Как работает лопастной смеситель

Лопастной смеситель работает за счёт принудительного перемешивания: на одном или двух горизонтальных валах закреплены лопасти, которые при вращении захватывают компоненты, поднимают, опрокидывают и продвигают их вдоль камеры. В отличие от гравитационных машин с пересыпанием, здесь движение продукта задаётся самой геометрией лопастей — поэтому смеситель уверенно работает с тяжёлыми, склонными к комкованию и пастообразными материалами.

Ниже разобрано, как работает лопастной смеситель пошагово: что происходит в камере, как устроен вал с лопастями, какие типы лопастей применяют, в чём разница между смешением сыпучих и пастообразных сред, какими стандартами регламентируется оборудование и где оно применяется. Терминология и технические требования — по действующим межгосударственным стандартам на лопастные двухвальные смесители и на цикличные смесители для строительных материалов.

Назначение и принцип действия

Лопастной смеситель — машина принудительного действия, в которой однородность смеси достигается не пересыпанием в свободном объёме, а механической работой лопастей. Вал с закреплёнными под рассчитанными углами лопастями вращается в корытообразной камере и перемещает компоненты по нескольким направлениям одновременно — по окружности, в осевом направлении и в радиальном.

Смешение происходит за счёт конвективного, диффузионного и сдвигового механизмов: лопасть переносит макропорции продукта, заставляет частицы скользить друг относительно друга и многократно меняет их взаимное положение.

Такая схема даёт два важных свойства, отличающих лопастные машины от гравитационных и инерционных:

• работа с тяжёлыми и трудносмешиваемыми составами — высокая насыпная плотность, склонность к комкованию, наличие связной (жидкой или пастообразной) фазы;
• совмещение перемешивания с увлажнением — в керамическом и силикатном производстве лопастной смеситель одновременно перемешивает массу и подаёт воду или пар, доводя её до пластичного состояния.

Устройство: вал, лопасти, корпус

Конструктивно классический горизонтальный лопастной смеситель устроен просто и состоит из шести основных групп узлов.

Конструкция должна предусматривать защиту от самопроизвольного включения после аварийного отключения электроэнергии, устройства для строповки, ограждения вращающихся частей и соответствие электрооборудования действующим правилам устройства электроустановок.

Механизм смешения

Поток материала в горизонтальном лопастном смесителе можно представить как сочетание трёх движений, на которые накладывается работа лопасти.

1. Подъём и опрокидывание. Лопасть, выходя из массы продукта, поднимает порцию выше уровня загрузки и опрокидывает её. Частицы получают вертикальную составляющую движения и перемешиваются с верхним слоем.
2. Радиальное перемещение. Под действием центробежной составляющей и угла атаки лопасти продукт оттесняется от боковых стенок к центру камеры (или, по противоположной схеме установки, наоборот). Так компоненты с разной плотностью и размером частиц включаются в общий объём.
3. Осевое перемещение. Угол установки лопасти относительно оси вала задаёт продольную составляющую скорости. В цикличных машинах она обеспечивает циркуляцию массы по длине корыта, в непрерывных — продвижение от загрузочного окна к разгрузочному.
4. Встречное движение валов (для двухвальных). В зоне между валами потоки от соседних лопастей сталкиваются, возникают зоны интенсивного сдвига — здесь идёт основная работа по разрушению комков и выравниванию состава.
5. Истирание и сдвиг. В пристенной зоне и под нижней кромкой лопасти материал испытывает деформацию сдвига; это особенно важно для пастообразных и увлажняемых составов.

В непрерывном смесителе качество смеси задаётся временем пребывания продукта в камере. Оно зависит от соотношения окружной и осевой скоростей и регулируется углом установки лопастей — поэтому правильно собранная лопастная батарея критична для технологии.

Типы лопастей и их установка

Форма лопасти определяет, какая из составляющих движения преобладает. В практике встречаются несколько характерных типов.

Лопасти располагают по винтовой линии или по шахматной схеме. На двухвальной машине лопасти соседних валов располагают так, чтобы их траектории частично перекрывались — это резко повышает однородность за счёт встречных потоков. На непрерывных машинах с двух концов вала угол атаки часто меняют, чтобы у выгрузки получить тормозящий участок и выдержать время пребывания.

Конструктивные исполнения

Классификация лопастных смесителей складывается из четырёх независимых признаков.

На территории Российской Федерации и государств — участников Межгосударственного совета по стандартизации действуют два профильных межгосударственных стандарта: на двухвальные лопастные смесители для керамических смесей и на цикличные смесители для строительных материалов (последний охватывает в том числе двухвальные машины принудительного действия типа БП-2Г).

Параметры по действующим стандартам

Для двухвальных лопастных смесителей керамических смесей действующий межгосударственный стандарт устанавливает следующие требования.

Для цикличных смесителей строительных материалов действующий стандарт предусматривает несколько типов: бетоносмесители принудительного действия роторные (БП), бетоносмесители гравитационные (БГ), бетоносмесители принудительного действия с двумя горизонтальными валами (БП-2Г) — это и есть лопастная двухвальная схема в бетонном исполнении, — а также высокооборотные растворосмесители (РВ). Машины предназначены для работы при температуре не ниже +5 °С и используются для приготовления подвижных и жёстких бетонных смесей и строительных растворов, классификация подвижности и жёсткости которых даётся в соответствующем стандарте на бетонные смеси.

