Розробка та аналіз віброустановки із вертикально розташованими збудниками коливань для виробництва залізобетонних кілець

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 666.9.033

Спеціальність 05.05.02 - Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка та аналіз віброустановки із вертикально розташованими збудниками коливань для виробництва залізобетонних кілець

Корнійчук Борис Валерійович

Київ - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Назаренко Іван Іванович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри машин і обладнання технологічних процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Маслов Олександр Гаврилович, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, завідувач кафедри конструювання машин та технологічного обладнання;

кандидат технічних наук, доцент Нестеренко Микола Петрович, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, доцент кафедри будівельних машин і обладнання.

Захист відбудеться «21» квітня 2011 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 26.056.08 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський пр., 31.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський пр., 31.

Автореферат розісланий «18» березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доц. Ручинський М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залізобетонні кільця широко застосовуються в будівництві і виготовляються безвібраційними та вібраційними методами.

При всій простоті безвібраційні методи мають суттєві недоліки до яких відносяться низька якість та продуктивність, значні витрати цементу. Вібраційні методи в деякій мірі усувають відмічені недоліки у формуванні плоских плит, блоків. Однак, для виробництва залізобетонних кілець, що відносяться до трубчастих виробів, подібні методи відсутні, а застосування існуючих вібромайданчиків і віброустановок економічно недоцільно у зв'язку із високою матеріалоємністю машин і енергоємністю процесу. Рішення проблеми потребує пошуку методу, який би поєднував в собі простоту конструкції, високу ефективність процесу ущільнення і необхідну продуктивність, що і є предметом досліджень роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності до науково-дослідної держбюджетної теми ДБ-2007 №2 «Теорія взаємодії технічних систем будівельного виробництва статичної і динамічної дії з урахуванням напружено-деформованого стану середовища» кафедри машин і обладнання технологічних процесів та будівельних машин Київського національного університету будівництва і архітектури. (№ держреєстрації 0107/000448).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в дослідженні руху віброустановки із вертикально розташованими збудниками коливань, розробці методів розрахунку основних параметрів та створення на цій основі високоефективної конструкції віброущільнюючої машини.

Для досягнення означеної мети в роботі сформульовані наступні задачі:

- виконати аналіз та оцінити існуючі дослідження за метою роботи.

- обґрунтувати раціональну конструктивну схему віброустановки;

- визначити фізичну та математичну модель робочого процесу взаємодії оброблювального середовища і двох віброзбудників коливань із установкою фаз між ними;

- скласти та вирішити рівняння руху визначеної моделі, дослідити та встановити закономірності руху віброустановки з оцінкою впливу власних параметрів і параметрів та характеристик ущільнюючого середовища;

- визначити зони ефективної вібрації на оброблюване середовище шляхом зміни режимів та встановити раціональне розташування дебалансів по висоті залізобетонного кільця з оцінкою впливу фаз вібрації;

- провести експериментальні дослідження з метою оцінки запропонованих конструктивних рішень віброустановки та ефективності встановлених параметрів і режимів робочого процесу; порівняти результати теоретичних та експериментальних досліджень;

- розробити основні принципи створення віброустановок для формування залізобетонних кілець і скласти алгоритм інженерного розрахунку подібних віброустановок;

- оцінити ефективність виконаних досліджень та здійснити впровадження результатів досліджень.

Об'єкт дослідження - віброустановка для виробництва залізобетонних кілець. віброущільнюючий вертикальний коливання машина

Предмет дослідження - режими і параметри віброустановки з вертикально розташованими збудниками коливань.

Методи дослідження. В основі досліджень покладені загальноприйняті положення класичної теорії коливань дискретних і суцільних середовищ, фізичні та математичні моделі, побудовані на базових уявленнях зміни пружно-інерційних та дисипативних властивостей дискретних і континуальних систем, застосуванням системного та структурного аналізу. Обробка та аналіз результатів досліджень ґрунтується на сучасних методах планування експерименту.

Наукова новизна роботи полягає в установленні закономірностей руху робочого органу віброустановки на основі врахування взаємодії робочого органу і бетонної суміші та впливу розташованих вертикально двох збудників коливань, ефективність дії яких забезпечена зсувом фаз між напрямком зовнішніх змушуючих сил.

Виявлені нові ефекти взаємодії частинок бетонної суміші із формою, які полягають у зниженні сили тертя між бортами форми і суміші, що значно прискорює процес ущільнення.

Отримані нові аналітичні залежності для амплітуд коливань віброустановки в горизонтальній і вертикальній площинах та енергії віброустановки.

Практичне значення отриманих результатів полягає в підвищенні ефективності новоствореної віброустановки із вертикальним розташуванням збудників коливань за рахунок зменшення енергії та збільшення продуктивності; запропонована інженерна методика розрахунку основних параметрів, на основі якої запроектовано і створено промислово-дослідницьку установку.

Результати роботи найшли відображення в учбовому процесі: в курсовому і дипломному проекті, в дисциплінах «Машини для виробництва будівельних матеріалів», «Синтез машин і обладнання будіндустрії».

