будівництва та архітектури

Непорожнев Олександр Сергійович

УДК 693.5+621.651

Двопоршневий розчинобетононасос із примусовим завантаженням

спеціальність 05.05.02 – машини для виробництва

будівельних матеріалів і конструкцій

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор Ємельянова

Інга Анатоліївна, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри механізації будівельних процесів.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор Назаренко

Іван Іванович, Київський національний університет будівництва та архітектури, завідуючий кафедрою машин і обладнання технологічних процесів;–

кандидат технічних наук, доцент Надобко

Віталій Борисович, Полтавський національний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, доцент кафедри будівельних машин і обладнання.

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “19” червня 2007 р. о 1430 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розіслано “19” травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради | _____________ О.Ю. Крот

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних умовах будівництва в Україні різко зросла потреба в малогабаритному обладнанні як при зведенні нових будинків і споруд, так і при ремонті й реконструкції діючих. Тому створення малогабаритного універсального обладнання є проблемою актуальною. Одним з ефективних способів використання такого обладнання є спосіб мокрого торкретування, який характеризується такими перевагами:

-зниженим пилоутворенням;

-можливістю проведення робіт у стиснених умовах;

-мінімальним відскоком;

-можливістю вторинного використання суміші, що потрапила до відскоку.

Однак проблема створення розчинобетононасосів, працюючих на малорухомих бетонних сумішах (П=4...6см), тепер вирішена частково. Створення машин, що дозволяють використовувати такі суміші без додаткових пристроїв і апаратів у технологічній магістралі, дозволить суттєво підвищити якість бетонних покриттів, що наносяться на поверхні, які бетонуються.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до теми державної реєстрації № 01000U000224 “Розробка теоретичних основ створення ефективних органічних та неорганічних матеріалів, нових технологій i обладнання для захисту i ремонту споруд відведення та інших будівельних конструкцій”.

Мета і завдання дослідження. Створення двопоршневого розчинобетононасоса для малорухомих бетонних сумішей з підвищеним об’ємним к.к.д. за рахунок примусового завантаження горизонтально розташованих гідроциліндрів і зниженою пульсацією завдяки використанню в приводі кулачків з оптимізованим профілем.

Для досягнення мети були сформульовані такі завдання:

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження – процес заповнення бетононасоса малорухомою бетонною сумішшю.

Предмет дослідження – двопоршневий розчинобетононасос із примусовим завантаженням.

Методи дослідження. Для вирішення завдання завантаження робочого циліндра насоса бетонною сумішшю й подачі її до магістралі використані методи диференційного обчислення. За допомогою тензорного обчислення визначені міцнісні характеристики елементів примусового завантаження. Реалізовано теорію диференціальної геометрії для розробки профілю кулачка за неоїдами. Для сполучення неоїд у точках розриву неоднорідності похідної використаний метод кубічної сплайн інтерполяції, апроксимації дельта функції за допомогою кривої Пуассона. Використано методи експериментальних досліджень для оцінки адекватності теоретичних розробок. Проведено статистичну обробку експериментальних даних, використаний планований експеримент при визначенні основних параметрів двопоршневого розчинобетононасоса й технологічних особливостей подачі малорухомих бетонних сумішей.

Наукова новизна отриманих результатів. Визначено умови й розроблені теоретичні основи максимального заповнення робочого гідроциліндра розчинобетононасоса малорухомою будівельною сумішшю за рахунок її примусового завантаження при зниженій нерівномірності подачі завдяки використанню в приводі кулачків оптимізованого профілю. Науково обґрунтовано надійність роботи шнека консольного виконання нагнітального пристрою примусового завантаження.

Практичне значення отриманих результатів. Двопоршневий розчинобетононасос із примусовим завантаженням використовувався для проведення торкрет-робіт способом мокрого торкретування при реконструкції фасаду будинку Обленерго в м. Харкові. Підрядником виконаних робіт була фірма ТОВ "Союз".

Результати досліджень використані в курсовому й дипломному проектуванні, висвітлюються при читанні лекцій і проведенні практичних занять за спеціальним курсом: "Устаткування технологічних комплексів".

Особистий внесок здобувача. Результати, які отримані здобувачем самостійно:

-розроблена конструкція двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням і кулачковим приводом;

-запропонована теорія диференціальної геометрії для розробки профілю кулачка за неоїдами;

-знайдені критерії оптимізації технологічних параметрів двопоршневого розчинобетононасоса;

- одержані результати експериментальних досліджень;

-розроблено методики: розрахунку основних параметрів двопоршневого розчинобетононасоса, міцності консольного шнека примусового завантаження;

-визначення оптимізованого профілю кулачка приводу двопоршневого розчинобетононасоса.

