В настоящее время принцип работы оборудования для виброформования основывается на классических схемах с использованием электродвигателей и дебалансных или кривошипно-шатунных систем. Однако создаются электромагнитные, пневматические и гидравлические приводы, которые в большей степени обеспечивают заложенный авторами принцип управления системой виброуплотнения.
Одним из первых следует считать создание и внедрение площадки с переменной частотой вибрации грузоподъемностью 5т с двухскоростным двигателем и регулируемой дебалансной системой (разработка канд. техн. наук Н. И. Орды Южгипрониисельстрой) (рис. 1).
Посредством привода, промежуточного вала и двух соединительных муфт вращающий момент от электродвигателя (на рисунке не показан) передается двум первичным валам, затем, через две пары одноразмерных синхронизирующих шестерен, имеющих зубья с косой нарезкой, - двум вторичным. Дебалансы, установленные на противоположных концах валов 6 и 2 с наружной стороны стенок корпусов, возбуждают и передают вибрацию подвижной раме, установленной на упругих опорах через подшипники и стенки закрытых корпусов. Синхронизирующие шестерни, имея одинаковые размеры и находясь в постоянном зацеплении, обеспечивают синхронную работу валов 2 и 6 и, касаясь смазочной жидкости зубьями с косой нарезкой, разбрызгивают ее в пространстве закрытого корпуса, обеспечивая смазку трущихся поверхностей.
Рис. 1. Общий вид площадки для виброформования с двухскоростным двигателем (разработка Южгипрониисельстроя): 1 - подвижная рама; 2 - вторичный вал; 3 - синхронизирующие шестерни; 4 - дебалансы; 5 - подшипник; 6 - первичный вал: 7 - соединительные муфты; 8 - промежуточный вал; 9 - привод; 10 - зубья с косой нарезкой; 11 - упругие опоры.
Кинематическая схема виброплощадки представляет собой двухвальную дебалансную систему с регулируемым двухступенчатым режимом вибрации и вертикально направленной возбуждающей силой. Статический момент дебалансов регулируется перестановкой фиксаторов каждого из восьми закрепленных на валах дебалансов, а низкая и высокая ступени вибрации обеспечиваются реверсивным электроприводом. При вращении вала электродвигателя в одну сторону в вибровозбудителе подвижные дебалансы под действием инерционных сил прижаты к фиксаторам одной стороны. Взаимное расположение закрепленных на валу и подвижных дебалансов будет обеспечивать, например, максимальную амплитуду колебаний. Тогда при вращении вала электродвигателя в другую сторону подвижные дебалансы изменят свое положение и будут прижаты к фиксаторам другой стороны. Амплитуда колебаний станет минимальной. Высокая ступень вибрации будет заменена низкой. Перестановкой фиксаторов можно снизить максимальную амплитуду колебаний и автоматически увеличить минимальную. Конструкция площадки для виброформования обеспечивает оператору свободный доступ к фиксаторам вибровозбудителя и регулируемые амплитуды на высокой ступени от 0,8 до 1,2 мм, на низкой - от 0,1 до 0,8 мм.
Привод виброплощадки включает в себя двухскоростной электродвигатель марки 4A225М4/2УЗ и клиноременную передачу. С пульта управления виброплощадки можно включить одну из двух возможных частот колебания: 25 или 50 Гц, а также одну из четырех возможных амплитуд колебания. Причем значения амплитуд колебания можно дополнительно изменять перестановкой фиксаторов на дебалансах. Диапазон их регулирования - 0,1...1,2 мм при полном использовании грузоподъемности виброплощадки.
На площадке конструкции Южгипрониисельстроя (рис. 2) изготовляют плиты облицовки каналов и фундаментные блоки. Для существенного снижения расхода цемента в мелкозернистые бетоны вводят массовидные грунты. Состав бетона класса В12,5 следующий: цемент - 320 кг; грунт - 410 кг; песок - 1240 кг и вода 270 л. Водоцементное отношение составило 0,85.
