Рациональные параметры бетоносмесителей гравитационного типа
Автор: Минин В.В., Павлов В.П., Зяблов С.Ф., Кузнецов Г.А.
Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu
Статья в выпуске: 1 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
Представлена методика совершенствования бетоносмесителей гравитационного типа. Предложены критерии для оценки конкурентоспособности конструкций бетоносмесителей и расчета рациональных параметров. Определены значения основных параметров и типоразмеров эффективных конструкций гравитационных бетоносмесителей.
Гравитационный бетоносмеситель, критерии конкурентоспособности, рациональные параметры
Короткий адрес: https://sciup.org/146115180
IDR: 146115180 | DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-1-52-58
Текст научной статьи Рациональные параметры бетоносмесителей гравитационного типа
Перспективный путь снижения доли ручного труда в строительстве – совершенствование существующих и создание новых моделей бетоносмесителей (БС). Значительный опыт проектирования, производства и эксплуатации БС [1] показывает, что необходим всесторонний
Одним из этапов определения рациональной конструктивной схемы и выбора оптимальных параметров бетоносмесителей является выбор модели для оценки совершенства конструктивного решения. Такая модель должна отвечать требованиям, предъявляемым к количественным методам оптимизации. Зарубежные компании постоянно проводят исследования по созданию высокотехнологичных процессов производства и обработки бетонных смесей для достижения качества и снижения себестоимости продукции [5–8]. Специфика режимов работы БС позволяет при проведении оптимизации параметров условно выделить режим, при котором привод оказывает прямое влияние на производительность БС.
В данном случае на стадии проектирования задачу оптимизации параметров и оценки конструктивного исполнения бетоносмесителя можно ограничить уровнем рассматриваемой подсистемы, т.е. согласованием параметров БС и требований к свойствам смеси. Модель оценки конкурентоспособности должна учитывать важнейшие элементы цикловых операций.
Представим функцию затрат как стоимость C (руб.) бетоносмесителя и расходов на его эксплуатацию, а также рабочей смеси (цемента, воды, песка и крупного заполнителя) в виде формулы
n
С = Z( CP)+Cэi(1 - P), i 1
где C i – стоимость i -гo элемента (привода, корпуса бетоносмесителя, компонентов смеси и т.д.), i = 1, 2, ..., n; n - число элементов; Сэ i - затраты на эксплуатацию i -го элемента; Pi -вероятность безотказной работы i -гo элемента [4].
Необходимо отметить, что математическая модель стоимости может иметь и другой вид, включающий в себя конъюнктурные факторы рынка.
Для последовательного соединения элементов бетоносмесителя вероятность безотказной работы принято определять в виде
^ n ^
P = exp
-Z
k i = 1 7
где х i , ti - интенсивность отказов и время работы i -го элемента машины соответственно, i = 1,..., n . Введем понятие установочной (C N ) и реализуемой (C) стоимости мощности, руб/кВт:
С
C n = N; С р =
С
где N – мощность привода бетоносмесителя; кВт, η – КПД; kN – коэффициент использования установочной мощности (зависит от режима нагружения).
Значение коэффициента kN определяют эмпирически для конкретного типа электродви гателя.
В условиях эксплуатации бетоносмесителя наиболее вероятным является нестабильный режим работы, когда значение КПД зависит от факторов эксплуатации (режимов нагружения и значений температуры окружающей среды). Для учета влияния нестабильности значений КПД
КПД:
, где i - номер расчетного режима работы; ni, Pi — значение КПД и вероятности появления i-го режима, соответственно г = 1,...,L; L - число режимов.
Из-за существующих различий в практике ценообразования на фирмах-производителях стоимостные показатели имеют большие предельные отклонения [1]. Для обеспечения точности оптимизации и оценки конструктивных вариантов исполнения следует установить доверительные границы стоимости комплектующих, материалов и затрат на эксплуатацию БС. При нормальном законе распределения (с вероятностью 0,95) среднее значение по генеральной совокупности стоимости рекомендуется [2] определять по известному выражению
C — T^C max < C < C + “^C max.
