Машини для вібраційного ущільнення бетонних сумішей.
Вібраційне ущільнення відбувається внаслідок викликаного зовнішнім впливом при віброобробці тиксотропного (оборотного) руйнування початкової структури бетонних сумішей, що супроводжується зменшенням їх в’язкості і підвищеної плинності. Внаслідок виникнення в суміші значних динамічних тисків, у 5...10 разів перевищуючих гравітаційну складову, у ній розвивається два ефекти, токситропного розрідження та деформаційного зміцнення внаслідок ущільнення її структури. Це призводить до поступового видалення пузирів повітря з бетонної суміші, утворення нового, надійнішого і міцнішого компонування часток та формування поверхні виробів. Привантаження забезпечує вирівнювання напруженого стану в ущільнюваному шарі суміші і рівномірну міцність за висотою формованого виробу.
У вібраційних машинах найширше застосування одержали механічні способи збудження механічних коливань - силове і кінематичне. Кінематичне збудження здійснюється шляхом повідомлення ззовні робочому органові вібромашини коливальних рухів за допомогою кривошипно-шатунного, ексцентрикового та інших механізмів. Силове збудження забезпечують зовнішніми змінними силами, які створюються різними типами відцентрових віброзбуджувачів (вібраторами) - електромеханічними (привод від електродвигуна), пневматичними (з пневмоприводом), гідромеханічними (з гідроприводом) та моторними (привод від ДВС) або електромагнітними віброзбуджувачами зі зворотньо-поступальним переміщенням мас.
Ширше розповсюдженні електромеханічні віброзбуджувачі, які складаються з корпуса 1, у якому запресовано статор 2 асинхронного трифазного електродвигуна з короткозамкнутим ротором (рис. 8.12). На кінцях вала ротора, який опирається на шарикопідшипникові опори 3, встановлено дебаланси 4. Кожен дебаланс виготовлено зі ступеневим регулюванням статичного моменту й складається з нерухомої і поворотної частин.
Рис. 8.12. Електромеханічний віброзбуджувач:
Корпус; 2- статор; 3- шарикопідшипникові опори; 4- дебаланси; 5- віброплита
Ці віброзбуджувачі універсальні, прості за конструкцією, здатні створювати велику змушувальну силу (понад 1 кН на 1 кг маси віброзбуджувача), мають низьку вартість, широкий діапазон частоти вібрації (0,01…1000 Гц) та низьку чутливість до змін зовнішнього впливу. Їх недоліки: складність незалежного регулювання частоти і амплітуди змушувальної сили та швидкий вихід із ладу опорних підшипників. Змушувальна сила (Н) відцентрових віброзбуджувачів
, (8.6)
де m – маса дебалансів, кг; w - кутова швидкість їх обертання рад/с; r – ексцентриситет центру маси дебалансів відносно осі їх обертання, м.
За впливом на ущільнювану бетонну суміш віброформувальні машини поділяються на машини поверхневого, глибинного або об’ємного ущільнення.
Для поверхневого ущільнення бетонних сумішей використовують віброплити 5 (рис. 8.12) та віброрейки, у яких поверхневий вібраційний вплив поєднується зі статичним тиском на бетонну суміш. Їх застосовують для ущільнення масивів бетонної суміші (рухомої і середньої рухомості) завтовшки понад 200 мм. Особливо часто їх використовують для спорудження залізобетонних покриттів, наприклад, у промисловому і шляховому будівництві.
До поверхневого ущільнення відносять також формування бетонних і залізобетонних виробів у формах і касетних установках з навісними віброзбуджувачами, які збуджують вигинальні коливання їх стінок або спеціальних гнучких листів. В якості вібраційного привода поверхневих ущільнювачів використовують відцентрові віброзбуджувачі загального призначення.
Глибинне ущільнення рухомих бетонних сумішей з осадкою конуса понад 0,5 см здійснюють глибинними віброзбуджувачами. Ними ущільнюють бетонні суміші (рухомі і середньої рухомості) при зведенні монолітних конструкцій при будівництві гідротехнічних, промислово-цивільних та шляхових споруд. У виробництві збірного залізобетону їх найчастіше застосовують при стендовому формуванні великих елементів конструкцій – ферм перекриття і мостів, балок різного профілю.
