双泡径式水泥发泡机的设计【含CAD图纸+文档】
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用支持向量机(SVM)建模轻质泡沫混凝土的强度Abbas M. Abd Suhad M. Abd伊拉克迪亚拉大学工程学院文章历史:2016年9月13日收到2016年11月11日收到修订形式 2016年11月11日接受2016年11月14日在线提供摘要在为特定材料选择时,混凝土的强度是一个主要标准应用。这种建筑材料在经过很长一段时间后才获得实力浇注。在结构设计中考虑的普通混凝土的特征强度是定义为已经老化28天的样品的抗压强度。快速和对混凝土强度的可靠预测在经济上和实践上都是可行的意义重大。因此,对混凝土强度的预测一直是一个活跃的领域研究和相当多的研究已经开展。在这项研究中,两个技术被用来提出能够预测压缩的模型强度与可接受的准确性,这些是革命性的支持向量机(SVM)和多变量非线性回归。支持向量机模型被提出并且被开发用于预测早期混凝土抗压强度。预测模型中使用的变量来自混合比例元素和7天抗压强度的知识。这些模型提供了良好的压缩强度估计,并且具有良好的相关性。本研究中使用的数据与非线性多变量回归相关。此外,SVM模型被证明是预测抗压强度的重要工具,具有最小均方误差和标准偏差的轻质泡沫混凝土。关键词 泡沫混凝土;支持向量机;预测;抗压强度2016作者。这是由Elsevier有限公司出版在CC上开放获取文章BY-NC-ND许可证(http:/creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1.介绍混凝土被认为是全球最重要的建筑材料,也是最常用的材料建筑物或土木工程结构。 目前建筑业表现出色对使用轻质泡沫混凝土(LFC)作为建筑材料的兴趣,因为它具有许多有利的特性作为重量更轻,制造容易,耐用性和成本效益1。泡沫混凝土是新一代的轻质混凝土,具有一些吸引人的特点,如多功能其流动性,自密实性和自流平性,低尺寸变化和超低密度。 除此之外材料可设计成具有可控低强度,优异的绝热性能和良好的承重性容量,并且如果需要可以很容易地重新挖掘。凭借其独特的性能,泡沫混凝土有可能用于建筑的各种应用行业。 例如,Jones和McCarthy 2的一项研究调查了泡沫混凝土用作结构材料的潜力材料。 由于泡沫混凝土具有优异的隔热性能并且重量轻,所以可以与其他材料相辅相成材料将用于更高强度的结构应用2。在文献回顾中很好地同意组成材料和混合比例影响泡沫混凝土的性能和行为3-6。 不同构成材料对抗压强度的影响在文献和以往的研究中都得到了认可7-10。 发泡混凝土的抗压强度受密度,水泥类型和含量,水灰比,表面活性剂类型和固化方式的影响10。混凝土强度预测方法有几种强度预测关系是针对普通水泥浆,砂浆和混凝土开发的1,10。在目前建筑速度较快的情况下,很大程度上需要更多的混凝土生产,同时要注意混凝土的质量与标准和规格的一致性。必须在质量控制下生产出良好的混凝土,并且必须符合这些规范。规格通常指定测试方法以及测试的年龄。所有标准规定的混凝土强度非常重要(从1到28天),因为力量的早期发展(力量的早期增长)非常重要。但是,虽然混凝土的早期强度很重要,但后期的强度也很重要,因为毕竟这是混凝土结构设计中作为建筑材料所依赖的这种特性。传统的28天标准测试已被发现可以提供总体质量(在质量控制过程中使用)和混凝土验收的总体指标,并且在过去多年中表现良好。而且,速度很快,并尽可能早地对28天强度试验的结果进行可靠的预测会令所有各方满意,而不是等待传统的28天结果11。已经提出了许多改进的预测技术,包括经验或计算建模,统计技术和人工智能方法。统计技术:一些研究工作集中在使用多变量回归模型来提高预测的准确性。 统计模型具有吸引力,一旦拟合,它们可以用来比其他建模技术更快地进行预测,并且相应地在软件中实现更简单。 将统计建模与人工智能技术进行比较时尤其如此。 统计分析还可以通过相关分析提供对影响28天抗压强度的关键因素的洞察。 对于这些原因统计分析被选为本研究强度预测的技术。2.实验工作轻质泡沫混凝土的制造由四种材料组成,即普通波特兰水泥,沙子,水和泡沫。符合I型波特兰水泥的普通波特兰水泥(OPC)符合英国标准(BS EN 197-1:2000)中规定的要求。使用不同尺寸(600 m m,1.18和2 mm)(600 m m)的细硅砂和水(普通自来水)生产轻质泡沫混凝土。泡沫是一种稳定的气泡,通过在泡沫发生器中混合发泡剂和水而产生。泡沫的目的是通过将预先形成的稳定泡沫结合到新鲜轻质泡沫混凝土中来控制轻质泡沫混凝土的密度。在这项研究中,发泡剂与水的体积比为1:30。所用的超塑化剂是GLENIUM52,符合ASTM标准规范(ASTM C494M-04)。高效减水剂有深棕色水溶液。根据轻质泡沫混凝土的目标密度,w / c和s / c(沙/水泥比)设计最佳混合比例。密度范围为1500,1750和1800公斤/立方米。在这项工作中,所有混合物的w / c比率范围分别为0.5,0.45,0.4,0.35和0.3,而s / c为1.0。本研究中使用的固化方法是密封固化(包裹固化)。生产泡沫混凝土,然后倒入立方体中。在第7天和第28天测试150组混凝土立方体的密度和抗压强度。3.方法论3.1 支持向量机(SVM)支持向量机(SVM)是一种强大的监督学习算法,用于分类或回归12。 支持向量机是一种有区别的分类器,也就是说,它们绘制数据集群之间的边界。 支持向量机是基于定义决策边界的决策平面的概念。 决策平面是将一组具有不同类成员关系的对象分开的决策平面。 支持向量机(SVM)主要是一种分类方法,它通过在多维空间中构造超平面来执行分类任务,从而将不同类别标签的情况分开。 SVM支持回归和分类任务,并且可以处理多个连续和分类变量13。 对于分类变量,虚拟变量的创建案例值为0或1.因此,由三个等级(A,B,C)组成的分类因变量由一组三个虚拟变量表示:A:1 0 0,B:0 1 0,C:0 0 1为了构建最优超平面,SVM采用迭代训练算法,该算法用于最小化误差函数。 根据误差函数的形式,SVM模型可以分为四个不同的组:. 分类支持向量机类型1(也称为C-SVM分类). 分类支持向量机类型2(也称为nu-SVM分类). 复原SVM类型1(也称为-SVM复原). 复原SVM类型2(也称为nu-SVM复原)3.2复原SVMAbubakar等人 (2013)指出,在回归支持向量机中,因变量y对一组自变量x的函数依赖性必须进行估计。 与其他回归问题一样,它假定独立变量和因变量之间的关系由确定性函数f加上一些加性噪声14给出:y = f(x)+噪声然后,任务是为f找到一个函数形式,它可以正确预测SVM之前没有提交过的新案例。 这可以通过在样本集上训练SVM模型来实现,即训练集,涉及分类的过程(参见上文)以及错误函数的顺序优化13,15。 根据此误差函数的定义,可以识别两种类型的SVM模型:3.3 复原SVM类型1对于这种类型的SVM,错误函数是:12WTW+Ci=1Ni+Ci=1Ni错误功能被最小化,受限于:WTXI+b-yi+iyi-WTXI-bi+iii0,i=1,N支持向量机模型中可以使用多个内核。 这些包括线性,多项式,径向基函数(RBF)和S形:3.4 内核函数KXIXJ= XiXJ 线性 (XiXJ+C)d 多项式exp-XI-XJ2 RBFtanhXiXJ+C S状弯曲位置K XiXJ= Xi*(XJ)也就是说,核函数表示通过变换f映射到高维特征空间的输入数据点的点积。 Gamma是某些内核函数的可调参数。 RBF是迄今为止支持向量机中最常用的内核类型选择。 这主要是因为它们在实际x轴的整个范围内的局部和有限响应。3.5 径向基函数(RBF)它是一个实值函数,其值仅取决于与原点的距离,因此f(X)= f(XX); 或者也可以在距离某个其他点c(称为中心)的距离上,以使得f(X,C)= f(XC)。 任何满足f(X)= f(X)性质的函数都是径向函数。 范数通常是欧几里得距离,尽管其他距离函数也是可能的。 例如,使用Lukaszyk-Karmowski度量,对于一些径向函数来说,有可能避免因解决矩阵问题而导致的问题,从而确定系数wi,因为X总是大于零16,17。径向基函数的和通常用于近似估计给定函数。 这个近似过程也可以被解释为一种简单的网络。 2014年,Preetham等人提出了与土木工程相关的支持向量机方法(SVM)问题。 显示了许多研究领域正在进行的关于SVM技术的数值研究。 