Эксплуатация оборудования бетоносмесительных заводов
Введение
Бетоносмесители служат для приготовления бетонной смеси. Бетонная смесь состоит из крупного заполнителя (щебня разных фракций или гравия, иногда керамзита), мелкого заполнителя (песка), вяжущего материала, цемента и воды.
Приготовление из этих компонентов смеси производится путем их перемешивания, что является ответственной операцией, оказывающей существенное влияние на качество получаемого бетона. В результате смешивания необходимо получить однородную смесь, обладающую вполне определенными свойствами. Однородной считается смесь, любая проба из которой, взятая в достаточно большом по сравнению с размерами самого крупного заполнителя объеме, имеет один и тот же постоянный состав.
По назначению все смесительные машины делятся на бетоносмесители и растворосмесители.
По характеру загрузки компонентов и выдачи готовой смеси различают бетоносмесители непрерывного и циклического действия. В машинах непрерывного действия загрузка компонентов и выход готовой смеси происходят непрерывным потоком. В машинах циклического действия операции загрузки, перемешивания и выдачи готовой смеси осуществляются последовательно.
По способу перемешивания все смесители можно разделить на смесители со свободным (гравитационным), принудительным перемешиванием и виброперемешиванием. В бетоносмесителях используются все три способа перемешивания, в растворосмёсителях — только принудительный способ и виброперемешивание.
В заданной курсовой работе необходимо ознакомиться с устройством машины, разобраться с принципом ее действия, усвоить основные расчеты, связанные с подбором мощности двигателя, прочностные расчеты отдельных углов и агрегатов.
В начале выполнения работы необходимо
поставить задачу. Ей является разработка
механизма для более
Для этого необходимо осуществить патентный поиск, связанный с обзором существующих конструкций и механизмов, способных выполнить поставленную задачу. Затем необходимо проанализировать эти конструкции, найти недостатки и по возможности продумать пути их устранения.
Выполнив данную работу, будет приобретен ценный опыт, который позже пригодиться мне как конструктору.
1.Патентно-технический анализ
1.1.Назначение и область применения
Бетоносмесители со свободным перемешиванием служат для приготовления пластичных бетонных смесей, имеющих водоцементное отношение порядка 0,5—0,6 и выше. Основным достоинством этих машин является простота конструкции, небольшая удельная мощность и возможность перемешивания смеси с заполнителями, размер которых даже несколько превышает 100 мм. Основными недостатками этих машин являются, некоторая неоднородность смеси и повышение времени перемешивания.
Рисунок 1 – Различные типы гравитационных смесителей.
При водоцементном отношении менее 0,5 при свободном перемешивании наблюдается так называемое явление грануляции. Мелкий заполнитель гранулируется в прочно удерживающие воду комья, разрушить которые можно только механическим воздействием. Такое воздействие и осуществляется в бетоносмесителях принудительного перемешивания. Жесткие бетонные смеси с водоцементным отношением до 0,3 могут перемешиваться только в бетоносмесителях принудительного действия. Применение жестких смесей позволяет сократить расход цемента и ускоряет сроки распалубки бетонных изделий.
1.2.Анализ патентной информации
Гравитационный смеситель , содержащий смесительный барабан с приводом вращения, крыльчатку с лопастями, смонтированную с возможностью вращения на валу, расположенном в полости барабана со смещением относительно оси его вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы смесителя за счет интенсификации перемешивания, он снабжен рассекателем потока, закрепленным на консольном конце лопастного вала, причем ось вращения крыльчатки расположена параллельно оси вращения смесительного барабана и смещена относительно ее на 0,03-0,1 диаметра смесительного барабана, а диаметр крыльчатки равен 0,2-0,5 диаметра барабана (рисунок 2).
Рисунок 2 – Барабан смесителя с крыльчаткой.
Гравитационный смеситель, отличающийся тем, что с целью повышения производительности и снижения энергоёмкости, он снабжен вибровозбудителем, расположенным на внутренней поверхности секторного щитка, а консоли секторного щитка имеют опоры качения с ограничителем угла поворота, установленным на основании и выполненным в виде упоров с регулировочным винтовым приспособлением и упругих элементов, размещенных по обе стороны консоли, перпендикулярно к её оси (рисунок 3).
Изобретение относится к устройствам для перемешивания строительных материалов, позволяет интенсифицировать процесс смешивания. Смеситель
Рисунок 3 – Виброустройство в смесителе.
