Машины для перемешивания материалов. Ч. 2. Смесители периодического действия. Методические указания по дисциплине ''Механическое оборудование предприятий строительной индустрии''

Министерство образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ Ч.2. Смесители периодического действия. Методические указания по дисциплине «Механическое оборудование предприятий строительной индустрии»

Составитель: Дамдинова Д.Р

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2000

Методические указания по курсу «Механическое оборудование предприятий строительной индустрии» для студентов дневной и заочной формы обучения по специальности 290600 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций и направлений 550100, 653500 – Строительство.

1. Расчет основных параметров смесителей периодического действия 1.1. Смесители периодического действия для перемешивания жидких масс. 1.1.1. Лопастные и горизонтальные смесители

Рецензент: Чимитов А.Ж.

Данные смесители применяются, в основном, при производстве тонкокерамических изделий. Монтируются в бетонном или стальном резервуаре, внутренняя поверхность которого облицована керамическими плитками. Рабочим органом является горизонтальный вал с лопастями, укрепленными на крестовинах. Лопасти изготовляются из дуба (в некоторых случаях из металла). Лопастной смеситель периодического действия во избежание поломки лопастей и перегрузки двигателя загружают небольшими порциями. Производительность смесителя зависит от его объема и продолжительности процесса, который ускоряется при подогревании воды. Мощность смесителя, в основном затрачивается на преодоление сопротивления при движении рабочего органа в смеси, а также трения в приводном устройстве и может быть определена по следующей формуле: M сум w N эл = , кВт (1) 1000η где Мсум = М1+М2 - суммарный момент сопротивления при движении рабочего органа в смеси, Н*м; М1 - момент, необходимый для вращения лопастей; М2 - момент необходимый для вращения держателей лопастей (крестовин); w = 2πn - угловая скорость вращения лопастного вала, рад/сек;

n - число оборотов лопастного вала, с-1; η - КПД привода. Момент, необходимый для вращения лопастей или их держателей, определяется следующим образом: (2) M i = Pi ri z i , н ∗ м где Pi - гидродинамическое сопротивление среды движущемуся в ней телу, определяется по формуле: FiVi 2 ,Н (3) Pi = cγ 2g здесь Fi - площадь проекции лопастей или ее держателей на плоскость, перпендикулярную направлению вращения, м2; Vi = w + ri - скорость движения центра лопасти или держателей, м/с; ri - расстояние от оси вращения вала до геометрического центра лопасти или ее держателей; zi - количество лопастей или держателей, погруженных в жидкость. Остальные обозначения в формуле (3) аналогичны обозначениям формулы 10, ч.1. По найденному значению мощности необходимо подобрать электродвигатель и произвести кинематический расчет смесителя. 1.1.2. Пропеллерные смесители. Данные смесители применяются для распускания глин в воде, смешивания жидких масс с влажностью не менее 32 … 50% и поддержания их во взвешенном состоянии. Рабочим органом смесителя является трехлопастной винт (пропеллер), закрепленный на вертикальном валу. Мощность смесителя затрачивается на создание сложного турбулентного потока массы смеси,

способствующего интенсивному ее перемешиванию, а также на преодоление сопротивлений сил трения привода. Мощность, потребную для вращения вала пропеллерного смесителя, можно подсчитать, используя известные закономерности, например: gkγπR 2 H 3 w 3 cos 4 β N= , кВт (4) 1000η где g - ускорение силы тяжести, м/с2; k - коэффициент, учитывающий проскальзывание жидкости, рекомендуется k=0.7 …0.8; γ - плотность смеси, т/м3; R - радиус окружности, описываемой крайней точкой лопасти, град; β - угол подъема винтовой линии, град; w - угловая скорость вращения вала, w=2πn, рад/с; η - КПД привода, η=0.75 … 0.9; Н - шаг винта, определяется по формуле: Н = 2π ∗ R ∗ tgβ , м (5) n - число оборотов вала определяется из соотношения: 2....2.5 −1 n= ,c (6) D где D - диаметр винта, м. Для определения числа оборотов вала пропеллерного смесителя при распускании глин можно пользоваться эмпирической формулой: 125 n= + 80, об / мин (7) d где d - диаметр винта, м. По найденному значению потребной мощности подбирают электродвигатель и производят кинематический расчет механизма.

