Инженерное проектирование и детальный расчет бетоносмесительной установки (БСУ) с заданной годовой производительностью

Введение и выбор технологической схемы БСУ

Если рассматривать современные реалии строительной индустрии, то производство высококачественной бетонной смеси является краеугольным камнем любого крупного проекта. И здесь на первый план выходит эффективность и надежность бетоносмесительной установки (БСУ). Потребность в точном и предсказуемом производстве бетонных смесей, регламентированном государственными стандартами, диктует жесткие требования к проектированию БСУ. Именно поэтому точность инженерного расчета напрямую определяет качество конечного продукта и экономическую эффективность всего предприятия.

Данная расчетно-пояснительная записка представляет собой детальный инженерный расчет основных параметров БСУ, предназначенной для обеспечения строительного объекта или товарного производства. В качестве исходных данных для проекта примем:

Исходный параметр	Значение	Обоснование
Годовая производительность (Qг)	120 000 м³/год	Типовая производительность для среднего городского бетонного завода.
Режим работы	Две смены по 8 часов, 6 дней в неделю.	Стандартный режим работы строительного предприятия.
Годовой фонд времени (Tф)	300 дней	Учитывает техническое обслуживание и праздники.
Тип бетона	Тяжелый бетон (классы В25–В40).	Требует высокой точности дозирования и интенсивного перемешивания.

Обеспечение годового объема в 120 000 м³ при строгом контроле качества, регламентированном ГОСТ 7473-2010, требует выбора соответствующего оборудования и точного инженерного расчета.

Классификация и характеристика БСУ

Анализ существующих бетоносмесительных установок начинается с их классификации, которая определяет ключевые особенности конструкции и работы.

По принципу действия БСУ делятся на:

1. Установки цикличного (периодического) действия: Материалы дозируются и смешиваются порциями (замесами). Эти установки наиболее распространены и обеспечивают высокую точность дозирования, что критически важно для получения марочных бетонов.
2. Установки непрерывного действия: Подача, дозирование и перемешивание компонентов осуществляется непрерывно. Используются, как правило, для однотипных смесей, большого объема работ и менее требовательны к точности дозирования (например, для дорожного строительства).

По компоновке оборудования различают:

1. Партерные (двухступенчатые): Все компоненты дозируются на уровне земли, затем инертные материалы подаются скиповым подъемником или ленточным конвейером наверх, в смеситель. Применяются для мобильных и приобъектных БСУ малой производительности (до 30 м³/ч).
2. Высотные (одноступенчатые, башенные): Инертные материалы поднимаются наверх один раз (в верхнюю часть бункера), а затем под действием силы тяжести последовательно поступают через дозаторы в смеситель, расположенный на верхнем уровне. Это обеспечивает более короткое время загрузки (t_з) и высокую общую производительность, но требует более массивного и дорогостоящего металлокаркаса.

Критерии выбора оптимальной схемы

Выбор оптимальной схемы для обеспечения годовой производительности Q_г = 120 000 м³/год требует обоснованного подхода, исходя из требований к качеству и объему.

Для производства тяжелого бетона классов В25–В40, критически важной является точность дозирования (± 1% для цемента и воды) и интенсивность перемешивания. Это автоматически исключает из рассмотрения установки непрерывного действия, которые не могут обеспечить требуемую точность.

Принимается решение о проектировании БСУ цикличного действия.

Что касается компоновки, то при заданной годовой производительности, требующей высокой часовой выработки (которая будет рассчитана ниже), необходимо минимизировать время цикла замеса. Высотная схема, благодаря гравитационной подаче материалов в смеситель, обеспечивает:

• Сокращение времени загрузки (t_з).
• Уменьшение количества перегрузочных узлов, что повышает надежность.
• Уменьшение запыленности.

Окончательный выбор схемы: Стационарная, цикличная, высотная (башенная) БСУ с принудительным бетоносмесителем. Использование принудительного смесителя (например, роторно-активаторного или планетарного) является обязательным для производства высокомарочных жестких и пластичных тяжелых бетонов, так как гравитационные смесители (свободного падения) не обеспечивают необходимой интенсивности для таких смесей.

Технологический расчет основных параметров установки

Технологический расчет является фундаментом проектирования и определяет основные эксплуатационные характеристики БСУ, начиная от требуемой часовой производительности и заканчивая выбором объема смесителя. Таким образом, мы закладываем не просто мощность, а потенциал стабильного качества.

Расчет требуемой производительности

На первом этапе необходимо определить требуемую часовую производительность (Q_ч) установки, исходя из заданной годовой производительности (Q_г) и фонда времени работы.