Достовірність наукових положень, висновків і отриманих результатів забезпечується обґрунтованим застосуванням загальноприйнятих положень класичної теорії механічних систем і суцільних середовищ, достатнім для механічних систем збігом теоретичних і експериментальних досліджень (розбіжність складає 11 - 15%).

Особистий внесок здобувача.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертаційної роботи отримані автором самостійно, а саме:

виконано аналіз та оцінка існуючих досліджень по темі дисертації із обґрунтуванням напрямку досліджень;

розроблена принципова схема віброустановки із вертикально розташованими збудниками коливань із зсувом фаз між напрямком дії змушуючих сил;

складені рівняння та виконані дослідження динаміки віброустановки з урахуванням пружно-інерційних та дисипативних сил робочого органу і оброблювального середовища; встановлені закономірності зміни руху в горизонтальній та вертикальній площинах робочого органу;

виготовлена експериментальна установка, та здійснені на ній дослідження по встановленню раціональних режимів і параметрів із врахуванням зсуву фаз, виявлені ефекти впливу параметрів на енергетичні витрати;

розроблені принципи створення високоефективних віброустановок та інженерна методика розрахунку основних параметрів;

здійснено впровадження результатів наукових досліджень у виробництво і навчальний процес.

В опублікованих працях, що виконані в співавторстві, здобувачем виконано: у роботі [1] - розроблено принципову розрахункову схему; у роботі [2] - запропоновано принцип та схема керування процесом ущільнення; у роботі [3] - розробка критеріїв оцінки та аналізу отриманих результатів; у роботі [5] - розробка принципової схеми установки; у роботі [6] - обґрунтування конструктивної схеми установки; у роботі [7] - аналітичне обґрунтування патенту; у роботі [8] - складені рівняння руху, здійснені рішення та визначення основних параметрів.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на 59 - 71 (1998-2010 роки) науково-практичних конференціях КНУБА; на конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів КНУБА (2006-2010 роки); на міжнародній науково-технічній конференції «сучасні тенденції розвитку машинобудування та транспорту» 2010 рік, КНУ ім. Михайла Остроградського; на засіданні кафедри конструювання машин та технологічного обладнання КНУ ім. Михайла Остроградського 1.10.2010 рік.

Реалізація роботи. Результати роботи впроваджені на заводі ЗБВ №1 Київміськбуду та в учбовому процесі.

Публікації. Результати роботи опубліковані в шести статтях у фахових наукових збірниках та отримано 4 патенти України на корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків, переліку використаних джерел із 116 найменувань, містить 35 рис., 8 табл.. Загальний обсяг роботи 123 с машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення.

У першому розділі «Аналіз та оцінка обладнання для виготовлення залізобетонних кілець» проведено аналіз конструкцій, методів розрахунку, розглянуті фізичні аспекти механізму віброущільнення сумішей.

Дослідженням робочих параметрів вібромашин будіндустрії присвячені роботи таких вчених і інженерів: Баумана В.А., Борщевського О.О., Блехмана І.І., Гарнеця В.М., Гончаревича І.Ф., Гусєва Б.В., Ловейкіна В.С., Маслова О.Г., Назаренка І.І., Нестеренка М.П., Олехновича К.О., Осмакова С.А., Савінова О.О., Чубука Ю.Ф., Яковенка В.Б. та ін..

Дослідження фізичних аспектів віброущільнення будівельних сумішей пов'язані із обґрунтуванням, вибором, створенням моделей та уявлень про механізм ущільнення.

Значний вклад в розвиток технології ущільнення будівельних сумішей внесли такі вчені: Баладінський В.Л., Блещик Н.П., Гірштель Г.Б., Гусєв В.В., Дєсов А.Е., Зиков Б.І., Куннос Г.Я., Овчинніков П.Ф., Рейнер М., Руденко І.Ф., Сівко В.Й., Файвусович В.А., Файтельсон Л.А., Шмигальський В.Н. та ін..

Поведінка бетонної суміші у формі кільця є особливою з точки зору укладання, ущільнення з урахуванням тертя біля стінок форми, між собою та об стінки форми. Тому розгляд існуючих підходів до визначення фізичних аспектів ущільнення сумішей є важливим елементом загальної системи досліджень.

На основі виконаного аналізу попередніх досліджень висловлено припущення, що з точки зору ущільнення варто застосовувати на першому етапі корпускулярну теорію з визначенням умов напружень зсуву, оскільки передбачається поєднати рух в площинах перпендикулярних до вертикальної осі із можливим виникненням моментів зсуву за рахунок спеціального установлення двох дебалансів на вертикальному валу. За ідеєю таке установлення дебалансів відкриє можливість в певній мірі створювати допоміжні сили, що змусять по гвинтовій лінії зміщуватися шари суміші і прискорювати таким чином процес ущільнення. На завершальній стадії бетонна суміш розглядається системою із розподіленими параметрами.

У другому розділі «Теоретичні дослідження динаміки віброустановки для виготовлення залізобетонних кілець» обґрунтована розрахункова модель досліджуваної системи (рис. 1) в залежності від етапу ущільнення.

