УДК 624.04 (075)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ВИБРАЦИОННЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

Маслов Александр Гаврилович1, Жанар Батсайхан2
1Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования машин и технологического оборудования
2Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, аспирант кафедры конструирования машин и технологического оборудования

Аннотация
Описаны конструкционное устройство и принцип действия экспериментальной установки с вибрационным рабочим органом для поверхностного уплотнения бетонной смеси. Исследовалась работа вибрационного рабочего органа в виброударном режиме в дорезонансной зоне. Приведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами теоретических исследований, опубликованных ранее. Уточнены параметры вибрационного воздействия на уплотняемую смесь.

Ключевые слова: амплитуда колебаний, бетонная смесь, виброплита, уплотнение


EXPERIMENTAL STUDY OF COMPACTION PROCESS OF CONCRETE MIXTURES VIBRATION WORKING BODY

Maslov Alexander Gavrilovich1, Zhanar Batsaikhan2
1Mikhailo Ostrohradskyi Кremenchuk National University, doctor of technical Sciences, Professor, head of Department of design of machines and technological equipment
2Mikhailo Ostrohradskyi Кremenchuk National University, PhD student of the Department of designing of machines and technological equipment

Abstract
The described construction of the device and principle of operation experimental setup with a vibrating working body for surface compaction of concrete mixes. The team studied the work of vibration of the working body in vibro-impact mode in tortonesei area. The comparison of experimental data with the results of the theoretical studies published earlier. Refined parameters of vibration exposure in the sealing mixture.

Keywords: compaction, concrete mix, vibrating plate, vibration amplitude


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Маслов А.Г., Жанар Б. Экспериментальные исследования процесса уплотнения бетонных смесей вибрационным рабочим органом // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/12/75300 (дата обращения: 29.09.2017).

Вибрационные машины, оснащенные рабочим органом, осуществляющим вибрационное воздействие на поверхность уложенного слоя, широко используются для уплотнения бетонных [1, 2] и асфальтобетонных [3, 4] смесей. Эти вибрационные машины, совершающие колебания в пространстве под действием различного типа вибровозбудителей колебаний являются сложными техническими системами [3]. Рациональное использование этих вибрационных машин в практике строительного производства зависит от конструктивного устройства и таких показателей как: работоспособность, под которой понимается способность объекта выполнять заданные функции в течение определенного технической документацией времени; устойчивость движения динамической системы; эффективность уплотнения, обеспечивающей высокое качество формуемых изделий при достаточно высокой производительности и минимальной затрате энергии; безопасность работы [4].

В работах авторов [5…9] приведены результаты теоретических исследований процесса уплотнения цементобетонных смесей, вибрационным рабочим органом, оснащенным виброплитой со смещенным к ее передней кромке вибровозбудителем круговых колебаний. Приведенные теоретические исследования позволяют достаточно точно определить основные параметры предлагаемого вибрационного рабочего и обосновать рациональные режимы вибрационного воздействия на уплотняемую среду.

Цель работы – уточнение рациональных параметров вибрационного рабочего органа, используемого для уплотнения бетонных смесей, на основе сравнения теоретических и экспериментальных данных.

Для проведения экспериментальных исследований вибрационного рабочего органа была создана специальная экспериментальная установка (рис.1), общий вид которой представлен на рис. 1а, а её конструктивное устройство показано на рис. 1б. Экспериментальная установка включает раму пространственной конструкции, состоящую из основания 1, выполненного из продольных и поперечных швеллеров, покрытых стальным листом, и четырех стоек 2, на которых жестко закреплены два продольных лонжерона 3. На продольных лонжеронах 3 установлена тяговая тележка 4, к которой на регулируемых тягах 5 подвешена траверса, выполненная в виде двух продольных пластин 6 и калиброванных бобышек 7, жестко связанных с опорной плитой 8. К опорной плите 8 при помощи резьбовых соединений 9 прикреплена реактивная плита 10, к которой на упругих амортизаторах 11 и 12 подвешена виброплита 13. На виброплите 13 посредством резьбовых соединений 14, закреплен электромеханический вибровозбудитель круговых колебаний 15. На опорной оси 16 тяговой тележки 4 жестко закреплен поводок 17, связанный резьбовым соединением с передачей «винт – гайка», выполненной в виде гайки 18 и ходового винта 19, который установлен в подшипниковых опорах 20 и 21. Подшипниковые опоры 20 и 21 закреплены на раме экспериментальной установки при помощи арочных кронштейнов 22 и 23. Передача «винт – гайка» приводится во вращение от электродвигателя 24 при помощи клиноременной передачи, выполненной в виде приводного шкива 25, установленного на валу электродвигателя 24, ведомого шкива 26, закрепленного на ходовом винте 19, и клинового ремня 27, соединяющего эти шкивы. Электродвигатель 24 закреплен на подмоторной плите 28, жестко закрепленной на стойках 2 рамы экспериментальной установки. К стойкам 2 при помощи резьбовых соединений прикреплены съемные продольные 29 и поперечные 30 борта. Статический момент масс дебалансов вибровозбудителя колебаний 15 для изменения амплитуды возмущающей силы может регулироваться. Использование ступенчатых шкивов 25 и 26 позволяет регулировать скорость перемещения уплотняющего вибрационного рабочего органа.

