Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Матвієнко Андрій Михайлович

УДК 693.6.002.5

Дослідження робочих процесів транспортування штукатурних розчинів трубопроводами та їх механізованого нанесення на будівельні конструкції

05.05.02 – Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава – 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор, Заслужений працівник вищої школи України, завідувач кафедри будівельних машин і обладнання Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Онищенко Олександр Григорович.

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри основ конструювання машин Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України

Маслов Олександр Гаврилович.–

кандидат технічних наук, доцент кафедри технології машинобудування Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Гнітько Сергій Михайлович.

Провідна установа – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра механізації будівельних процесів.

Захист відбудеться 18.05. 2005 р., о 1400, на засіданні спеціалізованої вченої ради К 44.052.01 Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ПолтНТУ (зал засідань — аудиторія 218).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою:

36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий "13" 04. 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент М.П. Нестеренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У будівельному технологічному циклі штукатурні роботи ще визначаються значною тривалістю, складністю і трудомісткістю, котра в обсязі загальних трудовитрат перевищує 25-30%, а в загальній вартості – 15-18%. Тому підвищення продуктивності та якості виконання штукатурних робіт, а також зниження частки ручної праці у сучасному будівельному виробництві можуть та повинні досягатися завдяки впровадженню нових механізованих малоопераційних процесів з виключенням традиційних великих технологічних перерв, що пов’язані із трьохстадійним пошаровим ручним нанесенням штукатурних розчинів на поверхні будівельних конструкцій.

У Полтавському національному технічному університеті розроблені і впроваджені у виробництво перспективні штукатурні станції СШ-4, а також вертикальні диференціальні розчинонасоси подвійної дії РН-2;4, котрі здатні нагнітати розчинову суміш в напірну магістраль із мінімальним ступенем пульсації тиску. Однак, у ряді випадків при нанесенні штукатурних сумішей на будівельні конструкції на виході з розчинопроводу спостерігаються залишкові пульсації тиску, що призводить до втрат розчину, який після падіння на підлогу вже не має потрібних для соплування якостей. У зв’язку з цим, для забезпечення рівномірного розпилювання розчину при нанесенні його на оброблювані поверхні на практиці застосовують досить енергоємні компресорні установки для створення тиску повітря, яке розпорошує частки штукатурної суміші, що вилітають із сопла компресорних форсунок. Проте, в цих випадках через використання компресорних установок суттєво зростає величина споживаної технологічним комплексом електроенергії. При цьому стиснуте повітря утворює разом із сумішшю туман із частинок піску і цементу, що спричиняє захворювання штукатурів силікозом легень, а рівень шуму стисненого повітря перевищує стандартні санітарні норми, поступово погіршуючи слух працівників. Взагалі ж, наведені вище факти призводять до непрестижності професії робітників-штукатурів і необхідності подальшого проведення робіт із підвищення якості та безпечності виконання механізованого соплування.

Виходячи з вищевикладеного, поставлене в даній дисертаційній роботі завдання з обґрунтування комплексно-механізованих методів виконання штукатурних робіт на об’єктах будівництва на основі вивчення впливу пружних властивостей гумовотканинних напірних рукавів на зниження імпульсності руху штукатурного розчину від розчинонасоса до місця нанесення, а також створення і використання додаткових засобів механізації у вигляді діафрагмового компенсатора пульсації тиску розчину та безкомпресорної прямоточної форсунки в поєднанні із застосуванням ефективних організаційно-технічних рішень дозволить звести багатоопераційні процеси оштукатурювання до малоопераційних і за рахунок цього скоротити частку ручної праці в процесі обштукатурювання оброблюваних поверхонь. При цьому скоротяться й загальні терміни введення об’єктів будівництва в експлуатацію, що також є досить актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації включена до держбюджетної науково-дослідницької теми №64/02 (реєстраційний № 0101 U 000318) “Розроблення та впровадження у будівельне виробництво малоопераційної комплексно-механізованої технології виконання опоряджувальних робіт”, яка затверджена Міністерством освіти і науки України і виконується Полтавським національним технічним університетом імені Юрія Кондратюка відповідно до напряму наукових досліджень кафедри будівельних машин і обладнання.

Об’єктом дослідження є технологічний комплекс для механізованого оштукатурення будівельних конструкцій на базі штукатурної станції СШ-4 до складу якого входять: шнековий перемішувач розчину; розчинонасос РН-2;4 конструкції галузевої лабораторії ПолтНТУ з диференціальним проточним поршнем; напірна гумовотканинна магістраль для транспортування штукатурного розчину; розроблені автором нові діафрагмовий компенсатор пульсації тиску і безкомпресорна прямоточна форсунка.

Предметом дослідження є:

- гумовотканинні рукава, як складова частина технологічного комплексу для механізованого оштукатурення будівельних конструкцій на базі штукатурної станції СШ-4, що призначені для транспортування штукатурних розчинів до місця проведення соплування;

- розроблений і впроваджений автором новий діафрагмовий компенсатор пульсації тиску штукатурного розчину;

- створена і впроваджена в будівельне виробництво нова безкомпресорна прямоточна форсунка.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності комплексно-механізованого виконання штукатурних робіт шляхом моделювання механізму сумісного впливу пружних властивостей гумовотканинних напірних розчинопроводів, компенсатору пульсації тиску і безкомпресорної прямоточної форсунки на зняття залишкової пульсації тиску розчину під час його просування від розчинонасоса до місця соплування і запобігання виникнення непродуктивних відпадань розчину при нанесенні його на поверхні будівельних конструкцій.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно розв’язати наступні задачі:

1. Розробити математичну модель спільної роботи пружного гумовотканинного розчинопровода і перекачуваної суміші у вигляді штукатурного розчину, яка б достатньо реально описувала ці динамічні процеси.

