Портал о строительстве и ремонтных работах

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.

Комментарии закрыты.