RBFs的许多研究也被用作支持向量分类的核心16。4.结果和讨论4.1 性能轻质泡沫混凝土测试了这项工作中轻质泡沫混凝土样品的新鲜干密度,7天和28天抗压强度。 根据以前的工作和其他研究人员,考虑到混合比例的参数是影响泡沫混凝土抗压强度的参数7-10。 据信密度是影响泡沫混凝土抗压强度的关键因素,因为泡沫混合物中加入的泡沫量控制了混合物的密度,从而控制了其强度。 混合。 这归因于增加由发泡引起的气泡的事实,添加到混合物中的添加剂会增加孔隙率,同时削弱其强度。 图1说明了这一事实,其中轻质泡沫混凝土的抗压强度与其干密度之间的关系。另一方面,如图2所示,增加轻质泡沫混凝土的水泥含量可提高其抗压强度(特别是因为泡沫混凝土不包括粗骨料,只有细骨料)解释这一趋势是,通过增加水泥,与水反应的优质材料增加,导致更多的水合产物和对混合物的结合,这增加了强度。 另外,发现细骨料粒径的增加会降低其强度(表1)4.2 第一:传统的多变量非线性回归为了预测泡沫混凝土的28天抗压强度,使用非线性回归来分析150个样品的数据集。 在这项研究中,用于模拟28天抗压强度的主要变量是: 密度,水泥含量,砂含量,w / c比,砂粒大小,发泡剂,泡沫含量和7天时的抗压强度。 28天抗压强度非线性回归的一般模型为:Var10 = a0*v1a1*v2a2*v3a3*v4a4*v5a5*v6a6*v7a7*v8a8*v9a9Var10(因变量)= 28天时的抗压强度V1至V9(独立变量)=输入参数本分析中使用的损失函数是最小二乘法。当实际观察与使用开发模型的预测结果相比时,相关系数被发现R = 0.97884248和r2 = 0.9581326置信水平的限制是:95%(a= 0.050)。 表2列出了各模型参数(a n)与标准差,t值和p值的系数。实际观察结果与图3(a)中的回归模型生成的预测结果一起绘制。 该图解释了两个数据集之间的高度相关性,并反映了所开发模型的高精度。很少有实际观测中,围绕30MPa的抗压强度的点很少有分歧。 这可能属于原材料的性质(特别是沙粒的大小)和被测样品的具体情况。用预测结果绘制残差值反映了开发模型的良好性能。 再根据预测的抗压强度,该曲线图精确显示每次读数的误差量。 在30 MPa附近的区间非常明显,实际观测值有一定的收敛性,同时大部分结果误差在(-4和+4)之间,如图3(b)所示。 9次投入和目标产出的总体相关系数表明,与第28天抗压强度的最高相关性与第7天抗压强度相关。图1发泡混凝土的抗压强度与密度的关系图2发泡混凝土的抗压强度与水泥含量的关系表格1混合比例细节混合样品数量S / C比w / c比密度范围(Kg / m 3)SP(L)砂最大尺寸(毫米)沙子类型C11810.451400-200000.6硅砂C2180.50.451400-200000.6硅砂C31820.451400-200000.6硅砂C41810.41400-200000.6硅砂C51810.351400-20000.20.6硅砂C61810.31400-20000.30.6硅砂C71810.351400-20000.30.6河洗沙C81810.351400-20000.41.18河洗沙C9610.41400-20000.54.75河洗沙密度和水泥含量分别为正相关。 它与负相关分别与水灰比,砂/水泥比和泡沫含量有关。表2回归模型的系数(参数a)参数变量估计标准-错误t值- df = 140p值a 00.00004100.338570.735442a 1密度1.132920.581.96840.050997a 2水泥0.3370861506.590.000010.999996a 3沙0.3370861506.550.000010.999996a 4沙/水泥-0.179661506.5700.999998a 5水/水泥0.3284830.152.246870.026213a 6沙大小-0.214110.02-7.503640a 7媒介-0.076560.03-3.818340.000201a 8泡沫0.1075720.061.720060.087631a 9COMP-7D0.53750.0511.180104.3 第二:支持向量机为了实施这项技术,28天时的抗压强度被认为是因变量(Var10),而其他输入(V1到V9)被认为是自变量。 将150次整体观察的样本大小随机分成(111个样本)和(39个样本)的测试。 分析过程采用类型1的支持向量机。 测试了四种核函数类型:径向基函数,线性函数,多项式函数和S形函数。 这个过程结果列在表3中。显然,就训练,测试和整体数据集的相关性而言,RBF具有最好的结果。 它具有四个函数中的最小均方误差,并具有最小的标准偏差。 所以详细的讨论将集中在RBF来解释这个模型的主要特征。 表4说明了所有调查样本的预测模型中的总误差均值(-0.32084)。 整体相关系数非常显着(约99),这反映了所开发模型的高度精确度,如图4所示。(a) 抗压强度(预测值与观测值)(b) 抗压强度(预测结果与残余)图3 回归模型的性质表3支持向量机的四种类型函数结果功能类型相关系数均方误差标准偏差径向基函数0.986(训练),0.990(测试),0.987(总体)3.880(训练),3.268(测试),3.721(总体)0.170(训练),0.147(测试),0.165(总体)线性0.951(训练),0.945(测试),0.949(总体)18.444(训练),25.263(测试),20.217(总体)0.369(训练),0.413(测试),0.381(总体)多项式0.976(训练),0.986(测试),0.978(总体)6.714(训练),5.357(测试),6.361(总体)0.225(训练),0.178(测试),0.215(总体)S状弯曲0.851(训练),0.877(测试),0.859(总体)67.969(训练),66.761(测试),67.655(总体)0.716(训练),0.673(测试),0.703(总体)表4 RBF支持向量机模型的主要特征支持向量的数量30(16有界),(= 0.111)模型规范(决策常数)0.124238观测平均数26.90346预测平均数27.22430观测S.D12.28756预测S.D11.54473均方误差3.26776误差均值-0.32084误差S.D1.80225ABS.误差均值1.49713S.D比0.14667关联0.99(a) 训练数据集(b) 测试数据集(c) 整体数据集图4(a)训练数据,(b)测试数据和(c)总体数据集的相关图(a)测试数据组(b)和总体数据组(c)的RBF的预测值绘制观察数据组。 非常清楚的是,预测值的分布非常接近数据中所有数据集的平等线并且非常接近与实际观察到的数据相关,表明上述模型的可靠性很高。 对于每个数据集,最佳拟合的公式都提供了它的图。5 结论这项工作揭示的结果包括混合比例对轻质泡沫混凝土28天抗压强度的影响。 密度和水泥含量的正面影响非常明显,并且证明这两个因素在设计泡沫混凝土混合料中具有重要和重要的作用。 同时,发泡混凝土的抗压强度对混凝土的抗压强度有较大的负面影响,分别表现为w / c比,砂/水泥比和泡沫含量的增加。本研究提出了预测轻质泡沫混凝土抗压强度的数学模型。 用于执行提出的模型的技术是传统的多变量非线性回归和革命性的支持向量机建模。 结果显示在本研究中使用的数据集的观察值和预测值之间具有极好的相关性。 这两种技术都被证明是预测过程的有吸引力的工具。 采用径向基函数RBF的SVM技术与其他函数和传统回归方法相比,预测结果的最小均方误差和标准差较大。 这反映了该工具沿着总体相关数据集预测结果中所有点的高精度。