2. Розробити алгоритми розв’язання рівнянь запропонованої математичної моделі, які дозволять проводити розрахунки параметрів транспортування штукатурних розчинів гумовотканинними напірними трубопроводами.

3. Розробити методику комп’ютерного моделювання для проведення розрахунків параметрів транспортування штукатурних розчинів гумовотканинними трубопроводами.

4. Теоретично і експериментально дослідити параметри роботи запропонованого автором діафрагмового компенсатора пульсації тиску розчину встановлюваного перед безкомпресорною прямоточною форсункою.

5. Теоретично і експериментально дослідити параметри роботи створеної автором безкомпресорної прямоточної форсунки.

6. Порівняти результати, що одержані шляхом проведення експериментальних досліджень з розробленими математичними моделями під час проведення натурних випробувань в експериментальній лабораторії та в реальних виробничих умовах, з метою надання рекомендацій для раціонального вибору перспективних засобів механізації штукатурних робіт та встановлення сфери їх ефективного використання.

Методи дослідження. Поставлені в дисертації задачі вирішувались теоретичними та експериментальними методами, які базувались на сучасних досягненнях в галузі математичного та фізичного моделювання робочих процесів механізованого оштукатурювання оброблюваних поверхонь із використанням комп’ютерної техніки та нових конструктивних схем обладнання, що використовується під час соплування будівельних конструкцій. При цьому враховувались реологічні властивості транспортованої штукатурної суміші.

Експерименти проводились в лабораторних та виробничих умовах з використанням натурних штукатурних станцій СШ-4 і розчинонасосів РН-2;4, а також випробувальних стендів.

Інформаційною основою дослідження є узагальнені наукові висновки вітчизняних і зарубіжних вчених у галузі транспортування в’язких технологічних рідин напірними трубопроводами, а також рекомендації провідних наукових центрів із проблем підвищення ефективності роботи засобів механізації при нанесенні будівельних розчинів на оброблювані поверхні.

Для обробки вихідних матеріалів використовувалися: прийоми порівняльного та багатофакторного аналізу; методи логічного узагальнення та математичного моделювання. Такий підхід дав можливість забезпечити наукову обґрунтованість відповідних підходів щодо визначення оптимальних робочих параметрів процесу механізованого нанесення будівельних розчинів на оброблювані поверхні з використанням диференціальних розчинонасосів.

Наукова новизна.

1. Уперше розкритий механізм взаємодії перекачуваного розчину і напірної магістралі з урахуванням пружних властивостей стінок транспортного трубопроводу.

2. Уперше одержано залежність коефіцієнта переходу від рівномірного руху суміші до нерівномірного , який визначає зміну опору просуванню штукатурної суміші, відповідно до рівня пульсації тиску нагнітання.

3. Розроблено і впроваджено методику визначення величини стабілізуючої складової швидкості штукатурного розчину на виході з напірної магістралі з урахуванням пружних властивостей гумовотканинних напірних рукавів.

4. Запропонована і впроваджена нова конструкція діафрагмового компенсатора пульсації тиску, встановлюваного на виході з розчинопроводу для покращення умов соплування. Розроблено математичну модель робочого процесу розробленого компенсатора.

5. Визначені оптимальні параметри механізованого соплування безкомпресорною прямоточною форсункою на основі багатофакторного математичного аналізу взаємодії часток розчину з оброблюваною поверхнею.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням законів класичної механіки, гідравліки, законів механіки пружних тіл, що підтверджується практичними результатами, одержаними під час багаторічного періоду використання засобів механізації нанесення будівельних розчинів на оброблювані поверхні.

Одержані результати підтверджують збіг теоретичних та експериментальних результатів при відхиленні не більше 10%. Достовірність експериментальних даних також забезпечена використанням методів статистичної обробки.

Наукове значення роботи полягає в розвитку уявлень про протікання робочих процесів, що відбуваються під час просування перекачуваного розчину напірною магістраллю при механізованому нанесенні штукатурних сумішей на оброблювані поверхні. В роботі теоретично і експериментально обґрунтовано вплив пружних властивостей стінок напірної магістралі на режими транспортування будівельної суміші. Встановлені закономірності, які пов’язують характер протікання робочих процесів в діафрагмовому компенсаторі пульсації тиску з робочими параметрами транспортування розчину та властивостями матеріалу стінок напірної магістралі. Визначена залежність величини втрат штукатурного розчину від параметрів проведення процесу соплування.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На основі проведених досліджень розроблено методику визначення величини стабілізуючої складової швидкості руху штукатурного розчину напірною магістраллю з урахуванням пружних властивостей гумовотканинних напірних рукавів, що входять до її складу.