В статтях, що опубліковані в співавторстві, здобувачем виконано особисто: в роботі [1] - розрахунок миттєвої швидкості переміщення робочого поршня й аналіз знайдених значень; в роботі [2] - запропоновано й обґрунтовано принципову схему розчинобетононасоса; в роботі [3] - проаналізовано традиційні методи заповнення циліндра насоса з погляду гідродинаміки; в роботі [4] - обґрунтовано необхідність інтенсифікації подачі малорухомих бетонних сумішей у розчинобетононасосі; в роботі [5] - запропоновано підхід до створення кулачкових приводів шляхом оптимізації величин прискорень поршнів насоса; в роботі [6] - дослідження процесів, що відбуваються в бетононасосах при торкрет-роботах; в роботі [7] - обґрунтування ефективності використання розчинобетононасосів в умовах будівельного майданчика; в роботі [8] - запропоновано розрахункову схему устаткування пневматичного набрызга; в роботі [9] - проаналізовано конструкцію пропонованого розчинобетононасоса; в роботі [10] - огляд устаткування використовуваного для роботи з малорухомими будівельними сумішами; в роботі [11] - аналіз взаємодії лопаті шнека з бетонною сумішшю; в роботі [12] - проаналізовано різні види нового малогабаритного обладнання для робіт з бетонними сумішами; в роботі [13] - виконано обробку експериментальних даних й одержано рівняння регресії залежності швидкості витікання бетонної суміші з вивантажувального отвору бункера; в роботі [14] - запропоновано новий профіль кулачків у приводах розчинобетононасосів; в роботі [15] - запропоновано підхід до створення кулачкових приводів на базі аналізу допустимих напружень на штоки роликоопір; в роботі [16] - запропоновано конструкцію роликоопори яка взаємодіє з кулачковим валом; в роботі [17] - запропоновано конструкцію кулісного механізму; в роботі [18] - запропоновано схему розташування й конструкцію ворушителя.

Апробація результатів дисертації. Основні розділи дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (2001-2006 рр.), міжнародній конференції “Heavy Machinery” (Kraljevo, Yugoslavia, 2001); “Інтербудмех-2001” (Санкт-Петербург, 2001р.), “Інтербудмех-2002” (Могилев, 2002р.); VIII Міжнародній науково-технічній конференціі “Вібрації в техниці та технологіях” (Львів, 2006р.), ІІ Міжнародному науково-практичному семінарі “Методи підвищення ресурсомістких інженерних інфраструктур” (Харків, 2006), Науково- практичному семінарі “Технологія та механізація будівельних робіт” м. Київ, 2006.

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 15 наукових статтях, у тому числі в 5 наукових збірниках, що входять до переліку ВАК, отримано 3 патенти на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 161 сторінок, містить 87 рисунків, 31 таблицю, список використаних джерел з 62 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження, вказано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено аналітичний огляд існуючих сучасних розчинонасосів і розчинобетононасосів, аналіз відомих робіт Баранова А.М., Бовіна Г.П., Дюженка М.Г., Ємельянової І.А., Івґянського, Г.В., Онищенка О.Г., Марчукова Н.С., Соколова К. М., Соколовського Д. І., Шарова І. І., Шипилова А.П., Шиповського Н. П., та ін.

Встановлено, що бетонні суміші мають властивості твердого й рідкого тіл одночасно й описуються законами рідини Бінгама.

Виявлено, що конструкції робочих камер існуючих насосів мають загальний недолік, пов'язаний зі зниженою всмоктувальною здатністю матеріалу. Промислові двопоршневі насоси, що виготовляються, мають складну конструкцію, низький об'ємний к.к.д., а також імпульсивно працюють без додаткового устаткування. Виходячи з цього, сформульовано мету і основні задачі досліджень.

У другому розділі подані теоретичні дослідження поведінки бетонної суміші при роботі розчинобетононасоса, запропановано підвищення об’ємного к.к.д. насоса завдяки використанню нагнітально-перемішуючого пристрою.

Всі поршневі насоси працюють за рахунок розрідження. Малорухомі бетонні суміші характеризуються підвищеною динамічною в'язкістю, що не дає можливості перекачувати малорухомі бетонні суміші існуючими розчинобетононасосами.

У результаті процесу фільтрації рідкої фази з бетонної суміші різко змінюються її реологічні характеристики. Створюються зони, де бетонна суміш зневоднена й практично нерухома (утворюються пробки).

Потрібні нові підходи для створення машин, які б забезпечили найбільш повне заповнення робочого циліндра насоса бетонною сумішшю при збереженні її властивостей.