Расход энергии на 1т обрабатываемой жидкости составляет в среднем 0,5 … 1 кВт. Соотношение между диаметром d и высотой h смесителя: d=1,5h. Достоинства смесителя: ускоряется процесс распускания глин в воде, компактность и простота в конструкции, малый расход энергии, эффективность в работе. 1.2. Смесители периодического действия для приготовления бетонных смесей. 1.2.1. Гравитационные смесители. В данных смесителях перемешивание компонентов смеси осуществляется при свободном падении их во вращающемся барабане, посредством лопастей, закрепленных на внутренней его поверхности. Гравитационные бетоносмесители (ГОСТ 16349-70*) служат для приготовления пластичной бетонной смеси и имеют вращающиеся цилиндрические или грушевидные барабаны вместительностью по загрузке (сумма объемов сухих компонентов одной порции): 100, 250, 500, 750, 1200, 1500, 2400, 3000 и 4000 литров и с объемом готового замеса соответственно: 66, 165, 330, 500, 800, 1000, 1600, 2000 и 3000 литров. Общая мощность, расходуемая на перемешивание в гравитационном смесителе с наклоняющимся барабаном, может быть принята равной: N + N2 + N3 (8) N эл = 1 , кВт 1000η где N1 -мощность, затрачиваемая на подъем смеси при вращении барабана; N2 - Мощность, затрачиваемая на преодоление трения качения бандажа барабана по опорным роликам;

Рис. 1. Схема к расчету гравитационного смесителя с наклоняющимся барабаном. N3 - мощность, затрачиваемая на трение в цапфах осей опорных роликов; η - КПД механизма, принимается η=0.7 … 0.8. Для определения мощности, затрачиваемой на подъем материала рассмотрим схему, представленную на рис.2.

Определим объемы смеси, находящейся в цилиндрической и конической частях барабана. Объем смеси цилиндрической части характеризуется площадью сегмента S, длиной цилиндрической части l, а также коэффициентом выхода готовой смеси Rb, представляющим собой отношение объема готовой смеси к вместимости по загрузке смесителя. Обычно принимается Rb=0.65 … 0.7 для бетонов, Rb=0.85 … 0.95 - для растворов. Vц = S ∗ l ∗ k b , м 3 (9) Принято считать, что S = 0.9 R, м 3 (10) где R - внутренний радиус цилиндрической части барабана. В конических частях барабана объем барабана будет равен: Vk = Vг − Vц (11) где Vг - объем одного замеса готовой смеси, м3. Определим центры тяжести найденных объемов. Ордината центра тяжести О1 смеси в цилиндрической части барабана будет равна: R sin 3

β

4 2 (12) 3 arccos β − sin β Цент тяжести смеси О2, находящийся в конической части, будет лежать на пересечении меридиан на расстоянии 1/3 от каждой стороны. В нашем случае: 1 Rц′ ,т = b + a (13) 3 При вращении барабана с помощью смесительных лопастей, а также под действием центробежных сил смесь поднимается на некоторую высоту и в точке отрыва А, определяемой оптимальным углом отрыва α, отделяется от стенок барабана и падает вниз. Оптимальные значения угла Rц ,т =

α, установленные экспериментальным путем находятся в пределах 420 … 480. Общая высота подъема материала, считая по центрам тяжести, будет равна: Для цилиндрической части: H = Rц .т sin α + Rц .т = Rц .т (1 + sin α ) (14) для конической части (по аналогии) H ′ = Rц′.т (1 + sin α )

(15) работа, затрачиваемая на подъем материала в барабане смесителя, равна: A = GH + G ′H ′, дж (16) где G - сила тяжести смеси в цилиндрической части барабана, Н; G ′ - сила тяжести смеси в обоих конических частях барабана, Н. Используя значения найденных ранее объемов, можно записать: (17) G = mg = Vцγ ⋅ g , H G ′ = m′g = Vкγ ⋅ g , H (18) где m - масса смеси в цилиндрической части, кг; m′ - то же в конических частях, кг; g - ускорение силы тяжести, м/с2; γ - объемная масса смеси, кг/м3. Мощность, необходимую на подъем материала при его перемешивании, можно определить из выражения: (19) N1=An, Вт, -1 Где n - число оборотов барабана смесителя, с ; Принято считать, что: 0.3 −1 n≈ ,с (20) R