Рис. 1. Фізична модель системи «віброустановка-суміш» для двох етапів її руху.

Для складання рівнянь руху на 1ому етапі система представлена дискретною розрахунковою схемою (рис.2).



Рис. 2. Розрахункова схема вібросистеми.

Для складання рівнянь руху використаємо рівняння Лагранжа другого роду:

, (1)

де та - відповідно узагальнені координати та швидкості; - функція Лагранжа; - відповідно, функції кінетичної та потенціальної енергії системи; - узагальнені сили, рівні:

(2)

де - віртуальна робота.

Кінетична енергія системи:

, (3)

де - проекції абсолютної лінійної швидкості -го дебалансу; - кругова частота обертання дебалансного валу; - момент інерції -го дебалансу відносно його центральної вісі, паралельної .

Потенціальна енергія системи визначається з виразу:

, (4)

де м/с2 - прискорення вільного падіння.

Для випадку вертикально орієнтованого дебалансного валу проекції абсолютного переміщення та швидкості центру -ої дебалансної маси на вісі мають вид:

(5)

(6)

де - початковий фазовий кут між радіусом та проекцією вісі на площину обертання точкової маси, причому:

(7)

З урахуванням (5), (6) виразу для кінетичної енергії (3):



(8)

За узагальнені координати приймаємо наступні змінні:

. (9)

Відповідні їм непотенціальні узагальнені сили, які визначаються за формулою (2), мають вид:

(10)

де - змушуючі сили на вісі ; - координати дебалансів.

Підставляючи вирази (4), (8), (10) у рівняння (1) й здійснюючи диференціювання за відповідними змінними, отримаємо систему зв'язаних лінійних диференціальних рівнянь другого порядку, які описують рух системи під дією зовнішніх сил:



(11)

Рішення рівнянь (11), які описують закон руху системи мають вид:

(12)

Тут модулі амплітуд :

(13)

Фазові кути :

(14)

Підставляючи залежності (12) у рівняння (11), в роботі отримано систему алгебраїчних рівнянь відносно невідомих переміщень системи на вісі .

Результати виконаних розрахунків наведені на рис.3 і рис.4. Числові значення амплітуд розраховувалися по висоті форми в шести точках: в нижній частині (1); між основою і розміщенням нижнього дебалансу (2); по лінії дії нижнього дебалансу (3); між нижнім і верхнім дебалансом (4); по лінії дії верхнього дебалансу (5); на верхній частині форми (6).

Рис.3. Зміна амплітуди горизонтальних коливань по висоті форми для величин змушуючої сили вібраторів: 1 - кН; 2 - кН

Рис.4. Зміна амплітуди вертикальних коливань по висоті форми для величин змушуючої сили вібраторів: 1 - кН; 2 - кН.

Із графіків видно, що середні значення амплітуди горизонтальних коливань в рамках розрахованих параметрів змінюються в межах 0,4…0,6 мм, а вертикальних коливань - в межах 0,18…0,23 мм.

Були складені рівняння для дискретно-континуальної системи «віброустановка - суміш» (2-га стадія ущільнення суміші). Вихідні рівняння руху суміші мають вигляд:



(15)

де - поточні переміщення суміші у відповідних площинах

Із умов роботи установки прийняті такі граничні умови:

(16)

де - максимальне значення переміщення (амплітуда); - гармонічна функція часу ; - висота виробу, який формується.

При цьому вважаємо, що:

(17)

де - орти рухомої системи координат.

Тоді залежність й можна подати у вигляді:

(18)



де , - довжина й ширина опалубки форми, в якій знаходиться бетонна суміш; - амплітуди вимушених коливань.

Залежність :

, (19)

де - амплітуда вимушених коливань, а константи знаходяться з відповідних граничних умов (16).

Тоді:

. (20)

Визначені амплітуди вимушених коливань виходячи із рівнянь (15) та залежностей (18) і (20):

. (21)

. (22)

. (23)

В роботі приведені також залежності і для кутів , , .

Величини :



(24)

Були здійснені розрахунки амплітуд горизонтальних коливань за дискретною та дискретно-континуальною моделлю (рис. 5).

Рис. 5. Розподіл амплітуд коливань для моделей: 1 - дискретна; 2 - континуальна.

Розбіжність амплітуд коливань за дискретною та дискретно-континуальною моделлю складає 5…8%, що засвідчує можливість використання дискретних моделей для даного типу виробів.

Для визначення питомої енергії була використана континуальна модель. У відповідності до розгляду загального енергетичного балансу системи частина енергії на ущільнення представлена формулою:

, (25)

де - щільність суміші; - висота; - питома енергія на ущільнення суміші загального об'єму кільця.

Розрахунки за формулою (25) показують, що середні значення енергії на ущільнення для числових значень амплітуд і частот коливань, що розглядаються в роботі, знаходяться в межах (1,15…1,6).103 , що у порівнянні із існуючими установками на 50…80% менше.