Рис. 2. Площадка для виброформования конструкции Южгипрониисельстроя на стенде завода
Второй вид оборудования, созданного конструкторско-технологическим бюро ППО «Моспромстройматериалы», - площадка асимметричная с регулируемым режимом ПАР. Одна из таких виброплощадок с регулируемыми параметрами ПАР (низкочастотная асимметричная) установлена в технологической линии на заводе «Стройдеталь» треста Днепроспецстрой. Она представляет собой двухмассовую колебательную систему (рис. 3). Одной из масс служит рабочий орган, второй - уравновешивающая рама. Между массами расположены предварительно поджатые резиновые линейные основные упругие связи (амортизаторы) и установленные с зазором резиновые буферные основные упругие связи (буфера), которые соударяются только при встречном движении масс. Асимметрия реализуется за счет соударения буферов, так как при движении рабочего органа вверх и вниз возникают различные ускорения (Аgв - при положении рабочего органа в верхней точке, Agн - при положении рабочего органа в нижней точке).
Рис. 3. Схема виброплощадки низкочастотной асимметричной регулируемой: 1 - рабочий орган (первая масса); 2 - уравновешивающая рама (вторая масса); 3 - линейные основные упругие связи (амортизаторы); 4 - буферные основные упругие связи (буфера); 5 - электромагниты; 6 - электродвигатель; 7 - пластинчатая лента; 8 - бесступенчатая передача (вариатор); 9 - конические шкивы; 10 - упругий шатун, 11 - эксцентриковый привод; 12 - резиновые амортизаторы.
Для возбуждения колебаний применен эксцентриковый привод с упругим шатуном, которые представляют собой приводные упругие связи, сообщающие массам возвратно-поступательные колебания. Параметры системы подбираются таким образом, чтобы частота возмущающей силы, создаваемая приводом, была близка к собственной частоте. Колебательная система работает в предрезонансном режиме, в зоне близкой к резонансу (в области восходящей ветви резонансной кривой). Поэтому виброплощадки такого типа называют резонансными.
Асимметричный цикл колебаний систем реализуется при низких частотах (до 20-25 Гц). Чем ниже частота, тем больше значение асимметрии (Agн/Agв) может быть получено.
Функцию виброизолирующего фундамента выполняет уравновешивающая рама, установленная на резиновые амортизаторы, жесткость которых из условий прочности выбрана минимально возможной.
Виброплощадка ПAР относится к низкочастотным асимметричным резонансным виброплощадкам третьего поколения. Она позволяет регулировать режим работы за счет изменения скорости вращения вала в процессе формования каждого изделия при помощи вариатора ВЦ 61 131-0 мощностью 9,5...19 кВт и числом оборотов от 312 до 1250 об/мин с электродвигателем АОП 2-62-4 мощностью 17 кВт и числом оборотов 1450 об/мин. Вариатор, представляющий собой бесступенчатую передачу, состоит из двух конических шкивов, соединенных гибкой связью в виде пластической ленты, имеющей зацепления со шкивами. Изменение передаточного числа достигается за счет перемещения гибкой ленты при одновременном сближении конyca одного шкива и разведения конусов другого.
Изменение скорости вращения ведущего вала (частоты колебаний) вариатором позволяет плавно регулировать ускорение рабочего органа. Закон изменения асимметрии задается зазором между буферами. В том случае, когда начальные ускорения дают такую амплитуду перемещения буферов, при которой они не соударяются, реализуется симметричный режим. С увеличением частоты возрастают ускорения и симметричные колебания переходят в асимметричные с увеличением асимметрии по мере роста ускорений. Таким образом, в процессе формования каждого изделия регулируется частота колебаний, за счет которой изменяется ускорение при движении виброплощадки вверх, ускорение при движении виброплощадки вниз и вместе с этим асимметрия.