Глибинні віброзбуджувачі (рис. 8.13,а) являють собою труби з вмонтованими в них збуджувачами колових коливань. За способом збудження коливань їх поділяють на дебалансні і планетарні з внутрішньою і зовнішньою обкаткою. Останні більш ефективні і довговічні. Глибинний віброзбуджувач складається з вмонтованою на підставці 5 електродвигуна 2 із вимикачем 1, який з’єднаний за допомогою муфти 3 та гнучкого вала 4 із вібронакінечником 6, який містить корпус 7, бігову доріжку 8 та дебаланс 9. Ефективність ущільнення бетонних сумішей цим пристроєм визначається частотою, амплітудою коливань корпуса і площиною його випромінюючої поверхні, яка залежить від діаметру корпуса, зі збільшенням якого зростає ефективність роботи.
За характером виконуваної роботи глибинні віброзбуджувачі поділяються на ручні і підвісні. Перші повинні мати невелику масу (до 25 кг), високу ефективність і задовольняти вимоги електробезпеки та санітарні норми щодо рівня вібрації, яка передається на руки робітника. Другі часто компонують у вигляді пакетів від 3 до 15 потужних віброзбуджувачів, підвішених на рамі 10 (рис. 8.13, б). Такі пакети переставляють монтажними кранами або спеціальними самохідними електровіброукладальними машинами. Підвісний віброзбуджувач виготовляють із виносним електродвигуном, який з’єднаний із робочим вібронакінечником міцним валом. Гнучкі вали застосовують для ущільнення бетонної суміші в невеликих масивах монолітних густоармованих бетонних конструкцій.
Рис. 8.13. Обладнання для глибинного ущільнення бетонної суміші:
а- глибинний віброзбуджувач; б- пакет глибинних віброзбуджувачів; в- порожниноутворювач; 1- вимикач; 2- електродвигун; 3- муфта; 4- гнучкий вал; 5- підставка; 6- вібронаконечник; 7- корпус; 8- бігова доріжка; 9- дебаланс; 10- рама; 11- клинопасова передача; 12- каретка
При виготовленні збірного залізобетону для формування багатопорожнинних плит перекриттів, вентиляційних блоків та інших порожнистих виробів застосовують машини з активними порожниноутворювачами (рис. 8.13,в), які належать до глибинних ущільнювачів і складаються з каретки 12 механізму переміщення та вібронакінечників 6 з приводом у вигляді електродвигуна 2 та клинопасової передачі 11. Недоліки цього способу ущільнення суміші: неможливість формування густоармованих виробів, невисокий рівень механізації технологічного процесу, низькі продуктивність і ущільнююча здатність.
Найкраща якість ущільнення бетонної суміші досягається при її об’ємному ущільненні, яке здійснюють на вібромайданчиках, забезпечуючи коливання всього об’єму суміші в формі. Вібромайданчики – це машини об’ємного формування, у яких форма з бетонною сумішшю розташована на одному загальному столі (рамна конструкція) або на групі столів (секційна конструкція), яким вібраційний привод передає періодичний рух.
Переваги вібромайданчиків полягають у їх великій універсальності, оскільки на столах можна встановлювати форми різного виду. Їхні недоліки – необхідність приводити в коливальний рух масивні столи, для чого застосовують віброзбуджувачі, значні затрати енергії. Всі вібромайданчики характеризуються вантажопідйомністю – максимальною сумарною масою виробів і форми, при якій може бути якісно відформовано виріб.
За характером змушувального впливу вібромайданчики, які отримали широке поширення в промисловості збірного залізобетону, поділяються на такі види: вібромайданчики з вертикально спрямованими гармонійними коливаннями; вібромайданчики з горизонтально спрямованими коливаннями; віброударні вібромайданчики з вертикально спрямованими коливаннями; шок-столи; вібромайданчики з просторовим рухом робочих механізмів і імпульсні установки. За способом кріплення форми вібромайданчики поділяються на машини без кріплення форми, на машини з механічним, пневмомеханічним, гідромеханічним і електромеханічним кріпленням. Останній спосіб найпоширеніший.