У третьому розділі «Експериментальні дослідження робочих параметрів установки для формування кілець» виконані експериментальні дослідження, задачами яких являються:

виявлення характеру зміни амплітуд коливань по висоті форми та встановлення їх числових значень;

визначення тиску бетонної форми на борта форми;

оцінка впливу кута зсуву фаз між положеннями дебалансів вібраторів на робочий рух установки та фіксація часу ущільнення бетонної суміші при різних силових навантаженнях;

визначення сил тертя суміші об борти форми;

встановлення енергії, що витрачається на загальний процес руху віброустановки;

порівняння результатів дослідів із аналітичними розрахунками.

Для проведення експериментальних досліджень була запропонована та виготовлена установка за схемою (рис. 6):



Рис. 6. Експериментальна установка: а - конструктивна схема (1 - форма; 2, 3 - віброзбудники коливань; 4 - основа для кріплення збудників коливань; 5 - нижня рама; 6 - опори); б - схема замірів (1…6 - точки замірів амплітуд коливань вертикальних (в) та горизонтальних (г), відповідно).

Методикою передбачено заміри амплітуд коливань в шести точках (рис.6,б), тиск бетонної суміші як і сили тертя оцінювали шляхом розрахунку за формулами, що наведені в роботі, а числові значення параметрів (амплітуди, частота, час) встановлювалися за експериментальними дослідженнями.

Загальний вигляд експериментальної установки приведено на рис.7,а. Установка представляє собою зварну конструкцію із зовнішньої та внутрішньої обичайок, що з'єднані між собою спеціальним затискачем, який показаний на рис.7,б. На рис.7,в приведені місця кріплення збудників коливань.

Рис. 7. Експериментальна установка: а - загальний вид; б - вид зверху; в - місце кріплення вібраторів; г - загальний вигляд вібраторів в зібраному вигляді.

Для сприяння руху суміші у формі передбачено зсув фаз між дебалансами (рис.7,г), а між собою вібратори з'єднуються в єдину вібросистему спеціальною муфтою.

Основним елементом установки є форма, що складається із двох циліндрів, кожний з яких після закінчення процесу ущільнення можна розібрати і оцінити якість ущільнення.

За характером коливань форми можна відмітити, що установка коливається як система із лінійними змінами амплітуд коливань. За величиною зміни амплітуди коливань по висоті змінюється для даної серії дослідів в великих межах. Так, найменше значення амплітуди коливань зафіксоване у нижній частині форми (0,25 мм) і найбільше значення (0,4 мм) в точці . Числові значення горизонтальних амплітуд коливань для різних серій дослідів наведені в табл.1, а значення вертикальних коливань в табл.2.

Таблиця 1 - Числові значення горизонтальних амплітуд коливань по висоті форми

№ серії дослідів	№ досліду	Точка заміру амплітуди, , мм
		А1	А2	А3	А4	А5	А6
І	1	0,41	0,43	0,44	0,5	0,55	0,58
	2	0,35	0,4	0,43	0,47	0,5	0,57
	3	0,3	0,34	0,36	0,38	0,45	0,51
	4	0,25	0,28	0,31	0,36	0,42	0,45
ІІ	1	0,37	0,41	0,47	0,52	0,54	0,56
	2	0,38	0,42	0,44	0,48	0,53	0,54
	3	0,46	0,48	0,51	0,5	0,56	0,6
	4	0,45	0,5	0,52	0,55	0,52	0,54
	5	0,45	0,48	0,51	0,54	0,58	0,62
ІІІ	1	0,5	0,52	0,55	0,58	0,61	0,64
	2	0,45	0,47	0,51	0,53	0,58	0,6
	3	0,43	0,48	0,54	0,58	0,61	0,62
	4	0,4	0,45	0,47	0,5	0,54	0,57
	5	0,37	0,41	0,45	0,48	0,51	0,53

Таблиця 2 - Числові значення вертикальних амплітуд коливань по висоті форми

№ серії дослідів	№ досліду	Точка заміру амплітуди, мм
		Х1	Х2	Х3	Х4	Х5
І	1	0,15	0,17	0,19	0,22	0,25
	2	0,14	0,16	0,18	0,20	0,21
	3	0,12	0,13	0,15	0,17	0,19
	4	0,1	0,11	0,12	0,13	0,14
ІІ	1	0,17	0,18	0,19	0,21	0,22
	2	0,18	0,17	0,16	0,19	0,21
	3	0,19	0,20	0,20	0,21	0,22
	4	0,20	0,21	0,23	0,22	0,24
	5	0,21	0,22	0,23	0,23	0,25
ІІІ	1	0,2	0,23	0,24	0,25	0,27
	2	0,18	0,19	0,20	0,21	0,22
	3	0,16	0,17	0,19	0,20	0,20
	4	0,17	0,18	0,20	0,21	0,24
	5	0,15	0,16	0,17	0,18	0,19

Перша серія дослідів виконувалася з метою оцінки зміни амплітуди коливань по висоті форми та визначити вплив маси бетонної суміші на амплітуду коливань. Відмічено, що із збільшенням часу вібрації (перший дослід замірявся на 10 с ущільнення з амплітудою коливань мм) амплітуда коливань дещо зменшується і на завершальній стадії замірів ( с) середня амплітуда коливань в першій точці складає величину мм. Різниця амплітуд коливань має величину 0,12 мм, що складає 35% від кінцевого значення амплітуди коливань.

