Экспериментальные исследования электромеханического привода гравитационного бетоносмесителя

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований по определению оптимальной частоты вращения барабана и оптимальных передаточных чисел механических передач электромеханического привода гравитационных бетоносмесителей. Даны рекомендации по применению различных типов приводов в зависимости от сферы использования машин.

Ключевые слова: гравитационный бетоносмеситель, электромеханический привод, модульное конструирование, эксперимент, смесительный барабан, частота вращения, асинхронный электродвигатель, редуктор.

При проектировании электромеханического привода гравитационного бетоносмесителя применен модульный принцип конструирования [1]. Электромеханический привод состоит из отдельных модулей, каждый из которых представляет группу сборочных единиц и может быть заменен в условиях производства и эксплуатации. Это повышает производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичность бетоносмесителя. Данные модули взаимозаменяемы, легкосъемны, пригодны к автономному хранению и транспортированию. Модульный принцип позволяет получать различные по назначению (профессиональные или бытовые) бетоносмесители [2].

Целью данной работы является выявления рационных параметров гравитационных бетоносмесителей на основе экспериментальных исследований вариантов конструктивного исполнения электромеханического привода.

Рассмотрим четыре варианта исполнения (рис.1) электромеханического привода бетоносмесителя, состоящего из электродвигателя и механической передачи [3−7].

Первый вариант — асинхронный электродвигатель переменного тока напряжением 220 V и двухступенчатый цилиндрический редуктор.

Второй вариант — коллекторный электродвигатель постоянного тока напряжением 12 V и червячный редуктор.

Третий вариант — электрическая сверлильная машина (электродрель) с однофазным коллекторным двигателем и открытая цилиндрическая передача.

Четвертый вариант — асинхронный электродвигатель переменного тока напряжением 220 V и открытая цилиндрическая передача.

Рис. 1. — Опытные образцы бетоносмесителей (патентообладатель — Сибирский федеральный университет) [10]:

В модернизированном гравитационном бетоносмесителе профессиональном применяется двухступенчатый цилиндрический прямозубый редуктор с покупными серийно изготавливаемыми зубчатыми колесами модулем 1 мм.

Экспериментальным путем установлено, что при применении электродвигателя марки АВЕ-052−4М мощностью 60 Вт, частотой вращения вала двигателя 1350 об/мин, оптимальное передаточное число для данного редуктора составляет 38±5.

Для модернизированных гравитационных бетоносмесителей бытовых, имеющих в своем приводе электродвигатель марки АВЕ-052−4М мощностью 60 Вт, частотой вращения вала двигателя 1350 об/мин и открытую цилиндрическую передачу, оптимальное передаточное число так же составляет 38±5.

Для модернизированных гравитационных бетоносмесителей бытовых, имеющих в своем приводе съемную ручную электрическую сверлильную машину (электродрель) МЭС-5 и открытую цилиндрическую передачу со стальным зубчатым колесом, нарезанным на фланце барабана, проводились экспериментальные исследования с целью определения оптимального передаточного числа.

На вал электродрели поочередно устанавливались съемные вал-шестерни с числом зубьев Z равным 8, 6, 5 и 4. Число зубьев колеса Z₁ было равным 240. При этом получились 4 вида открытых передач с передаточным числом 30, 40, 48 и 60 соответственно. Испытания проводились при максимально загруженном барабане объемом 52 литра в который вошло 50 кг песчано-гравийной смеси (ПГС).

По результатам эксперимента установлена закономерность (рис. 2), характеризующая зависимость частоты вращения n барабана бетоносмесителя от угла поворота б маховичка регулятора частоты вращения вала электродвигателя при разном числе зубьев шестерни Z.

За оптимальную частоту вращения барабана был принят диапазон от 30 до 40 об/мин барабан вращение привод бетоносмеситель При передаточном числе 30 частота вращения вала дрели составляет 900−1200 об/мин. При такой частоте вращения работа электродрели неустойчивая и маховичком регулятора ее трудно определить и удержать.

При передаточном числе 40 частота вращения вала дрели составляет 1200−1600 об/мин. При такой частоте вращения работа электродрели в меньшей степени неустойчивая и маховичком регулятора ее также трудно удержать.

При передаточном числе 48 частота вращения вала дрели составляет 1440−1920 об/мин. При такой частоте вращения работа электродрели устойчивая и регулятор ее удерживает.

При передаточном числе 60 частота вращения вала дрели составляет 1800−2400 об/мин. При такой частоте вращения работа электродрели устойчивая, регулятор ее легко удерживает. Такая частота вращения близка к максимальной, а это не совсем эффективно.