содержит барабан с лопастями и приводом вращения посредством редуктора и электродвигателя. Внутри барабана размещен вибратор с приводом. Наружная поверхность корпуса вибратора выполнена в виде сопряженных между собой алгебраических поверхностей второго порядка или многогранных плоских поверхностей, причем угол между осями барабана и корпуса вибратора составляет 0,5 - 2o, а точка пересечения осей последних расположена у днища барабана. Один конец корпуса вибратора соединен с днищем барабана, а второй опирается посредством сферического подшипника на шатунную шейку коленчатого вала. 1 ил.
Рисунок 4 – Барабан с вибровозбудителем.
1.3.Обзор установок данного класса
Смесители с наклоняющимся барабаном (рисунок 4) имеют емкость 425, 1200 и 2400 л. Двухконусный барабан 6 опирается на две пары опорных роликов 1 , смонтированных на траверсе 2. На внутренней поверхности барабана укреплены перемешивающие лопасти, рабочие края которых армированы твердым сплавом. Установка барабана обеспечивает ему два независимых движения: вращение вокруг оси и наклон к горизонту на угол до 60°. Привод смесительного барабана, осуществляется от электродвигателя 3 через редуктор 4 и пару зубчатых колес, установленных на специальном кронштейне траверсы. Траверса для наклона барабана поворачивается с помощью пневматического или гидравлического цилиндра 5. Пневмоцилиндр дает возможность дистанционного и автоматического управления. Такие смесители используются для оборудования автоматизированных бетоносмесительных цехов и заводов.
Рисунок 4 – Гравитационный смеситель циклического действия с пневматическим приводом наклона барабана.
В настоящее время
выпускаются стационарные бетоносмесители
объемом 330 и 880 л, выполненные по более
прогрессивной схеме — с
Рисунок 5 – Гравитационный смеситель циклического действия с пневматическим приводом наклона барабана.
Показанный на рисунке 5 смеситель состоит из более компактного барабана 1, в котором установлено шесть быстросъемных лопастей 2. Барабан насажен ступицей на выходной вал редуктора 3, встроенного в траверсу 10, и получает вращение от двигателя 4. Траверса установлена в подшипниках на стойках рамы Р и может при помощи гидроцилиндра 6 и рычага 5 занимать разные положения, в результате чего барабан будет занимать соответствующие позиции: на загрузку, на перемешивание и на выгрузку. Смеситель имеет индивидуальный гидропривод, состоящий из насосной станции 8 и распределителя 7 с электроуправлением. Преимущество рассматриваемого смесителя заключается не только в конструктивном решении привода (исключены открытые зубчатые колеса), но и в форме барабана и лопастного аппарата, позволяющей обеспечивать хорошее качество смеси за время, не превышающее 60 с. В результате компактного размещения узлов уменьшены также и габаритные размеры машины.
Привод барабана смесителя показан на рисунке 6. Мы видим трёхступенчатый редуктор, момент от двигателя передаётся на конысную передачу, после на две цилиндрических и далее на шестерню, входящую непосредственно в зацепление с барабаном.
Рисунок 6 – Привод смесительного барабана бетоносмесителя.
Гравитационный смеситель , содержащий смесительный барабан с приводом вращения, крыльчатку с лопастями, смонтированную с возможностью вращения на валу, расположенном в полости барабана со смещением относительно оси его вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы смесителя за счет интенсификации перемешивания, он снабжен рассекателем потока, закрепленным на консольном конце лопастного вала, причем ось вращения крыльчатки расположена параллельно оси вращения смесительного барабана и смещена относительно ее на 0,03-0,1 диаметра смесительного барабана, а диаметр крыльчатки равен 0,2-0,5 диаметра барабана.
Лопастной вал будет приводиться в движение с помощью зубчатого колеса, крепящегося непосредственно на барабане (рисунок 7).
Рисунок 7 – Барабан с лопастным валом.
Также привод вращения барабана можно сделать непосредственно через шестерню лопастного вала (рисунок 8).
Рисунок 8 – Барабан с лопастным валом и приводом.
