Машины и оборудование для уплотнения бетонных смесей.

 

При формовании железобетонных изделий и конструкций применя­ют различные способы уплотнения бетонной смеси: прессование - воз­действие на бетонную смесь значительных давлений; центрифугирование - воздействие на бетонную смесь центробежной силы при производстве трубчатых изделий; вакуумирование отсасывание из бетонной смеси избыточной воды и воздуха; вибрирование - воздействие на бетонную смесь колебательных движений. Наиболее распространенный способ со­четания вибрации с прессованием - виброштампование - при производ­стве сборного железобетона или сочетание вибрации с вакуумированием вибровакуумирование при возведении монолитных конструкций, а также при производстве отдельных типов железобетонных изделий.

Рассмотрим воздействие вибрации на процесс уплотнения бетонной
смеси. До воздействия вибрации на бетонную смесь умеренной жидкости
она представляет собой аморфную рыхлую массу. При воздействии виб-­
рации частицы заполнителей приводятся в интенсивное движение, в ре-­
зультате которого происходит их взаимное перемешивание, проскальзы-­
вание одних частей относительно других в объеме системы. При этом
достигается значительная скорость движения каждой частицы относи-­
тельно её центра массы. При некоторой скорости сдвига частиц заполни­-
телей наступает проявление вязких свойств (текучесть) бетонной смеси,
и она приходит в состояние «тяжёлой жидкости», приобретая заданную
геометрию изделия. Такого рода вязкость называется структурной вязко­-
стью. Текучесть бетонной смеси может наступить только при условии,
если будут разрушены структурные связи между частицами заполнителя,
т.е. структурная вязкость достигнет определенного предела, который бу-­
дет зависеть от скорости деформации сдвига частиц. Эти изменения в
структуре бетонной смеси называют тиксотропными превращениями.
Структурная вязкость и тиксотропия бетонной смеси непосредственно
связаны с понижением действительного коэффициента тре­ния.

Бетонная смесь представляет собой трехфазную грубодисперсную систему (твердая фаза - фракции щебня или гравия и песка, жидкая – це- ментный раствор, газообразная находящийся в массе смеси воздух 10... 15 % от объема смеси). В процессе уплотнения смесь разрушается и в конце его переходит в двухфазную систему (твердая + жидкая фазы) при содержании в ней воздуха не более 2...3%. В результате процесса виброуплотнения тело бетона (железобетона) получает однородную плотную структуру, что обеспечивает готовым железобетонным издели­ям заданные физико- механические показатели.

Получение такой структуры уплотненного тела бетона может быть обеспечено только при правильной оценке динамического состояния сис­темы в условиях вибрационное или других механических воздействий. Структура бетона в основном определяется её реологическими свойства­ми: вязкостью цементного раствора, силами трения и сцепления между частицами заполнителя, наличием тиксотропных превращений смеси, со­хранением целостности упруговязких каналов цементного раствора. Для обеспечения управления данными реологическими свойствами необхо­димо правильно назначить вибрационный режим уплотняющей машины (устройства). Под вибрационным режимом понимают вид и характер ко­лебаний, их направление относительно сечения уплотняемого тела бето­на, а также колебательные параметры (угловая частота О) и амплитуда колебаний) и динамический режим работы машины.

Бетонная смесь при уплотнении представляется в виде крупного за­полнителя, окруженного раствором из мелких зерен, объединённых меж­ду собой поверхностными силами сцепления. Такая смесь будет обладать упруговязкими свойствами, и при небольших деформациях передача ко­лебаний будет происходить по каналам, уподобляющимся пружинам с упруговязкой характеристикой. При этом частицы заполнителей, как правило, контактируют между собой через упруговязкие каналы и, в от­дельных случаях, непосредственным контактом.