Рис. 2. — Характер изменения частоты вращения барабана бетоносмесителя n от угла поворота б маховичка регулятора частоты вращения вала электродвигателя при разном числе зубьев шестерни Z

Таким образом, оптимальная частота вращения вала дрели 1500−2100 об/мин, что соответствует передаточному числу открытой передачи 50±5. Число зубьев шестерни Z следует принимать равным 6. Меньшее значение вызывает большие динамические нагрузки в передаче, большее — увеличивает габариты передачи. При числе зубьев вал-шестерни Z = 6 рекомендуется принять число зубьев колеса Z₁ = 300±30.

Применение электродрели в приводе бетоносмесителя позволило провести экспериментальные исследования и определить оптимальную частоту вращения барабанов объемом 50−60 литров и диаметром 400−440 мм.

Как показали экспериментальные исследования, оптимальная частота вращения барабана составляет 36±6 об/мин. При уменьшении частоты вращения менее 30 об/мин, уменьшается производительность процесса перемешивания. При частоте вращения барабана выше 42 об/мин процесс перемешивания замедляется, а при частоте вращения выше 50 об/мин полностью прекращается. Это связано с увеличивающимся воздействием центробежных сил, под действием которых перемешиваемый материал прижимается к стенкам барабана. Такой барабан работает как маховик. Мощность, затрачиваемая на перемешивание, уменьшается. Барабан становится легче крутить. При использовании коллекторных электродвигателей, у которых частота вращения вала зависит от нагрузки, барабан начинает увеличивать частоту своего вращения.

Для экспериментальных исследований нагруженности был выбран модернизированный гравитационный бетоносмеситель бытовой по вариантам 1 и 2 объемом 52 литра. Данные варианты отличаются формой барабана: вариант 1 форма — цилиндрическая, вариант 2 форма — коническо-коническая.

В ходе проведения экспериментальных исследований была выявлена зависимость статического момента сопротивления барабанов перемешиванию песчано-гравийной смеси (ПГС) от количества смеси в барабане гравитационного бетоносмесителя (рис. 3). При этом максимальный статический момент равен 4,5 Нм для цилиндрического барабана и 5 Нм для коническо-конического барабана. Кроме того, была определена максимальная вместимость барабанов — 25 дм³ и масса ПГС — 50 кг.

Ресурсные испытания опытного образца модернизированного гравитационного бетоносмесителя бытового на постоянном токе (вариант 2) проводились при максимальной загрузке ПГС в барабан (50 кг). Бетоносмеситель надёжно проработал расчётный ресурс (200 часов). Состояние червячного металлополимерного колеса, червяка и подшипников редуктора — удовлетворительное.

Адаптация и конструктивная проработка двух видов барабана для привода гравитационного бетоносмесителя, а также использование моторедуктора позволяет расширить номенклатуру применяемых двигателей и сделать сам бетоносмеситель более дешёвым в изготовлении.

Экспериментальные исследования гравитационного бетоносмесителя бытового показали его возможности для приготовления строительных смесей и перемешивания сыпучих материалов, что позволяет рекомендовать бетоносмесители данного типа для использования при строительстве гаражей и коттеджей, при строительных работах на дачном участке, ремонтных и отделочных работах зданий.

Рис. 3. — Зависимость статического момента М сопротивления барабана перемешиванию ПГС от массы m смеси в барабане бетоносмесителя

Варианты исполнения электромеханического привода для гравитационного бетоносмесителя имеют различные кинематические и силовые характеристики. В связи с этим необходимо экспериментально определить рациональные значения частоты вращения барабана, оптимальные передаточные числа механических передач в зависимости от применяемого электромеханического привода.

Как показали экспериментальные исследования, оптимальная частота вращения для барабанов объемом 50−60 литров и диаметром 400−440 мм составляет от 30 до 42 об/мин. При уменьшении частоты вращения менее 30 об/мин уменьшается интенсивность процесса перемешивания. При частоте вращения барабана выше 42 об/мин процесс перемешивания замедляется, а при частоте вращения выше 50 об/мин полностью прекращается. Это связано с увеличивающимся воздействием центробежных сил, под действием которых перемешиваемый материал прижимается к стенкам барабана.

Для электромеханического привода бетоносмесителей применяется три типа электродвигателя. Каждый тип имеет свою частоту вращения.

Для первого и четвертого вариантов привода применяют асинхронный электродвигатель переменного тока напряжением 220 V, мощностью 60 Вт, частотой вращения вала двигателя 1350 об/мин. Частота вращения вала двигателя в номинальном режиме практически не зависит от нагрузки. Рекомендуемое передаточное число для двухступенчатого редуктора и одноступенчатой передачи составляет от 32 до 45, а модуль принимают равным 1 мм.

