1.Обзор работ по резонансным ударно-вибрационным машинам

1.1 Общие сведения о виброуплотняющих машинах и областях их применения

В промышленности сборных железобетонных и бетонных конструкций наибольшее распространение получило динамическое вибрационное формование бетонных смесей. Оно происходит под воздействием инерционных сил, возникающих при вибрации бетонной смеси и действующих на ее частицы. В процессе вибрационного формования разрушается первоначально возникшие связи между частицами бетонной смеси, они максимально сближаются между собой, и ее плотность возрастает в 1,61,65 раза по сравнению с первоначальной. Поверхности вибрирующих рабочих органов, от которых вибрация передается бетонной смеси, называют излучающими. В зависимости от расположения излучающих поверхностей относительно бетонной смеси различают следующие виды вибрационного уплотнения: поверхностное, внутреннее и объемное.

При поверхностном уплотнении излучающая поверхность располагается на поверхности бетонной смеси. При внутреннем или глубинном уплотнении излучающая поверхность располагается внутри массива бетонной смеси. При объемном уплотнении бетонная смесь находиться в жесткой форме, внутренняя конфигурация, которой повторяет конфигурацию изделия, и вся она в целом приводится в колебательные движения.

Если относительно излучающей поверхности колебания направлены перпендикулярно, то они передаются бетонной смеси путем сообщения ей периодически изменяющихся касательных напряжений. Колебания в бетонной смеси в первом случае распространяются на большее расстояние от излучающей поверхности.

В производстве сборного железобетона наибольшее распространение получил метод объемного формования, которое осуществляется на машинах, с вертикально и горизонтально направленными колебаниями.

В первом случае уплотнение бетонной смеси происходит при возникновении в ней нормальных напряжений, а во втором - касательных. В связи с большой эффективностью, виброплощадки с вертикально направленными колебаниями получили большее распространение, чем виброплощадки с горизонтальными и асимметричными колебаниями.

Формирование бетонной смеси на виброплощадках с асимметричными колебаниями происходит интенсивнее. Для объяснения этого явления рассмотрим силы, действующие на некоторый объем бетонной смеси массой , находящейся на горизонтальной внутренней поверхности формы. (рис. 1) Форма совершает вертикально направленные колебания по закону

Рис. 1 Схема сил, действующих на частицу бетонной смеси,

находящейся на горизонтальной плоскости,

совершающей вертикально направленные колебания

Уравнения движения этого объема можно записать в виде:

где - перемещения объема относительно формы (поддона);

- инерционная сила, обусловленная колебаниями формы;

- сила тяжести объема смеси;

- сила адгезионного сцепления бетонной смеси с поддоном;

- нормальная реакция формы.

При движении частицы вместе с поддоном х=0, откуда нормальная реакция:

(2)

Отрыв частицы от формы происходит при т.е. при

Отсюда видно, что отрыв смеси возможен лишь при отрицательных ускорениях формы. Экспериментально установлено, что для большинства бетонных смесей отрыв происходит тогда, когда

При отрыве бетонной смеси от формы в образовавшееся пространство устремляется воздух, который затем проникает в бетонную смесь, что приводит к ее разуплотнению. Чтобы не происходило разуплотнения смеси, отрицательные ускорения формы не должны превышать по модулю

При гармонических колебаниях осциллограмма ускорения формы симметрична (кривая 1, рис. 2) и максимальные значения положительных и отрицательных ускорений равны.

Рис. 2 Осциллограммы ускорений (кривая 1-при гармонических колебаниях; кривая 2-при асимметричных колебаниях)

При асимметричных колебаниях (кривая 2, рис. 2) можно сформировать такие законы движения формы, при которых максимальные значение модуля отрицательного ускорения меньше а максимальные значения положительных ускорений может достигатьи выше.

Рассмотрим основные принципы возбуждения колебаний, типы и классификации. Основным элементом любой вибрационной машины является устройство для возбуждения механических колебаний - вибрационный возбудитель, в котором энергия от внешнего источника (электрический ток, магнитное поле, давление потока газа или жидкости и др.) преобразуется в механическое колебательное движение (возвратно-поступательное, вращательное и. т.п.). Структурная схема типичной технологической вибромашины может быть представлена на (рис. 3). Механические колебания, генерируемые вибровозбудителем, через передаточный механизм передаются на рабочий орган машины, в котором и производится вибрационная обработка технологической нагрузки. Передаточный механизм представляет собой некоторую кинематическую связь (подвижную, жесткую или упругодемпфирующую), в которой могут происходить также и преобразования одних видов движения в другие (например, прямолинейные колебания преобразуются в угловые). В зависимости от вида технологического процесса, конструкции технологической машины и принятой схемы приложения вибрации вибровозбудитель может закрепляться непосредственно на рабочем органе технологической машины или рабочий орган устанавливается непосредственно на вибровозбудитель.