Одним із шляхів підвищення ефективності роботи розчинобетононасоса є розробка таких технічних рішень, які б дозволили забезпечити максимальне заповнення бетонною сумішшю робочого циліндра насоса при досить невисокому значенні абсолютної величини тиску розрідження Ррозр, в умовах, коли не відбувається зміна реологічних характеристик і інших властивостей бетонної суміші.

Кардинальним рішенням зниження тиску розрідження є створення додаткового тиску на вході всмоктувального клапана, що може забезпечити встановлений на виході із завантажувального бункера напірний шнек, який виконує дві функції:

1) у період заповнення робочого циліндра насоса бетонною сумішшю створює додатковий тиск на вході до всмоктувального клапана, і тим самим збільшує швидкість і повноту заповнення;

2) у період нагнітання поршнем робочого циліндра створює циркуляційний рух бетонної суміші й завдяки ворушителю підтримує суміш у зваженому стані, запобігає її розшаровуванню й зберігає в стані тиксотропного розрідження.

Примусове завантаження робочого циліндра за допомогою напірного шнека дозволило знизити тиск розрідження в робочому циліндрі при його завантаженні й запобігти ефекту фільтрації рідкої фази бетонної суміші, який має місце в існуючих конструкціях насосів.

На кафедрі механізації будівельних процесів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури спроектовано і виготовлено дослідно-лабораторний зразок двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням і кулачковим приводом (рис. 1). Насос має робочий і компенсаційний поршні, кулісу, що опирається на ролики, які пов'язані зі штоками поршнів і перебувають у безпосередньому контакті із профільними кулачками.

Порівно з відомими розчинобетононасосами запропонований привод насоса дозволяє знизити нерівномірність руху поршнів у циліндрах насоса й розробити насос із мінімально можливою нерівномірністю подачі бетонної суміші до його робочого циліндра. Запропонована конструкція насоса дозволяє підвищити к.к.д.

Новий розчинобетононасос призначається для роботи як на бетонних сумішах різної рухливості, насамперед, малорухомих, так і на будівельних розчинах різної рухливості. Конструкція такого насоса захищена трьома патентами України.

У робочій камері насоса бетонна суміш перебуває або під надлишковим тиском, або під розрідженням. Цементний гель, що перебуває під тиском, який перевищує опір його структури стиску, буде деформуватися в тому випадку, якщо відбувається віджаття повітря. Однак у період нагнітання при відкритому нагнітальному клапані насоса зміна однорідності бетонної суміші не відбувається і її в'язкість, при цьому, мало змінюється.

Рис.1. Схема двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням

1- електродвигун; 2- редуктор; 3,4- профільні кулачки; 5- приводний вал; 6- роликоопори; 7- куліса; 8- компенсаційний циліндр із поршнем; 9- нагнітальний клапан; 10- робочий циліндр із поршнем; 11- всмоктувальний клапан; 12- ворушитель 13- горизонтальний шнек; 14- завантажувальний бункер; 15- клиноремінна передача.

Зовсім інша картина спостерігається в період заповнення робочого циліндра бетонною сумішшю при всмоктуванні, що характеризується розрідженням. Швидкість фільтрації рідини із шару бетонної суміші виражене залежністю:

(1)

де h- товщина шару бетонної суміші;

лф0- коефіцієнт фільтрації Дарсі;

Рh- тиск товщини шару бетонної суміші;

Ррозр- тиск розрідження, який створюється у робочому циліндрі.

Аналіз рівняння показує, що збільшення тиску сприяє значному збільшенню фільтрації цементного гелю з бетонної суміші й збільшенню зони витягу повітря, що приводить до зміни однорідності бетонної суміші, яка перекачується, а також зниженню швидкості надходження бетонної суміші до циліндра насоса. Це негативне явище ліквідується пристроєм примусового завантаження в запропонованій конструкції розчинобетононасоса (рис.2).

Для забезпечення рухливості часток бетонної суміші в бункері потрібна підтримка розрідженого стану цементного гелю. В основі механізму оборотної тиксотропії гелів лежить явище резонансу, що відбувається при близькому збігу частот змушених коливань із частотами власних коливань часток твердої фази. При цьому, чим менше води в цементному гелі й міцніше в ньому структурні зв'язки, тим частота коливань зовнішньої сили повинна бути вищою. Із цих позицій, для підтримки бетонних сумішей зазначеної рухливості в бункері у зваженому стані й для подальшої примусової подачі її до робочої камери розчинобетононасоса під його бункером встановлено горизонтальний шнек 2. Крім того, у корпусі шнека є кишеня 3 (рис.2), що підсилює ефект відносної рухливості часток суміші при їхній подачі до всмоктувального клапана насоса.

