Создание эффективной вибрационной машины для поверхностного уплотнения бетонных смесей, сочетающей высокую эффективность с простотой конструкции является актуальной задачей. Основным базовым узлом самоходной вибрационной машины для поверхностного уплотнения бетонных смесей, во многом определяющим эффективность уплотнения, является виброплита 1, подвешенная на упругих амортизаторах 2 и 3 к верхней раме (рис. 1) и снабженная вибровозбудителем круговых колебаний 5.

Для определения характера движения вибрационной плиты рассмотрим расчетную схему вибрационного рабочего органа в режиме холостого хода (Рис. 1). Колебания рассматриваемой динамической системы будем рассматривать под действием вибровозбудителя круговых колебаний, дебалансы которого генерируют круговую возмущающую силу . Эту силу разложим на две составляющие: вертикальную  и горизонтальную .

Здесь  – амплитуда возмущающей силы вибровозбудителя круговых колебаний;  – угол поворота возмущающей силы относительно горизонтального положения;  – угловая частота вынужденных колебаний вибровозбудителя колебаний;  – время.

Рисунок 1 – Расчетная схема вибрационного рабочего органа: 1 – виброплита; 2 – передний амортизатор; 3 – задний амортизатор; 4 – верхняя рама; 5 – вибровозбудитель круговых колебаний.

В результате действия вертикальной и горизонтальной составляющей возмущающей силы движение виброплиты можно представить в виде прямолинейных колебаний её центра тяжести  в направлении координатных осей  и , а также угловых колебаний относительно координатной оси , тоже проходящей через центр тяжести виброплиты (рис. 1). При этом движение виброплиты можно описать следующей системой уравнений:

– перемещение по вертикали в направлении координатной оси :

; (1)

– перемещение по горизонтали в направлении координатной оси :

; (2)

– угловое перемещение относительно координатной оси :

, (3)

где   – масса вибрационной плиты вместе с вибровозбудителем колебаний;  и  – линейные перемещения вибрационной плиты в направлении координатных осей  и  под действием гармонических возмущающих сил  и  соответственно; ,  и  – координатные оси, проходящие через центр тяжести виброплиты;  – жесткость и  – коэффициент неупругого сопротивления передних амортизаторов в вертикальном направлении;  – жесткость и  – коэффициент неупругого сопротивления задних амортизаторов в вертикальном направлении;  – жесткость и  – коэффициент неупругого сопротивления передних амортизаторов в направлении координатной оси ;  – жесткость и  – коэффициент неупругого сопротивления задних амортизаторов в направлении координатной оси ;  – угловые перемещения вибрационной плиты относительно координатной оси , проходящей через центр тяжести виброплиты в продольном направлении;  – массовый момент инерции вибрационной плиты относительно координатной оси ;  и  – коэффициенты крутильной жесткости и неупругого сопротивления амортизаторов при угловых перемещениях колеблющейся системы относительно координатной оси :

; (4)

, (5)

 – расстояние между передней и задней упругими опора в направлении координаты ;  – высота амортизирующей части упругих опор в направлении координаты ;  и  – расстояния от центра тяжести виброплиты до центра приложения возмущающих сил вибровозбудителя круговых колебаний соответственно в направлении координаты  и координаты .

Решение полученной системы уравнений (1…3) для стационарных колебаний, описывающих установившееся движение рассматриваемой динамической системы в режиме холостого хода, представим в следующем виде:

; (6)

; (7)

; (8)

где  и  – амплитуды линейных гармонических колебаний центра тяжести виброплиты в направлении координатных осей  и  соответственно;  и  – углы сдвига фаз между амплитудами возмущающих сил и амплитудами вынужденных колебаний в направлении координатных осей  и  соответственно;  и  – амплитуды угловых (крутильных) гармонических колебаний относительно координатной оси  от действия вертикального и горизонтального моментов возмущающих сил;  – угол сдвига фаз между амплитудами моментов  и  возмущающих сил и амплитудой угловых вынужденных колебаний;

; (9)

; (10)

; (11)

; (12)

; ; (13)

; ; (14)

; (15)