Перенастройка виброплощадки ПAP и режима ее работы при изменении номенклатуры наглядно может быть представлена графиком, показанным на рис. 4. Для объемных изделий резонансная частота находится в диапазоне более низких частот (12-14 Гц), чем для плоских (20-22 Гц). Регулирование режима в процессе формования каждого изделия как объемного, так и плоского происходит в области восходящей ветви соответствующей резонансной кривой.
Рис. 4. График перенастройки регулируемой виброплощадки при изменении номенклатуры изделий: 1, 2 - в процессе формования изделий соответственно объемных плоских.
Технические характеристики виброплощадки для формования бетона ПАР:
- Грузоподъемность 600 кг;
- Рабочий орган: ширина 1070 мм; длина рабочего органа 1950 мм; амплитуда колебаний (регулируемая) 1,3-2,0 мм; количество колебаний (регулируемое) 400-1100 кол/мин;
- Ускорение верхнее (регулируемое) 9-30 м/с2;
- Ускорение нижнее (регулируемое) 54/100 м/с2;
- Асимметрия цикла Agн/Agв 3,3-8;
- Мощность электродвигателя номинальная, не более 17 кВт;
- Число установленных магнитов 3 шт;
- Габариты: длина 1950 мм; ширина (с электродвигателем и вариатором) 2900 мм; высота 1650 мм.
Для изготовления дорожно-транспортных плит использован портландцемент марки 400 Каменец-Подольского завода, песок кварцевый Днепровский с модулем крупности 1,36, щебень гранитный Новопавловского карьера Днепропетровской области фракций 5-10 и 10-20 мм.
Подобраны составы бетона без добавки и с добавкой (суперпластификатором C-3) исходя из требований к дорожным бетонам прочностью M300, морозостойкостью F200 и водоцементным отношением 0,48 (таблица на рис. 5).
Рис. 5. Бетонные составы, предлагаемые для внедрения в производство
Определение удобоукладываемости бетонной смеси приведено для каждого состава как по стандартной методике, так и при режиме формования образцов-кубов с размером стороны 10 см. Частота режима формования образцов составляла 15 Гц, верхнее ускорение ~ 25 м/с. За 3 мин производили плавный переход от симметрии к асимметрии, равный 5. Моделировали, уплотняя образцы на электродинамическом стенде ВЭДС-400A с кулачковым приспособлением.
Равноподвижными при сравнении жесткости при стандартной вибрации оказались составы № 3 и № 4, отличающиеся тем, что в составе № 3 имеется 0,25% добавки от массы цемента, а в составе № 4 без добавки на 15 кг больше цемента. Таким образом, одинаковую пластификацию оказывает 0,25 % добавки и 15 кг цемента. Кроме того, составы № 3 и № 4 равноэкономичны, так как 0,25 % добавки (для расхода цемента 300 кг) оказываются равными по стоимости 15 кг цемента.
Равноподвижными при сравнении жесткости при низкочастотном переходном режиме оказались составы № 3 и № 5. В этом случае пластификация 0,25 % добавки оказывается равной пластификации 30 кг цемента и в результате состав с добавкой более экономичен. Результаты лабораторных испытаний бетонов в образцах-кубах с размером стороны 10 см по пределу прочности при сжатии через 28 сут приведены в таблице на рис. 6.
Рис. 6. Результаты испытаний бетонов, приведенных на рис. 5.
При применении цемента марки 400 прочность бетонов представленных составов превысила класс бетона В25 на 6,7-19,5 МПа. По жесткости наиболее приемлемой оказались составы №2 и №4 с расходом цемента 285 и 315 кг/м3. Уменьшить расход цемента до 270 кг/м3 и менее при водоцементном отношении 0,48 не представлялось возможным из-за увеличения жесткости, однако возможны пути для реализации более экономичных составов: первый - это увеличение количества добавки С-3, второй - увеличение водоцементного отношения, третий - использование менее прочного цемента (марки 300). Результаты прочностных испытаний бетонов при этой марке цемента даны в той же таблице. Для внедрения рекомендованы № 2 и № 4.
