Вибрационные машины для уплотенения дорожных покрытий
Для уплотнения дорожных покрытий в последнее время широкое применение находят вибрационные машины. К ним относятся виброкатки, поверхностные вибромашины, бетоноотделочные машины и глубинные вибраторы. Эти машины применяются при уплотнении цементобетонных и асфальтобетонных покрытий, щебеночных и гравийных оснований дорог, а также слоев грунта, укрепленного цементом.
Вибромашины могут быть самоходными, прицепными, навесными и переставляемыми. Прицепные и самоходные вибрационные катки применяются при уплотнении как асфальтобетонных покрытий, так и различного рода оснований дорог. Поверхностные вибромашины служат для уплотнения грунтов, щебеночных и гравийных оснований и покрытий дорог. Для уплотнения цементобетонных покрытий применяются специальные бетоноотделочные машины (финишеры). При толщине покры
тий свыше 25 см для уплотнения бетонной смеси используются глубинные вибраторы.
Привод вибрационной машины осуществляется как от двигателей внутреннего сгорания, так и от электродвигателей. В настоящее время находит применение также комбинированный привод: дизель-электриче — ский, дизель-гидравлический и электропневматический.
Для придания рабочему органу машины колебательных движений устанавливается специальный возбудитель колебаний — вибратор. Колебания от вибратора через рабочую плиту, валец или корпус передаются уплотняемой среде.
По принципу действия различают центробежные, инерционные и вибраторы ударного действия. В центробежных возмущающая сила создается за счет вращения неуравновешенных масс. Возмущающая сила инерционных вибраторов развивается в результате возвратно-поступательного движения масс. В вибраторах ударного типа возмущающая сила возникает при соударении подвижных масс.
Все механические вибраторы можно разделить на регулируемые и нерегулируемые, одночастотные и поличастотные, направленного и ненаправленного действия.
Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов показаны на рис. 14.5. Сечение неуравновешенных частей — дебалансов — чаще всего имеет форму кольцевого сектора, круга или прямоугольника. Оптимальная форма и размеры дебалансов выбираются из условия минимума веса дебаланса и его момента инерции при заданной величине возмущающей силы.
Возмущающая сила виброэлемента в каждый момент времени равна проекции на вертикальную ось той центробежной силы, которая развивается при вращении дебаланса, а амплитудное значение возмущающей силы Р равно центробежной силе, т. е.
2 Gj 2
m = mzw =—zw ^ (14 11)
где Gd — вес дебаланса в кИ, w ~ угловая скорость вращения в с’1,
z — эксцентриситет, т. е. радиус вращения центра тяжести дебаланса, в см.
Для удобства расчетов из уравнения обычно выделяют величину
Мк= Gaz, кН/см, (14.12)
которую условно называют кинетическим моментом дебаланса.
Кинетический момент секторного дебаланса (рис. 14.5, а) равен
MK =^8b(Rl — R^)sn~g, KH-см (14.13)
где b — толщина дебаланса в см; R2 — наружный радиус дебаланса в см; Ri — внутренний радиус дебаланса в см; а — центральный угол сектора; 5 — плотность материала дебаланса в кг/м3.
Рис. 14.5. Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов: а — секторный дебаланс; б — дебаланс в виде эксцентричного диска; в — виброэлемеит с раздвижными дебалансами; г и д — регулируемые стержневые виброэлементы; е — схема двухвально — го вибратора направленного действия; ж — схема одновального вибратора направленного действия. |
Для дебаланса, выполненного в виде эксцентрично установленного диска (рис. 14.5, б), кинетический момент равен:
ггТр’
М = 8bz-g, KH-CM, (14.14)
4
где D — диаметр диска в см; z — эксцентриситет ц. т. диска в см.
Кинетический момент вибратора, выполненного в виде уравновешенного диска с дебалансными массами, установленными с постоянным шагом (рис. 14.5, г и д), и равен геометрической сумме кинетических моментов отдельных дебалансных масс.
В вибраторах ненаправленного действия вектор центробежной силы Q вращается с угловой скоростью со, тогда проекции этого вектора на оси координат х и у найдутся как
Р = Q sincot,
(14.15) |
X }
Ру — Q coscot
В регулируемых вибраторах величина центробежной силы при постоянной частоте вращения вала вибратора может регулироваться изменением эксцентриситета или веса дебаланса.
Для раздвижных дебалансов (рис. 14.5, в) суммарная возмущающая сила равна:
(14.16)
где (3 — угол между осями дебалансов.
