ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ СМЕСИТЕЛЬНЫХ БАРАБАНОВ ГРАВИТАЦИОННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В статье рассматривается определение оптимальной скорости движения барабана гравитационного бетоносмесителя по критерию минимизации удельных приведенных за-трат на единицу выпускаемой продукции, включающие: эксплуатационные затраты и ка-питальные вложения; затраты на сырье и материалы в технологическом процессе; затра-ты на заработную плату рабочих; суммарные затраты на амортизацию и капитальный ремонт; затраты на текущее обслуживание и текущие ремонты; затраты на электроэнер-гию; затраты на смазочные материалы; затраты на сменную оснастку; капитальные вло-жения на покупку машины и т.п. Все затраты и вложения анализируются с точки зрения влияния скорости движения барабана на соответствующий показатель. В результате по-лучена функциональная зависимость между всеми составляющими удельных приведенных затрат на единицу выпускаемой продукции и скоростью движения барабана гравитацион-ных бетоносмесителей. На основании анализа известных данных эта зависимость принята параболической (квадратичной). Для примера рассмотрен гравитационный бетоносмеси-тель емкостью 1000 л.

Ключевые слова:
гравитационный бетоносмеситель, интенсификация, производительность, скорость дви-жения барабана, приведенные затраты.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

В гравитационных бетоносмесителях качественная однородная смесь получается благодаря многократному подъему компонентов смеси, а затем, под действием силы тяжести, падающих вниз во вращающемся смесительном барабане. Анализ выпускаемых гравитационных бетоносмесителей показал, что время смешивания составляет 60…90 с; полный цикл, включая загрузку, смешивание, выгрузку и возврат барабана в исходное положение, 90…150 с; емкостью загрузки 100…4500 л, а скорости движения смесительных барабанов (на среднем радиусе барабана) находятся в пределах 0,55…3,11 м/с. С увеличением емкости загрузки наблюдается уменьшение скорости движения смесительного барабана.

Особенностью процесса перемешивания грубодисперсных смесей является то обстоятельство, что нагрузки на рабочие органы гравитационных смесителей изменяются с изменением их движения. Это связано с изменением физико-механических свойств смеси. Скорость движения смесительного барабана в этом случае определяет не только кинематические параметры механизма привода, но и существенно влияет на нагрузки на рабочие органы и мощность двигателя. На интенсивность перемешивания существенно влияет скорость движения барабана. Но с увеличением скорости движения возрастает мощность двигателя, увеличиваются энергоемкость и масса смесителя вследствие увеличения нагрузок, что приводит к форсированному износу рабочих органов бетоносмесителя. Очевидно, что увеличить скорость движения смесительного барабана рационально до некоторого оптимального значения, но при превышении этой точки качество бетонной смеси снижается.

Решение вопроса в такой постановке является задачей оптимизации скорости движения смесительного барабана [1, 2, 3]. В связи с изложенным, представляется целесообразным решить вопрос об обосновании оптимальных параметров гравитационных бетоносмесителей. Для наглядности решение такой задачи целесообразно показать на наиболее широко применяемом типоразмере бетоносмесителя. В широком смысле, решение такой задачи является темой большого исследования, но в рамках данной работы можно за базу принять, например, гравитационный бетоносмеситель с емкостью загрузки 1500 л, выходом готовой смеси 1000 л. Анализ позволил определить некоторые характеристики смесителя: число оборотов смесительного барабана в пределах 12...18 об/мин; наибольший диаметр барабана 1,9 м, скорость движения смесительного барабана на среднем радиусе (Rб = 0,9 м) в пределах 1,12–1,68 м/с, мощность двигателя
Рдв = 15 кВт и масса 2900 кг.

В ГОСТе на гравитационные смесители регламентированы: литраж, мощность, масса, но не оговорены скорости движения смесительных барабанов. Исследования с целью определения различных характеристик проводились ранее и в настоящее время [5, 6, 7, 10]. Характеристики смесителей можно получить из регламентируемой мощности двигателя, поскольку существует зависимость, связывающая мощность с размерами смесительного барабана, скоростью движения и свойствами бетонной смеси [10]. Можно предположить, что эти характеристики и размеры будут близки к тем значениям, которые имеют выпускаемые смесители, но являются ли они оптимальными, требуется доказать. Поэтому, представляется актуальным вопрос об определении оптимальной скорости движения смесительного барабана с учетом всего комплекса факторов, определяющих затраты на выпуск качественного бетона и достижения наибольшего экономического эффекта, базируясь на экономико-математическом методе исследования [5].