参考文献1 Md Azree Othuman Mydin, Potential of using lightweight foamed concrete in composite load-bearing wall panels in low-rise construction, Concr. Res.Lett. 2 (2) (2011) 213227.2 M.R. Jones, A. McCarthy, Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material, Mag. Concr. Res. 57 (1) (2005) 2131.3 M.S. Hamidah, I. Azmi, M.R.A. Ruslan, K. Kartini, N.M. Fadhil, Optimisation of foamed concrete mix of different sand-cement ratio and curingconditions, in: R.K. Dhir, M.D. Newlands, A. McCarthy (Eds.), Proc. of the International Conference on the Use of Foamed Concrete in Construction,Thomas, London, 2005, pp. 3744.4 M.R. Jones, A. McCarthy, Heat of hydration in foamed concrete: effect of mix constituents and plastic density, Cem. Concr. Res. 36 (6) (2006) 10321041.5 E.P. Kearsley, P.J. Wainwright, The effect of high fly ash content on the compressive strength of foamed concrete, Cem. Concr. Res. 31 (1) (2001) 105112.6 E.P. Kearsley, P.J. Wainwright, Ash content for optimum strength of foamed concrete, Cem. Concr. Res. 32 (2) (2002) 241246.7 E.K.K. Nambiar, K. Ramamurthy, Models relating mixture composition to the density and strength of foam concrete using response surfacemethodology, Cem. Concr. Comp. 28 (9) (2006) 752760.8 E.K.K. Nambiar, K. Ramamurthy, Models for strength prediction of foam concrete, Mater. Struct. 41 (2) (2008) 247254.9 K. Ramamurthy, E.K. Kunhanandan Nambiar, G. Indu Siva Ranjani, A classification of studies on properties of foam concrete, Cem. Concr. Compos. 31 (6)(2009) 388396.10 Suhad M. Abd, M.F.M. Zain, Roszilah Hamid, Abbas M. Abd, Fuzzy modelling system to predict the compressive strength of concrete, Proc. of NationalSeminar on Fuzzy Theory and Fuzzy: From Theory to Applications, UiTM University, Malaysia, 2008, pp. 116.11 G.F. Kheder, A.M. Al Gabban, S.M. Abid, Mathematical model for the prediction of cement compressive strength at the ages of 7 and 28 days within24 hours, Mater. Struct. 36 (December) (2003) 693701.12 C. Burges, A tutorial on support vector machines for pattern recognition, Data Mining and Knowledge Discovery, Volume (2, Kluwer AcademicPublishers, Boston, 1998.13 O. Chapelle, V. Vapnik, O. Bousquet, S. Mukherjee, Choosing multiple parameters for support vector machines, Mach. Learn. 46 (2002) 131159.14 Abubakar S. Magaji, Audu Isah, Victor Onomza Waziri, K.R. Adeboye, A conceptual Nigeria stock exchange prediction: implementation using supportvector machines-SMO model, World Comput. Sci. Inf. Technol. J. (WCSIT) 3 (4) (2013) 8590.15 S. Lukaszyk, A new concept of probability metric and its applications in approximation of scattered data sets, Comput. Mech. 33 (2004) 299304.16 S. Preetham, M. Shivaraj, W.P. Prema Kumar, H. Ravi Kumar, Support vector machines technique in analysis of Concrete- critical review, Int. J. Emerg.Technol. Eng. (IJETE) 1 (9) (2014) 199203.17 Abbas M. Abd, Suhad M. Abd, Neuro-Fuzzy model to evaluate ready-Mix concrete properties, IJERST 3 (1) (2014) 2433.附录A.补充数据与本文相关的补充数据可以在网上找到,网址为http:/dx.doi.org/10.1016/j.cscm.2016.11.002。任 务 书1毕业设计的背景:泡沫混凝土是具有轻质、保温、隔音、耐火等特性的多功能材料,在建筑节能防火领域发挥着越来越重要的作用,但在泡沫混凝土的生产装备及技术应用领域,我国与发达国家尚有较大差距。水泥发泡机是制备泡沫混凝土的主要设备之一,研究开发泡沫密度可调、性能稳定、工作效率高的水泥发泡机,对于加速泡沫混凝土制品的推广应用具有重要意义。2毕业设计(论文)的内容和要求:首先根据市场调研拟定水泥发泡机总体设计方案,绘制双泡径式水泥发泡机的工作原理图。再通过相关设计计算,确定主要技术参数,完成双泡径式水泥发泡机的结构设计。最后绘制水泥发泡机的装配图及主要零部件图,编写设计说明书。要求:1.查阅文献资料,撰写开题报告,外文翻译4000汉字以上;2.拟订双泡径式水泥发泡机的设计方案,绘制其工作原理图;3.进行相关设计计算,确定主要技术参数,完成水泥发泡机的结构设计;4.绘制水泥发泡机装配图及主要零部件图,总量不少于3张A0图纸;5.编写设计说明书,字数不少于1万字,参考文献不少于15篇。3主要参考文献:1 李应权,王明轩,扈士凯等.我国泡沫混凝土行业新进展J.混凝土世界,2014, 58(4):10-27.2 李国栋,毕万利,孙晓婷,等. 物理发泡泡沫混凝土的制备与性能研究J.硅酸盐通报, 2017, 36(2):733-737.3 杨涛,马洪铎.物理与化学发泡水泥砌块的制备及对比研究J.商品混凝土, 2013(10):33-35.4 宋军超,陈金祥,赖思琦.双泡径级配发泡管的研究J.机械设计与制造,2014 (2):124-126.5 韩永发,孙克洋,王幸等.水泥发泡机的改进J.商品混凝土,2013(3):38-40.6 张巨松,扬合,刘军华.泡沫混凝土泡沫发生器的研制J.混凝土,2001(1): 51-52.7 申瑞巨.泡沫发生器结构设计综述J.石油机械,1993,21(5):52-55.4毕业设计(论文)进度计划(以周为单位):寒假期间准备工作:系统学习混凝土机械相关知识,熟悉课题相关CAD软件的基本操作和应用。