Малогабаритные гравитационные бетоносмесители

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Сибирский федеральный университет 

 
 
 
 
 

Г. А. Кузнецов, В. В. Минин, С. Ф. Зяблов 

 
 
 
 

МАЛОГАБАРИТНЫЕ  
ГРАВИТАЦИОННЫЕ  
БЕТОНОСМЕСИТЕЛИ 

 
 

Монография 

 
 

Под общей редакцией 

доктора технических наук В. В. Минина 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2023 

УДК 69.002 
ББК 38.6-5 

К891 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. И. Баловнев, доктор технических наук, профессор, профессор ка-

федры «Дорожно-строительные машины» Московского автомобильно-
дорожного государственного университета (МАДИ), заслуженный деятель 
науки и техники Российской Федерации, действительный член Российской 
академии транспорта, почетный профессор Сианьского университета 
транспорта и коммуникаций (КНР); 

Ю. А. Веригин, доктор технических наук, профессор, профессор ка-

федры «Технология и механизация строительства» Алтайского государственного 
технического университета им. И. И. Ползунова, заслуженный 
работник высшей школы Российской Федерации, академик Российской 
академии проблем качества 

 
 
 

 
Кузнецов, Г. А. 

К891 
 
Малогабаритные гравитационные бетоносмесители : моногра-

фия / Г. А. Кузнецов, В. В. Минин, С. Ф. Зяблов ; под общ. ред. 
В. В. Минина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2023. – 188 с. 

 
 
ISBN 978-5-7638-4500-6 
 
 
Рассмотрены возможности и ограничения повышения эффективности ма-

логабаритных гравитационных бетоносмесителей путем совершенствования 
конструктивной схемы и оптимизации параметров отдельных подсистем. 
Представлены новый метод расчета и оригинальные варианты конструкции бетоносмесителей 
бытового назначения. На основе предлагаемых критериев безразмерного 
вида и апостериорной информации по характеристикам бетоносмесителей 
различных фирм-производителей проведены вычислительные эксперименты.  


Предназначена для научных и инженерно-технических работников, а также 

студентов, магистрантов и аспирантов направления подготовки «Наземные 
транспортно-технологические комплексы». 

 
 

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 69.002
ББК 38.6-5

 
 

ISBN 978-5-7638-4500-6 
© Сибирский федеральный университет, 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ............................................................................................. 5 
Введение .................................................................................................... 8 
Глава 1. Анализ состояния разработанности закономерностей 
совершенствования конструкции как факторов,  влияющих 
на эффективность гравитационных бетоносмесителей ................. 11 
1.1. Состав бетонов .................................................................................. 12 
1.2. Способы снижения трения .............................................................. 14 
1.3. Обзор математических моделей  процессов смешивания ............. 17 
1.4. Основные направления совершенствования   
бетоносмесительного оборудования ...................................................... 22 
1.5. Компоновки ....................................................................................... 23 
1.6. Обзор патентов ................................................................................. 32 
1.7. Разработки СФУ ............................................................................... 38 
Глава 2. Особенности конструкции  и исследование 
отечественных цикличных гравитационных  
бетоносмесителей ................................................................................... 45 
2.1. Электрический привод ..................................................................... 46 
2.2. Механический привод ...................................................................... 51 
2.3. Конструкции смесительных барабанов .......................................... 60 
2.4. Конструкции рам .............................................................................. 67 
Глава 3. Математическое моделирование  гравитационных 
бетоносмесителей ................................................................................... 71 
3.1. Модель рабочего процесса  с учетом крутильных колебаний ...... 72 
3.2. Модель смешивания с учетом кавитации ....................................... 75 
3.3. Кинематический расчет  механических передач ........................... 79 
Глава 4. Экспериментальные исследования   
гравитационных бетоносмесителей ................................................... 82 
4.1. Электропривод .................................................................................. 82 
4.2. Механические передачи ................................................................... 83 
4.3. Режимы работы ................................................................................. 86 
Глава 5. Исследование прочности элементов конструкции  
гравитационных бетоносмесителей в пакете компьютерного 
инженерного анализа ............................................................................ 97 
5.1. Ось поворота барабана ..................................................................... 98 
5.2. Рама .................................................................................................... 99 
5.3. Барабан .............................................................................................. 99 