Вібромайданчики з вертикально спрямованими гармонійними коливаннями застосовують для формування товстостінних (до 0,5 м) виробів із бетонних сумішей малої рухомості (рис. 8.14,а). Їх переваги: низька чутливість до змін маси форми і виробів, яка неминуча у процесі експлуатації машин; висока універсальність – можливість набору з окремих блоків установок різної вантажопідйомності; відносно мала вага вібруючих частин; добра віброізоляція робочих місць; можливість формування виробів із сумішей жорсткістю до 100 с. Недоліки: висока енергомісткість (4…7 кВт на 1т вантажопідйомності); наявність значної кількості елементів (карданних валів, синхронізаторів, підшипникових вузлів), які виходять з ладу і зменшують надійність машини в цілому; потрібні дуже міцні, важкі піддони форм 3 для рівномірного ущільнення виробів; рівень шуму перевищує допустимий та ін.
Рис. 8.14. Вібромайданчики:
а,б- з вертикально та горизонтально спрямованими коливаннями; в- шок-майданчик; г- з просторовими коливаннями; д- віброударні; е- імпульсні; 1- віброзбуджувачі; 2- механізм кріплення форми; 3- форма; 4- пружні опори; 5- обмежувачі; 6- рама; 7- кулачок; 8- пульсатори; 9- еластичний конвейєр; 1-кривошипно-шатунний механізм
Вібромайданчики з горизонтально спрямованими коливаннями (рис.8.14,б) застосовують для формування довгорозмірних тонкостінних виробів із бетонної суміші середньої рухомості – жорсткістю до 40…50 с. У цих вібромайданчиках, як правило, резонансних, бетонна суміш ущільнюється в основному (за винятком торцевих бортів) за рахунок дотичних напруг, які виникають у ній завдяки горизонтально спрямованих коливань піддону форми 3. Форму за допомогою механізму 2 кріплять до корпуса вібромайданчика, оснащеного віброзбуджувачем 1.
Їх переваги (порівняно з попереднім типом машин): менша маса за рахунок передачі коливань уздовж поздовжньої осі форми, де форма має найбільшу міцність, простіша конструкція; менша питома енергомісткість (у 10 разів) і спожита приводом потужність (на 35…40 відсотків); якісне і рівномірне ущільнення виробу, відсутність підсосу повітря при формуванні; підвищена якість лицевої поверхні виробу. Недоліки цих вібромайданчиків: обмежена товщина формованих виробів (до 250 мм); низька стабільність режиму роботи резонансних вібромайданчиків – залежність амплітуди коливань форми з бетонною сумішшю від неминучих у процесі експлуатації змін маси форми та бетонної суміші.
Робота шок-столу (рис. 8.14,в) грунтується на тому, що форма 3 з бетонною сумішшю підіймається за допомогою кулачкового механізму 7 на висоту 10…15 мм і згодом вільно падає на масивний фундамент. При ударі в бетонній суміші утворюється хвиля, спрямована з низу до гори, яка витискає з суміші повітря і надлишкову воду. Переваги шок-майданчиків: простота конструкції; можливість формування практично будь-яких виробів із суміші жорсткістю до 250 с; висока якість і рівномірність ущільнення. Недоліки: підвищений шум; вібрація робочих місць; необхідність у масивному фундаменті для їх віброізоляції.
У майданчику з просторовим рухом робочих механізмів просторові коливання досягаються за рахунок зміщення осі одновального відцентрового віброзбуджувача 1 відносно центра маси машини (рис. 8.14,г). У результаті на формі виникають складені просторові коливання по осях Х, У, Z. Ці машини призначені в основному для формування виробів із рухомих бетонних сумішей. У такому випадку форму встановлюють на рамі без кріплення. При ущільненні малорухомих сумішей форму на рамі фіксують спеціальними кріпленнями. Переваги цих вібромайданчиків: простота конструкції, надійність у роботі, низький рівень шуму та вібрації робочих місць; велика вантажопідйомність (10…60 т). Недоліки: обмежена жорсткість ущільнюваної бетонної суміші.