Различают регулируемые вибраторы с плавным и ступенчатым изменением центробежной силы. Наиболее совершенными являются регулируемые вибраторы с плавным изменением, осуществляемым на ходу машины.
(14.17) |
В вибраторах направленного действия возмущающая сила имеет определенное направление и изменяет только свою величину. Направленные колебания можно получить установкой двух дебалансных валов, вращающихся в противоположные стороны с равной частотой вращения. При этом горизонтальные составляющие центробежных сил взаимно уравновешиваются (рис. 14.5, е). Вертикальные составляющие создают суммарную возмущающую силу, изменяющуюся по закону
P=2Qsin wt.
Одновальный вибратор направленного действия показан на рис. 14.5, ж. Здесь два дебаланса вращаются в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью. Суммарная возмущающая сила равна геометрической сумме вертикальных составляющих центробежных сил. По сравнению с двухвальными такие вибраторы более компактны и имеют меньшие габариты, однако они более сложны по конструкции.
В дебалансных вибраторах центробежная сила дебалансов полностью передается на подшипники вала. С целью разгрузки подшипников предложена конструкция бегункового вибратора (рис. 14.6, а). Здесь дебаланс 1, выполненный в виде цилиндрического ролика, катится по внутренней поверхности беговой дорожки 2. Движение к ролику от водила 3 передается через специальный поводок 4. Центробежная сила, возникаю
щая при вращении водила, передается непосредственно на корпус виброэлемента. Подшипники ролика нагружены только тем усилием, которое необходимо для преодоления сопротивления перекатыванию его по беговой дорожке.
Рис. 14.6. Схемы бегунковых (поводковых) вибраторов: а — одночастотного; б — поличастотного. |
В случае применения дебалансных роликов (рис. 14.6, б) возникают две центробежные силы различной частоты. Одна возмущающая сила развивается вследствие вращения ц. т. ролика относительно оси О, а вторая — ввиду вращения ролика относительно своей оси 0;. Движение ролика в этом случае можно представить состоящим из поступательного вместе с центром ролика и вращательного относительно этого центра.
При поступательном движении центробежная сила Р изменяется с частотой вращения водила сод. Ее амплитудное значение определяется из выражения
P=P’l+P,’=(M+m)Roj?0, (14.18)
где Р’; — составляющая центробежной силы от массы М, сосредоточенная в точке 0;; Р” — составляющая центробежной силы от массы т, приложенная в ц. т. дебаланса (в точке А); М — масса уравновешенной части
ролика в кГ, т — масса дебаланса ролика в кг; Р — радиус центра ролика.
Вторая сила, изменяющаяся с частотой со , возникает вследствие вращения неуравновешенного ролика вокруг своей оси:
где е — эксцентриситет дебалансной части ролика, сор — абсолютная угловая скорость вращения ролика в с’1,
со =-со„, (14.20)
г
При установке нескольких дебалансных роликов различного диаметра результативная возмущающая сила равна геометрической сумме составляющих возмущающих сил. Большое значение при этом имеют начальные углы установки дебалансных роликов.
В существующих конструкциях поличастотных бегунковых (поводковых) вибраторов дебалансные ролики свободно перекатываются по беговой дорожке только за счет сил трения. Уменьшение сил трения при вибрации, чему способствует наличие масла в корпусе вибратора, силы инерции при пуске, а также противодействующий момент дебалансной части создают условия для проскальзывания ролика относительно беговой дорожки. Это вызывает уменьшение частоты вращения ролика и в некоторых случаях — его остановку. Наличие скольжения изменяет характер результативной возмущающей силы, делает ее переменной и не позволяет иметь стабильный режим вибрации. Параметры бегунковых поличастотных вибраторов необходимо выбирать с учетом отсутствия отрыва и скольжения ролика. При заданных параметрах необходимо создавать условия, при которых коэффициент трения ролика по беговой дорожке корпуса вибратора будет больше минимального.
В ряде вибромашин широко распространено применение выдвижных дебалансов. Последние рекомендуются для вибромашин, подвергающихся частому включению, особенно тех, где приводом служит двигатель внутреннего сгорания. При этом выдвижные дебалансы значительно уменьшают пусковой момент двигателя. Принципиальная схема их устройства приведена на рис. 14.7.