где C - среднее значение стоимости (математическое ожидание) БС; ACmax - максимальное отклонение стоимости.
При установлении доверительной границы по малой выборке (при распределении по Стьюденту) обычно пользуются зависимостью max min , σcpi n , где σcp – среднеквадратичное отклонение стоимости i-го элемента машины.
Определим стоимость потерь мощности (руб/кВт) БС, принимаемую в качестве целевой функции оптимизации:
П C N
= C Р - C N .
С учетом рассмотренных выше зависимостей критериальная функция приводится к виду
>р + с э , ( 1 - р # - nd - k N й
П
N n ( 1 - k N )
Условие оптимальности по предлагаемому критерию имеет вид П CN → min или
CNi + 1 CNi
Авторами выявлена неоднозначность значений КПД, определяемых через мощность или работу БС. В этом случае определения принята теоретическая производительность машины без учета влияния КПД привода. Вследствие этого целевая функция оптимизации будет определять стоимость потерь полезной удельной работы в цикле БС.
Тогда стоимость установочной удельной работы за цикл определяется в виде
А у - С^ уд П , где Пт - производительность БС, кг/с.
Стоимость реализуемой (полезной) удельной работы в цикле:
р = C kN уд Пт
Стоимость потерь полезной удельной работы в цикле БС принимается в качестве целевой функции оптимизации:
ру
С А уд уд.
Это выражение представим в виде
n
П С А = Е i = 1
{ C гр + C3 i ( 1 - P ) } N ■ k N -( 1 - n )
Пт
.
Условие оптимальности по предлагаемому критерию записывается как
П с ■ ■ min или П А ^1 < П с А.
Производительность БС роторного типа определяют по зависимости (Кудрявцев Е.М., МГСУ)
Пт = ^Ы ■ Н ■ ко. ■ z.,■ к..,I 2 )
где D б - диаметр барабана, м; Н б - ширина барабана, м; к об - объемный коэффициент заполнения; z – число замесов; k – коэффициент выхода бетонной смеси. Разработанный критерий имеет размерность руб∙Дж/кг. Мощность, потребная на приготовление бетонной смеси, кВт:
т п
N = Vcp • K - У 5 П • cos a- cos p
= 1
где Vcp - средняя линейной скорости движения лопастей, м/с; - коэффициент, зависящий от средней линейной скорости движения лопастей, K = 4,5 Р с р - 1,5 V cp + 26, Дж/м3.
Суммарная активная площадь подвижных плоскостей, м2:
m П
^П =Е^П, •cosаП, • cosP, где mП - число подвижных плоскостей; SПi - активная площадь i-й подвижной лопасти смесителя, м2; аП i - угол установки i-й подвижной лопасти смесителя, град; в - угол установки лопастей, град. Суммарная активная площадь неподвижных плоскостей, м2:
n Н
5Н =Е ^Н/ cos«H/ cose, где nН - число неподвижных плоскостей; SНi - активная площадь i-й неподвижной лопасти смесителя, м2; аН. - угол установки i-й неподвижной лопасти смесителя, град; в — угол установки i лопастей, град.
Мощность электродвигателя привода вращения барабана для БС, у которых смесительный барабан установлен на центральной цапфе, рассчитывают по зависимости (Кузмичев В.А., СПбГПУ)
N = 2,2PCMRn /1000 +( Рсм + P6 ) А® /1000, где Рсм - сила тяжести бетонной смеси, H; R - внутренний радиус цилиндрической части барабана, м; n - частота вращения барабана, с-1, Рб - сила тяжести барабана, Н; f - коэффициент трения, приведенный к валу подшипника опорного устройства, равный 0,01.. .0,015; r0 - радиус цапфы опорного вала, м, равный (0,06.. .0,08)R; и - угловая скорость вращения барабана, с-1.