Но я решил в своей работе сделать привод вращения барабана и лопастного вала раздельным, так как это упрощает условия эксплуатации и конструкции привода (рисунок 9). Привод лопастного вала осуществляется от двигателя через клиноременную передачу. При этом отметим её преимущества по сравнению с зубчатой передачей: возможность передачи движения на значительные расстояния, плавность и бесшумность работы, предохранения механизма от резких колебаний нагрузки вследствие упругости ремня, предохранение механизмов от перегрузки за счет проскальзывания ремня, простота конструкции и эксплуатации (передача не требует смазки).
Рисунок 9 – Барабан с лопастным валом и приводом раздельным от привода вращения барабана.
2. Выбор типа смесительного завода.
Выбор типа и схемы бетоно -(раствора) смесительного завода определяется следующими факторами: требуемым количеством смеси— производительностью завода, способом транспортирования смеси, климатическими условиями.
Рисунок 10 – Общий вид цементно-бетонного завода.
Крупные центральные и районные заводы имеют меньшие удельные капиталовложения, чем группа мелких заводов с той же суммарной производительностью. Сметная стоимость децентрализованных хозяйств на 20—30% превышает сметную стоимость центрального завода. На крупных заводах ниже эксплуатационные расходы и трудоемкость. Однако в каждом конкретном случае целесообразность того или иного типа завода должна быть выявлена в результате тщательного технико-экономического анализа. В отдельных случаях, при больших расстояниях транспортирования может ухудшиться качество смеси, а расходы на транспортирование могут превысить экономию, достигнутую при централизации. В этом случае применяется схема заводов, с перемешиванием компонентов в пути следования (в автобетоносмесителях или в приобъектных смесительных установках), а на центральном заводе остается складское хозяйство с дозировочным блоком.
Для обслуживания мелких объектов строительства при непродолжительных сроках работ экономически выгодно применять передвижные бетоно- и растворосмесительные установки.
Опыт работы крупнейших строительных организаций показал, что в условиях массового жилищного строительства целесообразнее применять районные растворные заводы производительностью 12 — 90 тыс. м3 в год. На таких заводах можно полностью механизировать и автоматизировать процесс производства.
При выборе смесительной
машины, кроме технологических
Требуемая производственная емкость в л (литрах по выходу) смесительных машин рассчитывается по формуле:
где Пг — годовая производительность завода,м3/г;
z— число замесов (циклов) в час;
С — число смен в сутках;
qс — число часов в смене;
Гр — число рабочих дней в году;
kс и kг — коэффициенты использования машин соответственно в смену и в течение года.
Количество смесительных машин:
где V0 — объем (литрах) принятой машины.
Принимаем 4 бетоносмесителя.
Дозировочное и другое вспомогательное оборудование выбирают в соответствии с принятой маркой смесительной машины, схемой компоновки узла и применяемой системы автоматизации технологического процесса. Расход материалов на приготовление 1 м3 данной смеси при заданном ее составе в виде объемных отношений компонентов Ц : П : Щ (цемента, песка и щебня) и водоцементном факторе В/Ц, рассчитывается по следующим формулам. Расход цемента (кг/м3):
где Ц, П, Щ — объемы цемента, песка и щебня в смеси (относительно цемента, принимаемого за единицу);
γ — объемная масса цемента, кг/м3;
kв — коэффициент выхода смеси.
Расход песка (м3/м3):
Расход щебня (м3/м3):
Расход воды (кг/м3):
Объем бункера для соответствующего компонента (м3):
где Qчас = ПчасQ — часовой расход соответствующего материала;
Пчас— часовая производительность завода (установки)м3/ч;
kзап — норма запаса материала в бункере (чаще всего kзап=2ч.);
Соотношение емкостей отсеков для различных фракций щебня обычно принимается в пропорции 2:1:1 для крупного, среднего и мелкого щебня.
Производительность ленточного транспортера, которым подается песок и щебень, должна быть несколько выше суммарной часовой потребности в этих компонентах.
В стационарных смесительных заводах в настоящее время успешно используют установки для пневматического транспорта цемента.
Выбор основных параметров этих установок сводится к определению расхода воздуха, скорости его движения, диаметра, трубопровода и требуемого давления (разрежения для всасывающих установок), по методике, излагаемой в курсе подъемно-транспортных машин.
3.Выбор основных параметров.
3.1. Расчет механизмов перемешивания.
3.1.1.Расчет мощности двигателя механизма вращения барабана.
Для обеспечения вращения барабана смесителя необходимо затратить мощность для преодоления следующих сопротивлений: сопротивление подъема смеси лопастями, сопротивления трения качения барабана на роликах, сопротивления трения в подшипниках роликов.