В качестве критерия определения оптимальных скоростей движения принимаем критерии минимизации удельных приведенных затрат на единицу выпускаемой продукции, включающие эксплуатационные затраты на единицу выпускаемой продукции, руб/м3:

,                      (1)

где текущие годовые затраты, которые связаны с эксплуатацией гравитационных бетоносмесителей, руб/год;  – нормативный коэффициент эффективности;  – капитальные вложения, руб/год;  – годовая эксплуатационная производительность, м3/год.

Текущие годовые затраты определяются по зависимости:

,    (2)

где Sм – затраты на сырье и материалы; Sзп – затраты на заработную плату; Sам.кр – суммарные затраты на амортизацию и капитальный ремонт; Sто.р – затраты на текущее обслуживание (ТО) и текущий ремонт; Sэ – затраты на электроэнергию; Sсм – затраты на смазочные материалы; Sсо – затраты на сметную оснастку.

Задача сводится к определению функциональных зависимостей статей затрат от средней скорости движения (vср) смесительного барабана бетоносмесителя. Наиболее системные исследования режимов работы смесителей изложены в работах [4, 5–7]. При определении затрат на материалы важно знать затраты, которые идут на
1 м3 бетона. Стоимость материалов определяется суммой затрат на заполнители: цемент, воду и добавки [5, 8]. Прочность бетона изменяется с изменением скорости перемешивания, что позволяет в некотором диапазоне скоростей несколько снизить расход цемента, не снижая прочности бетона. Затраты на другие компоненты бетонной смеси будут неизменными. В зависимости от условий приготовления и состава бетонной смеси, изменение прочности бетона в интервале 1…1,5 МПа эквивалентно изменению расхода цемента на 1…1,3 %.

На рис.1 представлена зависимость расхода цемента на 1 м3 тяжелых бетонов с учетом изменения прочности бетона в интервале 1…1,5 МПа. Характер кривой (рис.1) показывает, что она описывается уравнением вида:

.                     (3)

Методом наименьших квадратов при известной цене 1 т цемента определяются коэффициенты a, b и c уравнения (3).

Рис.1. Зависимость расхода цемента на 1 м3 тяжелых бетонов в зависимости от средней скорости

движения смесительного барабана

 

Зависимость расхода цемента Qц = k(vср) с учетом этих коэффициентов можно представить в виде, кг/м3:

,            (4)

Изменение удельных затрат на материалы в зависимости от скорости движения барабана при условии, что цена 1т цемента будет известна, руб/м3, [8]:

.  (5)

Техническая производительность для циклических гравитационных смесителей определяется зависимостью [9]:

,                            (6)

где Vв  - объем готового замеса, м3; -число замесов в час;

,                              (7)

где Тц - время одного цикла, с, равно

,                       (8)

где tз – время загрузки смесителя, с, tз = 15…20;
tВ – время разгрузки смесителя ,с, tВ = 12…80; tп –время перемешивания, с, tп = 40–120.

По данным различных исследований, время разгрузки без больших погрешностей можно принять tВ = 0.5 tп, тогда время цикла бетоносмесителя определяется по формуле:

.                        (9)

Используя значения величин времени перемешивания tп в зависимости от скорости vср, можно определить время цикла и число замесов в час при работе на различных скоростях движения барабана. Установили, что время цикла обратно пропорционально скорости, с:

,                     (10)

где а – параметрический коэффициент, в м, равен 138.

Тогда техническая производительность циклического бетоносмесителя, м3/ч:

.      (11)

Часовая эксплуатационная производительность будет, м3/ч:

,                     (12)

где Пт определяется по (11); КТИ – коэффициент перехода, КТИ = 0,5.

Окончательно часовая эксплуатационная производительность гравитационного бетоносмесителя будет равна, м3/ч:

,                 (13)

Годовая эксплуатационная производительность бетоносмесителя будет, м3/год:

,                   (14)

где Тг – годовой фонд времени, Тг = 2567 ч; КИ – коэффициент использования внутрисменного времени, КИ = 0,75.

Подставив в формулу (14) значения Тг, КТИ  и КИ получаем, м3/год:

,                   (15)

где Vв – объем готового замеса, м3; vср – окружная скорость движения барабана, м/с.

