Лабораторная работа №6

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ

Цель работы:изучение законов движения бетонных смесей в смесителях гравитационного и принудительного действия. Определение режимов работы названных смесителей, влияющих на качество перемешивания бетонных смесей.

Изучение законов движения материалов в смесителях позволит лучше представить процессы, происходящие и в барабанных шаровых мельницах, барабанных грохотах и других машинах.

Методика выполнения лабораторной работы.

Для сравнения энергетических затрат на приготовление единицы продукции, применимости того или иного способа смешения компонентов, проводится расчет и моделирование конструктивных и технологических параметров смесителей. Исходные данные для моделирования задаются преподавателем.

Расчет параметров гравитационных смесителей. Условие, при котором частица материала удерживается на стенке неподвижного барабана, определяется равенством:

, (6.1)

отсюда:

(6.2)

где f – коэффициент трения материала о стенки барабана;α – угол трения

().

При этом центр тяжести материала займет положение, показанное на рис. 6.1, точкой А.

При вращении барабана при включенном приводе на материал кроме собственной тяжести будет действовать центробежная сила, центр тяжести материала займет положение В.

При этом будет выполнено условие:

(6.3)

или: , откуда:

рад/с, (6.4)

Рис. 6.1. Схема для расчета смесителя.

На основе простейших преобразований, частота вращения барабана смесителя:

1/с, (6.5)

но так как:

°,1/с.(6.6)

В гравитационных смесителях имеются лопасти, укрепленные на внутренней поверхности барабана, которые поднимают часть смеси до точки С, находящейся выше горизонтали на угол γобычно равный 45-50°.

При этом условие удержания материала на стенке барабана за время движения до точки С соблюдается при:

(6.7)

или по аналогии с уравнением 6.5 при

1/с (6.8)

Однако, как показывает практика, отрыв бетонной смеси происходит при n, описываемом уравнением 6.8 несколько раньше, чем в точке С, это объясняется проявлением кориолисовых сил, направленных к центру барабана, поэтому фактическую центробежную силу следует принимать равной:

, (6.9)

где ω_ск - скорость скольжения материала, которая зависит не только от кориолисовых сил, но и от степени загрузки барабана материалом, т.е. величины подпора частицами материала друг другом.

Поэтому в литературе часто рекомендуют применять для моделирования процесса смешения компонентов при оптимизированных условиях массового производства товарного бетона:

1/с, (6.10)

При значительно большем увеличении скорости бетонная смесь равномерно распределяется по стенке барабана и вращается под действием центробежных сил месте с барабаном, при этом процесс перемешивания отсутствует.

При перемешивании бетонной смеси в смесителях различных типов происходит распределение частиц заполнителей различных размеров таким образом, что пустоты между кусками крупного заполнителя, заполняются частицами материалов среднего размера, а пространство между элементами среднего заполнителя - заполняются частицами мелкого заполнителя. Одновременно поверхность всех заполнителей покрывается слоем песчано-цементного теста, что способствует перераспределению смеси за счет снижения сил трения, друг по другу. Такого рода "упаковка" заполнителей приводит к уменьшению объема бетонной смеси и соответствующему увеличению плотности массы.

Эффективность "упаковки" смеси до определенных пределов будет зависеть от времени перемешивания, а также от типа используемого смесителя и параметров движения его рабочего органа (от интенсивности перемешивания).

Путем сравнения объемов готового замеса с объемом исходных материалов можно судить об эффективности работы различных типов смесителей и технологии их использования.

Мощность, затрачиваемая на привод смесителей. В общем случае мощность будет равна:

кВт, (6.11)

где n– скорость вращения барабана, 1/с;i– число циклов циркуляции материала за один оборот, обычно принимаемое равным 2;А– работа, затрачиваемая за один цикл движения материала:

кгс·м, (6.12)

причем, h = 1,7R - для гравитационного смесителя;m– масса бетонной смеси, кгс;h– высота подъема, м;V– окружная скорость центра тяжести материала, м/с.

Мощность, затрачиваемая на привод смесителя принудительного смешивания, в данном случае может быть определена формулой:

(6.13)

где k- удельный коэффициент сопротивления движения лопасти в смеси, Н/м²(k = 4,1·10⁴ Н/м²);b - проекция ширины лопасти на плоскость, перпендикулярную направлению вращения, м;ω- угловая скорость вала, об/мин;r_н, r_в - радиусы наружных и внутренних кромок лопастей, м;z - число лопастей;η - к.п.д. привода, равный обычно 0,7.