Годовая производительность Q_г рассчитывается по формуле:

Qг = Qч · tсм · N · Tф

Где:

• Q_г — годовая производительность (120 000 м³/год).
• Q_ч — требуемая часовая производительность (м³/ч).
• t_см — время смены (8 ч).
• N — количество смен в сутки (2).
• T_ф — годовой фонд времени работы (300 дней).

Расчет Q_ч:

Qч = Qг / (tсм · N · Tф) = 120 000 / (8 · 2 · 300) = 120 000 / 4 800 = 25 м³/ч

Для обеспечения требуемой годовой программы необходима БСУ с минимальной часовой производительностью 25 м³/ч. Принимая во внимание, что в реальных условиях коэффициент использования времени K_в (учитывающий простои, обслуживание) не равен 1, необходимо заложить запас.

Расчетная часовая производительность БСУ цикличного действия определяется с учетом коэффициента использования времени K_в:

Qч = Vз · nз · Kв · m

Для расчетов принимаем типовое значение коэффициента использования времени K_в = 0,91. Зачем мы используем коэффициент меньше единицы? Потому что он учитывает неизбежные технологические потери и простои на обслуживание, гарантируя, что даже в неидеальных условиях завод выполнит план.

Определение времени цикла и числа замесов (t_ц и n_з)

Число замесов в час (n_з) напрямую зависит от полного времени цикла замеса (t_ц):

nз = 3600 / tц

Время цикла t_ц является ключевым параметром, определяющим ритмичность работы установки:

tц = tз + tп + tв

Где:

• t_з — время загрузки материалов (с).
• t_п — время перемешивания (с).
• t_в — время выгрузки готовой смеси (с).

1. Определение времени перемешивания (t_п):

Продолжительность перемешивания строго регламентируется ГОСТ 7473-2010. Для стационарных смесителей принудительного действия при производстве тяжелых бетонов минимальная продолжительность должна составлять не менее 80 секунд. Для обеспечения высокого качества и однородности смеси, а также с учетом возможного использования пластифицирующих добавок, принимаем увеличенное время перемешивания:

tп = 90 с

2. Определение времени загрузки (t_з) и выгрузки (t_в):

Для высотной компоновки загрузка происходит из сборной воронки (гравитационно), что минимизирует время.

• Время загрузки (t_з) принимаем: 10 с.
• Время выгрузки (t_в) для принудительных смесителей: 15 с.

3. Расчет полного времени цикла (t_ц):

tц = 10 с + 90 с + 15 с = 115 с

4. Расчет числа замесов в час (n_з):

nз = 3600 / 115 ≈ 31,3 замеса/ч

Расчет объема замеса и выбор бетоносмесителя

Требуемый объем готового замеса (V_з) определяется из формулы часовой производительности:

Vз = Qч / (nз · Kв)

Подставляем расчетные значения:

Vз = 25 м³/ч / (31,3 замеса/ч · 0,91) ≈ 0,878 м³

Таким образом, для достижения производительности 25 м³/ч нам необходим бетоносмеситель с объемом готового замеса не менее 0,878 м³.

Выбор типового оборудования:

На основе полученного объема выбираем типовой принудительный бетоносмеситель, например, СБ-75 (или его современный аналог), который имеет следующие характеристики:

• Номинальный объем по загрузке: 1,2 м³.
• Объем готового замеса (V_см): 0,75 м³ (или 1,0 м³ для модификаций).

Принимаем бетоносмеситель с объемом готового замеса V_см = 1,0 м³. Это обеспечивает необходимый запас производительности.

Учет коэффициента выхода готовой смеси (m):

Объем загружаемых компонентов V_загр всегда больше, чем объем готовой смеси V_см из-за уплотнения материалов. Коэффициент выхода готовой смеси (m) определяется как отношение объема готовой смеси к сумме насыпных объемов сухих компонентов.

Для тяжелых бетонов типовое значение m находится в диапазоне 0,67 – 0,70. Примем:

m = 0,69

Это означает, что для получения 1,0 м³ готовой смеси потребуется загрузить около 1,0 / 0,69 ≈ 1,45 м³ сухих компонентов.

Перепроверка расчетной часовой производительности для выбранного смесителя:

Qч, факт = Vсм · nз · Kв = 1,0 м³ · 31,3 · 0,91 ≈ 28,48 м³/ч

Фактическая производительность (28,48 м³/ч) превышает требуемую (25 м³/ч), что подтверждает корректность выбора смесителя и заложенный запас. Запас производительности, составляющий почти 14%, критически важен, позволяя оперативно компенсировать пиковые нагрузки или краткосрочные технологические сбои.