2. На базі зроблених висновків про зростання стабілізуючої складової швидкості розчину при посуванні його гумовотканинними напірними рукавами розроблено просту і надійну конструкцію діафрагмового компенсатора пульсації тиску, що дозволяє у разі необхідності згладжувати залишкову пульсацію потоку розчину на виході з розчинопроводу.

3. На основі вивчення закономірностей роботи гумових діафрагм на розтяг, розроблена методика розрахунку робочих параметрів діафрагмового компенсатора пульсації тиску.

4. Отримано графоаналітичні дані про залежність опору просуванню штукатурного розчину трубопроводом та енергоємності його транспортування від ступеня пульсації потоку в напірній магістралі, що робить можливим проведення більш точного проектування і розрахунку процесу трубопровідного транспортування штукатурних розчинів.

5. Створено і досліджено нову безкомпресорну прямоточну форсунку, що здатна ефективно проводити набризкування штукатурної суміші на оброблювані поверхні та визначено оптимальні параметри механізованого соплування даною форсункою.

6. Результати дисертаційної роботи використані в процесі розробки держбюджетної тематики, затвердженої Міністерством освіти і науки України, а також у навчальному процесі при підготовці фахівців зі спеціальності "Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні і меліоративні машини та устаткування", у курсовому та дипломному проектуванні, впроваджені у будівельне виробництво.

Особистий внесок автора полягає в теоретичному обґрунтуванні на основі рівняння Шведова-Бінгама та закону Гука механізму взаємодії перекачуваного в’язко-пластичного середовища з пружними стінками гумовотканинного напірного рукава під час трубопровідного транспортування штукатурних розчинів до місця нанесення; у розробці методики розрахунку величини стабілізуючої складової швидкості потоку залежно від закону руху плунжера розчинонасоса, властивостей перекачуваного середовища та транспортної магістралі; у розробці математичної моделі робочого процесу при застосуванні створеного та запатентованого автором діафрагмового компенсатора пульсації тиску, який дозволяє у разі необхідності знімати остаточну пульсацію потоку штукатурного розчину і впровадженні його у виробництво; у визначенні закономірностей, які відображають залежність основних показників транспортування штукатурних сумішей від пульсації потоку розчину в магістралі; у створенні, дослідженні та впровадженні у виробництво безкомпресорної прямоточної форсунки, на яку автором одержано деклараційний патент на винахід, та багатофакторному дослідженні оптимальних параметрів її роботи; у розробці, дослідженні і впровадженні нового запатентованого автором швидкороз’ємного фланцевого з’єднання, яке дозволяє зручно з’єднувати ділянки трубопроводу при одночасній простоті конструкції, більшій надійності та нижчій собівартості ніж в аналогів.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідались та були схвалені в період 1999 – 2005 рр. на наукових семінарах і науково-практичних конференціях викладачів, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка, Кременчуцького державного політехнічного університету, включаючи міжнародні конференції:–

Міжнародна науково-технічна конференція “Нові машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій, сучасні будівельні технології” у місті Полтаві в 2000 р.;–

Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми створення нових машин і технологій” у місті Кременчуці в 2001 році;–

Міжнародна науково-технічна конференція "Наукові основи створення високоефективних землерийно-транспортних машин" у місті Харкові в 2004 році.

На діафрагмовий компенсатор пульсації тиску та безкомпресорну прямоточну форсунку одержані деклараційні патенти та акти на впровадження у виробництво.

Публікації.

За темою дисертації опубліковано 8 друкованих праць у фахових виданнях, включаючи одну журнальну статтю, чотири у збірниках наукових праць, три у збірниках матеріалів і тез доповідей на наукових конференціях. За темою дисертації подано 3 заявки на винахід, за якими одержано патенти України.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел із 177 найменувань і 5 додатків на 42 сторінках. Обсяг дисертації складає 153 сторінки машинописного тексту. Вона містить 39 рисунків і 22 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета дослідження, визначені основні задачі досліджень та методи їх розв’язання, розкрита наукова новизна та практичне значення результатів проведеної роботи.

Перший розділ "Аналітичний огляд методів, технологій та засобів для проведення механізованого транспортування і нанесення штукатурних розчинів" присвячений огляду існуючих технологій механізованого оштукатурювання будівельних конструкцій, конструкцій обладнання, що входять до складу технологічних комплексів для проведення даного процесу. Проаналізовано основні технологічні показники, якими характеризується процес механізованого транспортування та нанесення штукатурних розчинів. Сформульовано основні передумови підвищення ефективності використання технологічних комплексів для механізованого штукатурення оброблюваних поверхонь.

При проведенні аналітичного огляду значна увага приділялася науковим працям відомих вчених, що зробили вагомий внесок у розвиток методологічних підходів щодо вивчення властивостей будівельних розчинів, як середовища, котре впливає на особливості роботи обладнання для штукатурення оброблюваних поверхонь, та у створення ефективних технологічних комплексів і засобів механізації, що застосовуються при цьому. До цих вчених відностяться: Алексеєв С.І., Альошин М.І., Абель С.С., Атаєв С.С., Баженов Ю.М., Баранов А.М., Білоусов Є.Д., Бєляков Ю.І., Болотських П.С., Борщевський А.А., Волков Д.П., Волорович Г.Є., Гусаков А.А., Холодов А.М., Хмара Л.А., Євстифєєв В.М., Ємельянова І.А., Завражин М.М., Івянський Т.В., Канюка М.С., Лівінський О.М., Ловейкін В.С., Назаренко І.І., Назаров Л.В., Онищенко О.Г., Парфьонов Є.П., Сівко В.І, Стайченко Є.С., Топчій В.Д., Уст’янцев В.У., Чиняєв І.А., Чирков Ю.П. та інші.