Траектория движения смеси в барабане довольно сложная. Одна часть смеси поднимается лопастями, другая ее часть поднимается под действием сил трения. В бетоносмесителях с двухконусными барабанами в каждый момент времени лопасти поднимают около 15% смеси. Расчетная схема для определения мощности двигателя представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Расчетная схема для определения мощности двигателя.
На подъем смеси расходуется мощность (кВт)
где G1 — сила тяжести смеси, поднимаемой под действием сил трения (G1 = 0,85Gсм), Н;
G2 — сила тяжести смеси, поднимаемой лопастями (G1 = 0,15Gсм), Н;
h2 — высота подъема смеси в лопастях, м;
h1 — высота подъема смеси под действием сил трения, м;
z1 и z2 — число циркуляции смеси за один оборот барабана за счет сил трения и в лопастях, соответственно;
n — частота вращения барабана, об/с.
Согласно схеме, показанной на рисунке 10 можно определить h2 по формуле:
где R — внутренний радиус барабана.
Угол β может быть принят равным углу трения, т. е. равным 45°, тогда
Движение смеси под действием сил трения более сложное, чем в предыдущем случае. Рассмотрим частицу, находящуюся на стенке барабана в точке А. При вращении она поднялась бы в точку В, определяемую углом трения φ1, но под влиянием лопастей и подпора других частиц действительный угол подъема φ2 будет больше (около 90°), после чего частицы начнут скользить по поверхности смеси.
Приняв угол перемещения смеси из точки А в точку В1 φ2=90°, высота подъема смеси под действием сил трения будет
Число циркуляции смеси, поднимаемой под действием сил трения, в течение одного оборота барабана (приняв время сползания смеси равным времени подъема):
Время подъема смеси в лопастях:
Время падения смеси с высоты h2:
Число циклов смеси поднимаемой лопастями:
где tоб – время одного оборота барабана, величина обратная частоте.
Таким образом, число циркуляции смеси, поднимаемой под действием сил трения, в течение одного оборота барабана для обоих рассмотренных случаев может быть принято одинаковым:
Тогда мощность затрачиваемая на подъем смеси можно определить по формуле:
Радиус барабана без особых погрешностей можно принять равным радиусу в его цилиндрической части, так как основная масса смеси находится в его цилиндрической части.
Кроме работы по подъему смеси двигатель затрачивает энергию на преодоление сил трения в опорных узлах барабана. Эти составляющие мощности (кВт) могут быть рассчитаны по следующим формулам: для смесителей, у которых барабан установлен на роликах:
где Gб — сила тяжести барабана, Н;
Rб — радиус бандажа, м;
rр — радиус опорного ролика, м;
kf — плечо трения качения (kf=0,001м);
ω — угловая скорость барабана, рад/с;
γ — угол установки опорных роликов;
μ — коэффициент трения в подшипнике барабана при установке его на оси;
г0 — радиус оси, м.
Мощность двигателя привода вращения барабана:
На привод вращения барабана можно оставить тот же двигатель.
3.1.2.Расчет мощности двигателя, механизма вращения лопастного вала.
В данной конструкции барабана появился новый элемент – лопастной вал. Он приводится в движение двигателем от привода вращения барабана. Следовательно появляются дополнительные затраты мощности на вращения вала с лопастями, расчетная схема представлена на рисунке 12. По аналогии с лопастным смесителем:
где kр – коэффициент удельного сопротивления резанию (для цементно-бетонных масс kр=(2…6).104Н/м2)
b – ширина лопасти, b=0,07м;
γ – угол между плоскостью лопасти вала и осью вала 45ْ ;
Rн и Rв – наружный и внутренний радиус лопасти, Rн=0,15 и Rв=0,05 м;
ω – угловая скорость вала,ω=
z – количество лопастей на валу, z=3;
kн – коэффициент заполнения материалом барабана kн=0,045;
Рисунок 12 – Схема расчета лопастного вала.
Принимаем двигатель: АИР71В6 , Nдв=0.55 кВт, nдв=920 мин-1.
3.1.3.Кинематический расчет механизма вращения лопастного вала.
Кинематическая схема для расчета механизма вращения лопастного вала представлена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Кинематическая схема расчета механизма вращения лопастного вала.