第一周,课题调研,查阅资料,熟悉有关软件的应用功能第二周,完成开题报告及外文资料翻译第三周,拟订双泡径式水泥发泡机总体设计方案第四周,绘制双泡径式水泥发泡机的工作原理图第五周,进行有关计算,确定主要技术参数第六周,完成空压机等装置的选型第七周,绘制发泡机的总装图第八周,绘制发泡机的总装图第九周,绘制机架装配图第十周,绘制主要零件图,完善发泡机装配图第十一周,撰写毕业设计说明书第十二周,撰写毕业设计说明书第十三周,课题答辩教研室审查意见: 室主任签名: 年 月 日学院审查意见: 教学院长签名: 年 月 日 摘要泡沫混凝土是一种重量轻、保温、隔音、耐火的多功能材料,它在建筑节能及防火领域有着举足轻重的地位。老式的水泥发泡机设备生产出的泡沫泡径显得匀称单一,泡沫之间的距离间隔较宽,生产出的泡沫混凝土制品会出现微孔相对疏松的情况。若在泡沫的缝隙间加入比较小泡径的泡沫,让缝隙率下降,使整个产品更加的轻质。探索开发出泡沫密度可控、性能稳定、产率高效的水泥发泡机,对助力泡沫混凝土制品的推广应用意义非凡。本论文设计将发泡的雾化喷嘴和气泡发生器融为一体的方法,使水泥发泡机能够同时产出双种不同泡径泡沫的创新想法。发泡管结构由一小直径发泡管嵌入到一大直径发泡管中间构成,大小直径发泡管中各自装有不一样填充率的介质起饶流功效。并按照六方最密填充理论,构建出最佳直径比、体积比的双种直径泡沫堆积的结构模型。最终用机械制图软件CAD绘出双泡径式水泥发泡机的总装配图及主要零部件图。关键词 泡沫混凝土;泡径;雾化喷嘴;最密填充AbstractFoamed concrete is a lightweight, heat-insulating, sound-insulating and fire-resistant multifunctional material that plays an important role in building energy conservation and fire protection. The bubble foam diameter produced by the old cement foaming machine equipment appears to be uniform and uniform, and the distance between the foams is widely spaced. The production of foamed concrete products will result in relatively loose pores. If a bubble with a relatively small bubble diameter is added between the gaps in the foam, the gap rate will decrease, making the entire product even lighter. The exploration and development of a cement foaming machine with controllable foam density, stable performance, and high yields are of great significance for the promotion and application of foam-assisted concrete products.This paper designs a method that integrates the foaming atomizing nozzle and the bubble generator, so that the cement foaming machine can simultaneously produce two innovative ideas of different bubble diameter foams. The structure of the foamed pipe consists of a small-diameter foamed pipe embedded in the middle of a large-diameter foamed pipe. The medium filled with different filling ratios in the small and large-diameter foamed pipes has a raphic effect. According to the hexagonal dense packing theory, the optimal diameter ratio and volume ratio of double-diameter foam deposits were constructed. Finally, the mechanical drawing software CAD was used to draw the total assembly drawing and the main parts drawing of the double-bubble-diameter cement foaming machine.Keywords Foam concrete Bubble path Atomization nozzle Closest fill36目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1泡沫混凝土的简介11.1.1泡沫混凝土的特性11.1.2泡沫混凝土的应用与发展31.2 水泥发泡机的简介41.2.1水泥发泡机的原理与发展42毕业设计(论文)的内容和要求62.1设计内容62.1.1研究的主要内容62.1.2拟解决的主要问题62.1.3研究方法技术路线63 双泡径式水泥发泡机的总体设计73.1水泥发泡机的发泡方式73.2双泡径泡沫结构的理论模型73.2.1泡沫的形成73.2.2气泡的稳定性83.2.3气泡的结构93.3水泥发泡机的工作原理123.4供液设置和进气设置123.5双泡径式发泡管的设计133.5.1双泡径发泡管的结构设计133.5.2雾化喷嘴的设计143.5.3双泡发泡管的尺寸参数163.5.4双泡发泡管内填充183.6控制系统的设计193.7水泥发泡机的机架设计194元件配置的选择214.1空气压缩机的选型214.2液泵的选型214.3阀的选型225校核强度235.1分析载荷情况235.2 机架强度校核236 双泡径式水泥发泡机的日常维护和故障排查24结论27致谢28参考文献291 绪论1.1泡沫混凝土的简介1.1.1泡沫混凝土的特性泡沫混凝土是一种值得在建筑领域大力推广的新型绿色节能建筑材料。拥有着环保、价廉、隔热、隔音、质轻等多种优秀的特点。根据用户自身的应用需要将发泡剂加上空气或二氧化碳等气体,有的还会加上含硅质、钙质等成分的浆体之中,经过机械反复地搅拌混合及合理的自然养护下成型,最终生成其内部含有许多微细的密闭气孔并且拥有一定强度的多孔材料。1.1.1.1轻质 我们建筑工程上所使用泡沫混凝土的密度一般为3001200kg/m3 ,这相当于传统炼制实心粘土砖重量的1/5至1/8。得到建筑市场的亲睐并在建筑工程上得到了大面积的运用。例如现在大多数高层房屋的内外墙体、楼体支柱等关键构造使用到该超轻型泡沫混凝土,能够有效的让该建筑结构总重量下降达到25%到35%。这样明显的降低高层建筑物的巨大荷载,使其结构更加的坚固稳定。我们在公路及桥梁地基替换填充中也可以看到泡沫混凝土的大量运用,由于公路及桥梁的地基自重应力过大就容易发生地基下降陷落等危险问题,泡沫混凝土的容重轻,强度大特性就有效的避免了公路坍塌及桥头跳车等危险的发生。并且,对建筑构件来说,如能用泡沫混凝土替换传统炼制实心粘土砖,不仅能大大提升构件的承载能力,而且从经济效益上来讲泡沫混凝土也比传统炼制实心粘土砖更加廉价。 1.1.1.2保温隔热效果好通过切开泡沫混凝土可以看到其当中有着许多封闭的气泡及细孔,这种结构使它具备优异的绝热性能。同时实验数据表明其惰性指标非常优秀,能够长期持续的保温及隔热,这是传统炼制实心粘土砖远远无法达到的良好保温隔热效果。泡沫混凝土体积密度在350至750kg/m3时它的热导率为0.09至0.18W/(mK),是传统炼制实心粘土砖绝热率为的7倍,更加是普通混凝土的10倍之余。据报道,在我国北方建筑物中常用的500mm厚的粘土砖墙,经实验结果证明与200mm的泡沫混凝土墙体成效不差,所以运用泡沫混凝土能有效地增加建筑的使用面积。并在同等供暖情况中,大大省下了用煤量。