У процесі переміщення бетонної суміші її динамічна в'язкість змінюється й залежить від однорідності складу й зміни характеристик цементного гелю, що входить до розчинної складової. Проаналізувавши поведінку часток бетонної суміші, можна прийняти, що діаметри сегрегацій, які створені із дрібних фракцій цементу, досягають 30мкм. У такому випадку гранична напруга зсуву для суміші рухливістю П=4…6 см становить ф0=150–200 МПа, частота власних коливань -щ0=10-12 с-1.

У процесі роботи розчинобетононасоса коливання випробовують не тільки частки бетонної суміші, але й напірний шнек, що має консольне виконання. У зв'язку з коливаннями виникає питання надійності роботи шнека в насосі.

Питання розрахунку міцності шнекових елементів висвітлені в літературі недостатньо. Існуючі аналітичні залежності носять, в основному, досить наближений характер, обмежені громіздкими рівняннями, застосування яких для практичних цілей є дуже складним.

Розглянемо шнек, що здійснює коливання вздовж своєї осі. Досліджуємо напруги, що виникають у лопатях шнека. У межах лінійного розгляду завдання у залежності для тензора деформації Uik через вектор зсуву Ui нехтуємо величиною другого порядку , .

(2)

Оскільки товщина лопаті шнека досить мала порівняно з його діаметром, її можна розглядати як тонку пластину, на яку діє сила Р, що розкладається на нормальну N і тангенціальну Т складові.

Завдання зводиться до визначення тензора напруг уPik у лопатях шнека. В межах лінійного розгляду завдання ці сили внесуть адитивний внесок у тензор, який визначаємо. Їх можна розглядати незалежно.

(3)

Сила . Пов'язані з нею тензор напруг і тензор деформацій виражаються один через один таким чином:

, (4)

де Е-модуль пружності,

у-коефіцієнт Пуассона (нетрадиційне позначення викликане тим, що символ м використаний для позначення динамічної в'язкості бетонної суміші).

Запишемо в циліндричних координатах рівняння, якому підкоряється z- компонента вектора зсуву , що залежить від радіуса r:

, (5) -оператор Лапласа (6)

де с-щільність металу, g-прискорення сили ваги, h-товщина лопаті шнека, А-амплітуда коливань шнека, f-частота коливань шнека вздовж осі.

Кут б виражається через крок шнека S і відстань r до його осі такою залежністю:

(7)

При цьому, помилка зроблених розрахунків може бути визначена відповідно до залежності (8):

(8)

Загальне рішення рівняння (2) має вигляд: (9)

Тензор деформації й тензор напруг через функцію о (r) мають вигляд:

, (10) , (11)

, (12) (13)

(14) (15)

Розглянемо вплив сили Т. Оскільки вона діє в площині лопаті, то напруги, що виникають у ній, мабуть, будуть невеликими. Компоненти тензора напруг будуть, очевидно, набагато менші за відмінні від нуля компоненти (r). Тому для оцінки , нехтуючи циліндричною формою, розглянемо плоский аналог.

Рішення записується таким способом:

, (16)

Тензор деформації має вигляд

(17) (20) (18)

а тензор напруг - (19)

На вільному краї граничною умовою є й, отже: (20)

Для шнека двопоршневого розчинобетононасоса з параметрами:

r0=0.01 м; R=0.05 м; H=0.05 м; h=0.003 м; A=0.0015 м; f=3 сек-1; E=2.1011Н/м2; у=0.3 компоненти тензора деформацій у точці r=r0 мають такі значення =433?104 Н/м2; =13?105 Н/м2.

Гранично допустимі напруження при вигині й крутінні для легованих конструкційних сталей становлять [уз]=570104Н\м2 і [кр]=36105Н\м2. Помилка д, обчислена за формулою, становить 2%. Порівняння отриманих , з [уз] з і [кр] свідчить про надійну роботу лопатей шнека при зазначених робочих параметрах.

Таким чином, методика розрахунку міцності елементів шнека примусового завантаження науково обґрунтована.

Експлуатація існуючих бетононасосів при перекачуванні бетонних сумішей по трубопроводах показує, що виникаюча нерівномірність подачі лише частково ліквідується за допомогою різних додаткових пристроїв. Особливо гостро ця проблема стоїть при перекачуванні бетонних сумішей рухливістю 4-5см. Із цих позицій визначення раціонального профілю кулачка вала при роботі розчинобетононасоса є актуальною проблемою.

Профіль приводного кулачка двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням побудований за неоіде (узагальнений вид спіралі Архімеда). Пропонується створення кулачкового механізму починати з аналізу виникаючих навантажень і визначення допустимих напружень. Допустимі напруження дозволяють задати максимальні значення прискорень поршнів і після двох інтегрувань одержати закон переміщення поршнів, за яким розроблено профіль приводних кулачків.

