Прикладная теория колебаний

Рассмотренные виброподъемники имеют жесткую упругую систему и эксцентриковый привод, которые в сумме передают полную инерционную нагрузку на фундамент. Для предотвращения этого разработаны двухмассные схемы резонансных виброподъемников с эксцентриковым приводом. Устройство такого подъемника поясняет рис. 7.8, к. Он состоит из рабочего органа 1 и уравновешивающей рамы 2, на которой смонтированы эксцентриковые приводы 3. Рабочий орган и рама соединены между собой упругой системой 4, обеспечивающей направленные колебания рабочего органа. Уравновешивающая рама и рабочий орган устанавливаются на фундамент с помощью амортизирующих упругих связей.

Вертикальные вибрационные транспортно-технологиче- ские машины весьма эффективны для осуществления многих технологических операций, они занимают малые рабочие площади и имеют рабочий орган значительной протяженности.

Принципиальное устройство рабочих органов виброподъемников показано на рис. 7.9. При выполнении операции сепарирования, совмещенной с подъемом сыпучего продукта, рабочий орган делается в виде двухзаходного винтового лотка (рис. 7.9, а), причем на верхней винтовой поверхности устанавливается просеивающая рабочая поверхность, а на нижней, где собирается и транспортируется подрешетный продукт, лоток имеет сплошную поверхность. При необходимости сепарирование может осуществляться с разделением на три класса (как в двухситовом грохоте). В этом случае рабочий орган выполняется трехзаходным: два винтовых лотка с просеивающей поверхностью и один сплошной.

Вертикальный вибрационный грохот выгодно отличается от обычного: во-первых, он позволяет на ограниченных площадях промышленных зданий осуществлять сепарирование на весьма протяженных поверхностях, что обеспечивает высокое качество сепарирования и повышает удельную производительность на единицу площади просеивающей поверхности; во-

171

вторых, устройство рабочего органа допускает разгрузку подрешетного или надрешетного продукта в любой точке на высоте транспортирования, что дает возможность использовать машину в любых технологических схемах пищевых производств.

д

е

аб

ж

вг

з

и

Рис. 7.9. Рабочие органы виброподъемников

При выполнении операций обработки сыпучих продуктов в жидкостях нижняя часть рабочего органа помещается в емкость, наполненную обрабатывающей средой (рис. 7.9, б).

172

По мере подъема по винтовому лотку сыпучий продукт выходит из жидкости и, двигаясь вверх по лотку, одновременно освобождается от нее. Для более эффективного отделения технологической жидкости и обезвоживания продуктов на лотке устанавливается щелевидное сито (рис. 7.9, в) или днище рабочего органа делается с перфорациями (рис. 7.9, г). В этом случае машина выполняет роль обезвоживающего грохота или элеватора. Процесс обезвоживания может осуществляться и без применения специальных сит или перфораций, для чего поверхность винтового лотка выполняется с наклоном в сторону трубчатой несущей колонны, на которой имеются отверстия (рис. 7.9, д). Отделившаяся жидкость стекает в радиальном направлении к месту сочленения лотка с трубой, движется вниз и, встречая на пути отверстия, удаляется внутрь трубчатой колонны.

Вертикальные вибрационные транспортно-технологиче- ские машины могут удачно сочетать процесс транспортирования с технологической операцией сушки или охлаждения сыпучих продуктов. Схемы и методы осуществления обработки продукта теплоносителем могут быть весьма разнообразны в зависимости от конкретных условий и его физико-механиче- ских свойств. Теплоноситель может перемещаться противотоком в пространстве между нижней поверхностью лотка и верхней свободной поверхностью продукта (рис. 7.9, е), дренажировать через перфорацию в днище лотка и затем пронизывать слой движущегося продукта (рис. 7.9, ж), пронизывать продукт в местах его пересыпания с одного участка ступенчато укрепленного секториального лотка на другой (рис. 7.9, з), обогревать или охлаждать поверхность лотка, а следовательно, и продукт, перемещаясь в винтовом газоводе, примыкающем к лотку (рис. 7.9, и). Необходимо отметить, что во всех описанных конструктивных вариантах эффективность сушки или охлаждения существенно увеличивается благодаря интенсификации теплопередачи в виброкипящем слое.

173

7.4. Машины для уплотнения грунтов

7.4.1. Теоретические основы процесса уплотнения грунта

Одной из важнейших операций в строительстве любого земляного сооружения является уплотнение. От качества производства этой операции зависят не только прочность, устойчивость, водонепроницаемость сооружения, но и ровность покрытия, срок его службы и безопасность движения.