Аналіз пружних властивостей гумовотканинних напірних рукавів, як засобу, яким штукатурні розчини транспортуються до місця їхнього нанесення, дозволив виявити у них здатність до згладжування пульсації потоку розчину. З метою формулювання рекомендацій із оптимізації процесу комплектації технологічного обладнання для штукатурення будівельних конструкцій обґрунтовано необхідність проведення додаткових досліджень з визначення основних закономірностей протікання цього процесу.

Обґрунтовано можливість використання на виході з розчинопроводу додаткових засобів згладжування пульсації потоку будівельних сумішей, що дозволить зводити остаточний її рівень до величини меншої за 1%, тим самим оптимізуючи умови нанесення розчинів на оброблювані поверхні.

Обгрунтовано основні вимоги до оптимізації конструкції безкомпресорної форсунки, ефективна робота якої зводить до мінімуму втрати розчину, які виникають у зв’язку із відпаданням часток штукатурної суміші від будівельних конструкцій.

Сформульовані основні напрямки досліджень для забезпечення ефективної роботи технологічного комплексу для механізованого штукатурення будівельних конструкцій – зниження рівня пульсації подачі, оптимізування тиску подачі, достатнього для проведення механізованого соплування на висоті не менше ніж 50 м, зведення до мінімуму пульсації тиску розчину на виході з транспортної магістралі, надійна робота з’єднувальних елементів напірного трубопроводу, забезпечення ефективної роботи засобів нанесення штукатурного розчину на будівельні поверхні.

Як найбільш відповідний до вказаних вимог використано під час проведення досліджень технологічний комплекс на базі штукатурної станції СШ-4 (рис. 1). Він складається з таких елементів: розчинонасоса з насосною колонкою диференціального типу з проточним робочим органом 1, який включено до складу штукатурної станції 2, напірного трубопроводу, в якому горизонтальні ділянки складаються з гумовотканинних рукавів прокладкового типу 6, а вертикальна ділянка являє собою напірний стояк тупикового типу 4, з’єднувальних елементів з фланцевими замками 3, трійника 5, компенсатора пульсації низького тиску 7, встановленого наприкінці напірної магістралі, безкомпресорної форсунки 8. Вона здатна наносити штукатурний розчин плоским рівномірним факелом у широкому діапазоні робочих тисків і спроможна безвідмовно працювати під час випадкового потрапляння в розчинопровід сторонніх часток розміром до 5 мм. Окреслене коло завдань для виконання теоретичних та експериментальних досліджень.

Рисунок 1 – Ефективний комплекс обладнання для механізованого оштукатурювання робочих поверхонь

У другому розділі "Моделювання процесу несталого руху штукатурного розчину в напірному трубопроводі" обґрунтовані закономірності впливу характеристик перекачуваного середовища, характеру нагнітання штукатурної суміші в розчинопровід та пружних властивостей матеріалу стінок гумовотканинних напірних рукавів на зниження пульсації потоку розчину під час його просування напірною магістраллю і пов’язане з цим зменшення енерговитрат на трубопровідне транспортування штукатурних розчинів.

Проведений аналіз конструкцій розчинонасосів показав, що з точки зору забезпечення мінімального рівня пульсації тиску в період транспортування штукатурного розчину трубопроводами найбільшим чином підходять розчинонасоси РН-2;4 подвійної дії конструкції Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Однак, і ці розчинонасоси мають такий недолік, як неможливість забезпечення повної відсутності пульсації тиску нагнітання потоку розчину в напірний трубопровід, що призводить до нерівномірності руху розчину під час подачі до форсунки та зумовлює відповідні втрати штукатурної суміші за рахунок відпадіння часток штукатурного розчину від оброблюваних поверхонь. У зв’язку з цим автором роботи запропоноване вивчення пружних властивостей гумовотканинних напірних рукавів, як засобу зведення до мінімуму пульсації потоку розчину.

Пружні властивості стінок гумовотканинних рукавів на думку автора дисертаційної роботи дозволяють їм акумулювати частину розчину під час зростання тиску до максимального рівня і витісняти його при досягненні тиском мінімального значення. Подібна властивість напірного гумовотканинного рукава забезпечує досить вагоме додаткове згладжування пульсації тиску штукатурного розчину при його просуванні вздовж трубопроводу.

Періодична зміна поперечного перерізу гумовотканинних напірних рукавів пояснюється наявністю в гумових стінках пружних властивостей, які деформуються згідно закону Гука, а зважаючи на те, що за технологією виробництва прокладковий тканинний корд змотується в рукав у гарячому стані, то при охолодженні натяг ниток певним чином послаблюється, дозволяючи стінкам деформуватись на 5-15% під час зміни внутрішнього тиску в рукаві.

Для визначення основних закономірностей зниження рівня і характеру пульсації потоку розчину при його просуванні гумовотканинними напірними рукавами, конструктивних особливостей такого трубопроводу та умов нагнітання розчину в безкомпресорну прямоточну форсунку розглянуто довільну ділянку напірного рукава (рис. 2-3). На першому етапі складене рівняння балансу витрати розчину для елементарної ділянки рукава.