Работа установки осуществляется следующим образом. При помощи регулируемых тяг 5 устанавливается необходимая толщина уплотняемого слоя и требуемый угол атаки виброплиты. На плоской поверхности основания 1 закрепляются съемные борта 29 и 30 и укладывается ровным слоем цементобетонная смесь 31. Включаются электромеханический вибровозбудитель круговых колебаний и электродвигатель 24 ходового механизма тяговой тележки. При этом тяговая тележка перемещает виброплиту 13, которая под действием вибровозбудителя круговых колебаний 15 совершая сложные пространственные колебания, оказывает на уплотняемую среду переменное амплитудно-частотное вибрационное воздействие. В результате уплотняемая смесь с высокой частотой и переменной амплитудой деформируется в вертикальном направлении и одновременно подвергается сдвиговым деформациям в горизонтальном направлении. Это позволяет обеспечить эффективное уплотнение и выглаживание поверхности уплотняемого слоя.


а)


б)

Рисунок 1 – Экспериментальная установка для уплотнения цементобетонных смесей: а) конструктивное исполнение установки; б) общий вид установки; в) расчетная схема вибрационного рабочего органа

Экспериментальная установка разработана таким образом, чтобы достаточно точно смоделировать работу натурного уплотняющего вибрационного рабочего органа. Для этого длина виброплиты на экспериментальной установке была принята равной длине натурного уплотняющего вибрационного рабочего органа.

Техническая характеристика экспериментальной установки: масса вибрационной плиты – =45,78 кг; длина днища вибрационной плиты – 50 см; ширина вибрационной плиты – 40 см; расстояние от центра тяжести виброплиты до передней и задней упругих опор в вертикальном направлении – 9,397 см; электромеханический вибровозбудитель колебаний (вибратор ИВ-99Б; возмущающая сила Q=2,45…4,9 кН; угловая частота колебаний ω=293 рад/с; масса – 12 кг); жесткость передних амортизаторов в вертикальном направлении –314 кН/м; жесткость задних амортизаторов в вертикальном направлении – 470 кН/м; рабочая скорость перемещения тяговой тележки – 1,7; 2,4; 3,6 м/мин; толщина уплотняемого слоя – 80…200 мм; ширина формуемого изделия – 400 мм; длина формуемого изделия – 800 мм.

При проведении экспериментальных использовались цементобетонные смеси с водоцементным отношением В/Ц=0,4 – 0,48 со следующим содержанием минеральных компонентов и воды (кг на 1 м3 бетона): гранитный щебень фракции 5…20 мм – 1200; песок с модулем крупности 1,7…2 мм – 620; портландцемент М400 – 412; вода – 165…200 л. Консистенция бетонной смеси изменялась за счет введения в ее состав определенного количества воды согласно табл. 1.

Таблица 1. Расход воды в зависимости от консистенции (жесткости) бетонной смеси.

Расход воды, л/м3

172

180

187

Жесткость бетонной смеси, с

80…90

50…60

25…30

Для измерения перемещений днища вибрационной плиты в вертикальном направлении использовались датчики вибраций ДВ – 1В в комплекте с авиационной виброизмерительной аппаратурой ВИ6-6ТН (погрешность измерения 3%). Датчики вибраций ДВ-1В для измерения вертикальных перемещений устанавливались на верхней стороне днища вибрационной плиты у передней и задней его кромок, а также середине днища виброплиты. Показания виброизмерительной аппаратуры регистрировались электронным осциллографом, а мощность привода определялась измерительным комплектом К505 (класс точности 0,5).