Методика проведения экспериментов. При выполнении лабораторной работы необходимо провести следующие измерения:

• определить статические углы трения материалов о стенки барабана модели гравитационного смесителя;

• найти зависимость углов подъема материала от угловой скорости барабана;

• определить скорость, при которой материал вращается вместе с барабаном;

• установить закономерность изменения углов подъема материала от степени заполнения им барабана;

• найти угловую скорость барабана при отрыве смеси в оптимальной точке;

• определить влияние на эффективность перемешивания времени перемешивания;

• определить влияние на эффективность перемешивания скорости вращения чаши и лопастей;

• определить фактический расход энергии на перемешивание бетонной смеси.

Работа выполняется в течение 4-6 часов группами количестве 6-8 человек в следующей последовательности.

Студенты осматривают экспериментальные стенды, вычерчивают принципиальную схему каждого, составляют описание конструкции и работы, знакомятся с техникой безопасности. Затем при помощи лаборанта приготавливают компоненты для бетонной смеси состава 1:2:2,5, В/Ц = 0,4 в количестве 0,05 м³. Далее загрузив компоненты через прозрачный экран со шкалой, через который осуществляется наблюдение за процессами, происходящими в смесителе, определяются углыα,β,γ(см. рис.6.1).

Таблица 6.1.

Техническая характеристика стендов смесителей
Смеситель принудительного перемешивания
диаметр чаши, м	0,45
площадь чаши, м2	0,159
высота чаши, м	0,24
скорость чаши, 1/с	0,17; 0,42
мощность привода чаши, кВт	0,7
скорость лопастного вала, 1/с	0,42; 0,84; 1,26
мощность привода лопастного вала, кВт	1,7
Гравитационный смеситель
диаметр барабана, м	0,4
длина барабана, м	0,3
число лопастей	4
скорость вращения барабана, 1/с	0,11; 0,14; 0,17; 0,2; 0,23; 0,28; 0,31; 0,34; 0,38

Рис. 6.2. Схема стенда лопастного смесителя

Углы подъема центра тяжести некоторого количества материала будут иными, чем у отдельно взятых тел, вследствие подпорного воздействия нижних слоев.

При проведении этой серии экспериментов необходимо измерить угол αв зависимости от количества загруженного в барабан материала. Измерения произвести для сухого и влажного песка и сухой бетонной смеси при степенях наполненияE= 0,1; 0,15; 0,25.

Порядок выполнения лабораторной работы.

Определение статических углов трения материалов о стенки барабана. Для определения угла трения необходимо в отсек барабана модели гравитационного смесителя положить исследуемый материал и медленным поворотом барабана вручную определить угол поворотаφ, при котором материал начнет сползать по стенке. Соответственно коэффициент трения будет.

Статические коэффициенты трения определить для металлического шарика, отдельного камня, сухого и увлажненного песка, сухой бетонной смеси. На каждом материале произвести не менее 3-х измерений.

При проведении этой серии опытов электродвигатель должен быть отключен от сети и у пульта должен находиться лаборант.

Углы подъема центра тяжести некоторого количества материала будут иными, чем у отдельно взятых тел, вследствие подпорного воздействия нижних слоев.

При проведении этой серии экспериментов необходимо измерить угол αв зависимости от количества загруженного в барабан материала. Измерения произвести для сухого и влажного песка и сухой бетонной смеси при степенях наполненияE= 0,1; 0,15; 0,25.

Определение углов подъема отдельных частиц материала.Во вращающийся барабан в нижнюю точку захватом вводится кусок материала (шарик, камень) и по шкале экрана при помощи маятника фиксируется угол его подъема. На каждой градации угловой скорости проводится по два замера. Рекомендуется провести исследование на четырех ступенях угловой скорости - 0,17; 0,23; 0,31; 0,38 1/с. При измерениях зафиксировать углы подъема и соответствующие угловые скорости, при которых тело будет отрываться от стенок, а не соскальзывать по ним.

Полученную угловую скорость необходимо сопоставить с расчетным физическим значением скорости, определяемым при помощи соотношения:

1/с.