Рисунок 2 – Елементарна ділянка гумовотканинного напірного трубопроводу

На цій ділянці оцінювалися:

–

; (1)

–

, (2)

де та – швидкості розчину відповідно на вході та на виході розглядуваної ділянки трубопроводу, ;

та – площі поперечних перерізів відповідно на початковій та вихідній ділянках, .

На основі визначення різниці між кількістю розчину, що надійшла до розглядуваної ділянки, та кількістю, що вийшла з неї, після відповідних перетворень одержали можливість визначення рівняння балансу витрати розчину в такій формі:

, (3)

де – відстань від напірного патрубка розчинонасоса, м; – довільний момент часу, с.

Надалі було складене рівняння балансу сил, що діють на елементарну ділянку трубопроводу:

, (4)

де – маса розчину, що знаходиться на розглядуваній ділянці трубопроводу, кг; – швидкість потоку розчину, м/с; – сила тяжіння, що діє на розчин, який просувається розглядуваною ділянкою гумовотканинного рукава, Н; – кут нахилу досліджуваної ділянки до вертикальної площини, град.; – сила тертя, Н, що створює опір просуванню розчину і визначається згідно закону Шведова-Бінгама; – сила тиску на вході в елементарну ділянку напірного трубопроводу, Н; – сила тиску на виході з елементарної ділянки, Н.

Рисунок 3 – Зусилля, що діють на елементарний об’єм розчину

В результаті перетворення рівняння (4) одержали таку залежність:

, (5)

де – коефіцієнт деформації стінок гумовотканинного рукава, ; – щільність розчину на розглядуваній ділянці трубопроводу, кг/м3; – граничне напруження зрушення, Па; – початковий діаметр напірного рукава, м; – динамічний коефіцієнт структурованої в’язкості, ; – коефіцієнт форми градієнта, що характеризується відношенням швидкості біля поздовжньої осі напірної магістралі до швидкості розчину в пристінковому шарі.

При проведенні подальших міркувань виходили з того, що на підставі практичного досвіду та чисельних досліджень було виявлено, що стабілізація руху потоку розчину посилюється із зростанням відстані від напірного патрубка розчинонасоса. При цьому потік суміші постійно просувається трубопроводом періодично прискорюючи та уповільнюючи свій рух. Тому, маємо підстави умовно розділити швидкість потоку розчину на дві складові: стабілізуючу складову швидкості руху штукатурної суміші , яка зростає із збільшенням відстані від розчинонасоса і відповідає за значення швидкості розчину, нижче якого її величина на розглядуваній ділянці не опускається, та на імпульсну складову , яка змінюється в часі (рис. ).

Рисунок 4 – Залежність зміни швидкості потоку штукатурної суміші від кута повороту кривошипа розчинонасоса в часі

Спільне вирішення рівнянь (3) та (5) дозволило одержати залежність, що визначає зв’язок величини стабілізуючої складової швидкості руху штукатурної суміші , котра відповідає за стабільний рух потоку розчину напірним трубопроводом, з відстанню до напірного патрубка розчинонасоса.

, (6)

де , с/м2 – коефіцієнт, що визначається залежністю:

; (7)

, с2/м3 – коефіцієнт, що визначається залежністю:

; (8)

та – підінтегральні коефіцієнти с/м2 та м відповідно, що визначаються згідно експериментальних досліджень.

Детальна послідовність визначення залежностей (3), (5) та (6) наведена в розділі 2 дисертаційної роботи. Аналіз рівняння (6) дає можливість на стадії попереднього розрахунку та підбору основного обладнання для механізованого соплування робочих поверхонь прогнозувати рівень пульсації розчину на виході з гумовотканинного рукава певних діаметра та довжини. Запис виразу (6) у вигляді, коли стабілізуюча складова швидкості визначається напряму, дає досить громіздкий вираз, тому пропонується для визначення цього параметра використовувати такі математичні пакети, як “MathCAD” або “Maple”. Визначення величини дасть можливість заздалегідь планувати використання додаткових компенсаційних пристроїв з метою доведення робочих параметрів процесу механізованого соплування робочих поверхонь до оптимального рівня.

Одним з таких пристроїв може бути діафрагмовий компенсатор пульсації тиску розчину пружними елементами якого є опозитно розташовані гумові діафрагми між якими просувається розчин.

Було визначено, що під діафрагмами компенсатора повинен акумулюватись об’єм суміші, що визначається за наступною залежністю

.(9)

де – об’єм розчину, який повинен акумулюватись під діафрагмами компенсатора; – площа поперечного перерізу циліндра розчинонасоса, м2; – радіус кривошипа, м;

Для визначення величини необхідно одержати значення кутів повороту кривошипа та , при яких .

Інтегрування (9) в межах від до дасть величину .

Реальний об’єм розчину, що акумулюватиметься компенсатором, складатиме величину

, (10)

де – об’ємний ККД розчинонасоса.

Так як діафрагм у запропонованому компенсаторі дві, під кожною з них повинен акумулюватись об’єм:

. (11)

На основі аналізу характеру деформування гумових діафрагм діафрагмового компенсатора пульсації тиску (рис. 5) було визначено залежність величини об’єму штукатурного розчину, який акумулюється під ними, від їхньої товщини.