Визначення функції руху найбільш раціонально знайти з використанням кубічного сплайна, тому що кубічні сплайни мають високу апроксимаційну здатність і просто аналітично інтегруються.

Для наближення функції ду(x) будемо використовувати сплайни в такій постановці.

х([a,b]. Відрізок розбивається на N частин:

Задається таблиця інтерполяції:

Сплайн функція S(x) визначається такими умовами:

1) Для будь-якого х[ хi-1, хi] сплайн є поліномом третього ступеня:

2) S(x)C2[a,b];

3) Задані S(xi)=fi i=0…n;

Задані

4) S'(a)= g; S'(b)= g ;

де із властивостей ду(x) g =0.

Умови (1-4) визначають сплайн єдиним образом.

S''(x) – безперервна, кусочно-лінійна функція. Для зручності розглянемо величини Mi =s (xi). Оскільки функція s (xi) лінійна на ділянці [хi-1, xi], те

hi = xi - xi-1.

У силу безперервності похідної у крапці xi і приведення їй подібних одержуємо:

;

(21)

При системі CM=d

рівняння з n+1-м невідомим має вигляд:

Розв’язуючи систему рівнянь CM=d методом прогону для 3-х діагональних матриць визначаємо вектор М. Підставивши вектор М до рівняння (21), одержимо координати, аналізуючи які знаходимо залежність для визначення прискорення переміщення поршнів. Подвійне інтегрування цієї залежності дозволяє визначити переміщення поршнів.

Для розрахунку профілю кулачка розроблено програму, що дозволяє провести оцінку спектра залежностей прискорення поршня з погляду мінімізації неоднорідності подачі.

Відповідно до цієї програми розрахований і згладжений профіль кулачка при припустимому прискоренні аmax=2,5 представлено на рис. 3.

Рис.3. Згладжений профіль кулачка при припустимому прискоренні аmax=2.5

Вищевикладений підхід був реалізований при створенні двопоршневого диференціального насоса з кулачковим приводом і примусовим завантаженням, що дозволило знизити нерівномірності подачі бетонних сумішей рухливістю 6…7 см порівняно з існуючими на 5%.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням.

У результаті проведення досліджень визначена залежність для визначення тиску, який створює шнек завантажувального пристрою перед всмоктуючим клапаном.

kб.с- коефіцієнт, що враховує неідентичність умов витікання бетонної суміші;

L- відстань, на яку подається струмінь бетонної суміші, м;

g - прискорення вільного падіння, м/с2;

с- середня щільність бетонної суміші, кг/м3;

H - висота стовпа бетонної суміші, що створює надлишковий тиск, м.

Це дозволяє розрахунок тиску для нового розчинобетононасоса робити за спрощеною залежністю порівняно з існуючою для вже діючих розчинобетононасосів. Помилка не перевищує 5 %.

Рис. 4. Двопоршневий розчинобетононасос із примусовим завантаженням.

Для вивчення процесу руху бетонних сумішей різного складу в зоні примусового завантаження насоса, при максимальному заповненні шнека, на першому етапі були проведені дослідження з виявленням раціональних конструктивних параметрів.

В якості досліджуваної функції була прийнята швидкість витікання бетонної суміші з вивантажувального отвору бункера Y, що залежить від таких факторів:

Х1- висота заповнення бункера бетонною сумішшю, Н (см);

Х2- рухливість бетонної суміші, П (см);

Х3- кут нахилу стінок бункера, б (град) до осі симетрії.

У результаті обробки експериментальних даних отримане адекватне рівняння регресії, що відбиває залежність швидкості витікання бетонної суміші з вивантажувального отвору бункера відносно вищевказаних факторів.

Y = 68,152 – 15,070x1 + 29,678x2 – 6,412x3 – 10,859x12 – 4,424x22 – 2,730x32 (22)

Рівняння (22) дозволяє проаналізувати вплив окремих факторів на функцію і визначити раціональні параметри бункера насоса при його максимальній продуктивності на малорухомих бетонних сумішах.

Залежності швидкості витікання бетонної суміші через вивантажувальний отвір бункера від різної висоти заповнення бункера бетонною сумішшю представлені на рис. 5.

Рис. 5. Залежності швидкості витікання бетонної суміші через вивантажувальний отвір бункера від різної висоти заповнення бункера бетонною сумішшю У=f(х1).

