовому рівню, його конструкція захищена патентом України, №74444 В28С5/14 « Змішувач для приготування будівельних сумішей».^ Практичне значення отриманих результатів. На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблено методику та алгоритм розрахунку тривального бетонозмішувача, а також технічна документація, згідно з якою виготовлені експериментальні зразки бетонозмішувачів.Тривальний бетонозмішувач нової конструкції пройшов випробування на виробничій базі фірми «Т.М.М.»- ТОВ (м. Харків), при приготуванні малорухомих бетонних сумішей (П = 4см.) і будівельних розчинів, у результаті чого доведена його висока працездатність.Використання змішувача нової конструкції у порівнянні з існуючими, дозволяє знизити витрати енергії на приготування будівельної суміші з 1,7-2,2 кВт·год/м3 до 1,2-1,5 кВт·год/м3, час приготування суміші з 90-120с до 44-55с, підвищити показники міцності будівельної суміші на 15-20%.Результати роботи використано у навчальному процесі студентами-механіками Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури під час виконання курсових та дипломних проектів.Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 21 наукових статтях, у тому числі в 13 наукових збірниках, які входять до переліку ВАК України, як фахові, 6 у міжнародних збірниках наукових праць. За темою наукової роботи отримано 1 патент України, подано заявку на одержання патенту на винахід по заявці № 200913497 від 24.12.09 р.^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИВ першому розділі Наведено аналіз відомих робіт Баженова Ю.М., Богомолова А.О., Буніна М.В., Корольова К.М., Маслова О.Г., Назаренко І.І., Хаютіна Ю. Г., Шарапова І.К., показані технології та змішувачі, які можуть бути використані для приготування малорухомих, жорстких й особливо жорстких дрібнозернистих будівельних сумішей і будівельних розчинів. Наведено результати відомих теоретичних досліджень основних показників роботи змішувачів з горизонтальними лопатевими валами^ В другому розділі Подані теоретичні дослідження бетонозмішувачів нової конструкції, здатних створювати каскадний режим перемішування компонентів бетонної суміші.Запропонована нова конструкція бетонозмішувача, робочий орган якої містить три горизонтальних вали (рис.1):Рис.1 Конструктивна схема тривального бетонозмішувача1 - двигун, 2 - клинопасова передача, 3 - Редуктор, 4 - відкрита зубчаста передача, 5 - завантажувальний бункер, 6 - шнековий вал, 7,7' - верхній та нижній лопатеві вали, 8 - корпус бетонозмішувача; 9 - розвантажувальний патрубок; I - зона перемішування сухих компонентів бетонної суміші; II – зона приготування бетонної суміші з заданим водоцементним відношенням:- два вали оснащені лопатками та призначені для перемішування компонентів суміші в корпусі машини; - третій вал, що складається зі шнека та лопатевої частини, призначений для транспортування бетонної суміші до розвантажувальної частини змішувача. В корпусі змішувача вали встановлені під кутом до горизонтальної площини, що дозволяє реалізувати новий принцип змішування компонентів.Процес приготування бетонної суміші в тривальному бетонозмішувачі здійснюється у два етапи. На першому етапі, у першій зоні, в результаті обертання всіх горизонтальних валів відбувається взаємодія сухих компонентів (цементу, піску або цементу, піску та щебеню). При цьому компоненти піддаються інтенсивному перемішуванню в результаті відносних переміщень у каскадному режимі як зверху, так і знизу щодо центрального вала - шнека. Взаємодія сухих компонентів суміші відбувається при наявності їхнього тертя відносно один одного, що вірогідно сприяє утворенню чистих, свіжих ділянок на поверхнях зерен крупного заповнювача. Таким чином, на першому етапі спостерігається активна підготовка компонентів до подальшого утворення будівельної суміші. На другому етапі в результаті взаємодії свіжоутворені поверхні крупного заповнювача активно контактують із розчинною складовою. Комплексна робота двох зон змішувача дозволяє створити всі умови для одержання однорідної бетонної суміші.Дослідження, проведені на тривальному бетонозмішувачі довели ефективність нового способу перемішування, приготування суміші в каскадному режимі при наявності моменту вільного падіння.Зберігаючи принцип гравітаційно - примусового перемішування розроблений дослідний зразок змішувач спрощеної конструкції. Винахід відноситься до промисловості будівельних матеріалів, а саме до машин для приготування будівельних сумішей.