Так как при скорости 8-12м/с материал при взаимодействии с лопастью образует новые поверхности, что улучшает качество смеси и увеличивает интенсивность перемешивания. Исходя из окружной скорости и радиуса лопасти определяем угловую скорость вращения вала:
где V – окружная скорость лопасти (принимаем V=10м/с);
R – радиус лопасти, R=0.25м
Определим частоту вращения вала:
Зная частоту вращения лопастного вала и двигателя определим передаточное число клиноременной передачи:
Определим мощность на валу:
3.1.4.Расчет клиноременной передачи.
Расчет клиноременной передачи будем вести исходя из мощности двигателя (Nдв=0.55 кВт), частоты двигателя (nдв=920 мин-1) и передаточного числа клиноременной передачи (Uк.р.=2,44). Также примем в условие то, что натяжение ремня периодическое и желательно малые габариты.
По графику рис.12.23 [3] выбираем рекомендуемое сечение А. По графику рис.12.25[3] определяем наиболее предпочтительный диаметр малого шкива: dр1=90мм и Р0≈0,8кВт (мощность передаваемая шкивом).
Рассчитаем геометрические параметры передачи:
Расчитаем диаметр большего шкива:
Выбираем диаметр большего шкива из стандартного ряда шкивов dp2=224мм.
По рекомендации, межосевое расстояние предварительно принимаем из промежутка:
Длинна ремня определяется
как сумма прямолинейных
мм;
Принимаем длину ремня из стандартного ряда l=1000мм.
Определяем межосевое расстояние при заданной длине ремня:
Определим угол α:
По формуле определяем мощность, передаваемую одним ремнем:
где Сα – коэффициент угла обхвата, принимаем по рекомендации стр.272[3] Сα=0,92;
Сl – коэффициент длины ремня, принимаем по рекомендации стр.272[3] Сl=0,88;
Сi – коэффициент передаточного отношения, принимаем по рекомендации стр.272[3] Сi=1,13;
Ср – коэффициент режима нагрузки, принимаем по рекомендации стр.272[3] Ср=1,2;
Определяем число ремней:
где Ср – коэффициент числа ремней, принимаем по рекомендации стр.272[3] Ср=1;
Найдем предварительное натяжения одного ремня:
Окружная скорость меньшего шкива:
Определим дополнительное натяжения от действия центробежных сил:
где А – площадь сечения ремня, А=81.10-6м2;
ρ – плотность материала ремня, ρ=1250 кг/м3;
Определяем общее натяжения ремня:
Определим силы, действующие на вал в статическом состоянии передачи:
В данном примере влияние центробежных сил малы.
Найдем ресурс наработки ремней:
где k1 – для умерших колебаний, k1=1;
k2 – коэффициент климатических условий.
3.1.5.Расчет лопастного вала на прочность.
3.1.5.1. Выбор расчетной схемы и определение основных нагрузок.
Назначаем материал: Сталь 45, термообработка: улучшение. Из таблицы 8.8 [3] находим: МПа, МПа.
Определяем диаметр выходного конца вала (минимальный):
где Мпа – напряжения кручения;
T1=120 Нм – крутящий момент;
Выбираем диаметры вала:
Принимаем: d=35 мм, диаметр вала под подшипники мм. Диаметр под шкив мм.
Силу в месте посадки шкива мы определяли в предыдущем пункте Fr=207Н.
Определим силу F, действующую от смеси на вал по формуле:
где n – число лопастей, расположенных на барабане (n=4);
kзап. – коэффициент запаса, учитывающий действия динамических нагрузок от падающей смеси на вал (kзап.=2,5).
Вал будем рассчитывать в двух плоскостях – горизонтальной и вертикальной. Усилие F1, будет действовать на вал под углом β, который можно принять 45˚.
Строим эпюру изгибающих моментов для вертикальной плоскости. Сначала определим реакции опор (составим сумму моментов относительно опоры А):
Для определения реакции в опоре B составим сумму сил на вертикальную ось:
Строим эпюру изгибающих моментов (рисунок 13).
Участок №1:
При х1=0, М1=0, при х1=0,45, М1=191,7Н.м.
Участок №2:
При х2=0, М2=191,7 Н.м, при х2=0,25, М2=16,45 Н.м.
Участок №3:
При х3=0, М3=0 Н.м, при х3=0,08, М3=16,45 Н.м.