Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей
Цель работы заключается в исследовании закономерностей взаимодействия строительной смеси с рабочим органом электромагнитной ударно-вибрационной установки и определении расчетных зависимостей параметров машины при условиях высокой эффективности уплотнения и минимальных энергозатрат. Досліджено взаємо...
Saved in:
| Published in: | Прикладная механика |
|---|---|
| Date: | 2020 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України
2020
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/188291 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей / В.А. Басараб // Прикладная механика. — 2020. — Т. 56, № 6. — С. 116-129. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-188291 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Басараб, В.А. 2023-02-20T17:50:37Z 2023-02-20T17:50:37Z 2020 Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей / В.А. Басараб // Прикладная механика. — 2020. — Т. 56, № 6. — С. 116-129. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0032-8243 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/188291 Цель работы заключается в исследовании закономерностей взаимодействия строительной смеси с рабочим органом электромагнитной ударно-вибрационной установки и определении расчетных зависимостей параметров машины при условиях высокой эффективности уплотнения и минимальных энергозатрат. Досліджено взаємодію будівельної суміші з робочим органом електромагнітної ударно-вібраційної установки в процесі віброущільнення. Фізичну модель будівельної суміші представлено у вигляді системи з розподіленими параметрами. Створено дослідно-експериментальний стенд, що включає ударно-вібраційну установку та апаратуру прийому, запису та аналізу даних. Проведено комплекс експериментальних досліджень і отримано значення переміщення та зсуву фаз шарів будівельної суміші в умовах віброущільнення. Для аналізу основних параметрів взаємодії системи «робоче середовище – машина», застосовано чисельну методику розрахунку. Здійснено спектральний аналіз напружено-деформованого стану бетонної суміші та отримано закономірність його зміни в процесі ущільнення. Проведено математичне моделювання та отримано стійкий полічастотний режим руху ударно-вібраційної машини. Запропоновано нову конструкцію вібраційної машини. An interaction between the building mixture and working platform of the electromagnetic shock – vibration machine under conditions of vibrocompacting is studied. The physical model of building mixture is represented as a system with distributed parameters. The laboratory-test stand is constructed which includes vibroimpact set and PC – based data acquisition system. A complex of experimental research is carried out and the values of displacement and phase shift of layers of the building mixture in the conditions of vibrocompacting are obtained. The numeral technique for a calculation of the main parameters of”work environment-machine” system in conditions of interaction is used. A spectral analysis of the stress-strain state of a concrete mixture is carried out and regularity of its change in the process of vibrocompacting is carried out. A mathematical modeling is realized. A stable poly-frequency mode of motion of the shock – vibration machine is obtained. A new design of the vibration machine is proposed. ru Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України Прикладная механика Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей Study of Dynamical Parameters of Vibrational Machine for Compacting the Building Mixtures Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей |
| spellingShingle |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей Басараб, В.А. |
| title_short |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей |
| title_full |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей |
| title_fullStr |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей |
| title_full_unstemmed |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей |
| title_sort |
исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей |
| author |
Басараб, В.А. |
| author_facet |
Басараб, В.А. |
| publishDate |
2020 |
| language |
Russian |
| container_title |
Прикладная механика |
| publisher |
Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Study of Dynamical Parameters of Vibrational Machine for Compacting the Building Mixtures |
| description |
Цель работы заключается в исследовании закономерностей взаимодействия строительной смеси с рабочим органом электромагнитной ударно-вибрационной установки и определении расчетных зависимостей параметров машины при условиях высокой эффективности уплотнения и минимальных энергозатрат.