Глава 6. Обзор состояния рынка  малогабаритных 
гравитационных бетоносмесителей ................................................. 105 
6.1. Классификация современных  гравитационных  
бетоносмесителей .................................................................................. 105 
6.2. Основные параметры  гравитационных бетоносмесителей........ 112 
Глава 7. Тенденции развития  гравитационных  
бетоносмесителей ................................................................................. 128 
7.1. Критерии оптимизации  и оценки эффективности ...................... 129 
7.2. Функционально-стоимостной анализ бытовых  
бетонорастворосмесителей гравитационного типа ............................ 134 
7.3. Перспективы развития современных  отечественных  
цикличных гравитационных  бетоносмесителей ................................ 139 
Заключение ........................................................................................... 143 
Список условных обозначений ......................................................... 145 
Список литературы ............................................................................. 146 
Приложения .......................................................................................... 155 
Приложение А. Технические характеристики цикличных 
гравитационных бетоносмесителей ..................................................... 156 
Приложение Б. Расчет двухступенчатого редуктора  
бетоносмесителя .................................................................................... 163 
Приложение В. Расчет привода с червячной  
металлополимерной  передачей ........................................................... 173 
Приложение Г. Расчет открытой цилиндрической прямозубой   
металлополимерной передачи .............................................................. 179 
Приложение Д. Расчет открытой цилиндрической прямозубой 
передачи  с металлическими колесами ................................................ 185 

 

Предисловие 

Посвящается 65-летию 

со дня образования Красноярского 

политехнического института 

 
Предлагаемое исследование посвящено изложению фундамен-

тального подхода к расчету и моделированию (как части исследования) 
технологических процессов смешивания в малогабаритных машинах 
бытового назначения для приготовления бетонных растворов. 

Для социальной сферы деятельности важна теоретическая схе-

матизация сложного необратимого процесса образования бетонной 
смеси, которая характеризуется взаимно противоположными (конкурирующими) 
явлениями. Процессы смешивания и сегрегации происходят 
при физико-химических проявлениях растворения вяжущих, 
обеспечивающих требования стандартов к готовой продукции. В работе 
предлагается обобщенный безразмерный критерий моделирования, 
базирующийся на частных критериях взаимосвязи технико-
эксплуатационных и конструктивных параметров. Это обеспечивает 
точность расчета, приводит к повышению производительности машин 
при рациональном использовании материальных и энергетических 
ресурсов.  

Результаты исследований неоднократно апробированы на следу-

ющих конференциях: Международная научно-техническая конференция «
Интерстроймех-2014» (г. Самара, 9–11 сентября 2014 г.); Proceed-
ings of the IX International scientific conference – The priorities of the world 
science: experiments and scientific debate (North Charleston, USA, 1–2 No-
vember 2015); Международная научно-практическая конференция 
«Транспортные системы Сибири. Развитие транспортной системы как 
катализатор роста экономики государства» (г. Красноярск, Сибирский 
федеральный университет, 7–8 апреля 2016 г.); Международная научно-
техническая конференция (г. Белгород, Белгородский государственный 
технологический 
университет 
им. В. Г. Шухова, 
21–22 
сентября 

2017 г.); 23-я Всероссийская с международным участием конференция 
«Высокие технологии в строительном комплексе», (г. Воронеж, Воронежский 
государственный технический университет, 28–29 мая 2020 г.); 
Международная научно-техническая конференция «Интерстроймех» 
(г. Самара, 17–18 декабря 2020 г.); Всероссийская научно-практическая 
конференция «Инновационное развитие подъемно-транспортной техники 
материалы» (г. Брянск, Брянский государственный технический университет, 
27–28 мая 2021 г.); 24-я Всероссийская с международным участием 
научно-практическая конференция «Высокие технологии и экология» (
г. Воронеж, Воронежский государственный технический университет, 
27–28 июля 2021 г.). 