По результатам вычислительных экспериментов в программном продукте Data Fit фирмы Oakdale Engineering (США) получены уравнения регрессии (рис. 1) и соответствующие критерии детерминации R2 для определения значений П CN в зависимости от литрового объема барабана Q и мощности привода:
П С N - 3185,73 + 48,63Q - W^ N , R 2 = 0,93 ;
П с n = 8672,19 + 80,75 • Q - 30767,67 • N , R 2 = 0,93.
Практическая реализация оптимизационных расчетов по определению рациональных значений основных параметров позволила спроектировать и изготовить опытную партию конкурентоспособных бетоносмесителей с электромеханическим приводом [1, 9] (рис. 2). Образцы получили высокую оценку (диплом) на XXIII специализированной выставке «Строительство и архитектура – 2015», «Малоэтажное домостроение – 2016», г. Красноярск.
Внедрение в практику разработанной методики расчета конкурентоспособных бетоносмесителей наряду с освоением их серийного производства позволит провести импортозамещение аналогичной продукции.
Выводы
-
1. Обоснованы комплексные критерии, позволяющие на первых этапах проектирования выполнять оптимизационные расчеты для определения рациональных параметров бетоносмесителей.
-
2. Доказано, что оптимизационные решения по предлагаемым критериям являются относительно устойчивыми за счет незначительной зависимости местоположения экстремума целевой функции оптимизации от параметра стоимости, имеющего наибольший (до 20 %) разброс значений.
-
3. Установлено по результатам вычислительных экспериментов, а также оценкам конкурентоспособности созданных опытных образцов гравитационных бетоносмесителей (в сравне- – 56 –

a)

б)
Рис. 1. Результаты моделирования по критерию стоимости потерь мощности ПCN при варьировании значений литрового объема барабана Q и мощности привода N для бетоносмесителей гравитационного типа: а – российского производства; б – производства Китая нии с китайскими аналогами): снижение массы бетоносмесителей в 1,1–2,5 раза, мощности – до 3 раз (при уменьшении габаритного объема в 2,1-2,6 раза) и числа изготавливаемых (покупных) деталей и узлов – в 1,6-2,4 раза.

а

б
Рис. 2. Опытные образцы бетоносмесителей (патентообладатель – Сибирский федеральный университет) [9]: а – БС-60 (электромеханический привод переменного тока); б – БС-52П (электромеханический привод постоянного тока)
Список литературы Рациональные параметры бетоносмесителей гравитационного типа
- Кузнецов Г. А., Зяблов С.Ф., Минин В.В. Исследование типоразмеров гравитационных бетоносмесителей по объему барабана. Научное обозрение, 2014, 6, 64-70
- Минин В. В. Концепция повышения эффективности универсальных малогабаритных погрузчиков. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012, 304 с.
- Павлов В.П. Основы системотехники многоцелевых землеройных машин. Новосибирск: Изд-во СО РАН; Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 332 с.
- Kuh. H., Schwabe J.-H., Pal′cer U. Herstellung von Beton und vorgefertigte konkrete Produkte-Methoden und Geräte. Von Bau-Technik. Düsseldorf, 2009.
- Wallace M.A. A new breed of mixers. Masonry Construction, May 1991, 178-179.
- Wallace M.A. Vertical shaft mixers arrive in the U.S. Masonry Construction, April 1995, 184-188.
- Schierhorn C. How to select a conventional mortar mixer. Masonry Construction, March 1993, 119-121.
- Palmer W. Jr. Small mortar mixers may meet your needs. A selection guide and review of the smallest mixers. Publication #M99D030 Copyright© 1999, The Aberdeen Group a division of Hanley-Wood, Inc. P. 4.
- Патент 147404 РФ. Гравитационный бетоносмеситель. Опубл. 10.11.14, бюл. № 31