Досліджено взаємодію будівельної суміші з робочим органом електромагнітної ударно-вібраційної установки в процесі віброущільнення. Фізичну модель будівельної суміші представлено у вигляді системи з розподіленими параметрами. Створено дослідно-експериментальний стенд, що включає ударно-вібраційну установку та апаратуру прийому, запису та аналізу даних. Проведено комплекс експериментальних досліджень і отримано значення переміщення та зсуву фаз шарів будівельної суміші в умовах віброущільнення. Для аналізу основних параметрів взаємодії системи «робоче середовище – машина», застосовано чисельну методику розрахунку. Здійснено спектральний аналіз напружено-деформованого стану бетонної суміші та отримано закономірність його зміни в процесі ущільнення. Проведено математичне моделювання та отримано стійкий полічастотний режим руху ударно-вібраційної машини. Запропоновано нову конструкцію вібраційної машини.
An interaction between the building mixture and working platform of the electromagnetic shock – vibration machine under conditions of vibrocompacting is studied. The physical model of building mixture is represented as a system with distributed parameters. The laboratory-test stand is constructed which includes vibroimpact set and PC – based data acquisition system. A complex of experimental research is carried out and the values of displacement and phase shift of layers of the building mixture in the conditions of vibrocompacting are obtained. The numeral technique for a calculation of the main parameters of”work environment-machine” system in conditions of interaction is used. A spectral analysis of the stress-strain state of a concrete mixture is carried out and regularity of its change in the process of vibrocompacting is carried out. A mathematical modeling is realized. A stable poly-frequency mode of motion of the shock – vibration machine is obtained. A new design of the vibration machine is proposed.
|
| issn |
0032-8243 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/188291 |
| citation_txt |
Исследование динамических параметров вибрационной машины для уплотнения строительных смесей / В.А. Басараб // Прикладная механика. — 2020. — Т. 56, № 6. — С. 116-129. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT basarabva issledovaniedinamičeskihparametrovvibracionnoimašinydlâuplotneniâstroitelʹnyhsmesei AT basarabva studyofdynamicalparametersofvibrationalmachineforcompactingthebuildingmixtures |
| first_indexed |
2025-11-26T19:26:47Z |
| last_indexed |
2025-11-26T19:26:47Z |
| _version_ |
1850771327900712960 |
| fulltext |
2020 П Р И К Л А Д Н А Я М Е Х А Н И К А Том 56, № 6
116 ISSN0032–8243. Прикл. механика, 2020, 56, № 6
В . А . Б а с а р а б
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОЙ
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Киевский национальный университет строительства и архитектуры,
пр-т Воздухофлотский, 31, 03037, Киев, Украина; e-mail: knuba@knuba.edu.ua
Abstract. An interaction between the building mixture and working platform of the
electromagnetic shock – vibration machine under conditions of vibrocompacting is studied.
The physical model of building mixture is represented as a system with distributed parame-
ters. The laboratory-test stand is constructed which includes vibroimpact set and PC – based
data acquisition system. A complex of experimental research is carried out and the values of
displacement and phase shift of layers of the building mixture in the conditions of vibro-
compacting are obtained. The numeral technique for a calculation of the main parameters of
”work environment-machine” system in conditions of interaction is used. A spectral analysis
of the stress-strain state of a concrete mixture is carried out and regularity of its change in
the process of vibrocompacting is carried out. A mathematical modeling is realized. A stable
poly-frequency mode of motion of the shock – vibration machine is obtained. A new design
of the vibration machine is proposed.
Key words: shock – vibration machine, work environment – machine, vibrocompact-
ing, spectral analysis, poly-frequency mode of motion.
1. Введение. Актуальность темы.
Исследование динамики вибрационных машин, которые реализуют сложные не-
линейные формы колебаний, в контексте решения прикладных задач, которые возни-
кают во многих отраслях производства, актуально на сегодняшний день [2, 6, 10, 14,
16, 19]. Одной из сфер применения вибрационных технологий является строительное
производство. Процесс уплотнения строительных смесей является основным процес-
сом в технологии производства сборного железобетона и имеет решающее влияние на
качество изделий, трудоемкость работ и технологическую эффективность.