Натурные образцы бетоносмесителей, изготовленные доцентом, 

канд. техн. наук Г. А. Кузнецовым, успешно прошли производственные 
испытания и демонстрировались на выставках: «Строительство  
и архитектура», 2015, г. Красноярск; «ТехСтройЭкспо», г. Красноярск, 
2015 г.; «Малоэтажное домостроение, строительные и отделочные 
материалы», г. Красноярск, 2016 г.; «Высокие технологии, оборудование, 
приборы, машины и материалы», г. Воронеж, 2020 г.  
и 2021 г., где получили высокую оценку.  

Разработанная методика расчета параметров бетоносмесителей 

использует теорию анализа размерности и подобия, а также математическую 
статистику для обработки данных экспериментов. Новые 
безразмерные комплексы позволили выявить взаимосвязи основных 
конструктивных параметров гравитационных бетоносмесителей с параметрами 
технологического процесса и применения эффектов его 
интенсификации: омагничивания растворов, создания крутильных колебаний 
для снижения энергоемкости и применение конструкционных 
полимерных материалов для снижения материалоемкости. 

Действительные физические связи в постановке задач исследо-

ваний и математические уравнения описания процессов смешивания 
многокомпонентных растворов разные. Применение программных 
продуктов с целью обработки экспериментальных данных по алгоритмам 
селекции позволило выбирать математические модели оптимальной 
структуры с достаточно надежными результатами по значениям 
коэффициента детерминации. К изучению процесса смешивания 
были приняты n основных параметров процесса и n-1 связь между 
ними. В теоретическом плане данная область знаний мало изучена 
в связи с тем, что многие важные вопросы могут быть только поставлены 
с открытиями новых, пока не открытых законов механики  
и нанотехнологий. В работе дано подробное математическое описа-

ние безразмерных комплексов, которые помогут на новом уровне переосмыслить 
существующие положения. 

Особую практическую ценность книга представляет для маги-

странтов и аспирантов, изучающих машины для создания многокомпонентных 
составов, причем не только в строительстве, но и в других 
областях деятельности. 

Авторы: С. Ф. Зяблов – депутат Законодательного Собрания 

Красноярского края, почетный профессор Красноярского государственного 
технического университета, Почетный дорожник России, 
Почетный строитель России, В. В. Минин – профессор кафедры 
транспортных и технологических машин, Г. А. Кузнецов – доцент кафедры 
конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных 
производств, являющиеся выпускниками Красноярского политехнического 
института, имеющие значительный практический 
опыт работы в отрасли и в создании машин для промышленности, 
взяли на себя смелость механизировать труд людей для нужд практики (
решения социальных задач населения) путем создания бетоносмесителей 
бытового назначения, которые обладают существенными 
преимуществами перед продукцией известных фирм. 

Авторы выражают благодарность и признательность рецензен-

там за обсуждение и ценные замечания, позволившие выбрать структуру 
книги и форму ее изложения:  

Баловневу В. И., доктору технических наук, профессору, профес-

сору кафедры «Дорожно-строительные машины» Московского автомобильно-
дорожного государственного университета (МАДИ), Заслуженному 
деятелю науки и техники Российской федерации, действительному 
члену Российской академии транспорта, почетному профессору Си-
аньского университета транспорта и коммуникаций (КНР);  

Веригину Ю. А., доктору технических наук, профессору, профес-

сору кафедры «Технология и механизация строительства» Алтайского 
государственного технического университета им. И. И. Ползунова, 
Заслуженному работнику высшей школы Российской Федерации, 
академику Российской академии проблем качества. 

Изучение материалов монографии (в некотором роде практиче-

ского руководства) позволит читателям найти подходящее конструктивное 
решение для реализации его в производстве. 

Введение 

Перед машиностроителями России поставлена задача создания 

машин, обеспечивающих механизацию технологических процессов 
в различных отраслях промышленности. Одним из самых распространенных 
технологических процессов является перемешивание, применяемое 
для приготовления различных смесей: бетонных, формовочных, 
кормовых, посевных, минеральных удобрений и других подвижных 
материалов. 

Существующие конструкции смесителей разнообразны: от сме-

сителей принудительного действия, в которых перемешивание смеси 
в барабане осуществляется вертикальным, горизонтальным или 
наклонным валом с лопатками, до гравитационных смесителей, в которых 
вращается барабан. Самые распространенные перемешивающие 
машины это бетоносмесители. 