Запропоновано бетонозмішувач (рис.2) для приготування будівельних сумішей, що містить корпус циліндричної форми, в якому розміщено горизонтальний обертовий вал з лопатями, що закріплені на ньому по гвинтовій лінії. Корпус змішувача оснащено завантажувальним бункером, на внутрішній поверхні закріплені лопаті. Лопаті валу своїми торцями входять у вільні простори між лопатями корпусу, до днища якого прилаштовані втулки для вивантаження готової суміші.Рис. 2. Схема бетонозмішувача примусово-гравітаційної дії1,6 - торцева стінка корпуса; 2 - корпус; 3 - лопатки корпуса; 4 – лопатки вала; 5 - лопатевий вал; 7 - планетарна зубчаста передача; 8 - редуктор; 9 - клинопасова передача; 10 - двигун; 11 - рама;Бетонозмішувач працює таким чином: потужність від двигуна 10 через клинопасову передачу 9 передає крутний момент на редуктор 8. В свою чергу з валу, редуктор через муфту передає крутний момент на привідний вал, який приводе в дію зубчасту шестерню. Зубчаста шестерня, кріпиться на валу за допомогою підшипників, знаходиться в планетарній зубчастій передачі 7, які закріплені на рамі 11. Крутний момент через зубчасту шестерню, яка знаходиться на корпусі змішувача, починає його обертати. А через іншу зубчасту шестерню починає обертатися лопатевий вал 5 з закріпленими на ньому лопатями 4.Лопатевий вал опирається на підшипникові вузли, які закріплені на корпусі бетонозмішувача. В корпусі бетонозмішувачі 2 закріплені лопаті 3 у три ряди, кут між лопатями складає 1200. Корпус бетонозмішувача 2 опирається на опорні ролики, які стоять на рамі 11. До корпусу бетонозмішувача 2 прикріпляється, за допомогою болтового з'єднання торцева стінка корпусу 1, а торцева стінка корпусу 6 – приварена до корпусу змішувача. В корпусі так же находиться завантажувальний отвір, який при необхідності відкривається або закривається.Даний змішувач планується досліджувати в бетонозмішувальній установці СБ-241А Слав'янського заводу «Бетонмаш». Поява розглянутих нових машин дозволить істотно поліпшити процес приготування бетонних сумішей при більш ефективному використанні змішувального устаткування (у порівнянні з діючими машинами коефіцієнт заповнення обсягу збільшується на 20 %). На першому етапі досліджень приймається модель ідеального перемішування, яка характеризується тим, що кількість компонентів у всіх зонах робочого простору змішувача та на виході з нього повинна бути однаковою хвх= хвых= х. Припустивши, що в змішувач надходить потік компонентів суміші при постійній об'ємній продуктивності Qвх, в сталому режимі Qвх = Qвих = Q. При цьому, особливості режиму подачі компонентів бетонної суміші в змішувач будуть виглядати так: (1) Коливання сталого процесу визначаються частотою надходження чергових порцій суміші в машину. Для моделі ідеального змішування амплітудно-частотна характеристика змішувача визначається за рівнянням: (2) Це рівняння дозволяє визначити інтервал часу, за який необхідно порції всіх компонентів у заданому співвідношенні подати в корпус змішувача та у наступному інтервалі забезпечити ту ж подачу для приготування однорідної суміші. Процес перемішування компонентів суміші змішувачами примусової дії вирішується за допомогою законів гідродинаміки, а саме, обтікання тіл потоком бетонної суміші.Рух бетонної суміші описується системою рівнянь Навье – Стокса. У випадку плоскої задачі ця система спрощується та для сталого руху може бути представлена такими рівняннями: (3)Стосовно до цієї системи розподіл швидкостей в межах прикордонного шару при сталому русі бетонної суміші може бути представлено як: (4) У такому випадку сила інерції, що діє вздовж напрямку руху бетонної суміші, дорівнюватиме: (5) Після прирівнювання сил інерції та сил тертя матимемо: (6) Рівняння (8) дає змогу представити силу тертя за допомогою закону Ньютона: (7) Отже, оцінка параметрів руху суміші навколо лопатки дозволяє визначити величину й характер зміни товщини прикордонного шару . (8) Таким чином, знаючи розміри дрібних агломератів можна визначити довжину лопатки, що створює таку товщину прикордонного шару, яка руйнує агломерати розчинної складової. І навпаки, знаючи довжину лопатки, можна визначити умови руйнування агломератів розчинної складової бетонної суміші. Завдяки розв’язанню рівняння руху бетонної суміші відносно та , за допомогою функції потоку ψ, визначається розподіл тиску бетонної суміші на поверхні елементарної частки бетонної суміші , яка знаходиться на лопатці:, (9) де: - тиск бетонної суміші у площині z; - гідростатичний ефект; - середня щільність бетонної суміші. Проінтегрував рівняння (11) по всій поверхні частки суміші отримаємо силу F1, яка діє на цю поверхню з боку потоку бетонної суміші:, (10) де: - радіус