Детализированный кинематический и мощностной расчет привода

После выбора основного технологического оборудования (бетоносмеситель, скиповый подъемник) необходимо провести детальный инженерный расчет их приводов. Этот этап критически важен для выбора электродвигателей, редукторов и обеспечения энергоэффективности установки.

Кинематический расчет привода скипового подъемника

Скиповый подъемник используется в высотной схеме для подъема инертных материалов в накопительные бункеры. Его привод обычно состоит из электродвигателя, редуктора и барабана лебедки.

Цель: Определить общее передаточное число привода u и требуемую угловую скорость барабана лебедки ω_б.

1. Исходные данные для подъемника:

• Типовая скорость движения скипа: V = 0,3 м/с (диапазон 0,22 — 0,35 м/с).
• Диаметр намотки барабана лебедки (принимается по каталогу): D_б = 0,6 м.

2. Определение угловой скорости барабана ω_б:

Угловая скорость рабочего органа (барабана лебедки) связана с линейной скоростью скипа:

ωб = V / Rб = 2V / Dб

ωб = (2 · 0,3 м/с) / 0,6 м = 1,0 рад/с

Переводим в об/мин: n_б = (30 · ω_б) / π = (30 · 1,0) / 3,14 ≈ 9,55 об/мин

3. Определение общего передаточного числа u:

Выбираем стандартный асинхронный электродвигатель с синхронной угловой скоростью n_{дв.синхр} = 1500 об/мин (или n_дв ≈ 1450 об/мин — фактическая скорость).

Общее передаточное число привода u определяется как отношение угловой скорости двигателя к угловой скорости барабана:

u = nдв / nб = 1450 об/мин / 9,55 об/мин ≈ 151,8

Это передаточное число раскладывается на ступени: u = u_рем · u_ред, где u_рем — передаточное число ременной передачи (обычно 2–4), u_ред — передаточное число редуктора.

Расчет требуемой мощности электродвигателя (P_тр)

Расчет мощности привода бетоносмесителя является наиболее сложным, поскольку учитывает сопротивление перемешиванию и свойства смеси. Для принудительного смесителя (типа СБ-75) требуемая мощность рассчитывается по формуле, учитывающей крутящий момент, необходимый для преодоления сопротивления смеси:

Pтр = (M · ωр.о.) / η

Где:

• P_тр — требуемая мощность (кВт).
• M — расчетный крутящий момент на валу рабочего органа (Н·м).
• ω_р.о. — угловая скорость рабочего органа (вала смесителя) (рад/с).
• η — общий КПД привода (принимается η ≈ 0,8 — 0,85).

Для смесителя V_см = 1,0 м³ (например, аналог СБ-158) принимаются типовые параметры:

• Угловая скорость вала смесителя ω_р.о. (или n_вал): 20 — 30 об/мин. Примем n_вал = 25 об/мин (ω_р.о. ≈ 2,62 рад/с).
• Типовой крутящий момент M (для 1,0 м³ тяжелого бетона): M ≈ 18 000 Н·м.
• КПД привода η: 0,82.

Расчет P_тр:

Pтр = (18 000 Н·м · 2,62 рад/с) / 0,82 ≈ 57 463 Вт ≈ 57,5 кВт

Выбор номинальной мощности и обоснование энергоэффективности:

Выбор электродвигателя P_ном производится по каталогу. Номинальная мощность должна быть больше требуемой: P_ном ≥ P_тр.

Выбираем стандартный двигатель с ближайшим номинальным значением: P_ном = 75 кВт.

Обоснование энергоэффективности:

Согласно требованиям современного инженерного проектирования, электродвигатель должен работать в зоне высоких значений КПД и коэффициента мощности (cosφ). Это достигается, когда требуемая мощность составляет не менее 80% от номинальной:

Pтр > 0,8 · Pном

Проверка:

0,8 · Pном = 0,8 · 75 кВт = 60 кВт

Поскольку P_тр (57,5 кВт) < 0,8 · P_ном (60 кВт), выбранный двигатель 75 кВт работает не в самой оптимальной зоне. Для повышения энергоэффективности рекомендуется выбрать двигатель P_ном = 55 кВт (если он выдержит кратковременные перегрузки при старте) или двигатель с плавным пуском, либо скорректировать P_ном до 63 кВт (если такой есть в линейке производителя), чтобы достичь требуемого соотношения. Всегда ли экономически выгодно выбирать двигатель, работающий на пределе возможностей, вместо того, чтобы обеспечить надежный запас мощности?

