г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 55.39 Химическое и нефтяное машиностроение
ББК 347 Технология производства оборудования отраслевого назначения
Повышение эффективности виброформования бетонных и железобетонных изделий неразрывно связано с выбором рациональных режимов вибрационных воздействий на уплотняемую смесь и оптимальных параметров виброоборудования. В статье рассматриваются вопросы распространения волнового пакета при ударно-вибрационном воздействии на форму с бетонной смесью и исследуется спектр импульсов, распространяющихся в бетонной смеси. Проведенные исследования свидетельствуют, что спектр волнового пакета при ударно-вибрационном воздействии на форму с бетонной смесью содержит большое число гармоник, амплитуды которых изменяются по нелинейному закону в зависимости от параметров системы, основным из которых является жесткость упругого элемента между формой с бетонной смесью и рабочим органом формующей машины. Таким образом, изменяя жесткость упругих прокладок можно в широких пределах изменять амплитудно-частотный спектр колебаний, распространяющихся в бетонной смеси, и тем самым регулировать интенсивность процесса виброформования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований хорошо согласуются с работами по созданию виброплощадок с регулируемыми параметрами и виброплощадок со свободно устанавливаемой на вибростоле формой.
вибрационное формование, бетонная смесь, спектр колебаний.
Вопросы теории и практики вибрационного уплотнения бетонных смесей до сих пор актуальны в производстве железобетонных изделий и конструкций [1-3]. Основными задачами при станковом формовании железобетонных изделий, особенно из жестких смесей, является выбор эффективных режимов вибрационных воздействий и рациональных параметров виброплощадок, обеспечивающих высокую степень и однородность уплотняемых бетонных смесей.
К сожалению, при использовании стандартных режимов формования, существующие конструкции вибрационного оборудования не удовлетворяют современным требованиям в связи с их большим ресурсопотреблением и невысоким качеством изготавливаемых железобетонных изделий, малой эффективностью, низкой эксплуатационной надежностью, а также превышением допустимых норм по уровню шума и вибрации [4, 5].
Для уплотнения как жестких бетонных смесей так и формования крупноразмерных изделий проф. Б.В.Гусевым [6, 7] были разработаны теоретические основы ударно-вибрационной технологии уплотнения, разработано и внедрено оборудование для реализации низкочастотных режимов формования железобетонных изделий. В других работах [8, 9], в качестве эффективных режимов для уплотнения жестких бетонных смесей предложено использовать так называемые асимметричные безударные колебания, в значительной степени имитирующие ударно-вибрационный режим, и отличающихся от последних отсутствием соударений колеблющегося вибростола с уравновешивающей рамой.
В работах [10-12] на основе исследования взаимодействия бетонной смеси с рабочим органом вибростола предложено оптимизировать параметры ударно-вибрационных площадок, обеспечивающих эффективные режимы формования ЖБИ из жестких бетонных смесей.
Представляет интерес рассмотреть процесс распространения волнового пакета при ударно-вибрационном воздействии на форму с бетонной смесью и исследовать спектр импульсов, распространяющихся в бетонной смеси.
При взаимодействии формы с бетонной смесью, установленной на упругий элемент рабочего органа виброплощадки, форма и вибростол после соприкосновения продолжают двигаться навстречу друг другу. В случае опирания формы на вибростол без упругой прокладки, роль упругого элемента выполняет металл, из которого выполнен рабочий орган. При этом прокладка деформируется, зона их контакта увеличивается и возрастает сила отталкивания формы от рабочего органа. Под действием этой силы относительная скорость сближения формы и рабочего органа убывает до нуля, а затем силы упругости, вызванные их деформацией, возвращают форму и рабочий орган виброплощадки в исходное динамическое положение.
Рассматривая ударно-вибрационные воздействия, возникающие при встречном движении формы со смесью и рабочего органа виброплощадки, исследуем форму импульса, его спектр и длительность процесса соударения.
Известно [13], что величина деформации упругого элемента (прокладки или упругости материала вибростола) зависит от силы, ее сжимающей, и жесткости прокладки.
Длительность соударения можно определить по формуле:
(1)
где Р0 - сжимающая сила, возникающая между формой и рабочим органом при их упругом контакте, Н; δ – максимальное удаление (размах колебаний) формы от рабочего органа вибромашины в процессе их взаимного движения, м; с - жесткость упругого элемента (контакта) между формой и вибростолом, Н∙м-1; М - приведенная масса системы "рабочий орган – форма со смесью", определяемая формулой:
(2)
где M1 - масса рабочего органа – вибростола, кг; M2 – масса формы с бетонной смесью, кг.