, (12)

де – діаметр діафрагми, м; – модуль пружності діафрагми, ; – товщина діафрагми, м; – перехідний коефіцієнт, що для діафрагми, виготовленої з кількох шарів автомобільних камер, згідно чисельних експериментальних досліджень та практичного досвіду, приймається на рівні ; – мінімальний тиск в робочій камері компенсатора під час робочого ходу плунжера (поршня) розчинонасоса, МПа.

Рисунок 5 – Характер деформування пружного елемента компенсатора пульсації тиску

Докладно послідовність визначення залежності (12) наведена в розділі 2 дисертаційної роботи. Запис рівняння (12) у вигляді, коли товщина діафрагм визначається напряму, є досить громіздким виразом, тому пропонується для визначення цього параметра використовувати такі математичні пакети, як “MathCAD” або “Maple”. Одержані значення необхідної товщини гумових діафрагм підбираються шляхом додавання або віднімання певної кількості шарів автомобільної гуми. При цьому, у разі існування остаточної пульсації тиску розчину на виході з розчинопроводу, маємо можливість використати компенсатор пульсації тиску з товщиною пружних елементів, що розрахована за запропонованою методикою, тим самим зводячи коливання потоку до мінімального рівня ( 1%).

Розроблені теоретичні передумови, необхідні для визначення рівня остаточної пульсації потоку розчину на виході з напірної магістралі та відповідної товщини пружних елементів компенсатора пульсації тиску, який призначений для зведення цих коливань до мінімально можливого рівня, дають можливість оптимізувати умови роботи технологічного комплексу для механізованого нанесення штукатурних розчинів на оброблювані поверхні ще на стадії попереднього підбору обладнання, так як одержано можливість заздалегідь планувати такі режими роботи обладнання, при яких втрати розчину будуть мінімальними.

У третьому розділі "Експериментальні дослідження робочих процесів технологічного комплексу для механізованого транспортування та нанесення штукатурних розчинів" наведені результати експериментальних досліджень взаємодії перекачуваного середовища з елементами технологічного комплексу для механізованого штукатурення будівельних конструкцій на базі штукатурної станції СШ-4, оснащеної диференціальним розчинонасосом РН-2;4.

Для досліджень використовувалися щойно виготовлені вапняно-піщані розчини марки 1:3 різної рухомості.

В процесі роботи на першому етапі оцінений вплив пружних властивостей гумовотканинної напірної магістралі на згладжування пульсації швидкості штукатурного розчину під час його просування напірною магістраллю. З цією метою створений лабораторний стенд (рис. 6), що складався з вертикального патрубка 1, розташованого на стійці 2, жолоба 3 для відведення розчину в бак 4, кульки 5 зі штоком 6, що підвішені на штативі 7 за допомогою пружини 8. Також в його конструкцію входила вимірювальна шкала 9 та електромагнітний датчик 10, котрий перетворює переміщення штока 6 в електромагнітний сигнал, який надходить до записуючої апаратури, що дублювала показники, які знімались з вимірювальної шкали 9.

Рисунок 6 – Установка для вивчення величини стабілізуючої складової швидкості руху штукатурної суміші трубопроводом

Крива зміни швидкості в часі, що була одержана за допомогою розробленого стенду, наведена на рисунку 4.

Досліджуваний показник – стабілізуюча складова швидкості просування штукатурної суміші напірною магістраллю, одержувалася шляхом заміру величин функціонально визначаючих її складових, наслідком взаємодії яких є підняття кульки рухомої частини стенду на певну висоту.

На рис. 7 наведена залежність для штукатурних розчинів різних рухомостей при рівні подачі розчину в напірну магістраль – 2 м3/год і внутрішньому діамері напірного рукава 50 мм.

Аналіз одержаних результатів експериментальних досліджень свідчить про існування у гумовотканинних напірних рукавів пружних властивостей, що дозволяє їм згладжувати пульсацію потоку розчину. Аналізуючи результати проведених експериментів, можна також прийти до висновку, що при використанні гумовотканинних напірних рукавів із внутрішнім діаметром 50 мм стабілізація швидкості просування штукатурної суміші має місце, коли до складу напірної магістралі входить рукав із довжиною, понад 35-40 м, тоді як у рукаві з внутрішнім діаметром 38 мм вона матиме місце, за умови довжини рукава понад 50-60 м. Тобто, для зведення рівня пульсації розчину до мінімального рівня раціональніше використовувати гумовотканинні напірні рукави з внутрішнім діаметром 50 мм, так як у цьому випадку для досягнення безімпульсного руху потрібна менша їхня довжина. Слід зазначити, що зниження рухомості розчину призводить до відносного підвищення величини стабілізуючої складової швидкості руху штукатурного розчину гумовотканинною напірною магістраллю порівняно з розчинами такого ж складу, але з більшою рухомістю. Це пояснюється необхідністю створення в цьому випадку більшого тиску нагнітання, одночасно з яким зростає поперечна деформація рукавів, котра відповідає за їх компенсаційні властивості. Особливо це стосується рукавів із внутрішнім діаметром 50 мм, так як площа контакту перекачуваного середовища і їхньої внутрішньої поверхні більша порівняно з 38-міліметровими.