Мощность N2, затрачиваемая на преодоление сопротивлений трения при качении бандажа смесительного барабана по опорным роликам равна: f G + Gсм (21) N 2 = ( R1 + r ) ( б )n, Вт cos ϕ r где R – радиус бандажа, м; r – радиус ролика, м; f - коэффициент трения качения, f=0.001 м; Gб – сила тяжести барабана, Н; Gсм – сила тяжести смеси, м; ϕ - угол установки роликов, обычно ϕ= 360 … 400. Мощность N3, затрачиваемая на преодоление сопротивлений трения в цапфах роликов, равна: R r (G + Gсм ) N 3 = f1 ⋅ 1 1 ⋅ б ⋅ n, Вт (22) r cosψ где f1 – коэффициент трения в цапфах, (f1=0.1); r1 – радиус цапфы, м. Найденные значения N1 ,N2 и N3 подставляют в формулу (8) и определяют потребную мощность на перемешивание, по которой выбирают электродвигатель. Далее следует произвести кинематический расчет машины. Техническая характеристика гравитационных бетоносмесителей циклического действия приведена в приложении 1. 1.2.2. Бетоносмесители роторного типа. Бетоносмесители периодического действия с принудительным перемешиванием (БПЦ), используемые для получения жестких бетонных смесей, имеют барабан в виде цилиндрической чаши, вращающейся вокруг вертикальной оси, или чаши, укрепленной на раме неподвижно. Вместимость барабана по загрузке и объему готового замеса соответствует значениям гравитационных

бетоносмесителей цилиндрического действия (БГЦ) за исключением готового замеса 1600 л. Бетоносмесители роторного типа представляют собой вертикальную неподвижную чашу, состоящую из двух цилиндров: внешнего и внутреннего, создающих консольную зону, в которой осуществляется перемешивание компонентов смеси. Смесительным органом данных машин является вращающийся ротор с укрепленными на нем на разном расстоянии от оси вращения ротора смесительными лопастями, внешним и внутренним очистными скребками Мощность в роторном бетоносмесителе расходуется на преодоление сил трения, возникающих при движении призмы материала, находящейся перед лопастью, по днищу чаши, а также на разрезание лопастью и призмой основной массы смеси. При проектировании для определения указанных сопротивлений обычно пользуются величиной удельного сопротивления смеси, полученной экспериментальным путем. Очевидно, что при вращении лопастного ротора с определенной угловой скоростью будет возникать момент сопротивления, являющийся суммой моментов, необходимых для вращения каждой из лопастей и скребков ротора. M сум = M 1 + M 2 + ... + M n (23) Каждый из составляющих моментов может быть найден по формуле: (24) M i = pFi Ri cosα i cos β i , Н * м где p – удельное сопротивление бетонной смеси на 1м2 площади лопасти, Н/м2; эта величина в значительной степени зависит от свойств смеси, скорости движения лопасти и величины ее погружения в смесь, обычно принимают p=(3…6)104 Н/м2; Fi – площадь i-той лопасти, м2;

R i – расстояние от геометрического центра лопасти до оси вращения ротора, м; α i – угол наклона i-той лопасти в горизонтальной плоскости, град; β i - угол наклона i-той лопасти в вертикальной плоскости, град. Определив суммарный момент, необходимый для вращения ротора, можно определить потребную мощность электродвигателя. M w 2πnM сум N эл = сум = , кВт (25) 1000η 1000η где w – угловая скорость вращения ротора, рад/с; n – число оборотов ротора, с-1; η - КПД привода ротора, принимают η =0.9 … 0.95. Далее необходимо выбрать тип электродвигателя и произвести кинематический расчет машины.

подгребающая лопасть и очистные скребки: наружный и внутренний. Мощность планетарного бетоносмесителя расходуется на преодоление сопротивлений при вращении лопастных валов ΣNi вокруг своих осей и на преодоление сопротивлений при вращении траверсы Nтр (рис.2), что можно записать так:

1.2.3. Бетоносмесители планетарные. Планетарные бетоносмесители являются машинами периодического действия с принудительным перемешиванием материалов и состоят из рамы, вертикально установленной чаши, мотора – редуктора, траверсы с вертикальными лопастными валами и разгрузочного устройства. Рабочим органом данных смесителей является траверса с вертикальными лопастными валами, вращающаяся вокруг неподвижно установленного на вертикальной внутренней стойке зубчатого колеса, обеспечивая тем самым обкатывание вокруг него паразитных шестерен, приводящих во вращение вертикальные лопастные валы, установленные на различном расстоянии от оси вращения траверсы и вращающиеся с различными скоростями. Кроме того, на траверсе укреплены