Друга серія дослідів ставила за мету оцінити характер і величину зміни амплітуди коливань в залежності від змушуючих сил і . Перші два досліди виконувалися для значень і рівними кожна, а третя і четверта серія дослідів для сил .

Третя серія дослідів відрізнялася складом бетонної суміші із водо цементним відношенням , а для першої серії дослідів це відношення складало величину .

Значення амплітуди вертикальних коливань заміряли на дні форми (основа віброустановки), на висоті розташування першого вібратора , між першим і другим вібратором на висоті розташування другого вібратора і на верхній частині форми . По мірі ущільнення амплітуда вертикальних коливань дещо зменшується від значень мм (1й дослід) до значення мм (див. табл.2). Така зміна пояснюється збільшенням навантаження від ущільнюючого середовища. Для другої серії дослідів в точці дії першого віброзбудника немає чіткого характеру зміни амплітуди коливань: для першого досліду мм, а для другого досліду цієї серії маємо зменшення амплітуди коливань до значення мм. Подібна зміна відмічається для точок і для дослідів 3 і 4 третьої серії: мм (2й дослід) і (3й дослід). Пояснити таку зміну амплітуди коливань можна за рахунок складних форм коливань в зоні двох віброзбудників коливань. Встановлено, що значення амплітуд вертикальних коливань має бути в межах мм, а для горизонтальних коливань - в межах мм.

Дія робочих органів на суміш реалізується через тиск, який створює умови виникнення напружено-деформованого стану суміші, здійснюючи таким чином процес протікання ущільнення.

В таблиці 3 приведені середні числові значення тиску бетонної суміші, отримані для трьох серій дослідів.

Таблиця 3 - Числові значення тиску бетонної суміші на борта форми.

№ серії дослідів	№ досліду	Числові значення тиску по висоті форми,
		Р1	Р2	Р3	Р4	Р5
І	1	0,85	0,75	0,65	0,60	0,52
	2	1,00	0,87	0,78	0,73	0,70
	3	1,20	1,08	0,93	0,84	0,68
	4	1,30	1,20	1,10	0,95	0,80
	5	1,40	1,34	1,28	1,22	1,20
	6	1,45	1,38	1,31	1,26	1,17
ІІ	1	2,50	2,42	2,32	2,21	2,10
	2	2,30	2,20	2,15	2,10	2,00
	3	2,10	1,85	1,65	1,47	1,25
	4	1,50	1,32	1,18	1,12	1,00
ІІІ	1	1,48	1,31	1,21	1,10	0,90
	2	1,55	1,35	1,22	1,15	1,10

В першій серії дослідів визначали вплив статичного моменту маси дебалансів вібратора на величину тиску суміші.

Для І серії всі досліди проводилися при куті зсуву фаз між положеннями дебалансів рівному , який дає можливість отримати максимальний ефект просторового руху із ярко вираженого прецесією руху форми із сумішшю.

Друга серія дослідів виконувалася з метою визначення впливу кута зсуву фаз на величину тиску, при цьому фіксували амплітуду коливань і час ущільнення.

Третя серія дослідів ставила за мету за фіксованими параметрами робочого органу з'ясувати вплив складу суміші на величину тиску.

Величини тиску є середніми значеннями для кожної серії дослідів і для кожної точки визначалися із урахуванням можливих відхилень в ту чи іншу сторону. Більші значення були отримані для нижньої частини форми незалежно від серії дослідів.

При зміні кута зсуву фаз між положеннями дебалансів ставилася задача оцінити процес ущільнення та перевірити достовірність аналітичних залежностей для розрахунку основних параметрів віброустановки.

Із параметрів, які при цьому фіксувалися були: час ущільнення, за якого відсутнє осідання суміші, амплітуда коливань в раніше встановлених місцях в сталому та згасаючому режимі роботи установки. При зміні кута зсуву фаз час ущільнення зменшується і найменше значення приймає при .

Таким чином експериментально підтверджено факт ефективності зсуву фаз між дебалансами вібраторів при формуванні кілець і може бути корисним при формуванні подібних бетонних виробів. Щодо впливу складу суміші на борта форми, то в експериментах застосовувалися два характерних для виробництва кілець із водоцементним відношенням і водоцементне відношення. Із збільшенням тиск на борти форми має тенденцію до зменшення числових значень.

Визначення енергії віброустановки здійснювали в декілька етапів. Виконані дослідження свідчать про те, що величина потужності при спільному коливанні віброустановки і бетонної суміші знаходяться в межах 545,7…855,3 Вт. Коливання в цих межах пояснюється зміною динамічних параметрів. Потужність установки без бетонної суміші складає значення, яке коливається в межах 425,7…568,5 Вт.