Рисунок 7 – Залежність величини стабілізуючої складової швидкості штукатурного розчину від відстані до напірного патрубка розчинонасоса РН-2;4 для діаметра рукава 50 мм і продуктивності 2 м3/год; (Е) – дані, що одержані автором експериментальним шляхом; (Т) – дані, що одержані автором при обробці рівняння (6) за допомогою програмного пакету “MathCAD”

На другому етапі досліджень визначена залежність опору просуванню штукатурного розчину напірною магістраллю та енергоємність його транспортування від ступеня пульсації тиску в напірній магістралі.

З цією метою створений експериментальний стенд (рис. 8), який складався з: розчинозмішувача 1, однопоршневого розчинонасоса 2 з компенсатором тиску 3, напірної магістралі, що складалася зі сталевих трубопроводів 4 діаметром 50 мм і загальною довжиною 50,8 м та гумовотканинних рукавів 5 сумарною довжиною 30 м, універсального лічильного пристрою для вимірювання витрат електроенергії 6, самописця 7 та двох манометрів 8.

Вибір саме такої конструкції розчинонасоса, як показано на рис. 8 обумовлений можливістю цієї моделі створювати різні рівні пульсації тиску нагнітання шляхом додавання або видалення певної кількості стисненого повітря з комбінованого компенсатора пульсації тиску, що входить до його складу.

В процесі експериментів досліджувався вплив пульсації тиску нагнітання розчину на опір просуванню суміші , МПа, що визначає падіння тиску в напірній магістралі при переміщенні суміші ділянкою трубопроводу довжиною 1 м, та на енергоємність транспортування одного кубічного метра штукатурної сумі ші по одиничній ділянці трубопроводу – (кВтгод./м3м). Під час досліджень уточнено значення коефіцієнта переходу від рівномірного руху суміші до нерівномірного – коефіцієнта пульсації , який визначає зміну опору просуванню штукатурної суміші, відповідно до рівня пульсації тиску нагнітання.

Рисунок 8 – Експериментальний стенд для визначення питомих показників трубопровідного транспортування штукатурних сумішей

Результати експериментів, а саме: залежність тиску нагнітання та енергоємності транспортування від рівня пульсації наведено на рис. 9 і 10, а значення коефіцієнта пульсації – в таблиці 1.

Аналіз одержаних результатів показав, що з підвищенням рівня пульсації опір руху розчинів трубопроводами також суттєво зростає. Особливо значне зростання тиску спостерігається при подачі розчинів з рухомостями ОК 10, де при зміні рівня пульсації з 10 до 50% тиск подачі зростає з 1,2 до 1,75 МПа.

Одержані результати допоможуть проводити точніші розрахунки зростання опору просуванню штукатурної суміші напірною магістраллю та енергоємності її транспортування залежно від рівня пульсації потоку розчину.

Рисунок 9 – Графік залежності опору рухові будівельного розчину трубопроводами від ступеня пульсації тиску

Рисунок 10 – Графік залежності енергоємності перекачування розчину від пульсації тиску

Таблиця 1 – Значення коефіцієнта пульсації який визначає зміну опору просуванню штукатурної суміші, відповідно до рівня пульсації тиску нагнітання

Осадка конуса, ОК, см | Рівень пульсації тиску , %

20 % | 30 % | 40 % | 50 %

Величина коефіцієнта пульсації,

ОК 8 см | 1,02 | 1,04 | 1,044 | 1,05

ОК 9 см | 1,05 | 1,083 | 1,1 | 1,107

ОК 10 см | 1,2 | 1,3 | 1,37 | 1,437

На третьому етапі експериментальних досліджень вивчений вплив товщини пружних елементів на ефективність роботи розробленого діафрагмового компенсатора пульсації тиску.

З цією метою споруджений експериментальний стенд, конструкція якого наведена на рис. 11. Він складався з: діафрагмового компенсатора 1, датчиків тиску 2 та самописця 3.

На початку дослідів перевірялась ефективність роботи компенсатора із діафрагмами, товщина яких розраховувалася за методикою, викладеною в розділі 2, після чого, у разі необхідності, її величину експериментально доводили до оптимального значення та порівнювали одержані результати з розрахунковими.

В таблиці 2 наведено результати теоретичного та експериментального визначення товщини пружних елементів розробленого діафрагмового компенсатора пульсації тиску, а на рис. 12 наводяться характерні криві, що були записані –за допомогою створеного стенду.

Рисунок 11 – Стенд для визначення ефективності роботи діафрагмового компенсатора пульсації тиску

Ділянки таблиці, в яких стоїть прочерк, відповідають тим розрахунковим значенням об’ємів акумульованого за один робочий хід поршня розчину, що мають величину меншу ніж 1 см3. У цих випадках, згідно результатів чисельних випробувань, для остаточного зняття пульсації тиску вистачає гумовотканинного рукава, що поєднує діафрагмовий компенсатор із соплом, яким проводиться нанесення штукатурного розчину.