Рис. 2 Схема к определению мощности планетарного бетоносмесителя m

N общ = ∑ N i + N тр ,

(26)

i =1

где m – количество лопастных валов на траверсе. Мощность, расходуемая на вращение лопастных валов равна:

Ni =

′ ″ z( Ni + Ni )

ηb

(27)

′ где N i - мощность, расходуемая на вращение нижней лопасти i-того вала; ″ N i - мощность, расходуемая на вращение верхней лопасти i-того вала; z – количество лопастей в ряду по высоте; η - КПД привода вращения валов. Мощность, расходуемая на вращение одной нижней лопасти каждого i-того лопастного вала, может быть определена из соотношения: 3 cγwi h′ sin α ⎡⎛ ′ ⎞ 4 ⎛ ′ ⎞ 4 ⎤ Ni = (28) ⎢⎜⎝ RH ⎟⎠ − ⎜⎝ Rвн ⎟⎠ ⎥, Вт 8g ⎣ ⎦ где с – гидравлический коэффициент сопротивления, зависящий от формы лопастей и свойств жидкости, согласно экспериментальным данным, с=4.5 … 6.5; γ - удельный вес смеси, Н/м3; wi – угловая скорость вращения i-того вала, рад/с; wi=2πni; h′ - высота лопасти, м; α - угол наклона лопасти в вертикальной плоскости, град; Rн′ иRвн′′ - соответственно наружный и внутренний радиусы лопасти, м; g – ускорение силы тяжести, м/с2.

Аналогично определяется мощность, расходуемая на вращение верхней лопасти i-того вала, путем подстановки в формулу (28) параметров, характеризующих верхнюю лопасть.

′ ″ Найденные значения N i и N i подставляют в выражение (27). Мощность, расходуемая на вращение траверсы N3 будет равна: M w N тр = сум тр (29)

η

где Мсум – суммарный момент сопротивления при вращении траверсы, Н*м; M сум = ∑ M i +M с.н. + M с.в. + M с.п. (30) где Мi – момент сопротивления, возникающий при вращении i-того лопастного вала вокруг центральной оси (при условии неподвижности лопастного вала относительно собственной оси). M i = pFсумi Ri , Н ⋅ м (31) где p – удельное сопротивление бетонной смеси, p=(3.0 … 6.0)104, Н/м2; Fсумi – суммарная площадь проекции лопастного вала на направление его движения, Fсумi=F1+F2 (32) F1 –суммарная площадь проекции смесительных лопастей, установленных на валу, м2; F2 – суммарная площадь собственного вала, м2; Ri – расстояние от оси лопастного вала до оси вращения траверсы, м; m – количество лопастных валов, укрепленных на траверсе; Мс.н., Мс.в., Мс.п. – момент сопротивления вращению, соответственно, наружного внутреннего и подгребающего скребков. Каждый из этих моментов может быть определен по формуле:

M = pFR cos α • cos β

Нм

(33)

где F – площадь соответствующего скребка, м2; R – расстояние от геометрического центра скребка до оси вращения траверсы, м; α - угол наклона скребка в горизонтальной плоскости, град; β - угол наклона скребка в вертикальной плоскости, град; р – удельное сопротивление бетонной смеси В формуле (29) ωтр – угловая скорость вращения траверсы, рад/с: πn ωтр = тр 30 где nтр – число оборотов траверсы, об/мин; η - КПД механизма привода траверсы. Определив суммарное значение мощности Nобщ, необходимой для перемешивания, выбирают электродвигатель и производят кинематический расчет. производительности 1.3. Определение периодического действия

смесителей

Производительность смесителей циклического действия во всех случаях определяется емкостью смесительной чаши или барабана и временем, затрачиваемым на один замес м3/ч, (34) П = Vб R b n / 1000 где Vб – вместимость смесительного барабана по загрузке, л; Rb – коэффициент выхода бетонной или растворной смеси (для бетонов Rb = 0,65…0,7, для растворов Rb = 0,85…0,95); N – число замесов в час; 3600 (35) n= tц

t ц = t1 + t 2 + t 3

(36)