Якщо порівняти ці дві складові енергії, то їхнє співвідношення = 0,7 і 0,6, тобто на коливання власної конструкції і на ущільнення суміші енергія складає в середньому 30…40 % від загальної. Розрахунки показують, що частина енергії на тертя в середньому складає величину (0,60…0,63).Рзав, а енергія на коливання Рк=0,7.Рз. Аналіз отриманих результатів досліджень для подібних форм коливань дозволяє отримати величину енергії на ущільнення суміші:

(Дж), (23)

де Епит - питома енергія на ущільнення об'єму суміші, ; V - об'єм кільця.

За результатами досліджень числове значення . Менші значення використовують при ущільненні рухомих сумішей, а більші значення - малорухомих сумішей.

Для порівняння результатів експерименту і теоретичних досліджень були вибрані амплітуди горизонтальних коливань на завершальній стадії ущільнення для виконаних трьох серій досліджень, що приведені на рис. 8.

Рис. 8. Порівняння амплітуд коливань віброустановки: - теоретичні криві; - експериментальні криві.

Як слідує із результатів досліджень, розбіжність в середньому складає 7…11 %, причому на початковій стадії ця розбіжність в результатах виміру і розрахунку є найменшою (7…8 %), а на завершальній стадії дещо збільшується до 14…17 %. Очевидно, похибка в розрахунках криється у точності врахування впливу пружно-інерційних властивостей бетонної суміші, тому в інженерній методиці визначення основних параметрів ця обставина враховується де пропонується уточнена формула для визначення масових характеристик.

Розбіжність в оцінці потужності, які приведені в таблиці 4, складає величину 11…20 %, яка є достатньою для застосування отриманих результатів в розробці інженерної методики для визначення основних параметрів віброустановки.

Таблиця 4 - Числові значення потужності віброустановки

№ серії дослідів	№ досліду	Значення потужності, Р, Вт	Розбіжність, %
		Експериментальний	Теоретичний
І	1	758,5	887,4	17
	4	545,7	654,1	20
ІІ	1	788,3	906,5	15
	5	818,6	933,2	14
ІІІ	1	879,3	976,0	11
	2	803,5	900,0	12

У четвертому розділі «Практична реалізація та оцінка виконаних досліджень» обґрунтовані і сформульовані основні принципи створення високоефективних установок для виробів циліндричної форми, розроблений алгоритм та запропонована методика розрахунку основних параметрів із числовим прикладом; виконана оптимізація форми дебаланса та визначена оцінка результатів досліджень.

Основними принципами створення нових машин є наступні:

1. Принцип забезпечення заданих технологією параметрів вібрації. Цей принцип в дослідженнях досягається шляхом адекватно реальним умовам руху вибору розрахункової схеми «привод - форма - бетонна суміш», врахуванням сил опору, створеною методикою розрахунку основних параметрів та її реалізацією на практиці.

2. Принцип надійності роботи вузлів і деталей віброустановки. Він забезпечується вдалим вибором конструктивної схеми віброустановки із мінімальними конструктивними елементами та застосуванням високонадійних вібраторів, які сертифіковані та відповідають вимогам міжнародного стандарту DINEN ISO 9001:2000.

3. Принцип реалізації високоефективних режимів роботи. Принцип базується на ідеї зниження ефектів тертя між бортами форми і суміші, придання суміші спіралеподібної форми руху, яка забезпечує швидке формування скелету майбутнього виробу і доцільне співвідношення амплітуд горизонтальних та вертикальних коливань. Реалізація ідеї здійснюється шляхом встановлення двох віброзбудників на центральній осі форми із зміщенням у фазі дебалансами, при роботі яких окрім змушуючих сил виникають моменти сил, які спільно реалізують необхідний режим.

4. Принцип мінімальної енергоємності та матеріалоємності віброустановки. Рішення принципу полягає у раціонально вибраними товщинами стінок металоформи із встановленням необхідних ребер жорсткості по діаметру форми, доцільним розташуванням віброзбудників всередині форми та застосуванням гумових опор. Раціональна енергоємність обумовлена зсувом фаз дебалансів на кут .

5. Принцип зручності в експлуатації та ремонті. Конструкція установки має швидкоз'ємні засоби фіксації напівформ між собою, вдалим розташуванням вібраторів із сучасними болтовими з'єднаннями до осі форми.

6. Принцип забезпечення санітарно-гігієнічних норм за рівнем шуму і вібрації. Метод реалізації полягає в коректному врахуванні пружно-інерційних і дисипативних сил віброустановки і бетонної суміші при розрахунку жорсткості опор, які забезпечують віброізоляції установки від фундаменту.

7. Принцип економічної доцільності використання розробленої віброустановки. Метод досягнення принципу полягає у раціональному використанні енергетично доцільних режимів і параметрів вібрації, які дозволяють знизити енергію в 1,5…1,8 рази у порівнянні із існуючими режимами, забезпечуючи при цьому зменшений у часі ефективне протікання робочого процесу.