В последнее время достаточно эффективными являются низкочастотные ударно-
вибрационные технологии уплотнения, которые имеют значительную ассиметрию
ускорений [1, 4, 5, 12]. Много работ посвящено исследованию влияния рабочей среды
на вибрационную машину. Преимущественно эти работы посвящены исследованию
машин с гармоническим режимом движения. Существующие расчетные зависимости
неполной мерой соответствуют современным требованиям, поскольку по большей
части определяются по эмпирическим данным, которые являются действительными
только в пределах исследований, во время которых они были получены. Обусловлено
это тем, что отсутствует общепринятая модель процесса уплотнения, а также не опре-
делено реальное воздействие обрабатываемого материала на динамику электромаг-
нитной ударно-вибрационной установки.
Решить проблему можно путем учета обрабатываемого материала с применением
модели совместного движения рабочего органа вибромашины и рабочей среды, ис-
пользуя экспериментально-теоретическую модель смеси в дискретно-континуальных
системах [1, 5, 11, 12]. Такой подход дает возможность определить рабочие парамет-
117
ры виброустановки, которые обеспечивали бы высокую производительность, умень-
шение энергоемкости рабочего процесса и получение изделий высокого качества. По-
этому, вопрос определения динамических параметров электромагнитной ударно-
вибрационной установки с учетом влияния рабочей среды (строительной смеси) явля-
ется актуальным и своевременным.
2. Постановка задач исследований.
Цель работы заключается в исследовании закономерностей взаимодействия стро-
ительной смеси с рабочим органом электромагнитной ударно-вибрационной установ-
ки и определении расчетных зависимостей параметров машины при условиях высо-
кой эффективности уплотнения и минимальных энергозатрат.
Для достижения поставленной цели необходимо:
теоретические исследования динамических параметров ударно-вибрационной
установки при условии взаимодействия с рабочей средой;
экспериментальные исследования влияния рабочей среды на динамику ударно-
вибрационной установки;
спектральный анализ напряжений, возникающих внутри смеси в зоне контакта
«вибромашина – рабочая середа»;
теоретические исследования поличастотного режима движения рабочего органа
вибромашины.
3. Теоретические исследования.
Установка представляет собой двухмассовую ударно-вибрационную автоколеба-
тельную систему (вибромашина), на которую установлена металлическая форма со
строительной смесью, которая уплотняется под воздействием вибрации. Физическая
модель системы показана на рис. 1, а. Влияние реакции рабочей среды в процессе
колебаний на динамику ударно-вибрационной системы учитывается в уравнении
движения массы m1 в виде контактной силы. В качестве физической модели исполь-
зовалась система с распределенными параметрами. Схема приложения сил представ-
лена на рис. 1, б. Для проведения исследований в качестве рабочей среды была ис-
пользована бетонная смесь [1, 5, 11].
Исследуемая система состоит из массы 1m – рабочего органа и массы формы со
смесью а также массы m2 – ударника. Колебания масс возбуждаются электромагнитом
с силой тяги Fe. Соударение масс осуществляется через упругие элементы (резиновые
буфера) жесткостью c2 с коэффициентом сопротивления b2. Взаимное перемещение
масс обеспечивается за счет упругих элементов (подвешивание ударника) жесткостью
c1 с коэффициентом сопротивления 1b . Масса 1m виброизолируется от фундамента
опорными упругими элементами (амортизаторами) жесткостью c3 с коэффициентом
сопротивления b3. При обеспечении условия виброизоляции, опорные упругие эле-
менты не проявляют существенного влияния на движение системы, поэтому, можно
принять, 3 0c и 3 0b .
Динамика системы описывается уравнениями движения масс и уравнением элек-
тромагнитной цепи [4]. Уравнение движения верхней массы
1 1 1 2 1 2 3 1 1 1 2 2 1 2 3 1( )( ) ( ) k еm x b b x x b x c x x c x x x c x F , (1)
где 1 1 1, . ,x x x – соответственно перемещение, скорость и ускорение массы 1m .
Уравнение движения ударника:
2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2x ( )( ) ( ) k еm b b x x c x x c x x x F , (2)
где 2 2 2, ,x x x – соответственно, перемещение, скорость и ускорение массы 2m ;
0,003мkx – зазор в магнитопроводе для предотвращения соударения статора и
якоря электромагнита.