а) б)

Рисунок 12 – Діаграми зміни тиску розчину на вході (а) та на виході (б) з діафрагмового компенсатора пульсації тиску для осадки конуса 9 см при продуктивності розчинонасоса 4 м3/год

Таблиця 2 – Теоретичні (чисельник виділений жирним шрифтом) та експериментальні (знаменник) результати визначення товщини пружних елементів діафрагмового компенсатора

Діаметр гумовотканинної напірної магістралі, d, мм | Продуктивність розчинонасоса, | Продуктивність розчинонасоса,

ОК 8 см | ОК 9 см | ОК 10 см | ОК 8 см | ОК 9 см | ОК 10 см

Товщина пружних елементів, h, мм | 38 | 37/33 | 19/17 | 11/9 | 19/15 | 9/9 | 8/9

50 | - | 51/49 | 47/39 | - | 42/39 | 22/20 |

Аналіз цих даних показав, що у більшості випадків для зняття пульсації необхідна дещо менша ніж розрахункова товщина діафрагм, причому різниця між розрахунковими та дослідними даними зростає при збільшенні діаметра напірного трубопроводу. Це пояснюється тим, що при розрахунках товщини гумових діафрагм використовується значення модуля пружності матеріалу, який відповідає суцільним діафрагмам. Але, зважаючи на те, що діафрагми являють собою декілька шарів гумових кіл, які виготовляються з автомобільних камер, і мають товщину 3 мм, а підбір необхідного її значення досягається шляхом додавання або видалення певної кількості шарів, необхідно внести корективи в значення показника модуля пружності. Тому, автор рекомендує при проведенні розрахунків користуватись уточненим значенням показника модуля пружності гумових діафрагм розроблюваного компенсатора пульсації тиску, а саме: Па, що дасть можливість одержувати достовірні розрахункові дані з визначення товщини гумових діафрагм розроблюваного компенсатора.

Четвертим етапом експериментальних досліджень було вивчення впливу на ефективність функціонування розробленої безкомпресорної прямоточної форсунки параметрів процесу механізованого набризкування будівельних розчинів.

Для проведення досліджень автором сконструйований спеціальний стенд (рис. 13), що складається з розчинозмішувача 1, з’єднаного усмоктувальним патрубком 2 з диференціальним розчинонасосом РН-2;4 – 3, напірної магістралі 4, що підводить розчин під тиском від насоса до безкомпресорної прямоточної форсунки 5, фрагмента цегляної кладки 6, спорудженого в лабораторних умовах, що імітує реальні умови проведення набризкування, мірного лотка 7 з поліетиленовою плівкою, на який потрапляє розчин, що відділився від оброблюваної поверхні, діафрагмового компенсатора 8, що знімав остаточну пульсацію тиску, та тарувальної ємності 9.

В процесі експериментів визначався рівень втрат розчину, що пішов у відскок, залежно від основних параметрів проведення даного процесу.

При проведенні експериментів автором обраний трьохрівневий нелінійний план проведення експерименту для k=3. Під час проведення бралися наступні позначення змінних параметрів соплування: – рухливість розчину; ОК, см; – швидкість виходу розчину із сопла форсунки; ; м/с; – відстань до оброблюваної поверхні, L, м.

Рисунок 13 – Стенд для визначення ступеня відпадання розчину при механізованому оштукатурюванні оброблюваних поверхонь

В результаті статистичної обробки експериментів автором одержане рівняння, яке пов’язує величину відскоку розчину з параметрами проведення механізованого оштукатурювання оброблюваних поверхонь:

(13)

Після відповідних перетворень рівняння (13) набуває вигляду

(14)

На рис. 14 наведено типову криву, що побудована на основі одержаного рівняння.

Аналіз кривих, що одержані за допомогою рівнянь (13-14) дозволив виявити оптимальні значення параметрів нанесення штукатурних розчинів розробленою безкомпресорною прямоточною форсункою. Для штукатурних розчинів з осадкою стандартного конуса ЦНИИЛ 8, 9 та 10 см найменший ступінь відскоку досягається при швидкості вильоту часток розчину з сопла форсунки 5,7 м/с та відстані до оброблюваної поверхні від 0,3 до 0,45 м.

При цьому, для штукатурних розчинів рухомістю 8 см ступінь відскоку має значення , для рухомості 9 см – , для рухомості 10 см – .

Рисунок 14 – Залежність ступеня відскоку розчину від відстані до оброблюваної поверхні при швидкості вильоту часток із сопла форсунки u=5,7 м/с: 1 – для розчину рухомістю ОК 8 см; 2 – для ОК 9 см; 3 – для ОК 10 см.

Слід відмітити, що при проведенні соплування можливі випадки, коли з тих чи інших причин неможливо забезпечити вказані значення оптимальних параметрів. У цих випадках перед початком робіт необхідно провести аналіз залежностей, що наведені вище, та обрати оптимальний із можливих варіант.

У четвертому розділі описується створений і випробуваний ефективний комплекс для трубопровідного транспортування та нанесення штукатурних розчинів на оброблювані поверхні, який складається з диференціального розчинонасоса РН-2;4 у складі штукатурної станції СШ-4, напірної магістралі та розроблених: діафрагмового компенсатора пульсації тиску та безкомпресорної прямоточної форсунки.

Представлена конструктивна схема та основні технічні параметри розроблених: діафрагмового компенсатора пульсації тиску КД-4/2 та безкомпресорної прямоточної форсунки БПФ-4 (рис. 15-16).

Рисунок 15 – Діафрагмовий компенсатор пульсації тиску