Принимаем решение об использовании двигателя мощностью 75 кВт с системой плавного пуска и частотного регулирования, что позволит оптимизировать потребление энергии и обеспечить необходимый пусковой момент.

Расчет динамики движения подъемного механизма

Для обеспечения требуемого времени загрузки t_з (10 с) скиповый подъемник должен работать с заданным динамическим режимом, который включает три фазы: ускорение (t_у), равномерное движение (t_р) и торможение (t_т).

1. Исходные данные:

• Общая высота подъема (до верхней отметки бункера) H: 25 м.
• Максимальная скорость V: 0,3 м/с.
• Рабочее ускорение a: 0,3 м/с².
• Время ускорения равно времени торможения: t_у = t_т.

2. Расчет времени ускорения t_у:

tу = V / a = 0,3 м/с / 0,3 м/с² = 1,0 с

3. Расчет пути ускорения S_у:

Sу = (a · tу²) / 2 = (0,3 м/с² · (1,0 с)²) / 2 = 0,15 м

Путь торможения S_т = S_у = 0,15 м.

4. Расчет пути равномерного движения S_р:

Sр = H - Sу - Sт = 25 м - 0,15 м - 0,15 м = 24,7 м

5. Расчет времени равномерного движения t_р:

tр = Sр / V = 24,7 м / 0,3 м/с ≈ 82,33 с

6. Расчет общего времени подъема T_{подъема}:

Tподъема = tу + tр + tт = 1,0 с + 82,33 с + 1,0 с = 84,33 с

Время подъема (84,33 с) значительно превышает время загрузки, принятое в цикле (t_з = 10 с). Это нормально для высотной схемы, где время цикла t_ц относится к работе смесителя, а подъем инертных материалов происходит параллельно с перемешиванием предыдущих замесов и является непрерывным процессом, не влияющим на t_ц. Ключевым нюансом здесь является то, что оператор должен обеспечить непрерывную подачу компонентов, чтобы избежать задержек в работе смесителя и, следовательно, падения общей часовой производительности.

Нормативное обоснование конструктивных решений и качества смеси

Инженерное проектирование БСУ должно строго соответствовать действующей нормативно-технической базе Российской Федерации, что гарантирует надежность, безопасность и качество выпускаемой продукции.

Требования к точности дозирования

Точность дозирования является главным фактором, влияющим на стабильность марочной прочности бетона. Ошибки в дозировании цемента, воды или добавок ведут к браку.

Согласно ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия», требования к точности дозирования весовыми дозаторами цикличного действия установлены следующим образом:

Компонент	Допустимая погрешность (по массе)
Цемент	± 1%
Вода	± 1%
Химические добавки (сухие и жидкие)	± 1%
Заполнители (песок, щебень)	± 2%

Для обеспечения этих требований в проекте БСУ необходимо:

1. Выбрать весовые дозаторы, оснащенные высокоточными тензодатчиками (например, III класс точности).
2. Предусмотреть систему автоматической компенсации влажности заполнителей.
3. Обеспечить регулярную поверку дозирующего оборудования.

Поверка весовых дозаторов, используемых в БСУ, должна проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 8.523-2004 «Государственная система обеспечения единства измерений. Дозаторы весовые дискретного действия. Методика поверки», что гарантирует метрологическую корректность производственного процесса.

Проектирование металлоконструкций и защита от коррозии

Стационарная высотная БСУ представляет собой сложную пространственную металлоконструкцию, подверженную высоким статическим, динамическим и ветровым нагрузкам, а также агрессивному воздействию влажной и щелочной бетонной среды.

1. Проектирование стальных конструкций:

Проектирование всех несущих элементов (колонны, фермы, площадки обслуживания, опоры смесителя) должно выполняться в строгом соответствии с требованиями СП 294.1325800.2017 «Конструкции стальные. Правила проектирования».

При расчете необходимо учесть:

• Нагрузки и воздействия (СП 20.13330.2016): Вес оборудования, вес материалов, динамические нагрузки от вибрации смесителя и скипового подъемника, ветровые и снеговые нагрузки (в зависимости от района строительства).
• Надежность конструкций (ГОСТ 27751-2014): Обеспечение необходимого уровня надежности (обычно II уровень) и расчет по двум предельным состояниям: по прочности (несущей способности) и по пригодности к эксплуатации (деформации).