частки; Окрім сили F1 на поверхню частки діє дотична сила F2, яка визначається за рівнянням: (11) Загальна сила, яка діє на частку дорівнює: (12) Права частина рівняння (14) виражає закон Стокса. Використання цього закону дає змогу стверджувати, що коефіцієнт пропорціональності С є функцією критерія Рейнольдса та являє собою коефіцієнт опору бетонної суміші. У такому разі: (13) Рух бетонної суміші у каскадному режимі досить складний, для його виразу використовується циліндрична система координат (r, , z), яка дає змогу врахувати кутову швидкість обертання валів робочого органу та кут їх встановлення, у разі чого система матиме такий вигляд: (14) На підставі отриманого рівняння розраховано загальний кут ()нахилу робочого органу бетонозмішувача, який сприяє створенню каскадного руху бетонної суміші. Для здійснення дії гвинта шнека як транспортуючого пристрою необхідна наявність зрушення навколишнього середовища в корпусі машини, тобто необхідна наявність його ковзання по поверхні шнека. Це викликає деяке відставання дійсної швидкості потоку в осьовому напрямку в порівнянні з теоретичною швидкістю, яке може бути представлено величиною коефіцієнта ковзання, що визначався як:κковз = 1 - 2π Vд /ωS , (15) де: ω - кутова швидкість обертання шнекового вала, сˉ¹; S - крок гвинта, м Vд;- теоретична осьова швидкість, м Тоді дійсна осьова швидкість бетонної суміші в корпусі бетонозмішувача: Vд = (1- ψ )ωS/2π (16) Шнек, виконуючи функцію транспортування, «зрізає» порції суміші, сформовані лопатевими валами, та подає їх на розвантаження, реалізуючи тим самим процес усереднення. Вміст усереднювального компонента в змішувачі за період визначається з рівняння: , (17) де: t - період одного оберту робочого органу бетонозмішувача Коефіцієнт зменшення дисперсії показників якості бетонної суміші на виході дозволяє визначити таке рівняння:, (18) де: Dx - початкова дисперсія;nп - кількість порцій суміші, захоплюваних лопатками змішувача з обсягу суміші, що перебуває в корпусі змішувача; α - коефіцієнт погашення кореляційної функції;h - часове зрушення фази окремих шарів; При заданій вихідній дисперсії D'x і відомій Dx дисперсіїна вході об’єм змішувача визначається таким відношенням: (19)Зниження дисперсії неоднорідності багато в чому залежить від кількості циркуляцій (повернень порцій) компонентів бетонної суміші в процесі їхнього перемішування та транспортування до місця розвантаження.Величина циркуляції потоків бетонної суміші визначається відношенням кількості переміщуваних пакетів суміші nп, до загальної кількості лопаток верхнього та нижнього валів zл. (20)Продуктивність тривального бетонозмішувача визначається обсягом бетонної суміші, яку за одиницю часу переміщує в осьовому напрямку до розвантажувального отвору корпуса машини середній вал у той час, коли верхній і нижній вали повертають компоненти суміші в сторону їх завантаження.Повернення компонентів бетонної суміші в кожній зоні бетонозмішувача враховується коефіцієнтом повернення, що визначається як відношення маси компонентів бетонної суміші, що транспортується на розвантаження, до маси компонентів, що транспортується в протилежну сторону. Для першої зони бетонозмішувача: , (21)де: - коефіцієнт повернення суміші в першій зоні змішувача; - маса сухої бетонної суміші, що перебуває в зоні середнього вала; - маса сухої бетонної суміші, що перебуває в зоні верхнього вала;- маса сухої бетонної суміші, що перебуває в зоні нижнього вала. Технічна продуктивність бетонозмішувача може бути визначена як:, м³/г , (22)де: b - ширина лопатки, м; zл – кількість лопаток середнього вала; α - кут встановлення лопаток, град. Визначення потужності двигуна тривального бетонозмішувача виконується виходячи з умов: I - перемішування сухих компонентів суміші в першій зоні. II - приготування та розвантаження бетонної суміші в другій зоні.Загальні витрати енергії на приготування малорухомої бетонної суміші представлено у вигляді трьох складових: P1 – потужність, витрачена на перемішування компонентів бетонної суміші верхнім валом; P2 – потужність, витрачена на перемішування компонентів бетонної суміші та її транспортування до розвантажувального отвору середнім валом; P3 – потужність, витрачена на перемішування компонентів бетонної суміші нижнім валом; (23) В третьому розділі Наведено результати експериментальних досліджень процесу механічного перемішування компонентів бетонної суміші у тривальному змішувачі та визначено вплив його конструктивних параметрів на якість суміші, що одержані.Рис.3 – Дослідний зразок бетонозмішувача гравітаційно-примусової дії.