; (16)

; (17) 

; (18)

. (19)

Путем сравнительно не сложных математических преобразований выражения (8), найдем закон крутильных колебаний виброплиты относительно координатной оси  в следующем виде:
, (20)

где  – амплитуда угловых (крутильных) гармонических колебаний относительно координатной оси  от действия амплитуды момента возмущающей силы вибровозбудителя круговых колебаний,

; (21)

 – угол сдвига фаз между амплитудой момента возмущающей силы вибровозбудителя круговых колебаний и амплитудой угловых вынужденных колебаний,

. (2.22)

Используя полученные решения (6), (7) и (20) системы уравнений (1…3) рассматриваемой динамической системы, последовательно определим законы движения днища вибрационной плиты в вертикальном и горизонтальном направлениях. 

На основании выражений (6) и (20) закон движения днища вибрационной плиты в вертикальном направлении можно описать следующим уравнением:

 при 
, (23)

где  – перемещение днища вибрационной плиты в вертикальном направлении в зависимости от текущей координаты  и времени .

На основании выражений (7) и (20) закон движения днища вибрационной плиты в горизонтальном направлении будет иметь следующий вид:

, (24)

где  – перемещение днища вибрационной плиты в горизонтальном направлении.

Путем сравнительно не сложных математических преобразований выражений (23) и (24), получим зависимости для определения закона движения днища вибрационной плиты в вертикальном и горизонтальном направлениях, удобных для анализа и компьютерного моделирования рассматриваемых движений в зависимости от основных параметров виброплиты, жесткости упругих амортизаторов, частоты и амплитуды возмущающей силы, координат центра тяжести виброплиты и днища виброплиты. При этом закон движения днища вибрационной плиты в вертикальном направлении будет описываться следующим выражением:

 при , (25)

где  – амплитуда перемещений днища виброплиты в вертикальном направлении в зависимости от координаты ,

; (26)

 – угол сдвига фаз между амплитудой возмущающей силы и перемещением определенной точки на днище виброплиты с координатой  в вертикальном направлении,

. (27)

Закон движения днища вибрационной плиты в горизонтальном направлении будет описываться следующим выражением:

, (28)

где  – амплитуда перемещений днища виброплиты в горизонтальном направлении,

; (29)

 – угол сдвига фаз между амплитудой возмущающей силы и перемещением днища виброплиты в горизонтальном направлении,

. (30)

Анализ выражений (25) – (30) показывает, что вибрационная плита рассматриваемого вибрационного рабочего органа в процессе работы совершает переменные амплитудно-частотные пространственные колебания, призванные обеспечивать эффективное уплотнение бетонных смесей. При этом вертикально-направленные колебания с переменной амплитудой обеспечивают создание в уплотняемой среде нормальные напряжения в вертикальном направлении, а горизонтально-направленные колебания виброплиты вызывают в уплотняемой среде сдвиговые деформации, что в совокупности приводит к уплотнению бетонных смесей с высокой эффективностью.

Полученные выражения (1 – 30) позволяют установить сложный закон пространственного движения днища вибрационной плиты, взаимодействующей с уплотняемой средой, и в первом приближении определить основные параметры вибрационного рабочего органа. Уточненные параметры вибрационного рабочего органа можно достаточно точно определить в результате исследования рассматриваемой динамической системы в рабочем режиме, т.е. при уплотнении уложенных бетонных смесей.

На основании проведенных теоретических исследований был разработан вибрационный рабочий орган со следующими основными параметрами: 

– масса вибрационной плиты – 45,78 кг; 

– длина днища вибрационной плиты – =50 см; 

– ширина вибрационной плиты – =40 см; 

– координаты центра тяжести вибрационной плиты относительно точки С, расположенной в центре днища:

– по вертикали – =8,83 см;

– по горизонтали – =7,19 см;

– массовый момент инерции вибрационной плиты относительно её центра тяжести – =1,61  (16,4 ); 

– расстояние от центра тяжести виброплиты до центра приложения возмущающих сил вибровозбудителя круговых колебаний соответственно в направлении координат  и : = 11,83 см; = 11,1 см;

