СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРАХ. КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСИТЕЛЬНЫХ МАШИН.

Бетоны и строительные растворы представляют собой искусствен­ные материалы, получаемые из смеси, состоящей из вяжущих ве­ществ (цемента, извести) и заполнителей (щебня, гравия и песка). В результате химической реакции между вяжущими веществами и водой образуется цементный (известковый) камень, заполняющий пространство между щебнем и песком. Для экономии, цемента и получения более прочного бетона следует так подбирать компо­ненты смеси, чтобы между ними было наименьшее количество пустот. В качестве заполнителей широко применяются легкие материалы: шлак, пемза, керамзит.

На технологию приготовления бетонов и их укладку большое влияние оказывает количество вяжущего вещества и воды, которые в основном определяют подвижность и укладываемость смеси. От этих же компонентов зависит и прочность бетона. Затвердевший бетон характеризуется «маркой», т. е. пределом прочности образ­цов на сжатие в 28-дневном «возрасте».

На прочность бетона влияет однородность смеси, зависящая от качества перемешивания.

Приготовление (перемешивание) бетонов и растворов осуще­ствляется в бетоно- и растворосмесителях. Основными узлами сме­сительных машин являются рабочие органы, устройства и механизмы для загрузки и выгрузки смеси, двигатель и трансмиссия.

Перемешиванию сопутствуют вспомогательные операции: дози­рование, загрузка составляющих и выгрузка готовой смеси. Устрой­ства для осуществления вспомогательных операций могут быть вы­полнены в одном агрегате со смесителем или самостоятельно и вхо­дить в комплект соответствующего оборудования смесительного завода.

По способу перемешивания различают смесители принудитель­ного действия и гравитационные. Принудительное перемешивание осуществляется при вращении лопастей в неподвижной емкости (барабане), а в гравитационных смесителях — в результате подъема и сбрасывания смеси внутри вращающегося барабана. Гравитацион­ные смесители проще по конструкции и способны перемешивать бетоны с более крупным заполнителем.

По режиму работы смесители бывают циклического и непрерыв­ного действия. Смесители циклического действия имеют явно вы­раженный цикл, состоящий из операций загрузки, перемешивания и выгрузки готовой смеси. Главным параметром таких смесителей является вместимость их барабана, исчисляемая по объему смеси приготовленной за один замес. В нашей стране выпускают бето­носмесители объемом 65, 165, 330, 880, 1600, 3000 л. В смесите­лях непрерывного действия поступление компонентов и выход го­товой смеси происходит непрерывно. Эти машины отличаются относительно большой производительностью. Главным параметром смесителей непрерывного действия является их производительность.

По мобильности смесители разделяются на стационарные и передвижные. Передвижные смесители применяют на объектах с не­большими объемами работ, стационарные — на заводах, рассчи­танных на длительный срок эксплуатации.

§2.Гравитационные бетоносмесители.

Перемешивание компонентов в гравитационных смесителях про­исходит в барабанах, к внутренним стенкам которых прикреплены лопасти. При вращении барабана смесь лопастями, а также си­лами трения поднимается на некоторую высоту и затем сбрасы­вается вниз. Для обеспечения однородности смеси необходимо произвести 30—40 циклов подъема и сброса смеси в барабане.

Для обеспечения свободного перемещения смеси в барабане его объем в 2,5—3 раза должен превышать объем смеси. Скорость вращения барабана невысокая, так как в противном случае центро­бежные силы инерции будут препятствовать свободному переме­щению смеси.

Бетоносмесители изготовляют с наклоняющимися и стацио­нарными барабанами. Эти барабаны выполняют грушевидной, конусной и цилиндрической формы.

На рис. 186 показан гравитационный бетоносмеситель объемом 500 л (по загрузке) с грушевидным барабаном. Отдозированные сы­пучие материалы поступают в загрузочный ковш 4, который перемещается по направляющим 6. Ковш поднимается канатом 5, проходящим по отклоняющему блоку 7 на полиспаст, состоя­щий из неподвижной обоймы блоков 1 и подвижной обоймы 3, которая перемещается гидро­цилиндром 2. При взаимодей­ствии нижних роликов ковша с упором, установленным в на­правляющих, днище ковша от­крывается и образуется лоток, по которому материалы посту­пают в смесительный барабан 8.

Смесительный барабан установлен на траверсе 11, которая пальцами опирается на стойки 16, прикрепленные к раме 17 Вращение барабану передается двигателем 13 через редуктор 12, размещенный в траверсе. Готовая смесь выгружается при наклоне барабана в результате поворота траверсы гидроцилиндром 14, зубчатым сектором 10 и шестерней 9, насаженной на палец тра­версы. Смеситель оборудован гидроприводом 15, состоящим из двигателя, гидронасоса и распределительной арматуры.