Колебания перегородки 1 (рисунок 48) передадутся частице А₁. В свою очередь частица A₁ передаст колебания частице А₂ непосредствен­ным контактом и частицам А₃, А ₄ через упруговязкие канаты и т.д. Такая взаимосвязь частиц А заполнителей исключает возможность их изолированного колебания. Возбужденные частицы А заполнителей колеблются вы­нужденной частотой вибровозбудителя, но с различными амплитудами колебаний в зависимости от их масс и жесткости упруговязких каналов раствора. При определенной условности этой схемы на её основе можно сделать следующие выводы:

1) выбранный динамический режим работы виброуплотняющей ма­шины должен обеспечить сохранность упруговязких каналов це­ментного раствора, иначе возникнут турбулентные перемещения частиц заполнителя смеси, которые вызовут её расслоение, сопро­вождаемое выбросом частиц заполнителя А на поверхность изде­лия и значительным подсосом атмосферного воздуха;

2) вид и направление колебания рабочего органа машины должны
приниматься с учетом его конструкции, типа формуемого изделия и
способа формования. Конструкция рабочего органа при правильно
принятом виде и направлении колебаний должна обеспечить передачу колебаний сечению изделий в направлении наибольшей свободы
перемещения частиц заполнителя А, эффективное удаление включённого воздуха, получение однородной, плотной структуры уплотнённого бетона;

3) характер колебаний рабочего органа машины должен выбираться с учетом требований, предъявляемых к формуемому изделию (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, долговечность);

4) выбранный вибрационный режим уплотнения бетонной смеси должен обеспечить возбуждение наибольшего числа единиц А, входящих в состав смеси фракций крупного заполнителя, и эффективное использование порожденных сил инерции для разрушения начального структурного состояния частиц заполнителя системы с последующим сближением.

Эффективность вибрации при уплотнении бетонной смеси состоит в том, что приводятся в движение частицы относительно друг друга в объеме системы, и кроме того, возбужденные частицы развивают значительные скорости относительно своих центров масс.

Рационально выбранный вибрационный режим процесса уплотнения бетонной смеси должен обеспечить смеси такое состояние, при котором наблюдается наименьший уровень реологических сопротивлений. Этим создается условие снижения энергоемкости процесса виброуплотнения бетонной смеси при формовании. Степень уплотнения бетонной смеси оценивается коэффициентом уплотнения К_упл. - отношением фактической плотности бетона к теоретической массе плотности (К_упл. > 0,98). Плотность бетона повышается с уменьшением водоцементного отношения смеси, что обеспечивает широкое применение жёстких бетонных смесей.

В вибрационных машинах наибольшее применение получили два способа возбуждения механических колебаний: силовое и кинематиче ское. Силовое возбуждение осуществляется внешними переменными си­лами F_t, Н, или моментами М_t, Н·м, которые приложены к инерционным элементам системы, а сами силы (моменты) создаются различными типами центробежных виоровозоудителеи за счет вращения неуравно­вешенных элементов. Кинематическое возбуждение осуществляется со­общением извне рабочему органу вибрамашины различных по виду ко­лебаний за счет применения кривошипно-шатунного, эксцентрикового и других механизмов.

Механические колебания классифицируются по виду и характеру движения рабочего органа. По виду движения механические колебания различаются на колебательные, угловые, циркулярные и смешанные. Ко­лебательными прямолинейно направленными называются колебания, ко­гда рабочий орган совершает возвратно-поступательное движение вдоль прямой. Различают 3 направления движения (рисунок 49) рабочего орга­на: а) под углом к горизонту; б) в вертикальной плоскости; в) в горизон­тальной плоскости.

Угловыми (поворотными) называются такие колебания рабочего ор­гана, когда он совершает возвратно-поступательное движение отно­сительно оси. Различают 2 вида угловых колебаний (рисунок 50): а) от­носительно горизонтальной оси; б) относительно вертикальной оси.

При циркулярных колебаниях (рисунок 51) рабочий орган виброма­шин совершает перемещение в одном направлении по замкнутой кривой.

Смешанные колебания (рисунок 52) характеризуются тем, что рабо­чий орган совершает одновременно колебательное и циркулрные движе­ние: прямолинейное и круговое или угловое и круговое. Смешанные ко­лебания позволяют повысить эффекгивность вибромашины.