Из (1) следует, что τ мало зависит от величина зазора δ и силы Р0. В основном эта величина определяется массой формы с бетонной смесью и рабочего органа и жесткостью промежуточного упругого элемента.
Сила, действующая в момент контакта формы с рабочим органом виброплощадки, нарастает по следующему закону [10]:
, (3)
где - момент максимального сближения вибростола и формы с бетоном:
при .
Сближение формы с рабочим органом при их упругом контакте:
(4)
при
при .
Известно [14], что спектр некоторой почти периодической функции определяется по формуле:
. (5)
Подставив (4) в (5) и проведя необходимые вычислительные операции, можно получить зависимость для вычисления амплитудно-частотного спектра:
,(6)
где y - величина деформации элемента при упругом соударении формы с вибростолом, м; ωi - i –ая гармоническая составляющая спектра, с-1.
По формуле (6) были проведены расчеты спектрального распределения амплитуд колебаний формы при формовании бетонного изделия длиной 5 м, шириной 2 м и высотой 0,5 м из умеренно жесткой бетонной смеси [10]. Расчетная плотность бетонной смеси ρ 2400 кг/м3, размах рабочего органа - 1,5 мм, основная частота колебаний - 12,5 Гц. Результаты расчета представлены в табл. 1.
Как видно из табл. 1, спектр волнового пакета при ударно-вибрационном воздействии на форму с бетонной смесью содержит большое число гармоник. Амплитуды гармоник, начиная со второй по отношению к несущей частоте воздействия изменяются по нелинейному закону в зависимости от параметров системы, основным из которых является жесткость упругого элемента (контакта) между формой с бетонной смесью и рабочим органом формующей машины.
При вибрационном формовании железобетонных изделий на ударно-вибрационных площадках в реальных заводских условиях из-за несовершенства крепления формы с бетонной смесью к рабочей поверхности виброплощадки, рассогласования дебалансов в секционных блочных виброплощадках и других производственных факторов, нередко возникает неравномерность распределения амплитуд и ускорений колебаний вибростола и ударам формы с уплотняемой бетонной смесью о раму стола. При этом форма с бетонной смесью в общем случае совершает перемещения в трех координатах X, Y, Z и повороты относительно тех же осей.
Исследования движения формы при ее свободной установке на рабочем органе вибромашины и изучение процессов распространения спектра упругих волн в бетонной смеси, выполненные в работе [10], показали, что спектральный состав частот, распространяющихся в бетонной смеси, априорно шире, чем при одноосных и периодических колебаниях формы, жестко крепящейся к виброплощадке с вертикально-направленными колебаниями. Многокомпонентные колебания формы, реализуемые при ее свободной установке на вибростоле через упругий контакт, генерируют широкий и практически непрерывный спектр частот, передающийся в бетонную смесь.
Таблица 1
Результаты расчета спектра распределения амплитуд колебаний формы
|
№ гармоники |
Частота рабочего органа |
Аi, мм |
|
|
|
ωi, c-1 |
fi, Гц |
|||
|
1 |
78,5 |
12,5 |
7,64 |
|
|
2 |
157 |
25 |
0,01 |
|
|
3 |
235,5 |
37,5 |
0,8 |
|
|
4 |
314 |
50 |
0,6 |
|
|
5 |
392 |
62,5 |
0,2 |
|
|
6 |
471 |
75 |
0,005 |
|
|
7 |
549,5 |
87,5 |
0,15 |
|
|
8 |
628 |
100 |
0,16 |
|
|
9 |
706,5 |
112,5 |
0,08 |
|
|
10 |
785 |
125 |
0,003 |
|
|
11 |
863,5 |
137,5 |
0,06 |
|
|
12 |
942 |
150 |
0,08 |
|
|
13 |
1020 |
162,5 |
0,04 |
|
|
14 |
1099 |
175 |
0,002 |
|
|
15 |
1177,5 |
187,5 |
0,03 |
|
|
16 |
1256 |
200 |
0,0005 |
|
Для определения параметров оптимальных воздействий со стороны рабочего органа формующей машины на систему «форма-бетонная смесь», проанализируем формулу (6). После соответствующих преобразований ее можно представить в следующем виде:
, (7)
где
(8)
(9)
(10)
Оценив вклад отдельных составляющих и проведя некоторые упрощения, выражение (6) можно записать в виде:
(11)
Очевидно, что амплитуды спектральных составляющих будут минимальны при значении
|Cosωi A2| = 1, откуда
(12)
где n = 1, 2, 3,…
(13)
При переходе от одной спектральной составляющей к другой (от ωi - ωit1 = ωt) амплитуды их будут максимальны при условии:
(14)
После преобразования выражения (9) A2 можно представить в следующем виде:
(15)
где – частота собственных колебаний на упругом элементе.