Максимальна швидкість витікання малорухомих сумішей з вихідного отвору завантажувального бункера спостерігається у випадку, коли висота заповнення сумішшю бункера не перевищує H = 0.25 м. Причому, зі збільшенням кута нахилу стінок бункера діапазон звужується, що, очевидно, пояснюється ускладненням умов сповзання суміші з його стінок. При роботі розчинобетононасоса на сумішах більшої рухливості висота завантаження може бути збільшена до Н=0.3м.

Наведені криві дозволяють обґрунтувати конструктивні параметри завантажувального бункера розчинобетононасоса. Зокрема, висота бункера в межах 0,3 м дозволяє використати насос при роботі на малорухомих сумішах.

Залежності швидкості витікання суміші через вихідний отвір бункера від рухливості бетонних сумішей, що використовуються, представлені на рис. 6.

Рис. 6. Залежності швидкості витікання суміші через вихідний отвір бункера від рухливості використовуваних бетонних сумішей У=f(х2)

Характер кривих (рис. 6) свідчить про різке зростання швидкості витікання зі збільшенням рухливості бетонної суміші. При цьому, слід зазначити, що в умовах, коли інші розчинобетононасоси не працюють на сумішах рухливістю П = 4,5...5 см, насос із кулачковим приводом і примусовим завантаженням такі суміші перекачує і взагалі експлуатується зі значно більшей продуктивністю порівняно з насосами без примусового завантаження (рис.7).

Рис. 7. Залежність продуктивності розчинобенонасоса від рухливості бетонної суміші.

Характер залежності швидкості витікання з бункера від кута нахилу стінок бункера ілюструють графіки (рис.10).

Рис.8. Залежності швидкості витікання з бункера від кута нахилу стінок бункера У=f(х3)

Для роботи на малорухомих сумішах кут нахилу стінок бункера б не слід робити більш 25°, рекомендуємий діапазон - 15...25°.

Проведені дослідження дозволили обґрунтовано підійти до конструювання завантажувального бункера розчинобетононасоса із примусовим завантаженням за умови, що він може експлуатуватися на малорухомих сумішах з максимально можливою для цих умов продуктивністю.

Нерівномірність подачі бетонної суміші до робочого простору розчинобетононасоса досліджувалась за допомогою комплекта обладнання, до якого були включені: тензодатчик, перетворювач сигналу, тензостанція і портативний комп’ютер. Нерівномірність складала не більше 10 % порівняно з діючими розчинобетононасосами, у яких цей параметр може доходити до 25 %.

У ході проведених досліджень при різних умовах роботи розчинобетононасоса визначені раціональні параметри його найбільш ефективного використання.

Рис. 9. Залежності показників ефективності роботи розчинобетононасоса від рухливості бетонної суміші (П). | Рис. 10. Залежності показників ефективності роботи розчинобетононасоса від частоти обертання шнека (n).

Рис. 11. Залежності показників ефективності роботи розчинобетононасоса від діаметра сідла клапана (d). | Рис. 12. Залежності показників ефективності роботи розчинобетононасоса від кута збіжності конфузора клапана (ц).

Рис. 13. Залежності показників ефективності роботи розчинобетононасоса від кута атаки ворушителя (б). | Рис. 14. Залежності показників ефективності роботи розчинобетононасоса від площини перетину кишені (F0).

Найбільш сприятливі умови роботи розчинобетононасоса на малорухомих бетонних сумішах отримані при: частоті обертання шнека n= 78-96 хв-1, діаметрі сідла клапана d= 47-55мм., куті збіжності конфузора ц= 14-18°, куті атаки ворушителя б = 22-30°, площі перетину кишені F0= 13-15%.

Таким чином, виконані теоретичні та експериментальні дослідження підтвердили передумовні допущення та гіпотези, дозволили сформулювати основні принципи створення двопоршневого розчинобетононасоса і запропонувати інженерні методики розрахунків таких машин. Очікуваний економічний ефект при використанні двопоршневого розчинобетононасоса складає 51725 грн/рік. Розроблений двопоршневий розчинобетононасос упроваджено при реконструкції фасаду будинку Обленерго в м. Харкові.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що існуючі розчинобетононасоси не здатні ефективно працювати на малорухомих бетонних сумішах.

2. Обгрунтовано необхідність установки на розчинобетононасосі завантажувально-перемішуючого пристрою з напірним шнеком, який виконує функції примусового завантаження малорухомими бетонними сумішами і забезпечує підвищений к.к.д. машини. Вивчено процеси заповнення робочої камери насоса бетонною сумішшю на такті всмоктування.

3. Обгрунтовано наукову методику розрахунку міцності напірного шнека при примусовому завантаженні, якій досліджувався як коливальна система.

4. Оптимізовано профіль кулачків приводного вала насоса, що дозволило звести до мінімуму нерівномірність подачі суміші до транспортної магістралі.