Следующей составляющей удельных приведенных затрат являются затраты на заработную плату производственных рабочих. Эти затраты изменяются в зависимости от возможностей заводов, схемы компоновки оборудования и других факторов [4, 5]. Для бетонных заводов средней мощности, оснащенных бетоносмесителями гравитационного действия, работающих при скорости движения vср = 1,15…1,7 м/с, удельные приведенные затраты на зарплату рабочих, при S = 75 руб/м3, будет:

,                     (16)

где Кпер – коэффициент перехода от тарифного фонда зарплаты к фонду, который учитывает начисления, Кпер = 1,2, тогда по формуле (16), . Удельные приведенные затраты определяются как отношение суммы зарплаты, расходуемой в единицу времени Zзп к производительности ПЭ:

,                          (17)

Учитывая динамику изменение удельных затрат на зарплату в функции скорости:

,                         (18)

где – постоянный коэффициент, руб/(с·м2). С учетом, что , для , определяем .

Изменение удельных приведенных затрат на зарплату в зависимости от скорости будет, руб/м3:

.                   (19)

Энергия, затрачиваемая на вращение смесительного барабана, определяется отношением мощности двигателя РДВ к производительности ПЭ, тогда:

.                        (20)

Мощность, затрачиваемая на подъем смеси и преодоление сопротивлений от трения в опорных механизмах смесительного барабана, определяется, кВт, [9]:

,                      (21)

где  – мощность, расходуемая на подъем смеси, кВт;  – мощность, расходуемая на преодоление силы трения, кВт; ηКПД трансмиссии, η = 0,75…0,85.

Мощность, затрачиваемая на подъем смеси, определяется по зависимости, кВт:

,              (22)

где  – коэффициент сопротивления движению барабану, Па;  – суммарная активная площадь лопастей, участвующих в подъеме смеси, м2; vср – окружная скорость, м/с.

Для смесительного барабана с центральной цапфой  определяется, кВт:

.      (23)

По формуле (21) определяем мощность двигателя, кВт:

.             (24)

Тогда энергия, затрачиваемая на подъем смеси и преодоление силы трения, будет, кВт·ч/м3:

.                  (25)

Принимаем отношение суммарной активной площади лопастей к объему готового замеса, , [6], тогда:

                        . (26)

Энергоемкость перемешивания смеси численно равна произведению некоторого коэффициента на КС, Па.

Для тяжелых бетонных смесей коэффициент сопротивления движению барабана имеет вид, Па, [5, 11]:

.   (27)

Подставляя (27) в формулу (26), получаем зависимость для определения энергии, затрачиваемой на перемешивание смеси, кВт·ч/м3:

,          (28)

При известной цене электроэнергии, ЦЭ, руб/тыс. кВт·ч, удельные приведенные затраты на электроэнергию в функции скорости движения барабана будут, руб/м3:

.(29)

Для определения удельных приведенных капитальных вложений в зависимости от скорости движения примем капитальные вложения С на технику равными балансовой стоимости машины ЦБ, руб:

,                       (30)

где КБ – коэффициент перехода от оптовой цены к балансовой, КБ = 1,14; – птовая цена смесителя, руб.

Представительным коррелятом цены принимается масса бетоносмесителя:

,                             (31)

где β коэффициент корреляции, руб/кг, β = 0,65; GБ масса, кг.

Зависимость изменения массы смесителя и мощности двигателя РДВ, [1]:

.              (32)

Тогда, с учетом формулы (24) для определения РДВ, получим зависимость:

.           (33)

Оптовая цена бетоносмесителя определяется по формуле (31), руб:

.          (34)

Тогда капитальные вложения будут (30), руб:

.          (35)

Удельные приведенные капитальные затраты:

. (36)

С учетом, что , и значение КС, получим зависимость для определения удельных приведенных капительных затрат, руб/м3:

. (37)

Удельные приведенные затраты на реновацию и капитальный ремонт бетоносмесителя определяются:

Zар = Кар ЦБ,                        (38)

где Zар – амортизационные отчисления; Кар - норма, Кар = 0,12; ЦБ – балансовая стоимость бетоносмесителя.

,                       (39)

где Zкр – затраты на капремонт; Ккр норма, Ккр = 0,133.