2. Защита от коррозии:

Поскольку БСУ эксплуатируется в условиях повышенной влажности и воздействия агрессивной среды (цементное молочко, хлориды), необходимо предусмотреть комплекс мер антикоррозийной защиты.

Эти меры регламентируются СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии». При проектировании следует определить степень агрессивного воздействия среды (обычно средняя или высокая) и выбрать соответствующую систему защиты:

• Очистка: Подготовка поверхности (дробеструйная очистка до степени Sa 2.5).
• Грунтование: Применение цинконаполненных или эпоксидных грунтовок.
• Покрытие: Нанесение финишного защитного слоя полиуретановой или эпоксидной эмали общей толщиной не менее 180–250 мкм. Для бункеров и смесительных камер, контактирующих с абразивными материалами, должна быть предусмотрена футеровка из износостойкой стали или полимерных материалов.

Заключение

В результате инженерного проектирования и расчетов установлены ключевые параметры бетоносмесительной установки цикличного действия с годовой производительностью 120 000 м³/год.

1. Технологическая схема: Выбрана стационарная, цикличная, высотная (башенная) схема с принудительным смесителем V_см = 1,0 м³, которая обеспечивает требуемую точность дозирования (соответствие ГОСТ 7473-2010) и минимальное время цикла.
2. Производительность: Требуемая часовая производительность 25 м³/ч будет обеспечена фактической производительностью 28,48 м³/ч при времени цикла 115 с и времени перемешивания 90 с.
3. Мощностной расчет: Определена требуемая мощность привода бетоносмесителя P_тр ≈ 57,5 кВт. Для обеспечения надежности и оптимизации энергопотребления выбран электродвигатель номинальной мощностью 75 кВт с частотным регулированием.
4. Нормативное соответствие: Проект базируется на требованиях СП 294.1325800.2017 (проектирование металлоконструкций), СП 28.13330.2017 (антикоррозийная защита) и ГОСТ 7473-2010 (качество смеси и точность дозирования).

Выбранная схема и рассчитанные параметры оборудования гарантируют надежное и эффективное производство заданного объема высококачественных бетонных смесей, полностью соответствуя требованиям технического задания и действующей нормативно-технической документации.

Список использованной литературы

1. Артемьев К.А. и др. Дорожные машины. Машины для устройства дорожных покрытий. Москва: Машиностроение, 1982.
2. Бауман В.А., Клушанцев Б.В., Мартынов В.Р. Механической оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. Москва: Машиностроение, 1975.
3. Борщевский А.А. и др. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий. Москва: Высш. Школа, 1987.
4. Лапир Ф.А. Механическое оборудование заводов сборного железобетона. Москва: Машиностроение, 1965.
5. Лещинский А.В. Основы теории и расчета оборудования бетоносмесительных установок. Издательство ХГТУ, 1998.
6. Мартынов В.Д. и др. Строительные машины и монтажное оборудование. Москва: Машиностроение, 1990.
7. Сапожников И.Я. Машины и аппараты промышленности строительных материалов. Москва: Машгиз, 1961.
8. Справочник конструктора дорожных машин / под ред. Бородачева. Москва: Машиностроение, 1975.
9. Тимофеев В.А. и др. Оборудование асфальто бетонных заводов и эмульсионных баз. Москва: Машиностроение, 1989.
10. Хархута Н.Я. и др. Дорожные машины. Ленинград: Машиностроение, 1976.
11. СП 28.13330.2017. Защита строительных конструкций от коррозии.
12. СП 294.1325800.2017. Конструкции стальные. Правила проектирования (с Изменениями N 1, 2, 3, с Поправкой).
13. ГОСТ 7473-10. Смеси бетонные. Технические условия.
14. Бетонные заводы ELKON: Как выбрать установку для получения бетона? URL: elkon.ru (дата обращения: 23.10.2025).
15. Проектирование бетоносмесительных предприятий по производству бетонных и железобетонных изделий и конструкций. URL: urfu.ru (дата обращения: 23.10.2025).
16. Расчет мощности бетоносмесителя с новой формой лопастей // Cyberleninka. URL: cyberleninka.ru (дата обращения: 23.10.2025).
17. Расчет привода. URL: nchti.ru (дата обращения: 23.10.2025).
18. «Изучение устройства и рабочих процессов бетоносмесителей» (Пример выполнения) // Studfile. URL: studfile.net (дата обращения: 23.10.2025).
19. Как определить производительность бетонного завода? Объясняют эксперты. URL: nflg.ru (дата обращения: 23.10.2025).