Модель согласования мощности для двухвальных принудительных смесителей: расчет крутящего момента и эмпирический анализ выбора двигателя.

Модель согласования мощности для двухвальных принудительных смесителей: расчет крутящего момента и эмпирический анализ выбора двигателя.

Аннотация. Точность подбора мощности для двухвальных бетоносмесителей, являющихся ключевым элементом оборудования в производстве бетона, напрямую влияет на энергопотребление, стабильность работы и качество смешивания. В данном исследовании, основанном на теориях реологии материалов и механической динамики, построена комплексная модель подбора мощности, учитывающая крутящий момент лопастей, потери в передаче и сопротивление материала. Надежность модели подтверждена данными измерений в различных условиях. Результаты показывают, что данная модель позволяет контролировать погрешность выбора двигателя в пределах ±5%, обеспечивая оптимизацию установленной мощности более чем на 15%, что предоставляет научную теоретическую основу и практические рекомендации для энергосберегающего проектирования и эффективной работы бетоносмесителей.

Ключевые слова: двухвальный принудительный смеситель; модель согласования мощности; расчет крутящего момента; выбор двигателя; реологические параметры; эффективность трансмиссии; оптимизация энергопотребления; эмпирический анализ

1. Введение

Двухвальные смесители с принудительной подачей топлива широко используются в производстве товарного бетона, сборных железобетонных конструкций и специальных растворов благодаря высокой интенсивности перемешивания и хорошей однородности. Однако традиционный выбор двигателя часто основывается на эмпирических формулах или упрощенных расчетах, что нередко приводит к таким проблемам, как «избыточная мощность» или «перегрузка», вызывая потери энергии или повреждение оборудования. Цель данной работы — разработать усовершенствованную модель согласования мощности, систематически проанализировать механизм генерации крутящего момента и подтвердить научную и экономическую обоснованность выбора двигателя на основе измеренных данных, предоставив отрасли количественно измеримую и воспроизводимую методологию выбора.

2. Теоретические основы модели согласования мощностей

2.1 Анализ состава крутящего момента

Суммарный рабочий крутящий момент смесителя, T_t, можно разложить на следующие составляющие:

Крутящий момент сопротивления материала, T_{материал}: зависит от осадки бетона, размера частиц заполнителя и вязкости цементного теста;

Момент механического трения, T_friction: включает износ подшипников, сопротивление уплотнению и эффективность зубчатой ​​передачи;

Момент инерционного ускорения, T_{инерция}: потребление энергии ускорения ротором и материалом в фазе запуска.

2.2 Построение математической модели
На основе принципов гидродинамики и динамики твердых тел уравнение для расчета крутящего момента устанавливается следующим образом:

Ttotal​=K⋅ρ⋅N2⋅D5+Cf​⋅μ⋅Fn​+J⋅dtdω​

Где: K: Реологический коэффициент материала (измеренный и откалиброванный);

ρ: Плотность бетона; N: Скорость вращения вала мешалки; D: Диаметр вращения лопастей; J: Момент инерции.

3. Калибровка ключевых параметров и планирование эксперимента

3.1 Тестирование реологических параметров
С помощью ротационного вискозиметра и датчика давления были измерены предел текучести τ₀ и пластическая вязкость μp бетона с различными пропорциями компонентов для установления зависимости от крутящего момента.

3.2 Определение эффективности передачи
Путем сравнения мощности холостого хода и мощности под нагрузкой был рассчитан комплексный КПД η_{трансмиссии} таких компонентов, как коробка передач и подшипники (измеренное значение 85%-92%).

3.3 Многоусловная экспериментальная схема
Было разработано двенадцать серий испытаний для бетона классов C20-C60 и осадки конуса 60-200 мм, с регистрацией таких данных, как крутящий момент, ток и температура, с частотой дискретизации 100 Гц.

4. Эмпирический анализ выбора двигателя

4.1 Сравнение ошибок отбора
Метод выбора | Средняя ошибка | Максимальная ошибка | Коэффициент резервирования мощности

Традиционная эмпирическая формула | +18% | +35% | 22%

Расчет модели | ±4,2% | ±6,8% | 5%

Рекомендованная производителем цена | +12% | +25% | 15%

4.2 Количественная оценка преимуществ энергосбережения

Применение этой модели к линии по производству бетона производительностью 500 000 кубических метров в год:

Установленная мощность была оптимизирована с 110 кВт до 93 кВт, что составляет снижение на 15,5%;

Ежегодная экономия электроэнергии составляет приблизительно 86 000 кВт·ч, что приводит к экономии затрат на электроэнергию в размере приблизительно 60 000 юаней;

Повышение температуры оборудования снизилось на 8℃, а ожидаемый срок службы увеличился на 20%.

4.3 Проверка стабильности
3000 часов непрерывного мониторинга показали:

Коэффициент нагрузки двигателя оставался стабильным в пределах идеального диапазона 85–95%;

Амплитуда колебаний тока снизилась на 40%;

Срабатывания защиты от перегрузки или недостаточного питания не наблюдалось.

5. Инженерные приложения и создание баз данных

5.1 Архитектура базы данных выбора
Интегрирует кривые производительности более чем 30 отечественных и зарубежных марок двигателей, поддерживая параметрический поиск и рекомендации по подбору, включая:

Характеристики зависимости номинального крутящего момента от скорости вращения;

Ограничения по допустимой перегрузочной способности и частоте пусков-остановок;

Показатель энергоэффективности и коэффициент повышения температуры.

5.2 Разработка интеллектуальной платформы отбора
Предоставляет онлайн-инструменты для расчетов. Пользователи вводят такие параметры, как пропорции бетонной смеси и требования к производственной мощности, для создания оптимальных моделей двигателей, конфигураций редукторов и отчетов о прогнозировании энергопотребления.

5.3 Типичный случай
После того, как завод по производству сборных железобетонных конструкций принял эту модель для реконструкции:

Энергопотребление миксера за цикл снизилось с 3,8 кВт·ч до 3,2 кВт·ч;

Затраты на закупку двигателей снизились на 12%;

Коэффициент равномерности смешивания улучшился до 0,92.

6. Обсуждение и дальнейшие указания

6.1 Ограничения модели
Реологические параметры экстремальных материалов (таких как железобетон, армированный стальными волокнами) нуждаются в дополнительной калибровке;

Колебания крутящего момента во время динамической подачи материала не были полностью смоделированы.

6.2 Технологическое расширение

Сочетание технологии цифрового двойника для достижения прогнозирования крутящего момента в реальном времени и адаптивного управления;

Разработка диагностической системы оценки состояния двигательного здоровья на основе искусственного интеллекта.

6.3 Стандартные рекомендации
Содействие отрасли в разработке «Технических условий по согласованию мощности для двухвальных смесителей», уточняющих стандарты расчета крутящего момента и испытаний при выборе оборудования.

7. Заключение
В данном исследовании, посредством теоретического моделирования и эмпирического анализа, была разработана усовершенствованная модель согласования мощности для двухвальных принудительных смесителей, что значительно повысило точность и экономичность выбора двигателя. Модель позволяет контролировать погрешность выбора в пределах ±5% и обеспечивает инженерные преимущества в виде экономии энергии более чем на 15%. В будущем интеграция динамического обучения параметров и интеллектуального управления может способствовать дальнейшему развитию смесительного оборудования в направлении повышения его эффективности и интеллектуальности.