Установлено [10, 11], что амплитуда деформирования поверхности слоя цементобетонной смеси A является одним из основных параметров, характеризующих процесс уплотнения. На рис. 2 представлены теоретические значения амплитуды деформирования поверхности цементобетонной смеси, изменяемые по длине днища виброплиты, начиная от передней кромки, в зависимости от консистенции смеси и толщины уплотняемого слоя (кривая 1 при H=100 мм и кривая 2 при H=120 мм) и экспериментальные значения амплитуды деформирования поверхности цементобетонной смеси передней (при l=0) и задней (при l=500мм) кромками днища виброплиты, а также в средней части днища виброплиты (при l=250 мм).

Результаты получены при постоянном значении статического момента массы дебалансов и угловой частоте вынужденных колебаний 292 рад/с, создающих амплитуду возмущающей силы =3,92 кН (400 кг) при уплотнении бетонного слоя толщиной 100…120 мм и =3,43 кН (350 кг) при уплотнении толщины бетонного слоя толщиной 160…200 мм приводит к качественному изменению режима работы вибрационного рабочего органа в результате возникновения виброударного режима. При виброударном режиме работы виброплита периодически ударяет и деформирует уплотняемую поверхность, т.е. за каждый цикл колебаний виброплита вначале движется в воздухе, а затем ударяет по уплотняемой поверхности, создавая виброимпульсное воздействие на уплотняемую среду.

На рис. 2 и 3 показано изменение амплитуд деформирования бетонной среды днищем виброплиты (кривые 1, 2, 5, 6), а также амплитуд движения виброплиты в отрыве от уплотняемой среды (кривые 3, 4, 7, 8) в процессе виброударного режима работы при амплитуде возмущающей силы =3,92 кН (400 кг) при уплотнении бетонных смесей толщиной слоя 100…120 мм из смесей различной консистенции. Переход вибрационного рабочего органа с вибрационного в виброударный режим работы позволил значительно интенсифицировать процесс уплотнения, поскольку возросли амплитуды деформирования поверхности уплотняемой смеси, а виброударные импульсы, передаваемые и распространяемые в уплотняемой среде способствуют лучшей переориентации минеральных частиц и их сближению с образованием более плотной упаковки за меньшую продолжительность вибрационного воздействия. В результате этого возросло качество уплотнения за счет увеличения коэффициента уплотнения и снизилось необходимая продолжительность вибрационного воздействия, что позволило увеличить скорость перемещения рабочего органа до 3,4 м/мин.

Сравнение теоретических зависимостей, описывающих поведение динамической системы при виброударном уплотнении, и полученных экспериментальных данных, приведенных на рис. 2 и 3, показывает, что их расхождение находится в пределах 8…13%.

Наибольшая эффективность наблюдалась при переходе вибрационного рабочего органа в виброударный режим работы при уплотнении бетонных смесей различной консистенции с толщиной уплотняемого слоя H=160…200 мм.

На рис. 4 и 5 показано изменение амплитуд деформирования бетонной среды днищем виброплиты (кривые 1, 2, 5, 6), а также амплитуд движения виброплиты в отрыве от уплотняемой среды (кривые 3, 4, 7, 8) в процессе виброударного режима работы при амплитуде возмущающей силы =3,43 кН (350 кг) при уплотнении бетонных смесей толщиной слоя 160…200 мм из смесей различной консистенции.

Сравнение теоретических зависимостей, описывающих поведение динамической системы при виброударном уплотнении бетонных смесей толщиной слоя H=160…200 мм., и полученных экспериментальных данных, приведенных на рис. 4 и 5, показывает, что их расхождение находится в пределах 8…16%. Это свидетельствует о достаточно высокой сходимости теоретических и экспериментальных данных, описывающих виброударный процесс уплотнения.

На рис. 6 показаны теоретические кривые движения днища виброплиты в вертикальном направлении при виброударном режиме работы в процессе уплотнения бетонной смеси жесткостью 90 с при толщине уплотняемого слоя 120 мм и амплитуде возмущающей силы вибровозбудителя колебаний =3,92 кН (400 кг).