Для второго варианта привода применяют коллекторный электродвигатель постоянного тока напряжением 12 V, мощностью 40 Вт и червячный редуктор с передаточным числом 59. Частота вращения такого двигателя изменяется в зависимости от нагрузки.

Экспериментальным путем выявлено, что в режиме холостого хода (незагруженный барабан) частота вращения вала электродвигателя составляет 2400 об/мин, в режиме максимальной нагрузки частота вращения электродвигателя составляет 1800 об/мин. При этом частота вращения вала барабана составляет 41 об/мин в режиме холостого хода и 36 об/мин — в режиме максимальной загрузки.

Для третьего варианта привода применяют электрическую сверлильную машину (электродрель) марки МЭС-5, мощностью 450 Вт. В электродрели используют однофазный коллекторный двигатель с регулятором частоты вращения выходного вала дрели от 0 до 2600 об/мин. Данная электродрель применяется в качестве привода открытой цилиндрической передачи с зубчатым венцом, нарезанным на фланце барабана. При этом частота вращения вала двигателя также зависит от нагрузки.

Экспериментальным путем определена оптимальная частота вращения вала электродрели 1500−2100 об/мин, поддерживаемая регулятором частоты вращения. При этом рекомендуемое передаточное число открытой передачи составляет от 45 до 55. Число зубьев шестерни рекомендуется принимать равным 6. Меньшее значение вызывает большие динамические нагрузки в передаче, большее — увеличивает габариты и массу передачи.

В результате проведенных экспериментальных исследований определены рациональные значения: частоты вращения вала барабана, передаточные числа для четырех разработанных вариантов электромеханического привода гравитационных бетоносмесителей.

По результатам исследований рекомендовано к производству первый и четвертый варианты приводов для гравитационных бетоносмесителей промышленного назначения, второй и третий — для бытового применения в качестве механизированного инструмента.

Применение модульного принципа позволило из ограниченного числа функционально законченных и конструктивно согласуемых модулей получить различные по назначению (профессиональные или бытовые) бетоносмесители.

Предложенные в качестве альтернативы четыре варианта электромеханического привода позволят быстро и эффективно перенастроить производство в зависимости от потребления рынком того или иного типа гравитационного бетоносмесителя.

• 1. Кузнецов Г. А., Зяблов С. Ф., Минин В. В. Исследование типоразмеров гравитационных бетоносмесителей по объему барабана // Научное обозрение, 2014. № 6. С.64−70.
• 2. Минин В. В. Концепция повышения эффективности универсальных малогабаритных погрузчиков: монографияКрасноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. — 304 с.
• 3. Исаков В. С., Исакова О. В., Ерейская Е. А. О формировании нагрузочных устройств для мехатронных систем с замкнутым кинематическим контуром // Инженерный вестник Дона, 2012, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/850
• 4. Смирнова П. В. Влияние продолжительности перемешивания на параметры воздухововлечения при изготовлении бетонных смесей // Инженерный вестник Дона, 2008, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2008/89
• 5. Веригин Ю. А., Толстенев С. В. Синергетические основы процессов и технологий — Барнаул: АлтГТУ, 2007. — 160 с.
• 6. Кузнецов Г. А., Брюховецкая Е. В. Разработка и подготовка производства гравитационного бетоносмесителя для обеспечения конкурентных преимуществ экономики Красноярского края // Красноярск: Вестник СибГАУ, 2011. — Вып. 7 (40). — С.108−113.
• 7. Frauke Schorcht, Ioanna Kourti, Bianca Maria Scalet, Serge Roudier, Luis Delgado Sancho Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Cement, Lime and Magnesium Oxide/ Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2013 — P. 506.
• 8. Mark A. Wallace, «Vertical shaft mixers arrive in the U.S.,» Masonry Construction April 1995, pp. 184−188
• 9. William Palmer Jr., Small mortar mixers may meet your needs. A selection guide and review of the smallest mixers// Publication #M99D030 Copyright© 1999, The Aberdeen Group a division of Hanley-Wood, Inc. — P. 4.
• 10. Патент 93 329 РФ. Гравитационный бетоносмеситель. Опубл. 27.04.10, бюл. № 12.
• 11. Патент 98 970 РФ. Гравитационный бетоносмеситель. Опубл. 10.11.10, бюл. № 31.
• 12. Патент 143 206 РФ. Гравитационный бетоносмеситель. Опубл. 20.07.14, бюл. № 20.
• 13. Патент 147 404 РФ. Гравитационный бетоносмеситель. Опубл. 10.11.14, бюл. № 31.
• 14. Патент 147 404 РФ. Гравитационный бетоносмеситель. Опубл. 10.11.14, бюл. № 31.