О массовом производстве бетоносмесителей в России говорят 

следующие цифры. В 1972 г. из выпущенных 29 000 бетоносмесителей 
около 20 000 составляли гравитационные. В 1980–90-х гг. Новосибирский 
завод строительных машин выпустил порядка 65 000 бетоносмесителей. 


Самые распространенные – цикличные гравитационные бето-

носмесители, в которых полный цикл включает загрузку исходных 
компонентов, смешивание, выгрузку и возврат барабана в исходное 
положение. Исходные компоненты бетонной смеси подаются во вращающийся 
смесительный барабан и за счет сил трения и адгезии, 
а также при помощи лопастей барабана поднимаются в процессе его 
вращения на определенную высоту и затем падают по параболическим 
траекториям под действием сил гравитации. Внутренняя поверхность 
барабана и лопастной аппарат создают осевые и радиальные 
потоки, которые обеспечивают перемешивание [3]. 

Цикличные гравитационные бетоносмесители характеризуются 

несложными конструкцией и кинематической схемой, незначительным 
изнашиванием рабочих органов, малой энергоемкостью процесса 

перемешивания, простотой обслуживания и эксплуатации, низкой 
стоимостью изготовления. Эти преимущества обусловливают массовое 
производство цикличных гравитационных бетоносмесителей 
в мире в целом и в России в частности, а также вызывают большой 
интерес исследователей. 

Основным параметром цикличных гравитационных бетоносме-

сителей, определяющим их типоразмер, является объем барабана, выраженный 
в литрах. В настоящее время типоразмерный ряд гравитационных 
бетоносмесителей охватывает машины с объемом барабана 
от 38 до 14 000 л. 

В монографии рассматриваются цикличные гравитационные бе-

тоносмесители с объемом барабана не более 240 л. Гравитационные 
бетоносмесители с объемом барабана 250 л и более оборудованы загрузочным 
и вододозировочным устройствами, имеют большие мощ-
ностные, массогабаритные характеристики и в данной работе не ис-
следуются. 

Авторами выявлена необходимость модернизации существую-

щих цикличных гравитационных бетоносмесителей и предложены 
конструкции бетоносмесителей бытового класса, которые имеют 
в 1,2–3 раза меньшие стоимостные, мощностные и массогабаритные 
характеристики по сравнению с серийно-выпускаемыми отечественными 
и зарубежными аналогами. 

Создаваемые конструкции гравитационных бетоносмесителей 

должны иметь небольшое количество деталей, быть технологичными 
и дешевыми в изготовлении, надежными и простыми в эксплуатации. 
Кроме того, применение в конструкции покупных, серийно и массово 
выпускаемых деталей и узлов, позволит уменьшить стоимость изготовления 
бетоносмесителей. 

В рамках исследования решены следующие задачи: 
• сделан обзор и анализ научных работ в области методов мате-

матического описания процессов смешивания многокомпонентных 
сред; 

• изучены современные способы активации вяжущего в бетон-

ных смесях; 

• разработаны математические модели с применением методов 

анализа размерностей и селекционных алгоритмов обработки экспериментальных 
данных в компьютерных пакетах инженерного анализа, 
являющихся практическими руководствами для отыскания оптимальных 
решений в проектировании; 

• сделан аналитический обзор компоновок и конструкций цик-

личных гравитационных бетоносмесителей, включая отечественные 
разработки, патенты, собственные разработки; 

• исследованы элементы конструкции (электромеханические 

приводы, барабаны и рамы) отечественных гравитационных бетоносмесителей, 
включая собственные разработки; 

• проведены экспериментальные исследования гравитационных 

бетоносмесителей, включая электромеханический привод и нагру-
женность бетоносмесителя; 

• исследовано напряженно-деформированное состояние наибо-

лее нагруженных узлов бетоносмесителя; 

• выполнены расчеты механических передач гравитационных 

бетоносмесителей, включая расчеты двухступенчатого редуктора, 
приводов с червячной металлополимерной передачей, открытых цилиндрических 
передач с пластмассовым и стальным колесами; 

• проанализированы тенденции развития гравитационных бето-

носмесителей, включая геометрические, мощностные, массогабарит-
ные, технологические и экономические основные параметры; 

• описаны современное состояние отечественных гравитацион-

ных бетоносмесителей и перспективы их развития. 