5. Експериментально встановлено, що за рахунок наявності кишені в корпусі насоса завантажувального бункера спостерігається циркуляція бетонної суміші, яка підтримує ії тиксотропне розрідження; знайдено залежність для визначення надлишкового тиску, необхідного для максимального заповнення робочого циліндра насоса малорухомою сумішшю.

6. Побудовано адекватні математичні моделі для визначення: об’ємного к.к.д. насоса зоб, витрат потужності на перекачування бетонної суміші Nдв, розшарування бетонної суміші та її пульсації. Виявлено раціональні умови використання двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням на малорухомих бетонних сумішах. При рухливості бетонної суміші П=4-6см: об’ємний к.к.д. – 0,5...0,62, витрати потужності на перекачування малорухомої бетонної суміші – 2,8...3,6 кВт; розшарування бетонної суміші – 0,95...2,2 %, пульсація бетонної суміші – 3,5...2,4 %.

7. Підтверджено працездатність двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням і кулачковим приводом при використанні зазначеної машини в умовах реконструкції фасаду будинку Обленерго за адресою: м. Харків, вул. Плеханівська, 126.

8. Економічний ефект від використання нового розчинобетононасоса на малорухомій бетонній суміші (П=5см) в умовах реконструкції Обленерго склав 51725 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С. Двухпоршневой растворобетононасос с кулачковым приводом и возвратной кулисой. // Науковий вісник будівництва. Вип.13, Харків, 2001.

2. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С., Никонов Д.В. Новое оборудование для торкрет-работ. // Сб.трудов международной конференции “Интерстроймех-2002”. – Могилев: МГТУ, 2002.

3. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С., Грачев Ф.А. Пути повышения объемного к.п.д. двухпоршневого растворобетононасоса. // Науковий вісник будівництва. Вип. 18 Харків2002.

4. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Непорожнев А.С. Теоретические предпосылки для принудительной загрузки бетонной смесью поршневых насосов // Науковий вісник будівництва. Вип. 21 Харків 2003.

5. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Непорожнев А.С. Предпосылки для снижения неравномерности подачи малоподвижных бетонных смесей поршневыми насосами. // Науковий вісник будівництва. Вип. 23 Харків 2003.

6. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Непорожнев А.С., Рыбалко Р.И., Саханенко П.В. Интенсификация рабочих процессов оборудования для строительства. // Сборник трудов международной научно- технической конференции "Интерстроймех 2003". Волгоград, 2003.

7. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Непорожнев А.С., Никонов Д.В. Технологические комплекты оборудования для ремонта и реконструкции зданий и сооружений // Сборник трудов 4 международной

н-фактич. конференции. Львов, 2003.

8. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Непорожнев А.С., Никонов Д.В. Особенности оборудования пневматического набрызга для условий строительства // Ж. “Промислова гідравліка і пневматика”. Вінниця, 2003.

9. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С. Технологический комплект оборудования для торкрет-работ с использованием двухпоршневых растворобетононасосов // Зб. наукових праць. Вісник криворізького технічного університету. Кривий Ріг, 2004.

10. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Блажко В.В., Непорожнев А.С. Оборудование для работы на малоподвижных смесях в условиях строительной площадки // Труды международной н-т. конференции “Интерстроймех-2004”, Воронеж,2004.

11. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С. Теоретические исследования принудительной загрузки двухпоршневого растворобетононасоса при работе на малоподвижных смесях // Науковий вісник будівництва. Вип. 28 Харків 2004.

12. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С., Грачев Ф.А. Пути совершенствования малогабаритного оборудования для условий строительной площадки // Труды 5-й международной конференции по строительным машинам. Кралево (Сербия), 2005.

13. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожный А.А., Непорожнев А.С. Определение условий рациональной загрузки бункера растворобетононасоса с принудительной загрузкой при работе на малоподвижных смесях // Науковий вісник будівництва. Вип. 32 Харків 2004.

14. Емельянова И.А., Баранов А.Н., Непорожнев А.С. Интенсификация работы растворобетононасоса на малоподвижных строительных смесях // Збірник наукових праць. Серія: Галузеве машинобудування. Будівництво. Вип. 17. Полтава, 2006.

15. Емельянова И.А., Баранов А. М., Непорожнев О. С. Особенности привода двухпоршнеового растворо-бетононасоса с принудительной загрузкой. // Науковий вісник Будівництва, Вип. 38 – Харків: ХДТУБА- 2006- с.159- 164.

16. Деклараційний патент на винахід 50924А Двоциліндровий диференційний розчинобетононасос з кулачковім приводом / Емельянова И.А., Баранов А.М., Задорожний А.О., Ніконов Д.В, Непорожнев О.С.