Рис 3. Структурная схема технологической вибромашины

В процессе работы вибромашины из-за изменения свойств обрабатываемого материала (массы, физико-механических свойств и т.п.) и/или параметров внешнего источника энергии могут меняться параметры вибрации рабочего органы. Для поддержания требуемых режимов вибрации рабочего органа в течение всего технологического цикла в систему управления вибромашиной иногда вводятся элементы обратной связи. Особенно важны системы обратной связи для вибромашин, работающих в заданном узком диапазоне параметров, например на резонансных режимах, когда частоты собственных колебаний рабочего органа с технологической нагрузкой настраивают на частоты возбуждения. Вибрационные машины, работающие на этих режимах, называют резонансными.

В общем случае вибрацию можно возбудить следующими основными способами: кинематическим, силовым и параметрическим. Кинематическое возбуждение колебаний осуществляется сообщением извне некоторым точкам системы определенных перемещений. Силовое возбуждение колебаний осуществляется действием на систему переменных во времени вынуждающих сил или моментов. Параметрическое возбуждение колебаний осуществляется за счет периодического изменения какого-то параметра системы (например, периодическое изменение длины маятника приводит к возбуждению его угловых колебаний).

В зависимости от типа и назначения вибрационного технологического процесса, требуемые законы колебаний рабочего органа вибромашины могут быть самыми различными - одномерными, двумерными, трехмерными; одночастотными и многочастотными; траектории точек рабочих органов могут быть направленными или эллиптическими и т.п. В соответствии с этим формулируется требования и к вибровозбудителю, и к передаточному механизму.

Существующие типы вибровозбудителей генерирует, как правило, однонаправленное (линейное или угловое) или круговое возмущение. Направленным называют одномерное возмущающее воздействие, вектор которого имеет неизменное направление и колеблющийся модуль; круговое-воздействие, вектор которого равномерно вращается и имеет неизменный модуль. При этом следует иметь в виду, что направленное возмущение не обязательно вызывает направленное движение рабочего органа, так же как круговое возмущение не обязательно вызывает круговую вибрацию.

На практике обычно используют следующие основные типы вибровозбудителей:

- кинематические, в которых периодическое возвратно-поступательное движение рабочего органа создается за счет кинематического преобразования вращательного движение ротора двигателя с помощью, например, кривошипно-шатунного или эксцентрикового механизма преобразования движения;

- центробежные, в которых генерирование возмущающей силы осуществляется за счет вращения инерционного элемента (дебаланса);

- электромагнитные, в которых периодическое возбуждение создается электромагнитом переменного тока за счет энергии переменного поля;

- электродинамические, в которых используется эффект образования переменной электродинамической силы при взаимодействии постоянного магнитного поля с проводником, по которому протекает переменный электрический ток;

- гидравлические, пневматические, в которых колебания рабочего органа вибромашины возникает при периодическом управляемом изменении давления жидкости или газа в исполнительном механизме (силовом цилиндре) или при прерывании потока рабочего жидкости постоянного расхода;

- магнитострикционные, в которых используется эффект магнитострикции, т.е. возникновение в некоторых материалах (например, сплавов никеля или кобальта с железом) знакопеременной деформации под действием переменного электрического поля;

- пьезоэлектрические, в которых используется обратный пьезоэлектрический эффект, т.е. возникновение в некоторых материалах (например, кварц, дигидрофосфат калия и аммония, сульфат лития), знакопеременной деформации под действием переменного электрического поля.

Каждый из перечисленных типов вибровозбудителей имеет свою область применения в зависимости от габаритов, массы, мощности, диапазона частот и амплитуд возбуждения, возможности регулировки параметров возбуждения.

В таблицу 1., приведены диапазоны (ориентировочные) частот возбуждения, соответствующие различным типам вибровозбудителей.

Типы вибровозбудителей

Таблица 1

Типы вибровозбудителей	Диапазон частот, Гц	Независимый основной регулируемый параметр
Кинематический	0,01-100	Частота
Центробежный	0,01-1000	Частота
Электромагнитный	25-400	Амплитуда
Электродинамический	5-10000	Частота и амплитуда
Гидравлический	0-300	Частота и амплитуда
Пневматический	0-200	Частота и амплитуда
Магнитострикционный	10000-30000	Амплитуда
Пьезоэлектрический	15000-30000	Амплитуда