Для возбуждения колебаний вибромашин применяются также планетарные бесподшипниковые одночастотные и поличастотные вибраторы. Принципиальные схемы их изображены на рис. 14.8. Различают вибраторы с наружной и внутренней обкаткой. В виброэлементе с наружной обкаткой (рис. 14.8, а) дебаланс, приводимый во вращение двигателем, обкатывается своей наружной поверхностью внутри втулки, закрепленной в корпусе вибратора. В вибраторах с внутренней обкаткой (рис. 14.8, б) пустотелый ролик обкатывается своей внутренней поверхностью вокруг стержня, укрепленного в корпусе виброэлемента.
Рис. 14.7. Конструкция вибратора с выдвижным дебалансом: 1 — выдвижной дебаланс; 2 — обойма; 3 — стержень, 4 — пружины; 5 — втулка; 6 — регулировочное кольцо. |
Рис. 14.8. Принципиальные схемы вибраторов планетарного типа: а — с наружной обкаткой; б — с внутренней обкаткой. |
Наличие дебалансного ролика позволяет получить поличастотный режим вибрации. Низкая частота равна частоте вращения вала привода, высокая — частоте обкатываний бегунка. При заданной частоте вращения приводной штанги пд число обкатываний бегунка с внешней обкаткой равно:
п =7Г~£~Ги». (14.21)
D%,~dc
— а при обкатке ролика вокруг центрального стержня (внутренняя обкатка)
Dp
пі=7ГГ, Г”°- (14-22>
Up ас
где dp — наружный диаметр ролика в см, De — внутренний диаметр
втулки в см, Dp — диаметр внутренней поверхности ролика в см, dc —
наружный диаметр стержня в см.
При малой разнице диаметров обкатывающихся поверхностей высокая частота стремится к бесконечности. Сейчас уже достигнуты частоты до 300-350 Гц.
В некоторых вибрационных машинах находят применение виброударные механизмы. Во время работы вибромашины подвижная часть сообщает плите вибрационные колебания (через опорные пружины) и ударные импульсы (через шабот). Таким образом, виброударный механизм оказывает одновременно как ударное, так и вибрационное воздействие. Устойчивый режим работы имеет место в тех случаях, когда отношение числа оборотов виброэлемента к числу ударов представляет собой целое число. Устойчивость работы ударного механизма зависит от соотношения масс подвижной части и плиты, жесткости опорных пружин и начального зазора.
Ударный режим работы оказывает более интенсивное воздействие на уплотняемую среду и значительно повышает эффективность уплотнения дорожно-строительных материалов по сравнению с обычным вибрационным. Виброударные механизмы применяются в машинах для изготовления железобетонных изделий, в вибромолотах для погружения свай и шпунта, а также в ручном инструменте.
Кроме механических нашли распространение гидравлические, пневматические, электромагнитные и электродинамические вибраторы.
Все уплотняемые материалы представляют собой упруго-вязко-пластичные системы, свойства которых в настоящее время недостаточно изучены. Нет также и обоснованной теории деформирования таких сред.
Поэтому при выборе мощности двигателя, определении амплитуд колебаний и т. п. лучше всего руководствоваться опытными данными. Вместе с тем в настоящее время разработаны методы расчета, основанные на предположении, что уплотняемый материал обладает только упругим или только вязким сопротивлением, а иногда учитываются как упругие, так и вязкие свойства. Однако во всех случаях исходные зависимости упрощаются, так как иначе задача становится неразрешимой. Результатами решения таких задач можно пользоваться главным образом для относительного сопоставления различных вариантов при проектировании вибрационных машин.
Предполагая колебания гармоническими, а уплотняемую среду — абсолютно упругой и имеющей вязкое сопротивление, находят ту мощность двигателя, которая необходима для работы вибратора. Эта мощность расходуется на сообщение колебательного движения уплотняемой среде, а также на преодоление трения в подшипниках виброэлементов.
Мощность, необходимая для сообщения уплотняемому материалу колебательных движений при наличии вязкого сопротивления и направленных колебаний вибратора, в общем виде может быть определена по следующей формуле:
а2 а2 Расо. „ .
N. =——- =——- smcp, KBm, (14.23)
1 2-102 2-102
где а — амплитуда колебаний вибромашины, со — круговая частота колебаний, с — коэффициент вязкого сопротивления уплотняемой среды, Р — амплитудное значение возмущающей силы вибратора, ф — угол сдвига фаз, который может быть определен из выражения:
ссо, .
tg<P = — Г’ (14.24)
к-тсо
где k — условная жесткость уплотняемого материала, т — масса вибромашины.