– расстояние от центра тяжести виброплиты до передней и задней упругих опор соответственно в направлении координаты : =6,2 см и = 24,5 см; 

– расстояние от центра тяжести виброплиты до передней и задней упругих опор в направлении координаты : =9,4 см;

– вибровозбудитель колебаний (вибратор ИВ-99Б; возмущающая сила – =2,45…4,9 кН; угловая частота колебаний 293 рад/с; масса – 12 кг);

– жесткость передних амортизаторов в вертикальном направлении –= 314 кН/м (320 кг/см); 

– жесткость задних амортизаторов в вертикальном направлении –= 470 кН/м (480 кг/см); 

– жесткость передних и задних амортизаторов в горизонтальном направлении соответственно – , .

Для упругих элементов амортизаторов использовалась средненаполненная резина 2959. Для этой резины величина внутреннего сопротивления, пропорциональная скорости деформации, равна =(2…9)10^-3. На этом основании коэффициенты неупругого сопротивления амортизаторов будут равны: ; ; ; .

Установлено, что амплитуда колебаний днища виброплиты носит переменный характер и зависит от координаты по оси  и жесткости упругих амортизаторов. На рис. 2 показано изменение амплитуды колебаний в вертикальном направлении  по длине днища виброплиты в зависимости от жесткости упругих амортизаторов и координаты  по оси , измеряемой от передней кромки днища виброплиты, т.е. …. Анализ приведенных зависимостей показывает, что наибольшая амплитуда колебаний в вертикальном направлении  наблюдаются у передней кромки днища виброплиты () при всех значениях жесткости амортизаторов, при чем большим значениям жесткости амортизаторов соответствуют большие значения . 

По мере удаления от передней кромки днища вибрационной плиты, т.е. по мере возрастания координаты , амплитуда вертикальных колебаний  уменьшается и на длине равной (0,66…0,7)стабилизируется, а затем незначительно возрастает. Вибрационное воздействие на уплотняемую среду с таким законом изменения амплитуды колебаний, способствует эффективной проработке уплотняемой среды и её уплотнению до значений, предусмотренных технологическими нормами. Амплитуда колебаний вибрационной плиты в горизонтальном направлении  также зависит от жесткости упругих амортизаторов и для заявленного диапазона жесткостей амортизаторов составляет =0,065…0,071 см.

Рисунок 2 – Изменение амплитуды колебаний в вертикальном направлении  по длине днища виброплиты в зависимости от жесткости упругих опор и координаты  по оси , измеряемой от передней кромки днища виброплиты:

1 – при жесткости упругих амортизаторов = 157 кН/м (160 кг/см) и = 235 кН/м (240 кг/см); 2 – при = 235 кН/м (240 кг/см) и = 353 кН/м (360 кг/см); 3 – при = 314 кН/м (320 кг/см) и = 470 кН/м (480 кг/см); 4 – = 392 кН/м (400 кг/см) и = 589 кН/м (600 кг/см); 5 – = 589 кН/м (480 кг/см) и = 706 кН/м (720 кг/см) 

Анализ приведенных зависимостей показывает, что с одной стороны увеличение жесткости амортизаторов приводит к увеличению амплитуд колебаний виброплиты и обеспечивает заданную точность толщины уплотняемого слоя, т.е. препятствует всплытию виброплиты в процессе уплотнения, а с другой стороны повышенная жесткость упругих амортизаторов приводит к увеличению реактивной массы верхней рамы, чтобы избежать передачи вредных вибрационных воздействий базовой машине, несущей вибрационный рабочий орган. Поэтому наиболее рациональным является для данной конструкции вибрационного рабочего органа с параметрами, приведенными выше, использование жесткости упругих амортизаторов = 314 кН/м (320 кг/см) и = 470 кН/м (480 кг/см). 

На рис. 3 и 4 показано движение днища виброплиты в вертикальном направлении при рациональных значениях жесткости упругих амортизаторов для различных значений координаты  относительно переднего торца днища виброплиты. В скобках приведено значение координаты  относительно центра тяжести виброплиты. 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 первоначальной структуры, усадка и интенсивное уплотнение. Затем по мере продвижения виброплиты происходит окончательное уплотнение уложенной смеси и выглаживание её поверхности.