Подставив выражение (15) в (14) получим:
(16)
В табл. 2 приведены некоторые результаты расчетов значений ωt при фиксированных значениях δ = 7∙10-3 м, y = 0,1∙10-3 м и различных величинах жесткости упругой прокладки c и приведенной массы M.
Из табл. 2. следует, что жесткость упругого контакта, установленного между формой с бетоном и вибростолом, существенно влияет на спектр колебаний, передаваемый в бетонную смесь.
Таблица 2
Расчетные значения максимальных амплитуд спектральных составляющих
|
Жесткость упругой прокладки c, Н/м |
Приведенная масса M, кг |
Частота ωt , Гц |
|
8∙107 |
88,5 |
27,9 |
|
6∙107 |
76,7 |
24,5 |
|
5∙107 |
49,5 |
14,1 |
|
4∙107 |
36,1 |
11,6 |
|
3∙107 |
27,1 |
9,3 |
|
2∙107 |
19,8 |
5,2 |
|
1∙107 |
12,8 |
0,5 |
Для подтверждения теоретических результатов были проведены экспериментальные исследования по изучению спектра волнового пакета в бетонной смеси с гарантированными качественными показателями и с применением метода голографической интерферометрии [10, 15, 16]. В экспериментах изменялась упругость контакта, амплитуда колебаний рабочего органа, соотношения масс формы с бетонной смесью и вибростола, а также частота вибропривода, которая варьировалась в пределах 12,5…350 Гц. В качестве упругих элементов использовались материалы с жесткостью в диапазоне от 0,7∙107 до 1,66∙1011 Н/м.
Программа исследований включала в себя определение частоты и амплитуды гармонических составляющих спектра волнового пакета, распространяющегося в бетонной смеси, эффективного ускорения частиц смеси, вычисляемого по формуле
(17)
где a и n – амплитуда и порядок взятой гармоники.
Некоторые результаты экспериментов представлены на рисунке.
Анализ результатов исследований показал, что амплитудно-частотный спектр колебаний, распространяющихся в бетонной смеси, изменяется по сложному закону. При больших жесткостях контакта между формой и рабочим органом формующей машины распределение амплитуд гармоник просматривается четко. Из анализ выражения (7) видно, что при больших жесткостях с, высокочастотные гармоники, определяемые Cosωi , изменяются мало.
При упругом контакте формы с вибростолом через резиновую прокладку с меньшей жесткостью, спектры импульса при соударении имеют более сложное распределение, близкое к закону (CosX)/X. При этом имеет место практическое исчезновение одних гармонических составляющих с возрастанием амплитуды других. Тем самым возникают возможности управлять спектром путем замены одной упругой прокладки на другую или использовать элементы с регулируемой жесткостью [10, 17].
Таким образом, при использовании упругих прокладок с нелинейными характеристиками в системе "рабочий орган – упругий элемент – форма с бетонной смесью" создаются предпосылки для расширения спектра частот, генерируемых в смесь в очень широких пределах. С энергетической точки зрения, при воздействии на формуемую смесь спектра импульсов, содержащих большое количество составляющих, несущих энергию выше пороговой, процессы виброуплотнения бетонной смеси будут протекать более интенсивно.
Как показано в работах [3, 10], для оценки спектра волнового пакета, распространяющегося в бетонной смеси с успехом можно использовать такой параметр, характеризующий эффективность уплотнения бетонных смесей, как ускорение.
Рис.1. Спектры импульсов в бетонной смеси
при соударении формы с вибростолом
через резиновые прокладки различной жесткости c: а) c = 3,53∙107 Н/м; б) c = 2,08∙107 Н/м
Представленные теоретические и экспериментальные исследования хорошо согласуются с результатами работ по созданию виброплощадок с управляемыми упругими элементами, позволяющими в широких пределах изменять параметры колебательного режима (амплитуду, ускорение колебаний и частоту вибраций) [10, 17] и виброплощадок со свободно устанавливаемой на вибростоле формой [18, 19].