Ударно-вібраційні майданчики з вертикально спрямованими коливаннями (рис. 8.14, д) дозволяють підвищити ефективність ущільнення бетонної суміші. Це досягається за рахунок співударяння робочого органу – форми 3 з обмежувачами 5. При цьому інерційні сили, які діють на частинки бетонної суміші під час удару форми об обмежувачі 5, спрямовані вниз, що виключає відрив суміші від піддона, до (5…8)g (g = 9,81 м/с2). Останнє і визначає підвищену ефективність ударно-вібраційних майданчиків. Їх переваги: простота конструкції, висока ефективність ущільнення значно жорстких сумішей (до 80…100 с за технічним віскозиметром), що дозволяє формувати вироби великої висоти і маси; невисокий рівень шуму при роботі завдяки гумовим пружинам обмежувачам. Недоліки: нерівномірність розподілу амплітуд коливань по периметру форми з виробом (Аmax /Amin = 4…10) , як наслідок, нерівномірність ущільнення; при формуванні довгомірних виробів рама часто виходить із ладу; сильна вібрація робочих місць.
До ударно-вібраційних майданчиків належать і імпульсні установки (рис. 8.14,е). Їх відмінна особливість – передача імпульсів безпосередньо ущільнювальній бетонній суміші, обминаючи форму. Бетонну суміш середньої пластичності вкладають на еластичну ковдру 9, яку найчастіше роблять із транспортерної стрічки. При роботі установки над пульсаторами 8 виникають області плоских хвиль деформації бетонної суміші, які згодом переходять у сферичні хвилі її деформації. Кривошипно-шатунний привод 10 забезпечує фазові зміщення між впливами окремих пульсаторів на кути 900 або 1800, що призводить до появи зміщень між збуджуваними ними хвилями. Це підвищує швидкість відносного проковзування часток бетонної суміші і поліпшує ступінь її ущільнення.
Переваги імпульсних установок: можливість формування виробів заввишки 2,5 м; підвищена довговічність парку форм, які не приходять у коливальний рух; знижена енергомісткість процесу ущільнення. Недоліки: ускладнення очищення форм після зняття готових виробів, на яких залишається слід від вікон і піддону форми через деформацію еластичної ковдри під вагою бетонної суміші.
Відмінна риса більшості вібраційних машин для ущільнення бетонної суміші – кінематична невизначеність руху її робочих органів і підвищена чутливість до змін умов роботи, що може привести до порушень нормального режиму.
Автоматизація процесу віброущільнення бетонної суміші дає можливість зменшити чисельність обслуговуючого персоналу, поліпшити умови праці, підвищити якість виробів і реалізувати найвигідніші і нестійкі в звичайних умовах режими роботи вібромашини. Як приклад можна розглянути автоматизацію роботи резонансного вібромайданчика з горизонтально спрямованими коливаннями (рис. 8.14,б), який має привід від електродвигуна. При цьому найчастіше розв’язують завдання підтримання амплітуди переміщення А робочого органа на заданому рівні в межах [АН; АВ] (рис.8.15,а). Інтервал між цими межами називають зоною нечутливості, оскільки система автоматики не повинна відчувати й реагувати на зміни регульованого параметра всередині цієї зони.
Імпульсна система автоматичного регулювання коректує роботу виконавчого механізму, наприклад (двигуна постійного струму) лише поза зоною нечутливості. Досягнувши цієї зони виконавчий механізм починає працювати в номінальному режимі. Ця система складається з двох частин – вузла обліку відхилень регульованого параметра (А) та виконавчого механізму. Перший вузол містить задатчики регульованого параметра ЗА1 та ЗА2 з підсилювачами П1, П2 та нуль-органами НО1 і НО2 відповідно на верхню і нижню межі зони нечутливості (рис. 8.15,б).
Рис. 8.15. Автоматизація вібромайданчика:
а- амплітудно-частотна характеристика; б- блок-схема автоматизованого вібромайданчика
Якщо амплітуда А виходить за межі [АН, АВ], про що сигналізує датчик ДРП, то залежно від знаку його відхилення від заданого номіналу спрацьовує або реле підвищеної амплітуди РПА (при збільшенні амплітуди А понад АВ), або реле зниженої амплітуди РЗА (при зниженні амплітуди нижче межі АН). Контакти реле, що спрацювало, разом із контактами реле фази РФ впливають на виконавчий механізм, який регулює швидкість обертання w електродвигуна вібромайданчика в потрібному напрямі. Після входження в зону нечутливості виконавчий механізм вимикається. Це стабілізує амплітуду коливань вібромайданчика в межах ± 0,025 мм (при ручному регулюванні ± 0,2 мм), що забезпечує підвищення її продуктивності та якості виробів.