现今为止建筑市场上出现的各种新型建筑物墙体材料中,泡沫混凝土能够节能达60,且它不像其它材料需要中间额外的添加其它的绝热材料或者加一层空气层。1.1.1.3耐火隔音效果好泡沫混凝土产品具有很好的抗燃和阻燃性能,这是由于其原材料大都是无机物质, 比如水泥、石灰、粉煤灰、砂等材料都是不易燃烧的,阻燃效果非常好,所以做成的产品其热导率极小,在极高温度中也不容易燃烧,能有效抵御火灾的发生及蔓延。它耐火极限超过了3个钟头,消防安全毋庸置疑。泡沫混凝土是建筑上的一种良好的隔音材料,当声音传达到隔音产品的表面时,当中大量均匀分布的封闭细孔将会把一部分的声音吸收, 还有一部分将会被反弹,只有相当少的一些会穿过它。吸音能力为0.09%至0.20%,是传统炼制实心粘土砖的5倍。驾驶汽车在马路上快速运动中极易产生“声爆”危害,这是因为在车辆的夹层中风压及高频金属摩擦产生的燥声在往返过程汇聚大量的声波能量,对高速公路一旁的建筑及生活在那的人民带来麻烦。把泡沫混凝土用于公路、铁路、隧道等隔音降噪中,形成了隔音板、隔音屏、声屏障等新产品,能有效较低声音的分贝。 图1-1泡沫混凝土耐高温1.1.1.4低弹减震性好泡沫混凝土能够吸收较大的冲击载荷,这是因为它本身具备的弹性模量非常低。并且它在现场施工当中还拥有不错的可泵性,制品的抗压强度可高达0.520Mpa。与传统建筑材料相比,泡沫混凝土重量大多在300-1000 kg/m3左右,使建筑物自重降低1/3左右。在日本这个高频率发生地震的地方,在它记载的历次地震中,建筑物材料为黏土的大多毁于一旦,而建筑物材料为泡沫混凝土的却有不少仍屹立不倒,建筑结构也保存得相对完整。事实足以证明,泡沫混凝土优良的抗震性显著好于传统实心黏土类。1.1.1.5.加工自动化施工方便我们能够在工厂内就生产出种类繁多的泡沫混凝土制品,并且在现场就能够马上施工,直接浇注成内外墙体、楼面、层面、立柱等与主体工程结合紧密。传统制作泡沫混凝土沙子、水泥比例等需要手动操作,没有办法准确地计算,混合物的密度无法调控,导致工作效率低。现如今,水泥发泡机已经能够达到自动化生产标准,计量精确且日均工作量可达到300m3,并且泡沫混凝土能输送高达200m的高度,从而减少工程量、压缩工作时间。1.1.1.6环保性能好泡沫混凝土所使用的原材料通常为水泥和发泡剂,我们常用溶液和铝粉做为化学发泡剂的主要原料。物理发泡剂原料主要为松香类、蛋白类和复合型。这几种原料都是不含有苯、甲醛等有害化学物质,原料绝大多数为中性材质,不会危害到周围的生态环境。泡沫混凝土保温砖块在生产及施工过程中不会产生有害物质破坏生态环境,废弃后可以粉碎成粉末并重新制成混凝土砖块,或者把废弃的泡沫混凝土砖块研磨为颗粒状当绿化用途。所以泡沫混凝土和另外的墙体用料相较,良好的机能不言而喻。 1.1.2泡沫混凝土的应用与发展(1) 用作挡土墙。它可以在港口岸墙后作为回填的材料,这是由于泡沫混凝土具有良好附着力,它可以满足码头岸墙表面抗滑移稳定性要求和对挡土墙前部倾覆的稳定性要求,岸墙的沉降得到了降低,日常的维护花费也随之减少经济成本得到了控制。泡沫混凝土能够应用于水利工程岸墙的加高加固或拿来取代路堤边坡的部分土壤,从分利用泡沫混凝土的容重小,强度高,施工便捷使路堤边坡的整体重量下降,这样就就大大增强了路堤边坡的稳定。图1-2 泡沫混凝土制品(2) 贫混凝土填层。这是由于泡沫混凝土拥有的抗压强度比实心粘土砖要强得多。据相关人员实验证明泡沫孔径分布越狭窄,它的强度值就越高,并且外表不容易出现裂缝。可满足不同气候地区,例如在北方隔热要求较低的可采用平均厚度为5cm密度为1200kg/m3的贫混凝土填层,而南方炎热地区采用平均厚度为1020cm密度为500kg/m3的贫混凝土填层来隔热。(3) 作防火夹芯构件。可运用密度在300600kg/m3的泡沫混凝土作为防火门内芯,依照政府有关部门的标准要求,防火门当中的物质要对人身健康没有危害的防火耐高温材质,燃烧性能达到A1级标准,产生烟雾的毒害危达到ZA2级标准。泡沫混凝土耐高温在一千度左右时,它的导热系数在0.050.07W/(mK),并且拥有较强的抗压能力,很是合适运用在制备防火门的内芯。(4) 修建体育场跑道。泡沫混凝土排水效果杰出,这是由于泡沫混凝土上多孔渗透的突出能力,能够作为体育场跑道的轻质基础,并在跑道的上面加上一层小石子或者人造草皮,就可成为良好的田径跑道。当在泡沫混凝土上方铺设上一层厚度为5cm左右的多孔沥青面或多孔塑料面,即可以当做体育运动场来用。(5) 屋面保温隔热。利用水泥再加入粉煤灰、石粉等材料做成的半米厚的泡沫混凝土试验品在炉火上烤半小时,背面用温度计测量仍不会太高,保温隔热成果明显。是一种新型的绿色型屋面材料,不单能够做成屋面的保温板,而且依照用户要求可现场施工马上浇筑而成。泡沫混凝土的发展:早在两千多年前,古罗马人在修建建筑物时也发现通过石灰、砂子、砾石等材料搅拌混合出一种比普通石头更轻质的材质,也就是最原始的混凝土。再后来通过将动物血液加到混凝土中,然后搅拌在一起后,产生了一种经久不破的气泡,并通过自然养护为一种稳定坚固的多孔材料。时至今日动物蛋白水解物类发泡剂依旧广泛的应用在泡沫混凝土的制备当中。在公元十九世纪初期,当时整个世界的年平均气温较低,人们迫切的需要有一种能够有极好的保温效果的材料来当建筑墙体用。欧洲的科学家们在前人先辈的研究基础上大胆地提出了将发泡剂制得的泡沫和水泥砂浆等混合搅拌在一起能够产生新的多孔混凝土的一种创新途径。远在1950年之前国内便开始自主研发出性能优越的蒸压引气方式生产泡沫混凝土,并在现实住宅墙体中得到运用。但由于我国历史及广大农村劳动人民的思想观念等诸多原因的阻碍,传统实心粘土砖依然是现今中国建筑市场上的主流。近年来,国家政策出台及相关部门的响应,特别是节能中长期专项规划的颁布,更使泡沫混凝土重新在我国获得大力发展。再加上美国、英国、加拿大等欧洲发达国家的先进技术流传进我国,发泡机设备大型化、自动化、加工细致化使泡沫混凝土节能材料倍受欢迎,被大量运用在建筑的保温、现浇两大应用领域,特别在我国东北等天气较寒冷地区,在建筑保温复合墙领域得到大量运用,也会是未来我国泡沫混凝土发展的一个好的趋势。1.2 水泥发泡机的简介1.2.1水泥发泡机的原理与发展发泡机就是一台将发泡剂液体和空气混合一起然后产生泡沫的仪器。发泡剂自身没有其它辅助条件是不能够凭空生成为泡沫,我们要通过发泡机的工作来生成泡沫。引气机也是发泡机的另一种说法,它是将气体液体均匀的分散开来,实现它们尽可能大面积的接触,这是产生泡沫的必要条件而不是充分条件,让发泡剂表层的活性物质在液体薄膜层上产生双电子层液膜效果并包含住空气,形成了一个个致密的气泡。可以看出通过什么样办法能够把空气引入到发泡剂水溶液中是它的关键技术问题。在气泡的产生过程中,发泡剂性能是一个导致泡沫混凝土产品好坏的至关重要的点,气体如何引进发泡剂溶液则是另外一个至关重要的原因。这就需要靠发泡机来完成,现在普遍是通过发泡机内的空气压缩机将气体泵入液体中。当然不一样类型的发泡机,引入气体的方法也是多种多样的,依照引入方法区别,发泡机可分为下面各种类型:(1) 旋转叶片引气(低速)。这是最原始的引气方式,其工作原理是搅拌器的搅拌叶片旋转转动带有发泡剂的混合物,同时大量空气伴随着搅拌机叶片的转动带进混凝土沙浆中。但是该方法搅拌机叶片的转动地过慢、使气体进入混凝土浆体的量太少,所以此方法产出的气泡量少,无匀称,泡径的大小没法掌控,完全在依靠水泥发泡机的任意性,制备出的产品质量欠佳。优点是简便易行,工艺相对简单,投资规模不大,可用来生产密度要求不严格的泡沫混凝土。(2) 旋转叶片引气(高速)。工作原理跟慢速旋转叶片差不多,其气体的引入还是要靠旋转叶片转动来完成。区别在于其叶片转动速度通常要求较高,转速需在7001400r/min之间,这是由于速度较高才能够使旋转的叶轮在液体中暴露,和空气得到接触,引入空气。(3) 利用压力引气的方式。现如今国内外大部分国家使用压力引气发泡的方法,相对上面两种引气方法显得更加高端的。我们发现在常压下,空气进到液体是困难的,如果对它施加些压力,就相对要容易些。这个空气压力不单单是把气体充入液体中,同时也要把液体充入气体中,可以说是双重施压。有效解决上述两种引气的种种问题,无论从发泡效率,还是气泡直径的大小及泡沫均匀度等,都迈入了一个崭新的阶段,技术层面上有了跨越式的进步。(4) 高压射流引气。这是最近几年新兴的发泡方式,正在实验室做研究,市场也才初步尝试还没有普遍的应用。它的基本原则是使用高压射流产生的强大分散力,来完成气相和液相在同一时间快速地大面积的接触,再经过匀称地融合,最后以液体包裹着气体的形态生成泡沫。