Бетоносмеситель с конусным наклоняющимся барабаном (рис. 187) состоит из рамы 9, на которой в специальных подшип­никах, встроенных в стойки 7, установлена траверса 8, несущая смесительный барабан 4. Последний свободно опирается на ро­лики 5 и 10 и фиксируется от осевых смещений поддерживающими роликами 6. Барабан приводится во вращение от электродвига­теля через редуктор и зубчатый венец 3, прикрепленный к бара­бану. Компоненты загружаются в барабан через воронку 2. Готовая смесь выгружается при наклоне барабана в результате поворота траверсы пневмоцилиндром 1.

На цилиндрической части барабана прикреплен бандаж 11, опирающийся на опорные ролики и зубчатый венец 3, входящий в зацепление с зубчатым колесом выходного вала редуктора.

В настоящее время выпускаются стационарные бетоносмеси­тели объемом 750 и 1200 л (по загрузке), выполненные по более прогрессивной схеме — с центральным приводом.

Показанный на рис. 188 смеситель имеет компактный барабан 1 в котором установлено шесть быстросъемных лопастей 2. Барабан насажен ступицей на выходной вал редуктора 3, встроенного в траверсу 10 и вращающегося от двигателя 4. Траверса уста­новлена в подшипниках на стойках рамы 9 и при помощи гидро­цилиндра 6 и рычага 5 может занимать разные положения, в ре­зультате чего барабан будет иметь соответствующие позиции: на загрузку, перемешивание и выгрузку. Смеситель имеет индиви­дуальный гидропривод, состоящий из насосной станции 8 и

распределителя 7 с электроуправлением. Преимущество этого смесителя заключается не только в хороших конструктивных решениях привода (исключены открытые зубчатые колеса), но и в форме барабана и лопастного аппарата, что позволяет обеспечивать качество смеси за время, не превышающее 60 с. В результате ком­пактного размещения узлоз уменьшены также и габаритные размеры машины.

На заводах большой производительности (свыше 100 м³/ч) применяют смесители непрерывного действия (рис. 189). Ком­поненты перемешиваются в цилиндрическом барабане 1, внутри которого по винтовой линии установлены лопасти 3. При враще­нии барабана компоненты смеси, поступающие непрерывным по­током по загрузочной воронке 7, перемещаются лопастями в окруж­ном и осевом направлении, в результате чего они перемешиваются и непрерывно продвигаются к разгрузочному торцу барабана. Вода подается в барабан по трубе 6 через распылитель 4. Барабан вращается двигателем 8 через муфту 10, редуктор 11, зубчатое

колесо 12 и зубчатый венец 5, прикрепленный к барабану. Ба­рабан свободно опирается бан­дажами 2 на ролики 13, уста­новленные на раме 9. Осевым перемещениям барабана препят­ствуют упорные ролики 14.

Основы расчета гравитационных бетоносмесителей. Мощ­ность двигателя привода гра­витационных смесителей затра­чивается в основном на подъем смеси в барабане при его вращении.

В общем виде работа, затрачиваемая на один цикл циркуля­ции смеси (Дж):

где G_см— сила тяжести смеси, Н; h— высота подъема смеси в барабане, м. Сила тяжести смеси в барабане (Н):

где V— полезный объем смесителя (по выходу), м³; ρ— объемная масса бетон­ной смеси, кг/м³; g— ускорение свободного падения, м/с².

Траектория движения смеси в барабане достаточно 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.

Мощность, расходуемая на подъем смеси (кВт):

где G₁ — сила тяжести смеси, поднимаемой под действием сил трения (G₁ = 0,85G_см),Н; G₂ — сила тяжести смеси, поднимаемая лопастями (G₂ = 0,15G_см),Н; h₂— высота подъема смеси в лопастях, м; h_lпр— высота подъема смеси под действием сил трения, м; z₁ и z₂— число циркуляций смеси за один оборот ба­рабана соответственно силами трения и в лопастях; п— частота вращения ба­рабана, об/с.

Согласно схеме, показанной на рис. 190:

где R — внутренний радиус барабана.

Угол β практически может быть принят равным углу тре­ния, т. е. 45°

Тогда h₂ = 1,7R.

Движение смеси под действием сил трения более сложное. Если рассматривать изолированную частицу, находящуюся на стенке барабана в точке A, то 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 соскальзы­вать вниз по поверхности смеси.