Технология изготовления железобетонных изделий отработана при выпуске дорожно-тротуарных плит ДТП (ГОСТ 21924.0-84). Расстояние между параллельными гранями плиты 1380 мм, толщина 140 мм. Лицевая поверхность плит имеет две разновидности рельефа - это выступы шаровидной формы или сетка из жолобчатых полос.
Форма-опалубка изделий отличается большой жесткостью и точностью геометрических размеров. Для притяжения форм к электромагнитам виброплощадки к их поддонам приварены металлические подмагнитные плиты. Бетонную смесь подавали из бадьи с пневмозатвором. Перед включением виброплощадки в форму плиты всыпали небольшое количество бетонной смеси, чтобы зафиксировать арматурную сетку. Остальную бетонную смесь укладывали в форму при работающей виброплощадке. Первая формовка двух плит, заполненных бетонной смесью до начала передачи вибрационных воздействий, показала, что в этом случае на лицевой поверхности образуется значительное количество мелких пор. Это обстоятельство связано с тем, что защемленный воздух при интенсивном и быстром уплотнении не успевает удалиться из смеси, особенно из нижнего слоя, в том числе с лицевой поверхности изделия. При формовании плит использовали переходные режимы. Форму заполняли бетонной смесью за 1,5 мин, при низкочастотном режиме с переходом по частоте от 7 до 10 Гц. После этого заполненную бетонной смесью форму вибрировали режимом с переходом от 10 до 17 Гц. Таким образом, полное время формования составило 3 мин.
Для формования опытной партии плит выбраны четыре режима (рис. 7), подобранные изменением типа буферов при минимальном зазоре между ними. Для контроля прочностных показателей одновременно с изделиями готовили образцы-кубы с размером стороны 10 см.
В 28-суточном возрасте образцы-кубы и дорожно-тротуарные плиты испытали ультразвуком на прочность. Для этого на изделия с двух сторон нанесли сетку линий с шагом в 230 мм, в пересечениях сетки определили скорости ультразвука.
Рис. 7. Режимы уплотнения дорожных плит
Наилучшие результаты как по прочности, так и по скорости ультразвука показали образцы и изделия, отформованные при режиме №4. Удалось получить дорожно-тротуарные плиты из экономичных жестких бетонных смесей по прочности класса B25 и однородности по коэффициенту вариации, не превышающей 5 %, что позволило снизить расход цемента на 30-45 кг/м3.
Принимая во внимание перспективность переменных режимов вибрации, Гипростроммаш запроектировал, а Челябинский завод «Строммашина» изготовил площадку с симметричными вертикально-направленными колебаниями переменной частоты (рис. 8).
Технические характеристики площадки для виброформования с симметричными вертикально-направленными колебаниями переменной частоты:
- Грузоподъемность 20 т;
- Габариты формуемых изделий: длина 7200 мм; ширина 3600 мм; высота 800 мм;
- Характер колебаний - вертикально-направленные, ударно вибрационные;
- Частота колебаний 20 - 50 Гц;
- Скорость увеличения частоты 0,6-1 Гц;
- Размах колебаний на частоте: 20 Гц - 0,8-30 мм; 50 Гц - 0,5-1,5 мм;
- Масса (без бетона) 7000 кг;
- Габариты: длина 8711 мм; ширина 3000 мм; высота 1000 мм;
- Крепление формы - электромагнитное;
- Установленная мощность 90 кВт.
В площадке с запасом принята мощность двигателя, обеспечена возможность создания ударно-вибрационных режимов.
Сформулированный авторами принцип управляемых режимов способствует повышению прочности и других технологических свойств бетона на 20...25 %. Для обеспечения высокого технологического эффекта создаются управляемые пневматические и гидравлические виды вибрационного оборудования как наиболее универсальные.
Рис. 8. Схема виброплощадки для формования бетонных смесей с переменной частотой колебаний конструкции Гипростроммаша: 1 - электродвигатель; 2 - электромагнит; 3- виброблок; 4 - карданный вал; 5 - синхронизатор.