118
а
σS
dX
X
σSσS
tx
u
S
2
x
u
ES
б
Рис. 1.
Уравнение электромагнитной цепи
U iR , (3)
где – полное потокосцепление, Вб; U – напряжение питания, В; i – ток в катушке,
A; R – сопротивление катушки, Ом.
Cила тяги электромагнита
2
2
2
e
ab
F
b x
, (4)
где a, b – соответственно, длина и ширина полюса статора электромагнита, м; x – ко-
ордината относительного перемещения масс m1, m2.
В системе с распределенными параметрами реакция среды представлена в виде
контактной силы (сила сопротивления рабочей среды):
2
оп
u u
F S E
x x t
, (5)
где / ;E u x 2( / )u x t – составляющие, которые определяются путем решения
волнового уравнения (13).
119
Рассматривая систему с распределенными параметрами, приведем основные до-
пущения, принятые в модели:
сила упругости подвешивания ударника соответствует закону Гука;
при рассмотрении напряженно-деформированного состояния среды силы боково-
го сопротивления не учитывались, т.е. рассматривалась одномерная задача;
процессы, которые происходят в среде, подчиняются линейному закону;
Согласно принципу Даламбера, запишем уравнения движения системы с учетом
силы сопротивления среды.
Уравнение движения рабочего органа
2
1
1 2 1 2 1 2 2
1
1
2
н к оп
dv ab
b b v c c x c x c x F
dt m b x
. (6)
Уравнение движения ударника
2
2
1 2 1 2 1 2 2
2
1
2
н к
dv ab
c x c x c c x b b v
dt m b x
. (7)
Уравнение изменения потокосцепления
0 0
02
1DL a bv L axd
U iR L ADe
b xdt b x
. (8)
Далее находим значения функций
1 1 1 1 2 2 1 2 1 2; ; ;i i i i i iv v v v v v v v v (9)
1 1 1 1 2 2 1 2 1 2; ; ;i i i i i i kx x v t x x v t x x x x (10)
1 2
1 2; ;
v v
x x
t t
(11)
, (12)
где 1 2 кx x x x – координата относительного положения масс; 1 2, ,v v v , м/с – соот-
ветственно, относительная скорость масс 1m и 2m , скорости масс 1m и 2m ; L – индук-
тивность катушки, Гн.
Решаем систему уравнений (6) – (8) численным методом Рунге – Кутта 1-го по-
рядка точности с помощью программы Mathcad. По данному алгоритму создана про-
грамма расчета параметров системы, которая дает возможность получать числовые
либо графические данные динамических параметров как вибрационной машины, так и
рабочей среды.
Расчетные параметры получены при таких исходных данных: масса рабочего ор-
гана и строительной смеси mр.о+б.с= 100 кг; масса ударника m2 = 25 кг; частота работы
вибрационной машины 20f Гц; плотность смеси = 2400 кг/м3; динамический
модуль деформации смеси E = 24 МПа; скорость распространения волн деформации в
смеси с = 100 м/с; коэффициент затухания волн деформации по высоте смеси =4,16 м1.
Значения , , E с – получено по результатам экспериментальных исследований.
Как известно [1, 5, 11, 13, 16] движение среды с распределенными параметрами
описывается волновым уравнением. В случае учета упруго-вязких свойств среды
уравнение движения слоя смеси запишем следующим образом:
2 2 3
2
2 2 2
u u u
c
t x x t
, (13)
120
где /c E – скорость распространения волн деформации в смеси, м/с; ( , )u x t –
перемещение элементарного слоя смеси в точке x в момент времени t относительно
начального положения; – коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
Для определения составляющих /u x та 2 /u x t необходимо решить волно-
вое уравнение (12). Для этого, определяя функцию ,( )u x t необходимо задать началь-
ные и граничные условия. В начальный момент среда находится в состоянии покоя,
поэтому ее скорость равна нулю, т.е. / 0u t . Граничные условия в точке x H
определяются отсутствием нормальных напряжений, т.е.