 

По характеру движения рабочего органа механические колебания различаются на 2 группы; вибрационные и ударно-вибрационные. Виб­рационные колебания подразделяются на синусоидальные (моногармо­нические) и двухчастотные (бигармонические), которые не получили применения в вибромашинах.

При синусоидальных колебаниях проекция радиуса-вектора на гори­зонтальную ось описывается равенством

(99)

где Х - координата колеблющейся точки, м;

а- амплитуда колебаний, м;

Т- период колебаний, с;

t - текущее значение времени, с;

φ - начальная фаза.

Амплитуда колебаний а - абсолютная величина наибольшего откло­нения от среднего положения при синусоидальных колебаниях.

Период колебаний Т - промежуток времени, после которого движение повторяется. Фаза колебаний - аргумент синусоидальной функции (2πt/ Т) +φ,

а начальная фаза φ - значение этого аргумента при t = 0.

Частотой колебаний f, Гц, называют величину, обратную периоду

f = 1/T.

Угловая частота колебаний равна ω,с ^-1, равна

(100)

С учетом зависимости (100) перепишем формулу (99) в виде

(101)

Продифференцируем выражение (101). Получим зависимость для виброскорости

(102)

где аω - ам

Сравнивая выражения (99) и (102), делаем вывод, что виброскорость

опережает по фазе перемещение на угол π / 2.

Продифференцируем выражение (102). Получим зависимость для виброускореиия

(103)

 

где аω²- амплитуда виброускорения.

а) график перемещений; б) график перемещений, скоростей и ускорении Рисунок 53 - Графики гармонических колебаний

Согласно (102) и (103) виброускорение опережает по фазе виброско­рость на угол π / 2 и находится в противофазе с перемещением (рисунок 53)

 

Наибольшее применение для уплотнения бетонных смесе

 

Наибольшее применение для уплотнения бетонных смесей находят переносные вибраторы, у которых для возбуждения механических коле­баний применяются центробежные вибровозбудители. Они создают инерционные силы (моменты) за счет вращения неуравновешенных эле­ментов. Центробежные возбудители подразделяются па дебалансные, по­водковые и планетарные.

Дебалансный вибровозбудитель (рисунок 54,а) состоит из неуравно­вешенного элемента - дебаланса 1, вал 2 которого вращается в подшип­никах качения, смонтированных в корпусе 3. Крутящий момент дебалансному валу передается от двигателя, встроенного в корпус. Статиче­ский момент массы дебаланса S_d, Н·м, равен произведению массы деба­ланса на её эксцентриситет относительно оси вращения, т.е. на расстоя­ние r,м, от центра тяжести дебаланса С до оси вращения О

S_d =m_d · r (104)

Возникающая центробежная (инерционная) сила F_d , Н, определится как произведение массы дебаланса т_d кг, на ускорение, развиваемое дебалансом и равное произведению rω²

F_d=m_drω². (105)

Поводковый вибровозбудитель (рисунок 54,6) состоит из бегунка 1, подшипник которого установлен в ползуне, скользящем в вилке поводка 3. При вращении вала поводка бегунок обкатывается по беговой дорожке корпуса 2 с угловой скоростью ω, с^-1, поводка, одновременно вращаясь около своей оси с угловой скоростью ω_с. Статический момент массы бе­гунка S_пл, Н·м, равен произведению массы бегунка т_б, кг, на эксцентри­ситет этой массы относительно оси беговой дорожки

S_пл = m_б ·r, (106)

где r = D₁ /2 - D₂ /2 - разность радиусов беговой дорожки и бегунка.

 

а) дебалансный, б) поводковый, в) планетарный с внешней обкаткой бе­гунка, г) планетарный с внутренней обкаткой бегунка

Рисунок 54 - Принципиальные схемы центробежных вибровозбудителей

 

Планетарные вибровозбудители бывают двух схем: с внешней об­каткой (рисунок 54,в); когда бегунок 1 обкатывается по беговой дорожке корпуса 3 через вал 2, и с внутренней обкаткой (рисунок 54,г). Центро­бежная сила, развиваемая бегунком планетарного вибровозбудителя F. н, определяется как произведение массы бегунка на ускорение, развиваемое бегунком при его обкатке, r · ω²,

F = m_б · r · ω ², (107)

где ω = i · ω_б , i- передаточное отношение угловой скорости обкатки к угловой скорости собственного вращения бегунка ω_б.