Приняв угол перемещения смеси φ₂ = 90° из точки А в точку B₁ высота подъема смеси под действием сил трения будет:

Число циркуляций смеси, поднимаемой под действием сил трения, в течение одного оборота барабана (приняв время спол­зания смеси равным времени подъема):

Время подъема смеси в лопастях (с)

Время падения смеси с высоты h₂ :

Число циклов смеси, поднимаемой в лопастях:

где t_об=1/n — время одного оборота барабана, с; п — частота вращения бара­бана, об/с; R — радиус барабана, м.

Расчеты, произведенные по формуле (70), показывают, что для смесителей объемом 330, 880 и 1600 л число циркуляций смеси в лопастях z₂ = 2.

Таким образом, число циркуляций смеси за один оборот барабана для обоих случаев может быть принято одинаковым, т. е. z₁= z₂ = 2.

Тогда мощность, затрачиваемая на подъем смеси (кВт):

Подставляя в формулу (71) значения G₁,G₂,h_1пр,h₂ получаем:

Радиус барабана без больших погрешностей может быть при­нят по 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 частях барабана. Эти со­ставляющие мощности (кВт) могут быть рассчитаны по формулам:

для смесителей, барабан которых установлен на роликах:

для смесителей, барабан которых установлен центрально на оси:

где G_б— сила тяжести барабана, Н; R_б — радиус бандажа, м; r_р— радиус опорного ролика, м; r₀—радиус оси, м; ω—угло­вая скорость барабана, рад/с; k_f— плечо трения качения (k_f = 0,001 м); μ— коэффициент трения в подшипнике барабана, установленного на оси; γ— угол установки опорных роликов.

Мощность двигателя привода вращения барабана будет равна:

где η— КПД трансмиссии.

Расчет механизма наклона барабана. Наклон барабана в совре­менных бетоносмесителях производится пневматическим или ги­дравлическим цилиндром. Наибольшая нагрузка на шток цилиндра будет при крайнем нижнем положении барабана (рис. 191). Для быстрого и беспрепятственного истечения смеси максимальный угол наклона барабана принимается α= 60°÷65°. В этом поло­жении барабан свободен от смеси и нагрузка Q на шток цилиндра определяется из условия равновесия сил тяжести барабана G_б, траверсы G_т и силы Q относительно оси поворота траверсы:

Qr + G_бb — G_тa = 0,

где г, b и а— плечи действия соответственно сил Q, G_б и G_т.

Для предварительных расчетов параметры расположения цен­тров масс барабана и траверсы могут быть приняты равными: h = 0,25R, I =0,5R (здесь R — внутренний радиус барабана).

Тогда при повороте барабана плечи действия соответствующих сил будут:

Нагрузка на шток цилиндра (Н):

Ha первоначальной стадии расчетов можно принимать G_т= 0,32G_см и G_б =0,38G_см (здесь G_см — общий вес смесителя).Диаметр поршня (м) пневмоцилиндра (гидроцилиндра) при заданном давлении рабочей среды р (Н/м²):

Производительность (м³/ч) смесителей циклического действия:

где V₃— объем смесителей (по загрузке), л; z— число циклов (замесов) в час; k_в— коэффициент выхода смеси (k_в = 0,65); k_н— коэффициент использования машины (k_н= 0,82÷0,85).

Число циклов:

где t₁= 15÷20— время загрузки смесителя, с; t₂ =12÷18— время разгрузки смесителя, с; t₃ — время перемешивания, с.

Время перемешивания может изменяться в широких пределах (40—120 с) в зависимости от состава смеси и конструкции ба­рабана смесителя.

§2.Смесители принудительного действия.

Циклические бетоносмесители с принудительным смешиванием материалов применяют для приготовления бетонных смесей с круп­ностью заполнителя не более 70 мм, строительных растворов, шихты в стекольной и керамической промышленности.

В настоящее время большое распространение получили сме­сители роторного типа, работающие с повышенными скоростями движения рабочих органов.

Особенно эффективны роторные смесители при приготовлении жестких бетонных смесей.

На рис. 192 представлена схема роторного смесителя с круго­вым движением лопастей. Такую схему имеют смесители объемом 165 и 330 л.

Материалы перемешиваются лопастями 2 в кольцевом про­странстве, образованном корпусом смесителя 1 и внутренней об­олочкой 10. Сменные лопасти 12, закрепленные на кронштейнах 13, перемещаются в кольцевом пространстве при вращении ротора 9 от мотор-редуктора 6 через зубчатую пару 5.

Загрузка компонентов производится по воронке 3, а выгрузка готовой смеси — через затвор 5, управляемый пневмоцилин­дром 7. Лопасти крепятся к ротору при помощи амортизирующего устройства, состоящего из пружины 14 и рычага 15.