Приведенные законы движения отдельных точек днища виброплиты показывают, что уплотняемая смесь подвергается ударному переменному амплитудно-частотному вибрационному воздействию. Причем виброплита движется волнообразно, как бы подминая уплотняемую смесь под себя: вначале в контакт с уплотняемой смесью вступает передняя кромка днища и далее деформирование бетонной смеси плавно осуществляется последующими частями днища. При таком переменном амплитудно-частотном вибрационном воздействии в начальный момент уплотняемой смеси передается вибрационное воздействие с относительно большой амплитудой колебаний (кривая 1). В результате происходит интенсивная проработка смеси, разрушение её первоначальных связей между минеральными частицами и вяжущим, а также усадка и интенсивное уплотнение. Затем по мере продвижения виброплиты происходит окончательное уплотнение уложенной смеси и выглаживание её поверхности.

Рисунок 2 – Изменение размаха колебаний A днища виброплиты в зависимости от расстояния от передней кромки днища, взаимодействующего с бетонной смесью в виброударном режиме при амплитуде возмущающей силы =3,92 кН (400 кг), осадки конуса смеси ОК=3,5 – 4 см (а), жесткости смеси Ж=30 с (б) и различной толщине уплотняемого слоя: 1, 5 – теоретические кривые амплитуды деформирования поверхности бетонной смеси при H=100 мм; 2, 6 – теоретические кривые амплитуды деформирования поверхности бетонной смеси при H=120 мм; 3, 7 – теоретические кривые амплитуды движения виброплиты в отрыве от уплотняемой среды при H=100 мм; 4, 8 – то же при H=120 мм; экспериментальные значения амплитуд: + – при H=100 мм; ● – при H=120 мм

Рисунок 3 – Изменение размаха колебаний A днища виброплиты в зависимости от расстояния от передней кромки днища, взаимодействующего с бетонной смесью в виброударном режиме при амплитуде возмущающей силы =3,92 кН (400 кг), жесткости смеси Ж=60 с (а), жесткости смеси Ж=90 с (б) и различной толщине уплотняемого слоя: 1, 5 – теоретические кривые амплитуды деформирования поверхности бетонной смеси при H=100 мм; 2, 6 – теоретические кривые амплитуды деформирования поверхности бетонной смеси при H=120 мм; 3, 7 – теоретические кривые амплитуды движения виброплиты в отрыве от уплотняемой среды при H=100 мм; 4, 8 – то же при H=120 мм; экспериментальные значения амплитуд: + – при H=100 мм; ● – при H=120 мм

При этом амплитуды движения виброплиты для каждой точки днища по длине в отрыве от уплотняемой среды значительно превышают значения амплитуд деформирования уплотняемой среды этими же частями днища виброплиты. Во время отрыва виброплиты от уплотняемой среды из последней выделяется воздух. Именно такой виброударный режим работы обеспечивает достаточно эффективное уплотнение при уплотнении бетонной смеси на большой скорости перемещения рабочего органа.

Рисунок 4 – Изменение размаха колебаний A днища виброплиты в зависимости от расстояния от передней кромки днища при амплитуде возмущающей силы =3,43 кН (350 кг), толщине уплотняемого слоя 160 мм и различной консистенции смеси: 1, 2, 5, 6 – теоретические кривые амплитуды деформирования поверхности бетонной смеси соответственно при ОК=3,5 – 4 см, Ж=30 с, Ж=60 с и Ж=90 с; 3, 4, 7, 8 – теоретические кривые амплитуды движения виброплиты в отрыве от уплотняемой среды соответственно при ОК=3,5 4 см, Ж=30 с, Ж=60 с и Ж=90 с; экспериментальные значения амплитуд: + – при ОК=3,5 – 4 см; ● – при Ж=30 с; □ – при Ж=60 с; x – при Ж=90 с

Рисунок 5 – Изменение размаха колебаний A днища виброплиты в зависимости от расстояния от передней кромки днища при амплитуде возмущающей силы =3,43 кН (350 кг), толщине уплотняемого слоя 200 мм и различной консистенции смеси: 1, 2, 5, 6 – теоретические кривые амплитуды деформирования поверхности бетонной смеси соответственно при ОК=3,5 – 4 см, Ж=30 с, Ж=60 с и Ж=90 с; 3, 4, 7, 8 – теоретические кривые амплитуды движения виброплиты в отрыве от уплотняемой среды соответственно при ОК=3,5 4 см, Ж=30 с, Ж=60 с и Ж=90 с; экспериментальные значения амплитуд: + – при ОК=3,5 – 4 см; ● – при Ж=30 с; □ – при Ж=60 с; x – при Ж=90 с