Результати досліджень засвідчують збільшення продуктивності в 1,8 рази у порівнянні із традиційною схемою виробництва залізобетонних кілець, зменшення енергії на 50%. Оскільки існуючі технології витрачають на процес ущільнення 3,6…5 хвилин, а витрати енергії складають 1,5…2,5 кВт.

В роботі запропонована методика розрахунку, що враховує основні результати досліджень.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Залізобетонні кільця є поширеним виробом в будівництві, є методи і способи їхнього виробництва в сучасний стан потребують істотного поліпшення якості виробу, підвищення продуктивності.

2. Рішення проблеми знайдено в застосуванні форми для кільця як робочого органу, в середині якого вертикально розташований віброзбудник із двох вібраторів із зсувом фаз між напрямками дії зовнішніх сил, що є додатковим ефектом для інтенсифікації ущільнення. Новизна установки захищена патентом України №25881.

3. Складені рівняння руху вібросистеми, рішення яких дозволили отримати аналітичні залежності для визначення амплітуд коливань в горизонтальній та вертикальній площинах, оцінити енергетичну складову на ущільнення бетонної суміші.

4. Визначені основні параметри - амплітуда коливань (0,35…0,70 мм) в горизонтальній площині і (0,15…0,20 мм) у вертикальній площині при реалізації частоти коливань 314 .

5. Розроблена і створена віброустановка із двома віброзбудниками коливань, вісь дії яких співпадає із віссю форми, яка складається із двох напівформ, що з'єднуються в єдину систему на час формування кільця, а віброзбудники забезпечують необхідний за технологією рух робочого органу.

6. Виявлено, що віброустановка здійснює складний рух у двох площинах, який дає можливість зменшити тиск в контакті суміші із бортами установки на 40…50 % у порівнянні із суворо горизонтальними коливаннями і на 150…250 % у порівнянні із вертикально-направленими коливаннями. Встановлені закономірності зміни амплітуд горизонтальних коливань в залежності від часу ущільнення, змушуючої сили та кута зсуву фаз між положеннями дебалансів. Так, за час ущільнення (60 с) амплітуда коливань на піддоні форми зменшилася від значення 0,41 мм до 0,25 мм, що обумовлено збільшенням інерційних властивостей маси бетонної суміші. По висоті форми, яка здійснює коливання із явним ефектом прецесії, амплітуда коливань збільшується. Так, на піддоні амплітуда коливань 0,41 мм, а на верхній частині форми амплітуда сягає величини 0,58 мм.

7. Отримані числові значення тиску в середній частині форми змінюються в невеликих межах (відхилення складає величину 9…11 %). Виявлено, що при куті зсуву фаз між дебалансами забезпечується найбільш ефективний режим ущільнення.

8. Порівняння результатів експерименту і теорії показали розбіжність амплітуд коливань (8…14 %), а за потужністю розбіжність складає величину 11…20 %, що дає підстави вважати, що передумови та вибрана фізична та математична моделі реально відображають дійсну картину руху віброустановки.

9. Запропоновані основні принципи створення нових віброустановок на базі яких розроблена методика інженерного розрахунку раціональних параметрів робочого процесу ущільнення. Результати роботи впроваджені у виробництво та в учбовому процесі.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Баранов Ю.О. Динаміка поліфазного вібромайданчика / Баранов Ю.О., Корнійчук Б.В. // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини. - 2000. - №56. - С. 16-18.

2. Пат. 64944 А Україна, МКВ G01N 33/38 / Спосіб автоматичного керування процесом вібраційного формування залізобетонних виробів / Сівко В.Й., Назаренко М.І, Корнійчук Б.В. - № 2003032154 заявл. 12.03.2003; опубл. 15.03.2004, Бюл. № 3.

3. Назаренко І.І. Оцінка конструктивних та технологічних параметрів віброустановок при формуванні залізобетонних кілець / Назаренко І.І., Баранов Ю.О., Корнійчук Б.В., [та ін.] // Техніка будівництва. - 2006. - №19. - С. 30-39.

4. Корнійчук Б.В. Вибір та обґрунтування конструктивної схеми віброустановки для формування залізобетонних кілець / Корнійчук Б.В. // Техніка будівництва. - 2007. - №20. - С. 67-73.

5. Пат. 25881 U Україна, МКВ В28В 21/02 / Установка для формування трубчастих виробів з бетонних сумішей / Назаренко І.І, Баранов Ю.О., Корнійчук Б.В., Корчагін М.М. - № 200704120 заявл. 16.04.2007; опубл. 27.08.2007, Бюл. № 13.

6. Пат. 29089 U Україна, МКВ B28B 7/22 / Пристрій для виготовлення трубчастих виробів з бетонних сумішей / Назаренко І.І, Баранов Ю.О., Корнійчук Б.В., Міщук Є.О. - № 200704121 заявл. 16.04.2007; опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1.

7. Пат. 29090 U Україна, МКВ B28B 7/22 / Пристрій для виготовлення трубчастих виробів з бетонних сумішей / Назаренко І.І, Баранов Ю.О., Корнійчук Б.В., Міщук Є.О. - № 200704124 заявл. 16.04.2007; опубл. 10.01.2007, Бюл. № 1.