Рисунок 3 – Кривые движения днища виброплиты в вертикальном направлении при жесткости упругих амортизаторов = 235 кН/м (240 кг/см), = 353 кН/м (360 кг/см) и значениях координаты , см: 1 – = 0 (=18,1); 2 – = 10 (=8,1); 3 – = 20 (); 4 – = 30 (); 5 – = 40 (); 6 – = 50 ()

При этом в зависимости от скорости перемещения рабочего органа, частоты и амплитуды колебаний возможны три режима вибрационного воздействия на уплотняемую среду:

– безударный вибрационный режим работы, при котором в процессе уплотнения виброплита не отрывается от уплотняемой среды;

– частично ударный вибрационный режим, при котором виброплита в процессе работы за каждый период колебаний отрывается от уплотняемой среды только передней частью, нанося виброударное воздействие только части уплотняемого слоя, находящегося под виброплитой;

– ударный вибрационный режим, при котором в процессе уплотнения виброплита полностью отрывается от уплотняемой среды за каждый период колебаний и подвергает виброударному воздействию весь объем смеси, находящийся под перемещаемой виброплитой.

Именно виброударный режим работы зачастую оказывается достаточно эффективным при уплотнении бетонной или асфальтобетонной смеси.

Рисунок 4 – Кривые движения днища виброплиты в вертикальном направлении при жесткости упругих амортизаторов = 314 кН/м (320 кг/см) и = 470 кН/м (480 кг/см) и значениях координаты , см: 1 – = 0 (=18,1); 2 – = 10 (=8,1); 3 – = 20 (); 4 – = 30 (); 5 – = 40 (); 6 – = 50 ()

На основании проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований были определены основные параметры и разработана конструкция самоходной вибрационной машины для формования бетонных изделий (рис. 5 – 6) из жестких бетонных смесей. Она включает раму 1 пространственной конструкции, состоящую из основания, выполненного из продольных и поперечных швеллеров, покрытых стальным листом, и четырех стоек, на которых жестко закреплены два верхних продольных лонжерона. На продольных лонжеронах установлена тяговая тележка 2, к которой на регулируемых тягах 3 подвешена траверса 4, выполненная в виде поперечных швеллеров и опорной плиты, соединенных между собой резьбовым соединением. К опорной плите траверсы 4 на упругих амортизаторах 5 подвешена виброплита 6, снабженная вибровозбудителем круговых колебаний 7, который смещен к передней кромке виброплиты. Тяговая тележка выполнена в виде опорной плиты 8 (рис. 2), на которой закреплены подшипниковые узлы 9, служащие опорой для приводной 10 и пассивной 11 осей. На концах осей 10 и 11 жестко закреплены катки 12, при помощи которых тяговая тележка опирается на продольные лонжероны рамы 1. Катки 12 снабжены ребордами, препятствующими осевому смещению тяговой тележки. 

Рисунок 5 – Общий вид вибрационной установки для формования длинномерных бетонных блоков

Приводная ось 10 получает вращение от цепной передачи, выполненной в виде приводной 13 и ведущей 14 звездочек, связанных цепью 15. Ведущая звездочка 14 цепной передачи закреплена на выходном валу червячного редуктора 16, входной вал которого через муфту 17 связан с приводным электродвигателем 18. На плоской поверхности основания пространственной рамы 1 установлена форма 19, заполненная бетонной смесью 20. Регулируемые тяги 3 имеют в своей верхней части шарнирное закрепление 21, что позволяет без перекосов осуществлять регулирование установки виброплиты, как по высоте, так и при установке необходимого угла атаки.

Рисунок 2 – Вид А на рис.1

Вибрационная машина работает следующим образом. 