Общие требования безопасности к производственному оборудованию (включая ограждения, систему управления, средства защиты) задаются межгосударственным стандартом системы ССБТ.

Расчёт производительности и окружной скорости

Окружная скорость концов лопастей — базовый кинематический параметр. Для горизонтальной машины она вычисляется через диаметр окружности, описываемой кромкой лопасти, и частоту вращения вала.

Для двухвальных лопастных смесителей керамических и строительных масс рабочие окружные скорости концов лопастей лежат в области единиц метров в секунду — это принципиально ниже, чем у молотковых дробилок или растворосмесителей высокооборотных. Низкая скорость обеспечивает «деликатный» захват тяжёлого продукта и снижает износ лопастей и стенок камеры.

Производительность непрерывного лопастного смесителя в общем виде описывается как поток через площадь поперечного сечения камеры:

Осевая скорость vос зависит от окружной скорости лопастей, их формы и угла установки; рабочий орган приближённо рассматривают как шнек с прерывистым винтом.

Параметры конкретной машины — мощность привода, ресурс, точная производительность — определяются по технической документации производителя в соответствии с действующими стандартами на оборудование. Приведённые формулы служат для предварительной инженерной оценки.

Сыпучие и пастообразные материалы

Лопастные смесители применяют для двух больших классов сред, и режим их работы существенно отличается.

Сыпучие материалы

Для сыпучих и зернистых компонентов лопастная машина работает в режиме конвективного смешения с элементами диффузии. Качество смеси определяется:

• разностью насыпных плотностей и размеров частиц компонентов;
• склонностью к комкованию и слипанию (особенно при наличии влаги);
• коэффициентом заполнения камеры — обычно его держат ниже единицы, чтобы сохранить запас объёма для подъёма и опрокидывания массы;
• временем смешения — переувлеличение времени для сыпучих часто не улучшает, а ухудшает однородность из-за сегрегации.

Пастообразные и пластичные среды

Для увлажнённых керамических масс, шихт, паст работа смесителя кардинально меняется: продукт перестаёт пересыпаться и движется как связное тело. На первый план выходят сдвиговые деформации между лопастью и стенкой, между лопастями соседних валов и между слоями самой массы. Поэтому:

• мощность привода резко возрастает по сравнению с сухим режимом;
• требуется подача воды или пара через систему орошения — для керамических смесей это закреплено стандартом отдельным требованием;
• лопасти подвергаются абразивно-сдвиговому износу, что мотивирует требование к их твёрдости и использование съёмных накладок;
• в линейке исполнений для тестообразных и высоконаполненных паст применяют Z-образные двухвальные смесители с минимальным зазором между лопастями.

Области применения

Сфера использования лопастных смесителей охватывает большинство отраслей, где требуется однородная масса при тяжёлом или сложно перемешиваемом сырье:

• Производство строительных материалов: приготовление бетонных смесей, строительных растворов, сухих смесей — двухвальные принудительные машины БП-2Г.
• Керамическая и силикатная промышленность: перемешивание и увлажнение глин и шихт при полусухом и пластичном формовании; машины типов СП и С по соответствующему стандарту.
• Стекольное производство: подготовка шихты.
• Огнеупорное производство: подготовка масс на минеральных связующих.
• Химическая промышленность: смешение порошков, гранул, паст; ввод жидкой фазы в твёрдую.
• Пищевая промышленность и кормопроизводство: смешение комбикормов, сухих многокомпонентных составов, ввод жидких добавок.
• Фармацевтика: смешение порошков и гранулятов; при работе с активными веществами — соответствующие материальные исполнения камеры.

Ошибки эксплуатации и выбор

Типичные ошибки эксплуатации

• Перегрузка камеры. Превышение нормы загрузки лишает лопасти запаса хода: продукт перестаёт подниматься и опрокидываться, фактически в работе остаётся только нижний слой.
• Нарушение порядка подачи. Подача жидкой фазы до набора сухой массы приводит к комкованию и налипанию на лопасти; правильная схема — сначала сухое смешение, затем дозированное увлажнение через систему орошения.
• Эксплуатация с изношенными лопастями. Уменьшение площади и потеря угла атаки резко снижают захват и качество смеси; стандарт прямо предусматривает съёмные накладки или наплавку рабочей поверхности.
• Пуск без проверки защит. Снятые ограждения и нерабочая защита от самопроизвольного включения — основные источники травматизма; их наличие — обязательное требование стандарта.
• Превышение времени смешения сыпучих. Для многих сухих составов чрезмерно длительный замес приводит к обратному эффекту — сегрегации по размеру частиц.

Что учитывать при выборе

• тип среды — сыпучая, увлажнённая, пастообразная;
• требуемый режим — цикличный с точной дозировкой партии или непрерывный поток;
• производительность и объём загрузки;
• необходимость пароувлажнения (тип СП по стандарту);
• материальное исполнение в контакте с продуктом (углеродистая, износостойкая или коррозионностойкая сталь);
• наличие требований к показателям надёжности — коэффициенту готовности, наработке на отказ, ресурсу до капитального ремонта.

Часто задаваемые вопросы