8. Назаренко І.І. Теоретичні дослідження руху віброустановки з вертикальним розташуванням збудників коливань / Назаренко І.І., Корнійчук Б.В. // Техніка будівництва. - 2009. - №22. - С. 35-46.

9. Корнійчук Б.В. Експериментальні дослідження робочих параметрів віброустановки з вертикальним розташуванням збудників коливань / Корнійчук Б.В. // Техніка будівництва. - 2009. - №23. - С. 43-52.

10. Корнійчук Б.В. Методика розрахунку основних параметрів віброустановки для формування залізобетонних кілець / Корнійчук Б.В. // Техніка будівництва. - 2010. - №25. - С. 63-68.



АНОТАЦІЯ

Корнійчук Б.В. Розробка та аналіз віброустановки із вертикально розташованими збудниками коливань для виробництва залізобетонних кілець. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.02 - машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. - Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ - 2010.

У дисертації на основі оцінки та аналізу існуючих досліджень і інженерних розробок установок для виробництва трубчастих виробів встановлено, що найбільш ефективним напрямком в створенні машин є використання форми для кільця як робочого органу, а збудники коливань мають бути розташованими вертикально із зсувом фаз між собою. Обґрунтована і вибрана фізична та математична модель досліджуваної системи, визначені закономірності руху таких машин в умовах взаємодії із бетонною сумішшю та зсувом фаз між положеннями дебалансів. Виявлені раціональні параметри коливань, запропоновані принципи створення нових високоефективних віброустановок, розроблено алгоритм і методика інженерного розрахунку основних параметрів робочого процесу, здійснено впровадження результатів досліджень.

Ключові слова: віброустановка із вертикально розташованими збудниками коливань, бетонна суміш, залізобетонне кільце, амплітуда і частота коливань, енергія, потужність, зсув фаз.

АННОТАЦИЯ

Корнийчук Б.В. Разработка и анализ виброустановки с вертикально расположенными возбудителями колебаний для изготовления железобетонных колец. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.05.02 - машины для изготовления строительных материалов и конструкций. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев - 2010.

В диссертации на основе оценки и анализа существующих опытов и инженерных разработок установок для изготовления трубчатых изделий определено, что более эффективным направлением в создании машин есть использование формы для кольца, как рабочего органа, а возбудители колебаний должны быть размещены вертикально из смещением фаз между собой. Обоснована и выбрана физическая и математическая модель экспериментальной системы, определены законы движения этих машин в условиях взаимодействия с бетонной смесью та смещением фаз между дебалансами.

Обоснована и выбрана физическая и математическая модель вибрационной системы, представленная сосредоточенными и распределенными параметрами. Составлены уравнения движения в соответствии с выбранными моделями, решены уравнения относительно основных параметров рабочего процесса.

Определены закономерности движения рабочего органа в вертикальной и горизонтальной плоскостях, выполнена оценка сдвига фаз между установленными дебалансами на эффективность процесса уплотнения.

Определены области рационального применения сосредоточенных и распределенных моделей в зависимости от этапов уплотнения смесей.

Запроектирована и изготовлена опытно-промышленная установка, представляющая собой две цилиндрические полуформы, в средине установлены два вибратора, которые соединены между собой специальной муфтой, позволяющей устанавливать желаемый сдвиг фаз между дебалансами вибраторов.

Выполнены экспериментальные исследования, позволившие установить рациональные амплитуды колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях, оценить влияние сдвига фаз, определить необходимую энергию на протекание технологического процесса.

Составлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые подтвердили исходные предпосылки и адекватность моделей.

Разработан алгоритм и методика расчета основных параметров виброустановки для формования железобетонных колец и осуществлено внедрение результатов исследований в производство и в учебный процесс.

Ключевые слова: виброустановка с вертикально расположенными возбудителями колебаний, бетонная смесь, железобетонное кольцо, амплитуда и частота колебаний, энергия, мощность, смещение фаз.



ANNOTATION

Korniychuk B.V. Development and analysis of the oscillation setting are with the apeak located causative agents of vibrations for the production of reinforce-concrete rings. -Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05/05/2002 - machines for manufacturing building materials and structures. - Kyiv National University of Engineering and Architecture. Kyiv - 2010.

The paper based assessment and analysis of existing research and engineering development units for the production of tubular products revealed that the most effective direction for creation of machine is used to form a ring as a working body, and vibrations of pathogens should be arranged vertically with a phase shift between. Proved and selected physical and mathematical model of the system defined by the movement of such vehicles in cooperation with the concrete mix and the phase shift between the provisions of unbalanced masses. Parameters have revealed fluctuations, the proposed principles for the establishment of new high-vibration installations, the algorithm and methods of engineering calculation of basic parameters of the workflow implemented the research results.

Keywords: Vibration unit with vertically arranged pathogens fluctuations mix concrete, reinforced concrete ring, the amplitude and frequency of vibration, energy, power, phase shift.

Размещено на Allbest.ru