Коэффициент вязкого сопротивления зависит от площади рабочей плиты вибромашины.
Удельное сопротивление с т. е. сопротивление плиты, площадь
которой равна 1 м2, по данным М. П. Зубанова равна: для асфальто
бетонной смеси — 800 кН с/м3, для жесткой цементобетонной смеси — 400-600 кН с/м3. Если площадь плиты равна F, то коэффициент вязкого сопротивления
с — с F. (14.25)
О
Для вибромашины с ненаправленными колебаниями, например для глубинного вибратора, необходимо суммировать мощность, расходуемую на колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Мощность, расходуемая на преодоление сил трения в опорах, определится как
N2 = nfPdn, (14.26)
где d — диаметр вала подшипника, п — частота вращения вала, / — условный (приведенный к валу) коэффициент трения подшипников. При расчетах можно принять для всех типов подшипников качения / = 0,005-0,010.
Общая мощность привода виброэлемента
лг Nx+N2
N=— L, (14.27)
V
где ц — кпд трансмиссии привода.
При уплотнении гравийных, щебеночных и асфальтобетонных покрытий широкое применение нашли самоходные вибрационные катки. Виброкатки имеют меньшую металлоемкость и энергоемкость, большую маневренность и транспортабельность по сравнению с невибрационными катками и в то же время обеспечивают требуемую степень уплотнения и необходимую ровность покрытия.
Асфальтобетон, уплотненный виброкатками, при правильном подборе параметров катка и режимов вибрации имеет большую плотность и механическую прочность, а следовательно, меньшую водонасыщаемость, чем при уплотнении обычными катками. Важным является и то, что при виброуплотнении не происходит дробления скелетного материала, что позволяет использовать местные слабые горные породы.
Однако при уплотнении виброкатками верхнего слоя асфальтобетонного покрытия происходит выдавливание битума на поверхность, что недопустимо при устройстве шероховатых покрытий. Для самоходных катков наблюдается явление потери тяговой способности или управляемости, что налагает определенные ограничения на выбор параметров. Значительный шум, возникающий при работе катка, и передача вибраций окружающим сооружениям и коммуникациям ограничивают применение вибрационных катков в городских условиях и на промышленных площадках. Важную роль играет также амортизация механизмов катка и рабочего места оператора. Все эти причины ограничивают использование вибрационных катков.
Виброкатки для уплотнения дорожных покрытий выполняются самоходными одновальцовыми, двухвальцовыми и трехвальцовыми. В послед
нем случае третий валец является дополнительным (прицепным или навесным). Наибольшее распространение получили двухвальцовые самоходные вибрационные катки. Вибрационным может быть как ведущий, так и управляемый валец. При наличии вибрации резко уменьшаются условные коэффициенты трения и спепления вальца с уплотняемой смесью, что резко снижает определяемую по сцеплению силу тяги катка в тех случаях, когда вибровалец является ведущим. Если вибровалец ведомый, то это явление приводит к потере управления. Для ликвидации этих недостатков в некоторых случаях в качестве вибрационного применяется третий (навесной или прицепной) валец.
Самоходный вибрационный каток показан на рис. 14.9. Вибрационный каток отличается от обычного моторного наличием дебалансного вибратора ненаправленного действия, установленного в заднем приводном вальце, упругой подвески вибровальца и механизма привода вибратора, выполняемого обычно в виде клиноременной передачи.
Рис. 14.9. Принципиальная схема вибрационного двухвальцового самоходного катка: 1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — рама катка; 3 — вибровалец; 4 — механизм привода; 5 — управляемый валец; 6 — механизм управления. |
В настоящее время теория уплотнения дорожных покрытий виброкатками еще не разработана, поэтому выбор основных параметров следует производить, исходя из опытных данных.
При проектировании катков следует обеспечивать возможность регулирования частоты колебаний и величины возмущающей силы в более или менее широких пределах. Это позволит применять каток для уплотнения различных материалов и каждый раз выбирать наиболее выгодный режим работы.
За последнее время имеет место тенденция к повышению частот колебаний. Для самоходных виброкатков рекомендуется частота 50-70 гц. Дальнейшее увеличение частоты ограничивается техническими возможностями создания надежной и долговечной конструкции вибратора катка.