水泥发泡机的发展:随着社会现代化的发展,科学技术的进展飞快,水泥发泡机的类型也各式各样日新月异,新型水泥发泡机岑出不穷,各自拥有独特的创新与体系。国内1950年左右便开始运用传统的方法将发泡剂直接渗入水泥砂浆搅拌,让发泡机使混凝土一起搅拌生成泡沫。当时所采用准确来说叫砂浆搅拌机,是水泥发泡机雏形。后来改革开放使我国社会经济的得到快速发展,在1970年末,我国已经开始出现高速叶轮发泡机也就是专用的水泥发泡机。再更新换代到今天已进展到以高压充气型发泡为重点的第三代发泡机,足以供给我国各地建筑施工对泡沫混凝土的技术需求。但是和美国,英国,等欧美发达国家相比,我国的水泥发泡机自动化水平远远达不到标准,效率明显不如其他国家。究其原因是国内对这方面的研发技术水平还不够,使得国产水泥发泡机的价钱大多几万元一台,简易的小机型水泥发泡机甚至才几千元一台,同机型的国外进口却需要十多万。这是由国情所决定,但随着政府的关于节能建筑材料的政策颁布与科研经费的投入,这一差距正在慢慢拉近和缩小。 2毕业设计(论文)的内容和要求2.1设计内容2.1.1研究的主要内容首先根据市场调研拟定双泡径式水泥发泡机总体设计方案,绘制双泡径式水泥发泡机的工作原理图。再通过相关设计计算,确定主要技术参数,完成双泡径式水泥发泡机的结构设计。最终用机械制图软件AUTOCAD画出双泡径式水泥发泡机的总装配图及主要零部件图,然后书写设计说明书。2.1.2拟解决的主要问题(1)选择哪种方式使一台发泡机能同时发出两种不同泡径的泡沫,以便让小泡沫尽可能地填充在大泡沫的缝隙之间,获得致密的填充体。(2)如何使两种不同泡径的泡沫制备出的泡沫混凝土在保证了相应强度的条件下,能有效节省泥浆的使用量,使得泡沫混凝土制品更加质量更轻,结构更加均匀。(3)发泡管区内采取何种结构设计使其既合理又快速高效地工作。(4)如何优化双泡径式水泥发泡的机构及相关工艺参数,来确保水泥发泡机在工作时能够持续且稳定。2.1.3研究方法技术路线(1).查阅相关资料,拟定双泡径式水泥发泡机总体设计方案,通过改造的简易拉瓦尔原理的雾化喷嘴和气泡发生器融合一体的方法,使水泥发泡机能够同时产出双种不一样泡径泡沫的创新想法。(2) 以六方最密填充理论为依据,建立了大小径泡沫堆积的模型,并通过此堆积模型及相关实验数据分析出发泡管中大小径泡沫的理论直径比以及体积比,从而获得大小径泡沫的最佳比值。(3)发泡管区通过将一小直径的发泡管装在一大直径的发泡管中构成,大小发泡管内各自装有不同填充率的物质产生饶流效果。其中发泡管外管中的填充介质比较疏松,形成大泡径泡沫;发泡管内管中的填充介质相对较为紧密,产生小泡径泡沫。 (4)利用相关机械软件完成对双泡径式水泥发泡机的数值模拟分析,优化工艺参数,从而保证发泡机构的稳定性。3 双泡径式水泥发泡机的总体设计3.1 水泥发泡机的发泡方式表3-1 各种发泡方式的发泡效果发泡方式发泡效果旋转叶片引入气体(低速)泡沫产量不足、生产效率较低、发泡的成效欠佳。旋转叶片引入气体(高速)气体散布不平均、产生的泡沫直径较大并不规范、稳定效果欠佳。中低压引入气体泡径大小的掌握、生产的效率、产量等各项均有提升,可总体来看没有高压引气的优点多。高压引入气体产生泡沫密度适中、泡沫直径小并规范、稳定效果佳、沁水率不高。高压射流引入气体当前还在开发研究中,和高压引气方式对比,尚且无特殊的优点。根据表3-1中可以看出高压引入气体发泡方式的的发泡效果明显好于其他发泡方式,因此综合考虑本论文选用空气压缩机型发泡方式。3.2双泡径泡沫结构的理论模型3.2.1泡沫的形成泡沫属于高度分散体系,由于它上面有着一个大面积的气液界面,所以在热力学中这种体系属于不稳定的体系。通常,我们常见到的泡沫可分为以下两类型:一类是稀泡沫,它是由于气体形成的小体积的球状气泡匀称分布在比较稠密的液体中,其泡沫表面覆盖着一层较厚的液膜。另一种是浓泡沫,它是由于液体与气体之间密度相差较大,同时液体的稠密度又比较低。因而浓泡沫能够快速地从液体下部浮起到液面,然后构成多面体的泡沫混合体。这种气泡混合体只是被小部分液体的液膜给阻挡开,这也就是我们通常所说的泡沫。按照道理,不管如何向纯净的液体搅拌或充气均不能够生成泡沫的,由于在其表面张力效果下,液体的表面通常会形成一种自动变小的趋向。因此,在纯净的液体中,两个气泡如果相接触就会自然而然地融汇为一体,直到所有气泡都消失不见。假如我们能在液体中溶解某类特殊的物质起到“缓冲层”的作用,迫使气液之间的界面张力能够减小,从而形成一种具有不容易破裂的临界层。但在它的成分结构和其它液体却有所不同,则当两个气泡相接触时候,该临界层就起减压缓冲的效果阻碍泡沫破碎。发泡剂能够被称作“缓冲层”,关键在于发泡剂本身具有不对称的分子构成。它可有效地在气液界面上汇合,来减少其表面张力,并且能够加强液膜的机械强度。由此可知在纯净液体中加入发泡剂经过搅拌、雾化、喷射或吹入等的途径通过把气体融到发泡剂溶液中便可生成泡沫。此论文设计泡沫的制备运用的是气液雾化的途径:当发泡剂液滴在一个快速的气流之间,气流速度在到了某一临界点时会产生分裂,让液体与气体在一瞬间得到大表面的接触,最后我们将看到液体中含着气体的途径产生泡沫。引入气泡的途径是让浸在液体的孔口将气体引到液体间,当气流的速度变慢时,观察到孔的出口积聚体积一定的气泡。当气流的速度变快时,气泡的产生效率便会升高。气泡的体积大小能依据浮力及表面张力的平衡计算得出,见式(3-1) (3-1)式中 表示泡沫的半径(mm); 表示发泡的密度(g/m3); 表示半径r0孔出的气体密度重力加速度(g/m3); 表示重力加速度(N/kg);表示液体的表面张力(mN/m)。气体的流动速度在到临界点之后,气体在液体间或许会出现射流现象,然后产生的射流将会散开通过介质分化出许多微小的泡沫。3.2.2气泡的稳定性(1)表面张力泡沫产生的原因关键在它具有的表面张力不高,从能量角度来讲,低表面张力对泡沫的形成是有促进作用的,但它的缺点是不能够确保它形成的泡沫拥有相当的稳定性,这就需要液体表面形成的具备一定强度表面膜。(2)液体粘度如果液体粘度比较高时,将会使液膜间的液体很难除去,并容易造成气体在液膜间的溶解程度变小,便会让液膜的表层薄膜缩小的程度放缓,液膜维持的时间逐渐加大,从侧面提高了泡沫的稳定度。(3)表面粘度Shah分别将质量比例一比一百的十二醇混合物和十二烷基硫酸钠的材质,做了相关实验得出如图3-1数据,对数据进行深入研究发现:表面活性剂溶液的排水率与表面粘度存在着反比例的联系。当表面沾度在升高,液膜排水速率下降,使得泡沫的恒定性得到了上升。可以得出结论表面粘度对泡沫恒定性有着积极作用。图3-1表面粘度、平均排水速率及浓度的关系(4)压力不一样的压力条件中,泡沫的稳定效果将是有所区别的。实验数据证明,泡沫的稳定性与压力大小成正比例。实验研究表明,随着压力的逐渐增大,它的泡径逐渐变小,导致液膜的面积逐渐增大,液膜表层逐渐稀薄,使得排液的效率得到下降。(5)温度温度对气泡的恒定非比寻常,正常状况中,泡沫的稳定性将因温度的加大而慢慢减小。温度对于泡沫的稳定性的作用在两种地方:一个是温度的提高,加大发泡剂的溶解度,使得气液界面上发泡剂的吸附量降低,所以减小了液膜的强。再一个是温度的提高,使发泡液的粘度变小,液膜排液效率变大,气泡聚合一起,容易导致气泡的破碎。3.2.3气泡的结构所设计的是双种不一样泡径气泡夹杂在一起的布局,这里将气泡看成类似球状构造进行研究,通过在均一大泡径气泡的缝隙间持续不停地加入合适尺寸的小泡径气泡,就可得到相当密度的填充单元。紧接着气泡与气泡间隔的拉远,双泡径混合气泡构造的间隙率将慢慢变小。这是因为最初的大泡径气泡间隙中理应填充的泥浆位置现在由小泡径气泡所代替,形成一种大小泡径相结合的气孔结构,通过这种方式来使的泡沫混凝上容重下降,变得越加轻质,结构更显匀称。要让大小气泡的布局更加合理匀称,就需计算好大小泡径的比例。 图3-2双泡混凝土泡沫结构示意图统一泡径气泡在通过六方最密填充结构来有规律地分布时,气泡之间产生的轮廓及缝隙的窄宽均是有规则的,绝大多数会有着两种孔型的孔结构:一种是由6个球形框起来的的四角孔和4个球形框起来的三角孔。我们在对Hudson所做的填充研究实验数据中得出,通过半径是r的均匀小泡沫填充至半径是R的均匀大泡沫的六方最密填充体中,发现r / R和空隙之间的关系存在一些微妙的联系。