Рисунок 6 – Теоретические кривые движения днища виброплиты в вертикальном направлении при виброударном уплотнении бетонной смеси жесткостью 90 с при толщине уплотняемого слоя 120 мм и амплитуде возмущающей силы вибровозбудителя колебаний = 3,92 кН (400 кг) для различных значений координаты l относительно переднего торца днища виброплиты: 1 – при l=0; 2 – при l=125 мм; 3 – при l=250 мм; 4 – при l=375 мм; 5 – при l=500 мм

Анализ приведенных теоретических и экспериментальных данных показывает высокую степень соответствия теоретических зависимостей формам движения вибрационного рабочего органа. Отличие экспериментальных зависимостей, приведенных на осциллограммах, от теоретических кривых заключается в том, что на экспериментальных кривых наблюдается более выраженный переход от одного этапа движения к другому, т.е. в момент деформирования уплотняемой среды виброплита несколько замедляет свое движение, осуществляя выстой в момент максимального деформирования. Это хорошо видно на осциллограмме.

Таким образом, приведенные результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что предлагаемый виброударный рабочий орган со смещенным к передней кромке виброплиты вибровозбудителем круговых колебаний обеспечивает эффективное уплотнение смесей жесткостью 30 – 90 с, уложенных слоем 100…200 мм при скорости перемещения рабочего органа до 3.4 м/мин.


Библиографический список
  1. Маслов А.Г., Саленко Ю.С., Маслова Н.А. Исследование взаимодействия вибрирующей плиты с цементобетонной смесью  // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КрНУ. – 2011. – Вип. 2 (67). Частина 1. – С 93 – 98.
  2. Маслов А.Г., Пономарь В.М. Вибрационные машины и процессы в дорожном строительстве. – К.: Будівельник, 1985. – 128 с.
  3. Маслов А.Г., Саленко Ю.С. Вибрационные машины и процессы в дорожно-строительном производстве. – Кременчук: ПП Щербатих О.В. – 2014. – 262 с.
  4. Маслов А.Г. Иткин А.Ф., Саленко Ю.С. Вибрационные машины для приготовления и уплотнения бетонных смесей. – Кременчуг: ЧП Щербатых А.В. – 2014. – 324 с.
  5. Маслов А.Г., Жанар Батсайхан, Саленко Ю.С. Разработка вибрационного рабочего органа машины для уплотнения бетонных смесей // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КрНУ. – 2014. – Вип. 6 (89). Част. 1. – С. 117–123.
  6. Жанар Батсайхан. Исследование взаимодействия вибрационной плиты рабочего органа с уплотняемой средой // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КрНУ. – 2015. – Вип. 1 (90). Част. 1. – С. 92–97.
  7. Маслов А.Г., Жанар Батсайхан. Исследование колебаний рабочего органа машины для уплотнения бетонных смесей в вибрационном рабочем режиме // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КрНУ. – 2015. – Вип. 2 (91). Част. 1. – С. 92–97.
  8. Маслов А.Г., Жанар Батсайхан. Определение рациональных параметров виброударного рабочего органа для уплотнения бетонных смесей // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КрНУ. – 2015. – Вип. 4 (93). Част. 1. – С. 58–64.
  9. Maslov, A.G., Zhanar Batsaikhan (2015) “The Research of  oscillations of  the machine working body of the for compaction of concrete mixes in vibration working mode”, Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University. Kremenchug: KRNU, Issue (91), pp. 92 – 97.
  10. Маслов А.Г., Иткин А.Ф. Теоретические основы вибрационного уплотнения цементобетонных смесей. //Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, вип. 5/2004 (28).  – Кременчук, 2004. – С. 45 – 49.
  11. Maslov, A.G., Salenko, Y.S. (2014), Vibratsionnyie mashinyi i protsessyi v dorozhno-stroitelnom proizvodstve: monographiya [Vibrating machines and processes in road construction industry: monograph], PР Cherbatyh, Kremenchuk, Ukraine.


Все статьи автора «Маслов Александр Гаврилович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: