Сегодня в нашей стране производство сухих строительных смесей является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений строительной индустрии. Получение некоторых видов материалов строительного назначения невозможно без использования смесительного оборудования, способного обеспечить необходимый уровень однородности смеси. В составы сухих строительных смесей входит большой ассортимент компонентов, при этом целый ряд составляющих вводится в малом количестве (0,05–0,5 %), однако их влияние на формирование свойств растворных смесей и готовых изделий чрезвычайно велико. Даже небольшое отклонение содержания малых добавок, вызванное неоднородным их распределением, может негативно сказаться как на физико-механических, так и на технико-эксплуатационных свойствах готового продукта. Поэтому создание и использование аппарата-смесителя, способного качественно смешивать и гомогенизировать порошки из исходных компонентов, отличающихся друг от друга по размеру частиц и плотности, является основным агрегатом технологического цикла производства сухих смесей и их составляющих [1].
Ввиду развития малого бизнеса в последнее время повышается потребность в многофункциональных устройствах малой производительности. Одним из широко используемых устройств для размола и смешения порошковых смесей являются мельницы с вертикальным ротором. Их недостатком является то, что в установившемся режиме при критической скорости вращения вала мешалки мелющие тела и материал находятся во взвешенном состоянии и будут разрезаться по слоям горизонтальными лопатками в той или иной мере, что снижает эффективность помола и смешения материала [5].
Цель исследования ‒ использование компьютерных технологий для анализа результатов экспериментов с целью повышения эффективности процесса смешения и получения готового продукта требуемого качества в устройстве комбинированного действия.
Материалы и методы исследования
При испытаниях использовался стенд с экспериментальным помольно-смесительным модулем, который дает возможность регулировать частоту вращения ротора и величину других технологических параметров, в качестве компонентов смеси использовались песок с размером частиц 1–1,25 мм и цемент марки М400 как эталонные.
Результаты исследования и их обсуждения
Разработано помольно-смесительное устройство периодического действия (рис. 1, а), смешение материалов в котором осуществляется в цилиндрической емкости 3 мешалками различной конструкции, состоящими из закрепленных Г-образных лопастей 6 по окружности на диске 4. Исследовалась работа устройства с мешалками следующих конструкций:
– Лопасти одной длинны, расположенные соосно оси вращения мешалки.
– Лопасти одной длинны, расположенные с эксцентриситетом относительно оси вращения мешалки.
– Лопасти разной длинны, расположенные с эксцентриситетом относительно оси вращения мешалки.
В случае использования устройства для помола в рабочую камеру помещают мелющие тела [3]. Результаты оценочных испытаний по смешению показали, что наиболее целесообразно использовать мешалку третьего типа (рис. 1, в) [2].
а 
б 
в 
Рис. 1. Экспериментальный модуль: а – схема устройства; б – вид модуля в сборе; в – мешалка; 1 – приводной вал; 2 – верхняя крышка; 3 – корпус; 4 – диск; 5 – шпилька; 6 – лопасти; 7 – нижняя крышка
Для определения зависимости коэффициента неоднородности смеси Кн от основных факторов: времени смешения t, содержания базового компонента в смеси ν (величина отношения в % базового компонента – цемента к общему процентному содержанию смеси) и частоты вращения ротора n, было применено рототабельное униформ-планирование второго порядка, в результате которого получено уравнение регрессии. В кодированном виде
(1)
где 
Судя по величине и знакам коэффициентов при соответствующих факторах и эффектах взаимодействия в уравнении (1), можно сделать следующие выводы.
– Наибольшее влияние на величину выходного параметра (коэффициента неоднородности) оказывает содержание базового компонента (Х2), тождественность полученного уравнения с реальным процессом подтверждается знаком «–» при Х2.
– При увеличении процента содержания цемента в смеси коэффициент неоднородности уменьшается. Знаки «–» перед Х1 и Х3 показывают, что при увеличении времени смешения и частоты вращения ротора коэффициент неоднородности уменьшается.
– Все эффекты взаимодействия в различной мере оказывают влияние на коэффициент неоднородности, так как коэффициенты при них различны по величине.
С использованием аналитического пакета Maple 13 производим декодирование уравнения регрессии [4]:
> restart;
> x3: = (n–300)/100; x2: = (k-25)/9; x1: = (t–600)/180;
> kn: = 10.56–5.66*x1–12.75*x2–5.45*x3 + 2.93*x1*x2 + 1.08*x1*x3–0.78*x2*x3 + 0.44*x1^2 + 9.13*x2^2 + 5.15*x3^2;
> expand(kn);
Получим:
(2)
Для определения наиболее характерных графических структур значений коэффициента неоднородности визуализируем уравнение регрессии, используя анимацию. Рассмотрим полученные графические структуры в интервале Кн = 4 – 28 % с шагом 3 % (рис. 2).
> with(plots):
> animate (implicitplot3d, [(10.56–kn) –5.66*x1–12.75*x2–5.45*x3 + 2.93*x1*x2 + 1.08*x1*x3–0.78*x2*x3 + 0.44*x1^2 + 9.13*x2^2 + 5.15*x3^2, x1 = –2..2, x2 = –2..2, x3 = –2..2], kn = 4..70, scaling = CONSTRAINED, axes = FRAMED, orientation = [–56,49], frames = 100);
Рис. 2. Графические структуры в интервале Кн = 4 – 28 % с шагом 3 %.
Для анализа интересующих нас величин, исследуемых технологических параметров строим графическую структуру для коэффициента неоднородности Кн = 5 % как наиболее соответствующую требуемому качеству смеси (рис. 3, г). Полученное изображение ориентируем по различным осям для дальнейшего анализа и интерпретации данных (рис. 3, а, б, в):
> implicitplot3d({(10.56–5)–5.66*x1-12.75*x2–5.45*x3 + 2.93*x1*x2 + 1.08*x1*x3-0.78*x2*x3 + 0.44*x1^2 + 9.13*x2^2 + 5.15*x3^2}, x1 = –2..2, x2 = –2..2, x3 = –2..2, scaling = CONSTRAINED, orientation = [–56,49], axes = boxed);
а
б
г
Рис. 3. Графическое изображение зависимости Кн (t, ν, n), при Кн = 5 %: а – проекция на оси ν и n; б – проекция на оси t и n; в – проекция на оси t и ν; г – трехмерное изображение
Любая точка на поверхности (рис. 3) указывает величину технологических параметров, при которых можно получить коэффициент неоднородности смеси, равный 5 %, а именно при времени смешения от 600 до 900 с, соотношении компонентов смеси от 20/80 до 36/64 (что соответствует целесообразному содержанию цемента марки М400 в смеси) и частоты вращения от 250 до 420 об/мин. Например, точка А (рис. 3) показывает, что коэффициент неоднородности готовой смеси Кн = 5 % можно получить при следующих технологических параметрах: времени смешения t = 780 с, содержании базового компонента ν = 34 % и частоте вращения ротора n = 300 об/мин.
Если нам необходимо выбрать наиболее рациональный режим смешения при заданном содержании базового компонента ν = 27 % (линия вв) (рис. 3, а, в), то время варьируется от 680 до 900 с, а частота вращения ‒ от 250 до 420 об/мин. Проекция на оси t и n (рис. 3, б) линии вв представляет собой параболу, так при t = 670 с и n = 350 об/мин (т. Г1, рис. 3, б) получим необходимый коэффициент неоднородности. Также при t = 900 с требуемый результат получим при n = 230 об/мин (т. Г2, рис. 3, б) и при n = 440 об/мин (т. Г3, рис. 3, б). Таким образом, любая точка, лежащая на линии вв, соответствует технологическим параметрам, при которых мы можем получить коэффициент неоднородности Кн = 5 % при ν = 27 %. Здесь нужно учитывать, что меньшее время смешения увеличивает производительность, но, как правило, увеличивает и энергоемкость процесса, поэтому для описанного случая наиболее целесообразный режим смешения соответствует параметрам в точке Г1 (рис. 3, б).
Заключение
Построение и анализ трехмерных изображений зависимости коэффициента неоднородности смеси Кн от основных факторов: времени смешения t, содержания базового компонента ν и частоты вращения ротора n дает возможность определить диапазон изменения технологических параметров устройства для получения готового продукта необходимого качества с учетом рациональных соотношений производительности устройства и энергоемкости процесса.
Рецензенты:
Блажевич С.В., д.ф.-м.н, профессор, зав. кафедрой информатики и вычислительной техники БелГУ, г. Белгород;
Трубаев П.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой теплоэнергетики, теплогазоснабжения и вентиляции БИЭИ, г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 01.08.2013.
Библиографическая ссылка
Лозовая С.Ю., Лымарь И.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ В ПОМОЛЬНО-СМЕСИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-1. – С. 40-44;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32211 (дата обращения: 20.04.2024).