Такое устройство преотвращает поломки лопастей при закли­нивании щебнем. Положение лопастей регулируется винтом 16. Вода подается в смеситель по кольцевой перфорированной трубке 4. Днище и боковые стенки смесительной камеры облицованы смен­ными износостойкими плитами 11.

Рис. 192. Роторный бетоносмеситель

Схема смесительного аппарата показана на рис. 193.

Лопасти 1 закреплены в держателях 2 на водилах 3, устанав­ливаемых в роторе при помощи амортизаторов 5, снабженных регулировочными винтами 6. Лопасть 7 предназначена для очистки стенок корпуса, а лопасть 4 для очистки обейчайки внутреннего стакана. Как видно из схемы, лопасти устанавливают под разными углами к радиусам и вертикальной плоскости, что обеспечивает интенсивную циркуляцию смеси в окружном, радиальном и вер­тикальном направлениях.

Лопасти смесителя (рис. 194) совершают вращение вокруг своих держателей, а также переносное движение по окружности кольцевого пространства смесительной камеры, что создает ин­тенсивные пересекающиеся потоки. Смеситель имеет раму 1, на которой установлена чаша 2, футерованная сменными листами 3. На верхней обечайке 4 установлена крышка 10, на которой раз­мещены загрузочная воронка 5 и мотор-редуктор 7 Выходной вал 8 редуктора через муфту 9 вращает траверсу 6, являющуюся корпусом планетарного редуктора. Центральное зубчатое колесо 11 жестко закреплено на стойке, проходящей внутри стакана 20. При вращении траверсы через паразитные шестерни 12 получает вращение вал 13, несущий планшайбу 15, в которой закреплены стержни 16 с приваренными к ним двухъярусными лопастями 17. К траверсе прикреплены лопасть 21, подгребающая смесь под

Рис. 193. Лопастной аппарат роторного смесителя

лопасти, и лопасти 24 и 23, очищающие стенки корпуса и внутрен­него стакана. Вода в смеситель подается по кольцевому перфо­рированному трубопроводу 14. Готовая смесь выгружается через отверстие в днище, закрываемое затвором 19, установленным на оси 18. Затвор управляется пневмоцилиндром 22. По описанной схеме изготовляют смесители объемом 880 л.

На рис. 195 показан роторный бетоносмеситель объемом 1000 л, предназначенный для приготовления жестких бетонных смесей. Смеситель состоит из корпуса-чаши 1, закрытого крыш­кой 2, на которой установлены мотор-редуктор 4 с пусковой аппаратурой 5. Заполнители поступают в смеситель через люк 12, а цемент — по патрубку 18. Вода вводится по кольцевой трубе 9. Перемешивание производится лопастным аппаратом, состоящим из ротора 14, к которому прикреплены донные 20, верхние 19 и очистные лопасти 13, 21. Кронштейны лопастей 6 крепятся во втулках 7 и прижимаются к днищу пружинами 16, которые регу­лируются гайкой 17. Полый вал ротора установлен в подшип­никах10 на центральной стойке, размещенной во внутреннем

цилиндре 8. Во избежание пыления цемента во время работы сме­сительная камера соединена через патрубок 3 с аспирационной системой. Готовая смесь разгружается через донный люк, закры­ваемый затвором 11, который приводится в действие пневмоци­линдром 15.

Одна из модификаций этого смесителя (СБ-112) выполнена с возможностью пароразогрева смеси. Пар подается по централь­ному патрубку через коллектор и шланги под лопасти (на рисунке показано пунктиром).

Смесители непрерывного действия с принудительным смеши­ванием материалов широко применяют для приготовления бетонов и строительных растворов. Такие смесители входят в комплекс установок непрерывного действия производительностью 5, 10 и 30 м³/ч.

В настоящее время используют преимущественно горизонталь­ные двухвальные смесители (рис. 196). Компоненты смеси непре­рывным потоком подаются соответствующими дозаторами в корыто смесителя 8, в котором вращаются в разные стороны два вала 6 с закрепленными на них лопастями 7. Лопасти установлены под определенными углами так, чтобы смесь интенсивно перемеща­лась в радиальном направлении и постепенно перемещалась к разгрузочному затвору 5.

Лопастные валы приводятся во вращение двигателем 1 через ременную передачу 2, редуктор 3 и зубчатые колеса 4.

На каждом валу устанавливается 30—60 лопастей под углом 40—45° Часть лопастей устанавливается под такими углами, в результате чего создаются встречные потоки, что способствует уменьшению скорости осевого перемещения смеси и образованию зоны интенсивного перемешивания.