当时,将填充为四角孔结构,当时,将填充为三角孔结构,并在时的我们得出最佳值,三角孔基准填充最为密实,实验的数据见表3-2表3-2 Hudson填充研究填充状态 放进四角孔个数 比值 放进三角孔个数 空隙率四角孔基准1414270.41420.25830.17160.138100450.18850.19050.14830.1621三角孔基准821260.22480.17160.14121450.14600.11300.1563由表3-2的数据可得:当,填充状态为三角孔基准时,空隙率最低,泡沫结构最为紧凑。如今,国内建筑施工使用到的泡沫混凝土孔的直径通常在0.1至1mm左右,据有关实验研究表明:当泡沫混凝土的泡径大小为1mm时,它的抗压强度比3mm的泡沫混凝土上升多达20%。因此,该论文设计的双泡径式水泥发泡机产生的大气泡直径需比1mm小,小气泡直径需比0.1716mm小。通过对六方最密填充气泡的分布构造、填充率及间隙率之中联系分析,能够发现在单个模型构造中: 四角孔的数量在(个);三角孔的数量在 (个);大泡径气泡数量在(个);小泡径气泡数量在(个)。所以,我们可以得出这个单元体内大泡径体积,见式(3-2) (3-2)小泡径的体积,见式(3-3) (3-3)它们之间的体积比,见式(3-4) (3-4)可以明显看出没有加入小泡径气泡前的间隙率,加入小泡径气泡后,单元体的间隙率为,下降效果很明显。3.3水泥发泡机的工作原理图3-3双泡径式水泥发泡机工作原理图注:1-6为手动调节球阀插上电源插头,首先开启液泵装置按钮,然后再开启空气压缩机装置的按钮。液泵装置与空气压缩机同一时间向发泡管中带入所需的合成发泡剂溶液和压缩空气体。之后经发泡管的雾化区通过简易的拉瓦尔式喷嘴的效应下气体和液体相流,在瞬间的爆炸能效应下进行雾化发泡。接着气液混合体通过发泡管区中的填充物质(如,不锈钢丝球)的饶流效应下均匀了气泡直径,扩大了气泡膜厚,提升了气泡的耐压性及稳定性。再通过发泡管的混泡区进行双泡径泡沫融合一起,成为致密的泡沫填充体,最后再经压缩空气的推动下流出泡沫。3.4供液设置和进气设置(1)供液设置通过考虑使用人员对双泡径式水泥发泡机发泡量的需求差别,比如在研究室中发泡和在建筑工厂中发泡的发泡量差距是比较大,所以将该双泡径式水泥发泡机的供液装置设计为双向两种供液方式。方式一:盛液斗供液这种供液方式是计量式的少量发泡,是为实验室内发泡而设计。方式二:抽液管供液此供液方式将是为大规模发泡中准备,应在大的盛液装置中接连不停抽取发泡溶液发泡,是为工程用途发泡而设计。上述两种供液途径可根据用户自身的需求随意的转换,当使用盛液斗供液方式时,能够让液体维持恒定高度下也是可以实现接连不停地作业。而且上述供液方式全部通过液泵的泵送来完成的。我们还需在液泵出液口处加一个阀门(见图3-3的阀门3),用来消除气阻问题的隐患,在没有气阻问题的时候此阀门是关闭的,在出现气阻情况时要即开即关,之间间隔不应该超过1s。如果一次的即开即关不能消除气阻问题的话,我们还应重复上述方法再来一次。(2)进气设置此次设计的双泡径式水泥发泡机是通过空气压缩机装置来供给压缩气体的。想要避免空气压缩机的“空载”和“满载”带来的不良危害,就需在空气压缩机的出气管位置上增加一储气管。按照此装置让下一次的气体来临前,让冷却器中产生的水份及油份完成再一次填补,一并弥补了空气压缩机容量多余的气体,让发泡机对压缩空气使用量刚刚好。3.5双泡径式发泡管的设计3.5.1双泡径发泡管的结构设计图3-4双泡径式发泡管的结构示意图如图 1进液管; 2进气管;3雾化发泡管区; 4发泡管内管; 5发泡管外管;6双泡混合管区; 7不同开孔率的孔板。本论文设计的双泡径发泡机采用5-大径发泡外管中含有4-小径发泡内管的构造,如图3-4所示。大小发泡管中各自装有不一样填充率的填充物质(如,不锈钢丝球),最后生成两种大小泡径的泡沫在6-双泡混合管区中聚合后等待下一步操作。该发泡管的组成结构如图所示,双泡发泡管由以下三个部分构成:(1) 雾化管区通过简易的拉瓦尔式的喷嘴构成,主要作用是让气液雾化。(2) 发泡管区一小直径发泡管嵌入到一大直径发泡管中间构成,大小直径发泡管中各自装有不同填充率的物质(如,不锈钢丝球),有着饶流功能。(3) 混泡管区是锥形结构的造型,通过让饶流后的大小泡沫形成六方最密填充体。双泡径式发泡管的工作原理为:将准备好的发泡剂液和压缩空气按照需求的液气比例,在简易拉瓦尔式原理的喷嘴中,在瞬间的爆炸能作用下进行雾化发泡。通过2-进气管处的压缩空气作用下进入到大小发泡管中(4-发泡管内管,5-发泡管外管)。在发泡管填充物质(如,不锈钢丝球)的饶流影响下匀称了泡径,提高气泡膜厚,使它的抗压及恒定效果加强。制得的大小泡沫在6-双泡混合管区内产生大泡径包含着小泡径的状态,等待与水泥砂浆混合使用。因为4-发泡管内管中装有的不锈钢丝球较密急,填充率高,产生的阻力比较大,想要保证整个发泡管系统的阻力维持一定的平衡。应在3-雾化发泡管区处和发泡管区之间加上一块能平衡系统阻力的孔板7,并在上面相关地方钻出些许匀称的孔洞,让气液混合物能穿过孔板到发泡管内进行下一个步骤。我们运用上述设计的发泡管产出的大小泡径泡沫在和水泥沙浆搅拌制作泡沫混凝土时,需在确保力学性能稳定的前提下,不但要让制得的泡沫混凝土上的气孔结构更为紧密,而且还要让其容重下降变得轻质。3.5.2雾化喷嘴的设计雾化喷嘴是整个发泡管的发泡效果好坏的关键所在。因此,雾化喷嘴是整个结构的重点和难点。针对雾化装置结构查阅相关资料,并结合本论文的实际情况,运用普通的压力雾化方式。让发泡剂溶液和压缩空气进入一段细孔并在气液两相流爆炸能的情况下产生雾化效果。拉瓦尔喷嘴的原理:从液体力学能够明白,当气体恒定运动,一定时间中气体进入喷嘴的量是相同的。因此可以得出,当气体进入喷嘴后,喷嘴的形状从宽到窄变小,这样气体的流动速度就会变大,在气体进入喷嘴截面最窄的地方,气体的流动速度成为最快的临界值,当中气压的大小到入口的气压大小二分之一。要让喷嘴出口压力比进口小,就要在出口出增加一段扩张段。通过此方式在出口处得到堪比音速的气体流速,并且该地方是低压区。喷嘴简化结构设计:图3-5 雾化喷嘴原理图此雾化喷嘴是进液口、进气口所构成,如图3-5所示.整个进程中,压缩气体通过进气口环形管道上的细孔(如图3-6)射入雾化发泡管区,而发泡剂溶液通过在中间同样钻有细孔(如图3-7)的进液口射入雾化发泡管区。我们在进液管、进气管上钻一排直径为1.5mm的细孔来确保气液雾化平均。 图3-6进气管简图 图3-7进液管简图3.5.3双泡发泡管的尺寸参数我们在对发泡管的尺寸结构设计时,首先需要考虑以下几点设计条件:(1)满足产量要求;(2)满足泡径要求;(3)满足双泡径要求;(4)满足体积比要求;(5)满足能耗量低要求。因发泡管生产的泡沫流体在发泡管中运动中会遇到两部分的阻力:(1)延程压力损失因气液透过发泡管区中的不锈钢丝球介质流动中造成的压力损失。(2)局部压力损失因孔板结构导致泡沫流体流速发生变化造成的压力损失。设:发泡气液流进发泡管的孔板代号为I板;发泡泡沫流出发泡管的孔板代号为II板;发泡管外管的发泡线路代号为A路线;发泡管内管的发泡线路代号为B路线。所以发泡管外管相对应位置的沿程压力损失为,见式(3-5) (3-5)式、分别为I孔板与II孔板的局部阻力,它的数值和孔径的大小,孔板的厚度,流速等条件相关;为发泡管内的流体透过介质流动的阻力,它的数值和流体性质、填充介质密度和长度以及流速等条件相关。发泡管内管相对应位置的沿程压力损失为,见式(3-6) (3-6) 式中,、和含义同上。当发泡管中系统阻力到达平衡状态下,发泡管具有最佳的发泡效果,见式(3-7) (3-7)泡沫流体在进入发泡管区后,由于管道中的填充介质的饶流作用下会遇到阻力,由公式Ergun得:见式(3-8) (3-8) 式中 表示泡沫流体在发泡管中压降,Pa; 表示发泡管长度,m; 表示管道填充介质后的空隙率; 表示填充介质的当量直径,m; 表示泡沫在管道中的流速,m/s;、 表示具体温度环境下压缩空气的参数。首先,为了设计所需的大泡直径1mm,小泡直径0.1716mm的数值,需要将雾化产生的小泡径泡沫独自流到填充介质(不锈钢丝球)的发泡管内管中。并通过实验测得数据泡径是0.1716mm的时候,间隙率。用相同的办法测得发泡管外管填充介质(不锈钢丝球)后的间隙率。此双泡径式水泥发泡机发泡管的长度长达400mm;其发泡管内管直径达40mm;发泡管内管壁厚达5m;发泡管外管直径达100mm;发泡管外管壁厚达7mm。按照实际的工作情况,实验得到的数据为双泡径组合泡沫流量在3.125m/h,因大小泡沫的体积混合比大小10.7,推算得大泡径流量大小2.858m3/h,小泡径流量大小0.267m3/h。