Характер колебаний не оказывает существенного влияния на степень уплотнения. Поэтому в виброкатках, за редким исключением, используются вибраторы с круговыми колебаниями. Возмущающая сила выбирается в пределах
P=(4-6)G (14.28)
где G — вес колеблющихся частей катка.
При таком соотношении между Р и G амплитуда колебаний вальца самоходного катка находится в пределах 0,3-0,7 мм. Следует заметить, что при а = 0,3-0,4 мм вибровалец работает практически без отрыва от уплотняемой среды, а при большей амплитуде наблюдается отрыв катка и переход в режим вибротрамбования. При излишне больших амплитудах колебаний наблюдается потеря тяговой способности и боковой устойчивости.
Рекомендуемые рабочие скорости перемещения находятся в пределах 1,2-2,2 км/ч. В некоторых случаях рабочая скорость движения катка достигает 6 км/ч. При этом необходимое число проходов по одной полосе несколько повышается. Предварительная подкатка уплотняемого материала производится обычным катком или виброкатком с выключенным вибратором.
Выбор геометрических параметров, тяговый и прочностные расчеты, определение мощности и т. д. производятся теми же методами, что и для обычных прицепных и самоходных катков.
Глубинные вибраторы применяются для уплотнения бетонных смесей при строительстве дорожных и аэродромных покрытий повышенной толщины, а также при изготовлении железобетонных изделий и массивных бетонных строительных конструкций.
По частоте различают вибраторы нормальной (50 Гц) и повышенной (150-300 Гц) частоты.
В качестве привода используются асинхронные двигатели нормальной и повышенной частоты, портативные двигатели внутреннего сгора-
ния, пневматические и гидравлические двигатели. По передаче мощности от двигателя к вибромеханизму различают вибраторы со встроенным двигателем и вибраторы с гибким валом. По характеру перемещения глубинные вибраторы можно разделить на ручные и перемещаемые в пакетах с помощью кранов или других транспортных средств. В странах СНГ производятся электромеханические и пневматические вибраторы. Конструкция электромеханического вибратора представлена на рис. 14.10, а. Внутри круглого корпуса на подшипниках качения установлен дебалансный вал. Привод вала осуществляется от асинхронного двигателя, вмонтированного в тот же самый корпус. Мощные подвесные глубинные вибраторы со встроенным двигателем имеют планетарный бесподшипниковый вибромеханизм с внутренней обкаткой. |
Рис. 14.10. Основные типы глубинных ручных вибраторов: а — электромеханический вибратор со встроенным двигателем; б — внешний вид вибратора с гибким валом; в — рабочий наконечник вибратора с гибким валом; г — пневматический планетарный вибратор с внутренней обкаткой. |
.в) |
Вибраторы с гибким валом (рис. 14.10, б) применяются при уплотнении бетонной смеси в густоармированных конструкциях. В этих вибраторах двигатель соединяется с вибромеханизмом гибким валом длиной около 3,6 м. В качестве возбудителя колебаний используются деба — лансные и планетарные вибромеханизмы с внешней и внутренней обкаткой. Конструкция рабочей части (наконечника) с внутренней обкаткой приведена на рис. 14.10, в.
Планетарный пневматический вибратор показан на рис. 14.10, г. Он состоит из цилиндрического наконечника, внутри которого смонтирован планетарный возбудитель с внутренней обкаткой. Сжатый воздух поступает к двигателю по внутреннему шлангу. Изменением давления воздуха производится регулирование частоты колебаний. Применение дебалансного бегунка позволяет получать поличастотный режим вибрирования с частотой до 350 Гц.
Производительность глубинного вибратора можно определить по формуле:
п2ТТ 3600 , ,
п=лЯ Н——кХ (14.29)
м +h
где R — радиус действия вибратора; Н — глубина уплотняемого слоя, равная высоте активной части корпуса вибратора; tt — время вибрирования на одном месте, t= 60-120 с; i2 — время перестановки вибратора; t2 = 5-10 с; kn — коэффициент перекрытия уплотняемой зоны, при перестановке вибратора в шахматном порядке k = 0,82; ke — коэффициент использования вибратора по времени.
Радиус действия вибратора определяется опытным путем или на основе закона распространения кольцевых волн в среде с вязким сопротивлением.
При проектировании ручных глубинных вибраторов следует обратить внимание на размещение вибромеханизма в корпусе вибратора. Оно должно быть таким, чтобы обеспечивать равномерную амплитуду колебаний по длине виброэлемента. Вместе с тем рукоять вибратора не должна подвергаться колебательным движениям.