Суммарные удельные затраты на реновацию и капремонт:

.      (40)

С учетом ПТ и ЦБ затраты определяются по формуле, руб/м3:

. (41)

Удельные приведенные затраты на ТО и текущие работы:

,                     (42)

где Ср – стоимость текущих ремонтов и ТО; ТГ – годовой фонд времени, ТГ = 2567 ч; ТР -периодичность текущих ремонтов, ТР = 1000…2000 ч.

Межремонтный цикл определяется, ч:

,                      (43)

где  – коэффициент пропорциональности;  –  нагрузка на лопасти барабана.

Приняв  м2 и ТРЦ = 1200 ч, определяем q:

,(44)

.

Тогда межремонтный цикл определяется:

.                (45)

Удельные приведенные затраты на ТО и технические ремонты, руб/м3:

.     (46)

Приняв в (46) , получаем затраты, руб/м3:

. (47)

Удельные приведенные затраты на смазочные и другие материалы определяются:

,                      (48)

где α-стоимость смазочных материалов по 1 кВт·ч, α = 15,2 руб/кВт·ч; Э-энергия, определяется по формуле (28), тогда:

.    (49)

Удельные затраты на сменную оснастку принимаются в пределах 3...5 % от суммы остальных затрат, Косн = 1,04.

С целью определения функциональной зависимости приведенных затрат от скорости движения смесительного барабана, необходимо суммировать все составляющие по формуле (2), а именно: затраты на материалы – формула (5), по заработной плате – (19), на электроэнергию – (29), на реновацию и капитальный ремонт – (40), на ТО и технический ремонт – (46), на смазочные материалы – (49), на оснастку с учетом капитальных вложений – (37) и производительности. Подставив все перечисленные удельные приведенные затраты в формулу (1), получим, руб/м3:

. (50)

Для определения оптимальной скорости движения смесительного барабана гравитационного бетоносмесителя, при которой удельные затраты будут минимальны, требуется взять от функции (50) первую производную и приравнять к нулю:

.                         (51)

Решение уравнения (51) в функции скорости движения смесительного барабана гравитационного бетоносмесителя с емкостью готовой смеси 1000 л, дает значение vср = 1,48≈1,5 м/с.

Для гравитационного смесителя такая скорость (vср = 1,5 м/с) движения смесительного барабана соответствует средней скорости с числом оборотов барабана, nср = 15,71 ≈ 16 об/мин.

Список литературы

1. Густов Ю.И., Кайтуков Б.А., Григорьева М.Н. Повышение эффективности работы роторного бетоносмесителя принудительного действия // Механизация строительства. 2016. №11. С. 26-29.

2. Богомолов А.А. О сущности прогресса смешивания и его критериях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2005. №9. С. 301.

3. Богданов В.С., Шарапов Р.Р., Фадин Ю.М., Семикопенко И.А., Несмеянов Н.П., Герасименко В.Б. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий. Учебник. Старый Оскол. 2012 г.

4. Теличенко В.И., Кайтуков Б.А., Скель В.И. К вопросу производительности роторных бетоносмесителей // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. №2. 2017. С. 178-183.

5. Теличенко В.И., Кайтуков Б.А., Скель В.И. Определение оптимальных скоростей движения лопастей роторных бетоносмесителей. №3. 2017. С. 80-84.

6. Воронов В.И. Исследование циклических бетоносмеситеей и прогнозирование их перспективных параметров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук. М. 1975 г.

7. Определение потребляемой мощности гравитационных бетоносмесителей // Строительные и дорожные машины. 1975 г. №12.

8. Теличенко В.И., Прокопенко В.С., Шарапов Р.Р., Бойчук Н.П. Моделирование осаждения цемента в технологической системе замкнутого цикла с рециркуляцией // Механизация строительства. 2016. №14. С. 5-8.

9. Пуляев С.М., Степанов М.А., Кайтуков Б.А. Механическое оборудование и технологические комплексы. Учебное пособие МГСУ. 2015. С.480.

10. Сапелин Н.А., Бурьянов А.Ф. Зависимости прочности бетонов на основе неорганических вяжущих от средней плотности // Строительные материалы. 2001. №6. С.36-38.

11. Sharapov R.R., Shrubchenko I.V., Agarkov A.M. Determination of the optimal parameters of the equipment to obtain fine powders. International // Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 12. С. 31341-31348.


Войти или Создать
* Забыли пароль?