通过公式算出, 小泡径泡沫在发泡管内管中的流速;大泡径泡沫在发泡管外管中的流速。那么,当通在温度27c条件下的空气时(,)。泡沫在发泡管B线路发泡管中压降;发泡管A线路发泡管中压降。为了平衡发泡管的系统阻力,即满足,应设计好孔板的构成。设、为零,孔板做开孔设计:设外环孔板总开孔面积为A,开孔率为,孔板阻力系数, 气液混合体穿过孔板细孔时速度为,气液混合体穿过孔板外环细孔时产生的局部压力。经达西-维伊斯巴赫公式计算得出,见式(3-9) (3-9)式中表示气液混合体穿过孔板细孔时的压降,Pa; 表示气液混合体体的密度,kg/m; 表示孔板阻力系数; 表示气液混合体穿过孔板时的流速,m/s。气液混合体密度,研究测得为34.74kg/m3,孔板阻力系数为见式(3-10) (3-10) 式中 d 表示外环细孔等效单孔孔径,mm; D表示发泡管外环等效内径,mm。气液混合体在孔板中为流速,经流体连续方程测出:,见式(3-11) (3-11)由系统阻力平衡式可知,。由此可算出孔板的总开孔面积约为488.3mm2,开孔率为8.27%。发泡管外管相对的孔板相关数据见表3-3所示:表3-3发泡管外管相对的孔板参数孔板编号孔排布方式孔直径/mm孔个数/个孔板厚度/mm开孔率I/II均匀分布4.43250.0827注:开孔率是孔板上细孔的总面积相对发泡管外管减去发泡管内管的截面面积的比值图3-8 孔板结构示意图3.5.4双泡发泡管内填充我们需要在发泡管的内外管之中填充一些介质来让泡沫饶流以此变宽泡沫的壁厚,使泡沫能拥有更好的稳定和抗压的能力。这样的泡沫才不会在后续泡沫混凝土制备中因搅拌而破碎掉。如果我们用玻璃珠来当填充介质,由于玻璃珠的间隙是固定不变的,饶流效果不是很好,产成的泡沫质量较差,而不锈钢丝球来当填充介质充,因为不锈钢丝球具有可伸缩性,使用可压缩的不锈钢丝球来在发泡管道中填充,会比玻璃珠更有助于泡沫的饶流效应,让最后产成的泡沫质量成效更好。接着我们通过相关实验数据能够得出不锈钢丝球填充率对泡沫性能的影响:伴随不锈钢丝球填充率的加大,得到的泡沫沉降距减小,泌水率先上升后下降,发泡倍数先下降后上升。由此得出最佳的填充参数 ,其中外管中大泡径的不锈钢丝球的填充率为0.036,内管中小泡径的不锈钢丝球的填充率为0.084。3.6控制系统的设计此控制系统能够划分成自动控制和手动控制。通过对双泡径式水泥发泡机的以下几个关键方面来考量。表3-4 两种控制方式的对比控制类型价格维护效果自动控制昂贵复杂麻烦发泡效果良好手动控制便宜简单便捷有时受人为影响由表3-4得出,按照目前市场上的情况急需的是廉价、方便修护的水泥发泡机,手动控制的优势明显高过劣势。所以本次设计的双泡径式水泥发泡机采用手动控制的方式,且发泡机上的阀门也都为通过人工手动调节的阀门。空气压缩机和液泵的开关:在水泥发泡机的正面左上方位置安上两个按键来操控启动与停止。在水泥发泡机发生气阻情况时,为消除气阻,我们要快速地先后按下液泵和空气压缩机的按钮,且两个动作的间隔不应多于一秒钟。3.7水泥发泡机的机架设计双泡径式水泥发泡机的机架设计需考虑到以下三个方面(1)材料方面:为了能够降低成本,增加其在市场上的竞争力,机架材料应选用成本相对较便宜的,并且材料的质量要比较轻质的,这样方便设备的安装与运输。材料的选择还要有耐腐蚀、耐高温等特性,综合考虑到该水泥发泡机可能工作的种种恶劣环境。(2)结构方面:在设计发泡机的机架时需要对机架的刚度、强度和稳定性等问题多方面考虑,最后还要对机架设计出的结构进行强度校核来保证它在工作时的工作人员的人身安全有保障。机架的结构勿影响到设备中的装置正常工作和操作人员的安全。机架的结构形状需确保之后其他设备的安装、维修能轻易快速。因为空气压缩机在工作时会造成较为剧烈的抖动,因此发泡机的机架的结构抗振效果需要比较优秀。(3)外观方面:在确保水泥发泡机的相关设施正常工作的情况下,需让它的的整体外观得体大方。在设计发泡机的机架结构时,首先要达到上面的三个方面,然后要考量空气压缩机及其电机、清洗机以及发泡管等一系列设备零部件的安装位置情况,当然我们可以参考之前研究人员的类似发泡机的机架结构来借鉴。 过程:(1)设计整体机架构成时:详细研究此双泡径式水泥发泡机的工作情况和各设备环境条件,我们可让仪器从上到下划成几个面:盛液装置位于最顶面,发泡管位于中间面,液泵、空气压缩机以及带动其工作的电机放在最下面。这样自上而下的机架设计不但能够保证方便安装各机器而且也能确保各机器相互不影响地工作运行,以及方便后续的日常维护和故障部件的排查,更换。(2)设计机架结构尺寸:设计该水泥发泡机的机架的尺寸大小需要考虑到内部各个机器及零部件的尺寸大小。其中我们选择的PAW3608型空气压缩机及其电机的外观大小是mm,而液泵选择QL380A型清洗机及其电机的外观大小是mm。按照上述各部件参数初部设计该水泥发泡机的机架外观大小是mm,中间面离最底面550mm。(3)按照机架选择的用料和它的构造形状,初步选择电焊的途径来连接发泡机机架的用料。 机架材料的横截面通常是:工字形、圆形和矩形。工字形适合用在多数受到弯曲力的零部件,此设计中的相关零部件多数受到扭转力,所以第一个去掉工字形的材料。我们知道圆形截面和矩形截面均受扭转的零件,但从刚度来判断的话,我们还是优先选择矩形,它的平面性便于其他零件的安装。综合以上考虑,初步选定空心矩形截面为机架的材料截面。见表3-5表3-5 各部位机架材料的初选部位材料类型规格(mm)材料主支架支撑架矩形钢管等边角钢Q235Q235方钢管Q2354元件配置的选择4.1空气压缩机的选型空气压缩机的选用我们主要是参考它的工作压力和流量两个方面。通常空气压缩机的额定排气压力分为四个选项:低压在0.7至1.0MPa、中压在1.0至10MPa、高压在10至100MPa和超高压100MPa之上。能按照用户自身的实际情况来选用何种排气压力,平时采用的压力通常在0.7至1.2MPa。本论文设计的水泥发泡机的发泡量为1012m3/h左右,制泡的密度应该控3070g/L为宜,研究表明这个密度数值下无法让泡沫混凝土的效果产生变化。空气压缩机的出气量和液泵的出液量两者影响了泡沫的产量,见式(4-1) (4-1)式中表示破泡系数; 表示空压机排量; 表示液泵排量。通常,当使用恒定性好的发泡剂、气液比恰当,那么泡沫的产量Q关键在空气压缩机的排气量,见式(4-2) (4-2) 表4-1 PAW3608型空压机参数型号 ModelPAW3608功率 Power(KW/HP)3.0/4气缸(直径mm数量)Cylinder(diameterpiece)排气量 Exhaust Volume(m3/min)0.3额定压力 Rating Pressure(Mpa)0.7储气量 Volume of gas storage tank(L)110重量 weight(kg)1104.2液泵的选型设备发出的泡沫密度的最大值,见式(4-3) (4-3)式中 表示调整泡沫密度最大值; 表示发泡剂溶液密度,约为水密度;表示液泵最大排量;表示空气压缩机排气量。则液泵最大排量,见式(4-4) (4-4) 表4-3 QL380A型清洗机参数型号 ModelQL380A功率 Power (KW)额定压力 Rating Pressure(Mpa)许用压力 Allowable pressure(Mpa)流量 flow (L/min)QL-380A型清洗机自带的电动机参数如下表:表4-2单相电容异步电动机参数型号 DM8042绝缘等级 B电压 220V/50Hz电流 10.35A功率 1600W 转速 2800r/min电容 55UF/450V防护等级 IP44 标准号 JBIT 1012-1991日期4.3阀的选型此双泡径式水泥发泡机将运用手动调节的途径,因此我们在各管道中都装有型号为DN20的手动调节球阀,阀门上的管道的直径是20mm。调节理想的气液混合比是能否发泡的关键,如何调节气液混合比是泡沫的密度大小的重点。根据研究分析得出,通过在液泵出液口附近放置一个流量控制阀4(如图3-3双泡径式水泥发泡机工作原理图)。阀门4采用手动流量调节阀(J11W-16T手动直式调节阀),阀门4的转动手柄处有0-9刻度,0表示关闭状态,转动流量调节阀,改变管路中进液的流量,以达到改变进液量、调整气液混合比的作用。5校核强度5.1分析载荷情况此次设计的双泡径式水泥发泡机为小型装置基本载荷=设备的自重+设备运行时产生的载荷。(只考虑基本载荷,忽略其他
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