Уплотнение грунта – это процесс его необратимого деформирования путем внешнего силового воздействия, в том числе за счет гравитационных сил, в результате которого определенная масса грунта уменьшается в объеме путем удаления из него свободной воды и воздуха, а его плотность повышается.

Уплотнение грунтов является наиболее важным элементом технологического процесса возведения земляного полотна автомобильных и железных дорог, плотин; от качества выполнения этого процесса зависит срок службы этих объектов. Для каждого из этих сооружений установлены требования к плотности грунтов. При этом в основу оценки степени уплотнения положен метод стандартного уплотнения, и поэтому требования

кплотностям грунтов обычно выражены коэффициентом уплотнения (в долях от максимальной стандартной плотности δmax). Для верхних слоев земляного полотна автомобильных дорог

плотность грунта должна быть не менее (0,98…1)δmax, а для нижних слоев насыпи она может быть снижена до 0,95δmax.

Грунты следует уплотнять при оптимальной или близкой

коптимальной влажности, так как вода снижает трение между грунтовыми частицами и способствует тем самым снижению энергоемкости уплотнения. Очень сухие грунты не могут быть доведены до требуемой плотности, как и переувлажненные сверх оптимальной влажности.

174

Цель уплотнения – получение плотной и прочной структуры грунта, способной в дальнейшем противостоять внешним воздействиям, которые будут иметь место во время службы инженерных сооружений.

Недоуплотнение ведет к многочисленным повреждениям дорожных покрытий на новых дорогах, а следовательно, к непроизводительным затратам людских, материальных и энергетических ресурсов.

Для искусственного уплотнения грунтов, гравийно-щебе- ночных оснований и асфальтобетонных смесей при сооружении земляного полотна оснований и покрытий городских дорог, площадей, улиц применяют различные машины (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Классификация уплотняющих машин

175

Грунты уплотняются при помощи укатки, трамбования,

вибрационного воздействия, вибротрамбования и виброукатки.

При укатке уплотняющая масса представляет собой каток, который перемещается по грунтовой поверхности. При сообщении вальцам катка колебательного движения осуществляется виброукатка.

При трамбовании грунт уплотняется падающей массой, которая предварительно была поднята на какую-то высоту и к моменту встречи с грунтовой поверхностью набрала определенную скорость. Трамбование обусловлено ударом рабочего органа уплотняющей машины о грунт.

При вибрационном воздействии уплотняющая масса находится либо на поверхности уплотняемого слоя (поверхностные вибраторы), либо внутри него (глубинные вибраторы). Специальным механизмом ей сообщается колебательное движение. Часть кинетической энергии этой массы расходуется на колебания грунта, которые вызывают относительное смещение его частиц и уплотнение. При вибрационном воздействии на грунт не происходит отрыва массы от уплотняемой поверхности или он весьма незначителен.

Если амплитуда колебаний массы превзойдет определенный предел, то будет иметь место ее отрыв от поверхности грунта, что приведет к частым ударам массы о грунт. В этом случае вибрационное уплотнение переходит в вибротрамбование. От трамбования этот процесс отличается высокой частотой ударов. Виброуплотнению поддаются несвязные и малосвязные грунты.

7.4.2. Катки

Для уплотнения грунтов укаткой применяют прицепные, полуприцепные, самоходные катки и пневмокатки (рис. 7.11, а–г). Рабочими органами катков являются цилиндрические стальные вальцы (гладкие, кулачковые и др.) или колеса с пневматическими шинами. Катки – это грунтоуплотняющие

176

машины статического действия. Однако распространены виброкатки, в которых, кроме статического действия собственного веса, используется уплотняющее действие вибрации. Такие катки относятся к грунтоуплотняющим машинам динамического действия.

аб

вг

д е

жз

Рис. 7.11. Схемы машин для уплотнения грунтов и дорожных покрытий

Прицепные и самоходные вибрационные катки в 8...10 раз эффективнее катков статического действия и применяются для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов и материалов. Под действием вибрации значительно снижаются силы трения

177

и сцепления между частицами уплотняемого материала, который становится более подвижным. Прицепные катки выпускают со взаимозаменяемыми гладкими, кулачковыми, решетчатыми вальцами. Внутри пустотелого вальца 3 прицепного катка (рис. 7.11, д) имеется мощный вибратор направленных колебаний, приводимый в действие от установленного на раме катка двигателя внутреннего сгорания 1 через клиноременную передачу 2. Общая масса прицепных виброкатков 3,6...12 т.