Угловая скорость:
при наружной обкатке ω= D₂ / 2 · ω_б:(D₁/2 -D₂ /2);

при внутренней обкатке ω= D₂ /2· ω_б:(D₂ / 2 –D₁ /2). (108)

Следовательно, эти вибровозбудители позволяют получать высокие частоты колебаний без применения специальных преобразований часто­ты.

Дебалансные вибровозбудители общего назначения в большинстве случаев выпускаются со встроенными трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Промышленностью выпускаются одновальные вибровозбудители с круговой вынуждаюшей силой, двухвальные и маятниковые вибровозбудители с направленной вынуждающей силой (рисунок 55).

В корпусе 1 одновального вибровозбудителя (рисунок 55,а) запрес­сован статор асинхронного трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором 2. Вал 3 ротора опирается на подшипники качения 4, смонтированные в щитах 5 корпуса. На обоих концах вала установлены дебалансы 6, которые перекрываются крышками. Дебалансы выполнены со ступенчатой регулировкой статического момента и состоят из двух частей - неподвижной и поворотной.

 

Суммарный статический момент такого дебаланса S_d , Н·м.

S_d = 2 S₁ ·cos φ/2 (109)

 

где S1 - статический момент массы одной части дебаланса; φ - угол поворота частей дебаланса относительно друг друга.

 

На рисунке 55,в показан двухвальный вибровозбудитель направлен­ного действия, представляющий собой два соединённых между собой одновальных вибровозбудителя с параллельными валами встроенных электродвигателей. Суммарный статистический момент будет равен сумме статистических моментов каждого дебаланса.

Общий вид маятникового вибровозбудителя показан на рисунке 55,г. В корпусе 2 смонтирован одновальный дебалансный вибровозбуди­тель. Корпус-маятник шарнирно соединён с основанием 1, прикреплен­ным к рабочему органу вибрируемой конструкции. Вал 5 основания опи­рается на подшипники качения 3, а его концы соединены с резинометаллическими втулками 4. Такое крепление концов вала позволяет устанав­ливать маятниковую часть под различными углами к поверхности вибри­руемой конструкции. Вынуждающая сила, создаваемая этим вибровозбу­дителем, состоит из двух составляющих: продольной, направленной вдоль оси симметрии маятника, и направленной ей перпендикулярно. Первая составляющая воспринимается основанием 1, а вторая гасится качанием маятника.

Основным положением, определяющим получение направленных колебаний рабочего органа вибрируемой маятниковой системы, является правильное назначение расстояния l,м, между осью качания маятника и осью вращения дебаланса, равное

(110)

где Ι - момент инерции маятника относительно оси качаний, МПа;

т - масса маятника, кг;

l₁ - расстояние ОС от оси шарнира маятника до его центра тяжести, м.

 

а) одновальный, б) со съемными дополнительными дебалансами, в) двухвальный, г) маятниковый

Рисунок 55 - Конструкции дебалансных вибровозбудителей

 

Грузоподъёмные машины

 

Назначение, классификация

Грузоподъёмные машины и механизмы предназначены для перемещения грузов в вертикальной и горизонтальной плоскостях на относительно небольшие расстояния. Они относятся к устройствам циклического действия, работающим в повторно-кратковременном режиме. Основными параметрами грузоподъёмных машин является грузоподъ­ёмность, скорость движения отдельных механизмов, режимы работы, производительность, высота подъёма и др. Грузоподъёмные машины обычно состоят из привода, рабочих механизмов, металлической конст­рукции, грузозахватного устройства. Грузоподъёмные машины ориен­тировочно можно разделить на 3 группы: простейшие устройства для подъёма грузов, подъёмники и краны.