Определение углов подъема материала в зависимости от угловой скорости при различной степени наполнения барабана. Углы подъема некоторого объема материалов определяются при степенях заполнения барабанаE= 0,1; 0,15; 0,25 и при скоростях его вращения 0,17; 0,23; 0,31; 0,38 1/с. В качестве исследуемых материалов используются: щебень, песок, сухая бетонная смесь.

Для проведения экспериментов в барабан гравитационного смесителя загружается заданный объем материала, при помощи клиноременной передачи устанавливается необходимая скорость вращения барабана. На каждой ступени угловой скорости проводятся по два эксперимента. Углы подъема тяжести материала определяются по шкале экрана при помощи маятника.

Определение влияния на эффективность перемешивания времени перемешивания. При проведении этой серии опытов необходимо особое внимание обратить на однородность компонентов и точность их дозирования при подготовке каждого опыта. Для этого необходимо крупный заполнитель просеять на ситах с отверстиями 10 и 20мм и использовать в экспериментах равные соотношения этих фракций. Отвешенные с точностью 1% компоненты (с постоянной для каждой серии опытов влажностью) загружаются в чашу смесителя. Затем устанавливается скорость вращения чаши, равная 0,17 1/с, и скорость вращения лопастного вала, равная 0,42 1/с, после чего включаются приводы их вращения. Перемешивание сухих компонентов осуществляется в течение 30с, затем приводы останавливаются, а приготовленная смесь перегружается в мерную емкость. При помощи специального стержня осуществляются штыковые смеси (10-11 ударов, равномерно распределенных по открытой поверхности смеси) и сообщение ее поверхности горизонтального положения.

Затем, при помощи мерной линейки, определяется расстояние от верхнего края мерной емкости до поверхности смеси. После чего смесь перегружается в чашу смесителя, в нее заливается необходимая порция воды и включаются приводы вращения чаши и лопастного вала. Смешивание продолжается в течение 60с, затем, приводы выключаются, а готовая бетонная смесь погружается в мерную емкость, где аналогичным образом штыкуется и выравнивается. При помощи линейки опять определяется расстояние от края емкости до поверхности смеси.

Путем сравнения объемов смесей со смешивания и после определяется коэффициент выхода смеси, равный .

Затем смесь опять помещается в чашу и процесс перемешивания продолжается в течение 3-х минут, после чего ее перегружают в мерную емкость и определяют коэффициент К_вых. Третий раз эту же смесь перемешивают в течение 6 мин, затем аналогичным путем определяютК_вых. Полученные данные заносятся в таблицу и строят график, гдеt- время перемешивания.

Определение влияния на эффективность перемешивания скорости вращения чаши и лопастного вала. Эта серия экспериментов проводится при скорости вращения чаши 0,42 1/с и скорости вращения лопастного вала, равной 0,84 1/с. Полученные данные заносятся в таблицу и также строится график.

Сравнение данных таблиц, а также графиков позволяет определить влияние скоростей чаши и лопастного вала на качество перемешивания.

Определение расхода энергии на перемешивание бетонной смеси.Посредством ваттметра определяется расход энергии на перемешивание - приготовление одного замеса.

При этом фиксируются: время перемешивания, скорости чаши и лопастного вала, объем готовой смеси. Затем подсчитывается расход энергии на приготовление 1 м³смеси в кВт/час.

По окончании экспериментов, полученные данные предъявляются преподавателю для определения их достоверности. Затем каждый студент составляет отчет по работе, в котором:

- кратко излагаются цель и задачи работы;

- составляется схема и описание стендов;

- материал исследования представляется в виде, рекомендованном в приложении;

- приводятся выводы по результатам экспериментов.

Отчет защищается каждым студентом индивидуально в день проведения работы.

Методическое указание к лабораторным работам по дисциплине "Строительные и дорожные машины" для студентов специальности 190205 – "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" очной и заочной форм обучения. Часть 2.

Составители:

Мерданов Шахбуба Магомедкеримович, к.т.н., профессор;

Закирзаков Годиль Газизъянович, к.т.н., доцент;

Райшев Денис Владимирович, к.т.н., доцент;

Петровец Василий Сергеевич, ассистент

Подписано к печати Бум.писч. №1

Заказ Уч.изд.л.

Формат 60/90 1/16 Усл.печ.л.

Отпечатано наRISOGR3750 Тираж150 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»