0
x H
u
x
или , 0
u
H t
x
.
Если закон движения в точке 0x в любой момент времени t представить в виде
x f t , тогда граничное условие для ,( )u x t при 0x будет иметь вид ( ) (, )0 .u t x t
Поставленная задача решена методом Даламбера [1, 13, 18].
Если обозначить 1( )x t – перемещение рабочего органа вибромашины, тогда об-
щее решение с учетом затухания запишем в виде
2
1 1
2
, H xxx H x
u x t x t e x t e
c c
, (14)
где – коэффициент затухания волны по высоте смеси (определяется экспериментально).
Запишем начальные и граничные условия:
при 0 t 0
u
t
; при x H , 0
u
H t
x
; при 10 0, .x u t x t
Общее решение волнового уравнения имеет вид
2
1 1( , ) ( ) ( )
i i
H xxu x t x t e x t e
. (15)
В соответствии с общим решением волнового уравнения (15) найдем составляю-
щие силы сопротивления (5) среды.
Относительная деформация произвольного слоя смеси
. .
2
1 1i iш с
H xx
x x
u
x e x e
x
. (16)
Относительная деформация слоя смеси в зоне контакта
2
1 1i i
H xx
x x
u
x e x e
x
. (17)
Скорость движения слоя смеси
2
1j j
u u
x xu
x t t
, (18)
где (2 ) / ( )H x c t – количество численных (расчетных) шагов опоздания вол-
ны, отраженной от верхней границы, при достижении контактного слоя смеси со ско-
ростью с; шс / ( )x c t – количество шагов опоздания падающей волны при дости-
жении слоя смеси высотой xшс; шс(2 ) /H x c t – количество численных шагов
опоздания волны, отраженной от верхней границы, при достижении слоя смеси высо-
той шс2H x ; x c t – элементарный слой смеси.
121
Вышеупомянутые расчеты системы уравнений произведены в соответствии с ме-
тодикой численного метода.
Следующий этап заключался в исследовании зависимостей динамических пара-
метров вибромашины от времени задержки на включение питания электромагни-
тов zt (с) и жесткости упругой подвески ударника 1C (H/м).
В результате анализа зависимостей основных параметров работы машины от zt
(рис. 2) установлено, что частота ударов изменяется в среднем на 15%, полуразмах
колебаний – на 30%, мощность – более чем на 100%.
0,0008
0,0009
0,001
0,0011
0,0012
0,0013
0,0014
0,0015
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
100 кг 200 кг 300 кг 500 кг
15
20
25
30
35
40
45
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
100 кг 200 кг 300 кг 500 кг
0
1000
2000
3000
4000
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
100 кг 200 кг 300 кг 500 кг
Рис. 2
122
Характер изменения полуразмаха и мощности в зависимости от жесткости упру-
гой подвески является нелинейным и рациональным в пределах допустимых парамет-
ров работы машины. Полуразмах колебаний рабочего органа изменяется на 100%,
мощность – более чем на 100%. Частота колебаний рабочего органа изменяется в пре-
делах 30%. На графиках (рис. 2) показаны результаты теоретических исследований
динамических параметров при условии изменения грузоподъемности вибромашины
от 100 до 500 кг. На рис. 2 показано 1 zХ f t – график зависимости амплитуды ко-
лебаний рабочего органа вибромашины от zt ; zf f t – графики зависимости изме-
нения частоты работы вибромашины от zt ; zР f t – графики изменения электри-
ческой мощности, что потребляется вибромашиной.
4. Экспериментальные исследования.
Для проведения экспериментальных исследований разработан опытно-экспери-
ментальный комплекс (рис. 3), который состоит из ударно-вибрационной установки и
аппаратуры приёма и обработки сигнала.