При помощи регулируемых тяг 3 устанавливается необходимая толщина уплотняемого слоя и требуемый угол атаки виброплиты. На плоской поверхности основания 1 устанавливается форма 19 со съемными или откидными бортами, которая заполняется цементобетонной смесью ровным слоем. Включаются вибровозбудитель круговых колебаний 7 и электродвигатель 18 привода тяговой тележки. При этом движущаяся тяговая тележка перемещает виброплиту 6, которая под действием вибровозбудителя круговых колебаний 7 совершает сложные пространственные колебания и оказывает на уплотняемую среду переменное амплитудно-частотное вибрационное воздействие. В результате поверхность уплотняемой смеси деформируется в вертикальном направлении с высокой частотой и переменной амплитудой и одновременно подвергается сдвиговым деформациям в горизонтальном направлении. Такой режим работы позволяет обеспечить эффективное уплотнение и выглаживание поверхности уплотняемого слоя.

Вибрационная установка разработана таким образом, что на ней можно формовать различные бетонные изделия с разным поперечным сечением при их разной длине. 

Техническая характеристика разработанной вибрационной установки для формования длинномерных изделий:

– рабочая скорость перемещения тяговой тележки – 2,4…3,4 м/мин;

– толщина формуемых изделий – 100…200 мм;

– длина формуемых изделий – 400…3000 мм;

– редуктор привода тяговой тележки – 2ЧМ-80; передаточное отношение 80; номинальный крутящий момент на выходном валу 170 Н/м;

– электродвигатель привода ходовой тележки – АИРС71А4; частота вращения  = 1365 об/мин; мощность 0,6 кВт; 

– масса ходовой тележки вместе с подвеской, виброплитой и вибровозбудителем колебаний – 181,5 кг;

– габаритные размеры установки:

– длина – 4880 мм; ширина – 685 мм; высота – 1076 мм;

– масса вибрационной установки – 518 кг. 

При формовании бетонных изделий вибрационная машина может быть настроена на вибрационный или виброударный режим работы виброплиты. При вибрационном режиме работы виброплита не отрывается от уплотняемой среды, а при виброударном режиме работы виброплита отрывается от уплотняемой среды, т.е. за каждый цикл колебаний виброплита отрывается от уплотняемой среды, движется в воздухе и затем, ударяясь, деформирует уплотняемую среду виброимпульсным воздействием. 

В таблице 1 показано изменение коэффициента уплотнения  цементобетонных смесей различной консистенции в зависимости от толщины уплотняемого слоя (=120 и 200 мм) и жесткости смеси (=30, 60 и 90 с) при скорости перемещения вибрационного рабочего органа соответственно =1,7 и 2.4 м/мин. При этом вибрационный рабочий орган настроен на работу виброплиты в вибрационном (безударном) режиме.

Приведенные экспериментальные исследования показали высокую эффективность вибрационной машины, снабженную вибрационной плитой со смещенным к передней кромке днища виброплиты вибровозбудителем круговых колебаний. При этом основные параметры вибрационного рабочего органа должны быть выбраны такими, чтобы динамическая система при вибрационном нагружении работала в дорезонансном режиме.

Таблица 1 – Изменение коэффициента уплотнения бетонных смесей в зависимости от жесткости смеси, толщины уплотняемого слоя и скорости перемещения вибрационного рабочего органа

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 от 1,7 до 2.4 м/мин.

1. 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.
2. Маслов А.Г., Саленко Ю.С. Вибрационные машины и процессы в дорожно-строительном производстве. – Кременчуг: ЧП Щербатых О.В. –  2014. – 262 с.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Маслов А.Г., Пономарь В.М. Вибрационные машины и процессы в дорожном строительстве. – К.: Будівельник, 1985. – 128 с.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Маслов А.Г., Иткин А.Ф. Исследование процесса уплотнения цементобетонной смеси на виброплощадке с полигармоническим возбуждением колебаний.// Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, вип. 5/2005 (34).  – Кременчук, 2005. – с. 42 – 47.
13. Маслов А.Г., Саленко Ю.С. Исследование колебаний двухчастотного вибрационного конвейера // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50834.
14. Маслов А.Г., Жанар Б. Самоходная вибрационная установка для формования бетонных изделий // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/11/74663.

Все статьи автора «Маслов Александр Гаврилович»