1. Гусев Б.В., Зазимко В.Г. Вибрационная технология бетона. Киев: Будивельник, 1991. 158 С.
2. Савинов О.А., Лавринович Е.В. Вибрационная техника уплотнения и формования бетонных смесей. Л.: Стройиздат, 1986. 278 С.
3. Пособие по технологии формования железобетонных изделий (к СНиП 3.09.01-85) / Гусев Б.В., Аксельрод Е.З., Звездов А.И., и др. М.: Стройиздат, 1988. 111 С.
4. Олехнович К.А., Зазимко В.Г. Основные тенденции развития станкового уплотнения бетонных смесей // Новое в технологии сборного железобетона. М.: Знание, 1985. С. 90-96.
5. Волков Л.А., Генкин С.А., Лепеев В.Ф. Универсальные виброударные площадки с многокомпонентными колебаниями // Строительные материалы. 1996, №5.С. 6-7.
6. Гусев Б.В., Деминов А.Д., Крюков Б.И. и др. Ударно-вибрационная технология уплотнения бетонных смесей. М.: Стройиздат, 1982. 152 С.
7. Гусев Б.В. Теория и практика уплотнения бетонных смесей при низкочастотных режимах вибрации: Автореф. дис. докт. техн наук. М.:, 1977. 25 С.
8. Васильев В.Г. Анатоллы Ф.Н., Ракишев Т.А. Эффективные режимы для создания оборудования по уплотнению бетонных смесей: Тез. Всесоюзн. науч.-техн. конф. «Проблемы формования при изготовлении изделий сборного железобетона». Челябинск, УСДЭНТП, 1991. С. 18-20.
9. Васильев В.Г., Зиновьев Е.Г. Разработка и исследование асимметричной безударной виброплощадки. Моск. ин-т коммун. хоз-ва и стр-ва. М., 1999. 15 С. - Деп. ВИНИТИ, № 744-В99.
10. Зиновьев Е.Г. Формование крупноразмерных железобетонных изделий с применением управляемых режимов виброуплотнения: дис.…канд. техн. наук. М., 1989. 257 С.
11. Васильев В.Г. Выбор оптимальных параметров ударно-вибрационных площадок // Механизация строительства. 2015. № 11. С.30-33.
12. Богданов В.С., Шарапов Р.Р., Фадин Ю.М., Семикопенко И.А., Несмеянов Н.П., Герасименко В.Б. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий: учебник. Старый Оскол: 2012.
13. Карамзин В.Е. Некоторые особенности поведения бетонной смеси при станковом вибрировании // Технология вибрирования железобетонных изделий. М: Стройиздат, 1970. С.67-84.
14. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Физматгиз,1962. 236 С.
15. Зиновьев Е.Г. Разработка методики исследований системы "машина - среда" при реализации различных колебаний / Зиновьев Е.Г., Васильев В.Г., Парфенов Е.П. Моск. ин-т коммун. хоз-ва и строит. М., 1999. 12 С. - Деп. ВИНИТИ,; № 745-В99.
16. Шарапов Р.Р., Шаптала В.Г., Алфимова Н.И. Прогнозирование дисперсных характеристик высокодисперсных цементов // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 24-25.
17. Зиновьев Е.Г., Васильев В.Г., Серов А.В. Виброплощадка с регулируемыми параметрами. Моск. ин-т коммун. хоз-ва и стр-ва. М., 2001. 10 С. Деп. ВИНИТИ, № 399-В2001.
18. Пат. 2002615 Российская Федерация, МПК7 В 28 В 1/08. Виброударная площадка для уплотнения бетонной смеси в форме / С.А. Генкин, В.Ф. Лепеев, Е.В. Пархаев; заявитель Всесоюзное научно-производственное объединение "Энерготехпром", патентообладатель Генкин С.А. - № 5040009/33, заявл. 28.12.93; опубл. 15.11.1993, Бюл. № 41.
19. Пат. 2252137 Российская Федерация, МПК7 В 28 В 1/087. Виброплощадка / А.В. Овчинников, В.Н. Барышников, Л.А. Волков, А.Г. Пыжиков; заявители и патентообладатели Овчинников А.В., Барышников В.Н., Волков Л.А., Пыжиков А.Г. - № 2004126119/03, заявл. 30.08.2004; опубл. 20.05.2005.