где tц – время цикла, т.е. суммарное время, затрачиваемое на загрузку, перемешивание и выгрузку одной порции, с; t1 – продолжительность загрузки смесительной чаши (при загрузке с помощью бункерных питателей t1=10…15с, при загрузке скиповым подъемником t1=15…20с); t2 – продолжительность перемешивания (для пластичных бетонных смесей t2= 60…150с, жесткой до 240 с, растворной смеси - 120…150 с); t3 – продолжительность выгрузки порции готовой бетонной смеси (при наклоняющемся барабане t3=10…20 с, при ненаклоняющемся – 30…60 с).

Производите льность, м3/ч

Мощность эл.дв-ля, квт

об/мин барабана

Диаметр барабана, м

Масса смесителя, кг

1. Константопуло Г.С. Механическое оборудование заводов железобетонных изделий и теплоизоляционных материалов. М., Высш. школа, 1988 Г.С. Примеры и задачи по 2. Константопуло механическому оборудованию заводов железобетонных изделий. М., Высш. школа, 1986 3. Мартынов В.Д., Строительные машины и монтажное оборудование, М., Высш. школа, 1984

Приложение 1. 1. Гравитационные бетоносмесители циклического типа Загрузочная вместимость барабана, л

Рекомендуемая литература :

100

2

0,6

23

730

228

100

2

6,0**

23

730

265

100 250

2 5,4

0,6 1,0

30 20

730 205 1000 800

500

8

2,8

18,2

1300 1300

500

10

2,8

18,2

1300 2000

500 750 1200

13 15 20

3,0 5,1 13

18 18,6 17

1300 1700 1500 1250 1700 3945

СБ-94 СБ-3 (С-230А)

1500 2400

25 30

13 22

17,6 12,6

2000 3000 2350 8046

СБ-130

3000

40

22

12,6

2350 7200

Тип смесителя СБ-27* (С-647А) СБ-28* (С-675) СБ-101* СБ-305 (С-739) СБ-15 (С-333Г) СБ-16Б (С-336Д) СБ-84 СБ-91 СБ-10В (С-302И)

* Бетоносмесители передвижные ** Двигатели внутреннего сгорания

Масса смесителя, кг

Диаметр чаши, мм

3. Пропеллерные мешалки Скорость вращения лопаток, об/мин

Мощность электродвиг ателя, квт.

Произв-сть, м3/ч

Тип смеси теля

Вместимость чаши, л

2. Роторные бетоносмесители

СБ-43* 100 2,6 3 550 520 160 (С-868) СБ-945 250 6 4,5 30 1250 1430 СБ-31А (С742Б) 250 4,5 4,5 31,9 1250 1120 СБ-80 250 4,5 5,5 35 1250 1200 СБ-35 (С-773) 500 12 14 30 1800 2000 СБ-79 750 20 28 26 2200 3445 СБ-81* 1000 40 40 320 1100 2250 СБ-62** 1200 25 30 26 2170 4035 СБ-93 1500 40 40 20 2580 5000 СБ112*** 1500 36 40 20 2580 5700 * Бетоносмеситель для приготовления подвижных бетонных и растворных смесей ** Бетоносмеситель с планетарным движением рабочего органа *** Бетоносмеситель с подогревом смеси

Элементы характеристики Диаметр винта, м Число оборотов винта с-1 Угол наклона винтовой линии Полезная емкость резервуара, м3 Глубина резервуара, м Мощность электродвигат еля, квт Масса, т

СМ242 0,3

Модель СМ24 СМ3Б 244 0,5 0,75

СМ48 9А 0,9

ПМ1 0,62 5 5,5

5

4,2

3,3

2,7

23030"

22030"

22030"

22030"

1

4

10

8

-

1,3

2,1

2,5

2,5

2,3

1

2,8

4,5

10

7

0,18

0,55

0,725

1,22

3,15

МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ Ч.2. Смесители периодического действия. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Механическое оборудование предприятий строительной индустрии»

Составитель: Дамдинова Д.Р.

Подписано в печать 27.05.2002 г. Формат 60х84 1/16. Усл.п.л.0,7, уч.-изд.л. 0,6. Тираж 30 экз. С. 140. Издательство ВСГТУ, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская,40,а ВСГТУ, 2002 г.