Технические науки/2.
Отраслевое машиностроение
К.ф.-м.н. Мухтарова М.Н., к.т.н.
Нурмуханова А.З.,
Нурсейтова А.К., Ермаганбетова С.Д.
Казахский
национальный университет им. аль-Фараби, Казахстан
Исследование
центробежного смесителя
Изобретение относится к строительной технике,
и в частности конструкции смесителя, используемого для приготовления
строительных смесей, например, бетонных.
Известен
смеситель
центробежно-гравитационный [А. с 245607 ССР, опуб. 04.06.1969, бюллетень № 19 МКИ
В28С 5/04], имеющий в составе
шнек подачи сырья,
вращающийся смесительный барабан с подпружиненными ножами, систему подачи воды.
Недостатком этого смесителя является
сложность конструкции, наличие большого
количества деталей.
Известен смеситель гравитационного типа,
принятый за прототип, [Королев К.М.
Передвижные бетонорастворосмесители и бетонорастворонасосные установки. Изд.2-
М., Высшая школа, 1991, с.30]
состоящий из смесительного
барабана, имеющего возможность вращения
вокруг своей геометрической оси, на внутренней поверхности барабана имеются
лопасти [1].
Недостатком этой конструкции является
низкая производительность процесса приготовления смеси, высокий уровень потребления энергии при процессе смешивания.
Задачей изобретения является повышение производительности устройства путем ускорения процесса смешивания фракций смеси и понижение энергетических
затрат на проведение технологического процесса смешивания.
Технический результат достигается тем, что центробежный смеситель состоящий из смесительного барабана, имеющего возможность вращения вокруг
оси, дополнительно ось
вращения смесительного барабана и его геометрическая ось не совпадают, на
смесительном барабане имеется
противовес.
На рисунке 1 показана схема центробежного
смесителя, на рисунке 2 схема расположения
смесительного барабана относительно горизонтали, на рисунке 3 схема процесса смешивания сырья в смесительном
барабане.
Центробежный смеситель состоит из следующих частей двигателя 1, соединенного
с редуктором 2 (рисунок 1), выходной вал редуктора через муфту 3 соединен с главным валом 4 бетоносмесителя. На
главном валу 4 жестко установлен
смесительный барабан 5, ось которого смещена относительно оси вала 4 на
величину 
. С противоположной
стороны от смещения на смесительный барабан
5 жестко установлен противовес
7.
Рисунок 1 - схема
центробежного смесителя
Центробежный смеситель работает следующим
образом. Сырье в виде гранул подается в
смесительный барабан 5 через его верхнюю горловину, одновременно подается вода. Смесительный барабан
установлен под некоторым углом к
вертикали 
(рисунок 2).
Двигатель 1 через редуктор 2 вращает главный вал 4 с частотой 
. Одновременно начинает вращаться смесительный барабан 5 с
противовесом 7. Ось симметрии 6 смесительного барабана 5 и ось вращения (вал 4) не совпадают, они
смещены на расстояние 
. Наличие противовеса 7 обеспечивает динамическую
уравновешенность устройства.
Рисунок 2 - схема
расположения смесительного барабана
относительно горизонтали
Сырье, находящееся в смесительном барабане
начинает интенсивно вращаться по направлению вращения смесительного барабана 7 и перемешиваться. Условно можно
считать, что все сырье состоит из
отдельных частиц.
Рассмотрим две частицы А и В (рисунок 3). Они
находятся в разных местах смесительного барабана, имеют разные массы 
, 
. При вращении смесительного барабана 5 на каждую частицу
воздействуют следующие сила гравитации (тяжести) 
, которая всегда направлена вниз, центробежная сила 
, которая направлена параллельно направлению радиуса 
. Под воздействием этой центробежной силы все частицы сырья,
и вода в том числе, начинают крутиться
в направлении вращения вала 4.
Величина центробежной силы 
частицы прямо пропорционально зависит от ее массы. Однако частицы крутятся с разными скоростями. При этом вращении по периметру смесительного барабана 5 на каждую
частицу дополнительно начинает действовать центробежная сила 
1, которая направлена по направлению расстояния от оси 6 до частицы.