Целью нашей работы является создание ряда типоразмеров но-

вых цикличных гравитационных бетоносмесителей, обеспечивающих 
заданное качество смеси при сокращении продолжительности перемешивания 
и отличающихся высокими технологическими и эксплуатационными 
качествами. 

Г л а в а  1  

Анализ состояния разработанности 

закономерностей совершенствования 

конструкции как факторов,  
влияющих на эффективность 

гравитационных бетоносмесителей 

Излагаемый в данной книге метод математического моделиро-

вания базируется на выдвинутой авторами гипотезе о том, что выбор 
конструктивной схемы вновь создаваемых образцов бетоносмесителей 
гравитационного типа, представляемой в виде сложной системы 
с большим количеством взаимосвязей технико-эксплуатационных параметров, 
осуществляемых на основе безразмерных комплексов их 
взаимосвязи, обеспечивает требуемую точность расчета значений показателей 
эффективности и приводит к повышению производительности 
при рациональном использовании материальных и энергетических 
ресурсов. Разработанный метод использует теорию подобия  
и анализа размерностей, математический анализ и теорию обработки 
статистических данных. Особенности обработки априорной и апостериорной 
информации по моделям бетоносмесителей, выпускаемых 
фирмами-производителями, включают гарантированную устойчивость 
по отношению к погрешностям исходных данных и не допускают 
их влияния на вычислительные эксперименты. В результате 
осуществления целенаправленного перебора моделей различной 
сложности находится модель рациональной структуры в виде одного 
уравнения или системы уравнений. Применение безразмерных критериев 
взаимосвязи позволяет изучать современные способы активации 
вяжущего в растворобетонных смесях (химических добавок, жидкофазной 
механоактивации, магнитной активации воды затворения 

и др.). До настоящего времени в практику не введены критерии оценки 
конструктивных решений и методов перемешивания, а также отсутствует 
общая теория смесителей, что не позволяет выбрать оптимальный 
метод. 

1.1. Состав бетонов 

Бетонной смесью по ГОСТ 7473–2010 «Смеси бетонные» назы-

вается готовая к применению перемешанная однородная смесь вяжущего, 
заполнителей и воды с добавлением или без добавления химических 
и минеральных добавок, которая после уплотнения, схватывания 
и твердения превращается в бетон. 

Бетон – это искусственный камневидный строительный матери-

ал, получаемый в результате затвердевания предварительно перемешанной 
и уплотненной бетонной смеси, содержащей в заданных пропорциях 
вяжущее, заполнители, затворители и при необходимости 
различные химические и минеральные добавки.  

Применяемые в строительстве бетоны, в соответствии с ГОСТ 

25192–2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования», 
классифицируются по следующим признакам: основному 
назначению, средней плотности, виду вяжущего, виду и крупности 
заполнителей, структуре, условиям уплотнения. 

В бытовом строительстве в основном применяется марка бетона 

М300, которая соответствует классу бетона по прочности B22,5; при 
этом средняя прочность бетона данного класса на сжатие составляет 
294,5 кгс/см2. Например, марка бетона М300 может быть изготовлена 
из следующих компонентов (рис. 1.1, а): 1 весовая часть цемента 
М400; 3,7 весовой части щебня; 1,9 весовой части песка; 0,6 весовой 
части воды. Также в качестве связующего применяют цемент М500  
и следующие компоненты (рис. 1.1, б): 1 весовая часть цемента М500; 
4,3 весовой части щебня; 2,4 весовой части песка; 0,7 весовой части 
воды. Можно сделать вывод, что в состав бетона М300 с использованием 
цементов М400 и М500 в целом идентичен, однако при использовании 
цемента М500 требуется большее количество песка. Фракция 
щебня для бетона М300 – смесь двух-трех фракций в диапазоне 5–40 
мм. Формула химического состава цемента М400 выглядит следующим 
образом: оксид кальция (СаО) – 67 %, диоксид кремния (SiO2) – 
22 %, окись алюминия (Al2O3) – 5 %, оксид железа (Fe2O3) – 3 %, другие 
элементы – 3 %.