17. Деклараційний патент на винахід 52035А Двоциліндровий розчинобетононасос з кулачковим приводом та зворотньою кулісою / Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожний А.О., Ніконов Д.В., Непорожнев О.С.

18. Деклараційний патент на винахід 59129А Двопоршневий розчинобетононасос з кулачковим приводом та зворотньою кулісою / Емельянова И.А., Баранов А.Н., Задорожний А.О., Непорожнев О.С.

АНОТАЦІЯ

Непорожнев О.С. Двопоршневий розчинобетононасос із примусовим завантаженням. – Рукопис.

Пропонується двопоршневий розчинобетононасос із примусовим завантаженням для роботи на різних бетонних сумішах, у тому числі і малорухомих. Поставлені завдання вирішені визначенням умов і розробкою теоретичних основ максимального заповнення робочого гідроциліндра розчинобетононасоса малорухомою будівельною сумішшю за рахунок її примусового завантаження при зниженій нерівномірності подачі завдяки використанню в приводі кулачків оптимізованого профілю. Обґрунтовано надійність роботи шнека консольного виконання нагнітального пристрою примусового завантаження. Реалізовано конструктивну схему двопоршневого розчинобетононасоса із примусовим завантаженням , новизна якого підтверджена трьома патентами України. Результати роботи впроваджені при реконструкції будівлі Обленерго (м. Харків).

Ключові слова: розчинобетононасос, шнек, кулачок, малорухома бетонна суміш.

АННОТАЦИЯ

Непорожнев А.С. Двухпоршневой растворобетононасос с принудительной загрузкой. - Рукопись.

Предлагается двухпоршневой растворобетононасос с принудительной загрузкой для работы на бетонных смесях различной подвижности, в том числе, малоподвижных, новизна конструкции которого подтверждена патентами Украины.

Проведены исторические исследования поведения бетонной смеси в рабочем цилиндре насоса во время процессов всасывания и нагнетания. Установлено, что процесс фильтрации смеси, который имеет место при заполнении рабочего цилиндра, может быть исключен с помощью дополнительного давления на входе во всасывающий клапан, которое создается установкой на выходе из загрузочного бункера напорного шнека.

Показано, что в процессе работы растворобетононасоса новой конструкции возникают не только колебания частиц бетонной смеси, а так же и напорного шнека, который имеет консольное исполнение нагнетательного устройства принудительной загрузки.

Определен оптимальный профиль приводного кулачка двухпоршневого растворобетононасоса с использованием теории дифференциальной геометрии, позволивший снизить пульсации в насосе, на 5%.

Найдена зависимость для определения величины давления, которое создает шнек нагнетательного устройства перед всасывающим клапаном насоса. Экспериментально установлено, что в загрузочном бункере насоса происходит циркуляция бетонной смеси, поддерживающая ее тиксотропное разжижение, что подтверждает теоретические предпосылки.

Обоснованы конструктивные параметры загрузочно-перемешивающего устройства принудительной загрузки растворобетононасоса.

Выявлены рациональные условия использования двухпоршневого растворобетононасоса с принудительной загрузкой, которыми являются: подвижность бетонной смеси, частота вращения напорного шнека, диаметр седла клапана, угол сходимости конфузора клапана, угол атаки ворошителя.

Двухпоршневой растворобетононасос с принудительной загрузкой использован при реконструкции фасада здания Облэнерго в г. Харькове.

Ключевые слова: растворобетононасос, шнек, кулачок, малоподвижная бетонная смесь.

ABSTRACT

Neporognev A.S. Two-piston concrete-pump with coercive batch.- Manuscript.

Two-piston concrete-pump with coercive batch for work on various concrete mixes, including inactive is developed in the dissertation. Tasks in view are solved by definition of conditions and development of theoretical bases of the maximal filling of the working hydrocylinder concrete-pump an inactive building mix due to its compulsory loading at the reduced non-uniformity of submission due to use in a drive of cams of the optimized structure. Reliability of work screw console execution of the delivery device of compulsory loading is proved. The constructive circuit of two-piston concrete-pump with compulsory loading which novelty is confirmed with three patents of Ukraine is realized. Results of the work are introduced at reconstruction of building Oblenergo Kharkov.

Key words: concrete-pump, screw, cam, an inactive concrete mix.

Підписано до друку 18.05.2007 р. Формат 60?84 1/16

Умов. друк. арк. 1,16 Друк різографія.

Зам. № 1301 Тираж 100 прим.

Підготовлено та надруковано РВВ Харківського державного

технічного університету будівництва та архітектури

61002, м. Харків, вул. Сумська, 40