Рисунок 3 - схема процесса смешивания сырья в смесительном
барабане.
Эта центробежная сила стремится прижать частицу к стенке смесительного барабана 5,
что также способствует лучшему перемешиванию.
Определим условие вращение сырья в
смесительном барабане 5. Для этого необходимо обеспечить значение центробежной
силы 
не менее силы тяжести частицы, которая тянет ее вниз.
Сила тяжести частицы (например А) равна:
(1)
где 
- ускорение свободного падения.
Центробежная сила частицы равна:
(2)
С учетом сил трения частиц друг о друга,
вязкости смеси и других факторов, препятствующих
движению частицы вверх, будем считать, что для подъема необходимо обеспечить
трехкратное превышение центробежной силы над силой тяжести. Примем 
. Отсюда определим частоту вращения 
смесительного
барабана 5 [2].
3
(3)
(4)
Сравним энергозатраты
прототипа и предлагаемого решения. Возьмем смеситель с массой сырья равной 
радиус смесительного барабана равен 
масса смесительного барабана 
радиус подшипника 
, коэффициент трения в
подшипнике 
.
Прототип.
Мощность двигателя затрачивается на
преодоление моментов трения в подшипниках и подъема сырья на лопасти
смесительного барабана.
Момент трения в
подшипниках.
(5)
где m
- масса сырья, m
- масса смесительного барабана, 
- ускорение свободного падения, 
радиус подшипника, 
- коэффициент трения.
Момент подъема равен, принимаем, что одновременно поднимается 0,2 массы:
Общий момент
сопротивления равен 
Мощность привода должна
быть не меньше.
Частоту вращения
смесительного барабана п примем
равной 90 мин
.
Предлагаемое решение. Мощность
двигателя затрачивается на преодоление моментов трения в подшипниках и момента
подъема.
где 
- масса противовеса.
Примерно равна 0,1 массы сырья.
В предлагаемом решении
сырье поднимается вверх за счет центробежной силы и подъема сырья за счет
прижимания и прилипания к стенкам
смесительного барабана [2]. Примем, что действие силы тяжести сырья за счет
действия центробежной силы, уменьшена в три раза. Отсюда момент подъема равен:
Общий момент
сопротивления равен
Мощность привода должна
быть не меньше
По расчетам видно, что в предлагаемом
решении расход энергии понижен на 25% . К этому следует добавить, что
производительность предлагаемого варианта будет выше, так как частота вращения
смесительного барабана в 2,2 раза больше.
Предлагаемый
центробежный смеситель найдет применение
в строительстве, при приготовлении строительных смесей, бетона. Эксплуатация
смесителя позволит значительно повысить
производительность процесса при одновременном уменьшении затрат.
Литература:
1. Korolev K. M «Передвижные бетоно–растворосмесители и бетононасосные установки» - M: the High. SHK., 1986.-215S;
2. Nurmukhanova
A.Z., Povetkin CENTURIES Copyright certificate № 61484 «Центробежный смеситель» from 15.09.2009,
bul. № 9.
Сведения об авторах:
Мухтарова Мунира
Набиевна – к.ф.м.н., доцент кафедры «Теплофизики
и технической физики» КазНУ им.
аль-Фараби, г. Алматы, проспект аль-Фараби 71,
ауд. 237, телефон раб. 377-34-08, телефон сот. 77073176730, munira_n@mail.ru.
Нурмуханова Альфия Зейнулловна – к.т.н.,
преподаватель, кафедры «Теплофизики
и технической физики» КазНУ им.
аль-Фараби, г. Алматы, проспект аль-Фараби 71,
ауд. 237, телефон раб. 377-34-08, телефон сот. 77015764455, аlfiya.nurmukhanova.83@mail.ru.
Нурсейтова Алия Кадирбековна – преподаватель
кафедры «Теплофизики и технической физики» КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы, проспект аль-Фараби
71, ауд. 237, телефон раб. 377-33-31.
Ермаганбетова Сауле Дилмаганбетқызы преподаватель, кафедры «Теплофизики
и технической физики» КазНУ им.
аль-Фараби, г. Алматы, проспект аль-Фараби 71,
ауд. 237, телефон раб. 377-33-31.