Самоходные виброкатки выпускают одно-, двух- и трехвальцовыми. Встроенные вибраторы имеют ведущие вальцы. Привод вибраторов – механический и гидравлический. Масса самоходных виброкатков до 18 т, вынуждающая сила 20...50 кН. Они уплотняют полосу шириной до 1,5 м при скорости рабочего хода 6...10 км/ч. Малогабаритные двухвальцовые виброкатки массой 0,8...1,4 т применяют для уплотнения грунтов и покрытий в стесненных условиях при малых объемах работ. Они выпускаются с ручным и рулевым управлени-

Самоходные комбинированные катки оборудуются веду-

щим вальцом из пневмошин и гладким металлическим вибровальцом. Оба вальца имеют шарнирно-сочлененную раму. Высокая эффективность уплотнения грунтов и дорожно-строи- тельных материалов достигается за счет последовательного воздействия на них вибрации и статической нагрузки. Привод ведущих пневмоколес и вибровозбудителя – гидравлический. Вынуждающая сила вибровозбудителя регулируется в широком диапазоне в зависимости от условий укатки и достигает 150...200 кН. Производительность комбинированных катков при уплотнении несвязных грунтов составляет до 1000 м3/ч.

7.4.3. Трамбующие машины

Трамбующие машины относятся к грунтоуплотняющим машинам динамического действия.

Трамбующие машины послойно уплотняют насыпные тяжелые связные и несвязные грунты слоями 1...1,5 м, а также грунты в естественном залегании свободно падающими массивными трамбующими органами в виде железобетонных и чугунных плит круглой или квадратной в плане формы с площадью опорной поверхности около 1 м2. Необходимая плотность насыпного грунта достигается за 3...6 ударов плиты по одному месту. Трамбование осуществляется циклично или непрерывно. Цикличное уплотнение грунта обеспечивается плитами 5 массой 1...1,5 т, подвешенными на стропах к подъемному канату 4 (рис. 7.11, е) экскаватора-драглайна или стрелового самоходного крана. Плиты поднимают грузовой лебедкой на высоту 1...2 м и сбрасывают на уплотняемый грунт. Частота ударов не превышает 0,05...0,1 с–1, энергия единичного удара 10…15 кДж. Трамбующие машины цикличного действия применяют в основном для работы в стесненных условиях на объектах с небольшими объемами работ.

179

Для уплотнения грунтов на объектах с широким фронтом работ используют самоходные трамбующие машины непрерыв-

ного действия на базе гусеничных тракторов класса 10 с ходоуменьшителями. Рабочим органом таких машин (рис. 7.11, ж) являются две чугунные плиты 6 массой 1,3...1,4 т, перемещающиеся по направляющим штангам 7. При движении трактора на пониженных скоростях (80...200 м/ч) плиты автоматически поочередно падают после подъема на высоту 1,1...1,3 м на поверхность грунта и уплотняют полосу шириной, равной захвату обеих плит. Частота ударов плит составляет 0,4...0,5 с–1, энергия единичного удара 14…16 кДж. Производительность самоходных машин достигает 500 м2/ч. Динамические нагрузки, возникающие при работе трамбующих машин со свободно падающим грузом, вредно влияют на базовую машину, а также на расположенные поблизости сооружения и подземные коммуникации.

При выполнении небольших объемов работ по уплотнению несвязных грунтов, щебня и гравия в стесненных условиях применяют самопередвигающиеся вибрационные трамбующие плиты (рис. 7.11, з) с рабочим органом в виде поддона (плиты) 8, на котором установлены один или два двухдебалансных вибратора 9 направленного действия. Привод вибраторов осуществляется от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. При работе вибраторов происходит уплотнение грунта и одновременное самодеятельное перемещение виброплиты в заданном направлении под воздействием горизонтальной составляющей вынуждающей силы. Масса такой виброплиты составляет 250...1400 кг, вынуждающая сила 12,5...63 кН.

Виброплиты массой от 65 до 309 кг (рис. 7.13) применяют для уплотнения песка, щебня, брусчатки, тротуарной плитки, дорожного покрытия при строительстве площадок, дорог, железнодорожных и трамвайных путей и т.п. В зависимости от используемого топлива виброплиты бывают электрические, бензиновые и дизельные. По типу двигателя они подразделяются на реверсионные, очень маневренные, позволяющие работать в разных на-

180