Верхняя масса представляет собой массу рабочего органа 1, на которую установ-
лена форма 17 со смесью, которая уплотняется, и массу статора 3 электромагнита с
катушкой 15. Верхняя масса виброизолируется от фундамента опорными амортизато-
рами 11. Нижняя масса представляет собой массу ударника 16 с якорем 14 электро-
магнита. Ударник соединен с рабочим органом упругими элементами 18. Массы со-
ударяются через буферные элементы 12, зазор в которых меньше чем зазор в магни-
топроводе электромагнита. Между рабочим органом и ударником установлен преры-
ватель питания 13, который является элементом обратной связи в схеме управления
блоком питания.
Виброблок работает следующим образом. При протекании тока в катушке, под
воздействием электромагнитной силы массы сближаются и сжимают упругие элемен-
ты подвешивания ударника. При заданном положении масс (в начальный момент уда-
ра или немного раньше), прерыватель обесточивает катушку.
Рис. 3
Под воздействием силы тяги электромагнита, что создается остаточным током,
массы продолжают сближаться и сжимают буферные элементы. Далее, под воздей-
ствием потенциальной энергии сжатия буферов и подвешивания ударника, а также за
123
счет восстановления скорости после удара, массы отдаляются. Через установленный
интервал времени (в начальный момент сближения масс или немного позже) реле
времени, которое включено в схему управления, подает питание на катушку и цикл
повторяется.
Определение параметров взаимодействия среды с рабочим органом установки
было выполнено с помощью тензометрического оборудования. Для исследования
волновых явлений в смеси использовались тензометрические датчики напряжений [3].
Запись перемещения слоев смеси выполнена при помощи нестандартных датчиков,
которые представляют собой консольные пластинки размером (В×L×Н) = 20×160×1,2 мм.
Чувствительными элементами датчиков являются тензорезисторы, соединенные по
полумостовой схеме.
Во время работы установки сигналы от тензодатчиков усиливались с помощью тен-
зостанции, далее сигнал поступал к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП).
АЦП по специальной программе осуществлял считывание сигнала, преобразование
его в цифровой код, а также изображение графиков на экране ЭВМ. Построение гра-
фиков и их анализ проведен с помощью программ MS Offiсe и Mathcad.
Оценка реакции среды на движение рабочего органа виброустановки сводилась к
определению параметров напряженно-деформированного состояния рабочей середы,
с дальнейшим учетом в уравнениях движения вибромашины.
Исследования проведены для полного цикла уплотнения смеси, который опреде-
лялся по осадке поверхности и при условии выделения цементного раствора на по-
верхности смеси. Во время проведения исследований использовалась основная форма
– b×h×l = 0,4×0,3×0,6 м и метровая форма – b×h×l = 0,2×0,4×1 м.
Следует отметить, что датчик напряжений, жестко установленный на дне формы,
фиксировал скачек напряжения во время удара, что сопровождалось возникновением
гармонических составляющих высокой частоты. Этот эффект можно объяснить рез-
ким изменением характера ускорения рабочего органа при ударе и при отрыве удар-
ника на участке обратного движения. Во время удара значение напряжения составляет
для датчика, который размещен на дне формы P = 0,037 МПа, для датчика, который
размещен в смеси P = 0,028 МПа.
Анализ записей показаний датчиков свидетельствует, что перемещение слоев
смеси изменяется пропорционально высоте смеси и в противофазе к изменению
напряжения в среде.
Для измерения перемещения и угла сдвига фаз слоев строительной смеси по вы-
соте формы была использована метровая форма с 8-ю установленными тензометри-
ческими датчиками (рис. 4).
Рис. 4.
Анализ результатов показал следующее: в условиях свободного (подвижного) за-
крепления датчиков на штативе, слои смеси на уровне s.1, s.2, s.3 при высоте 0,3 м
имеют амплитуду перемещения 0,1 … 0,3 мм с небольшим сдвигом фаз в начальный
момент уплотнения. Смесь на уровне s.4, s.5, s.6 характеризуется сложным движени-
ем – пропорционально перемещению рабочего органа с противофазными показания-
ми датчиков. Амплитуда перемещения в данной зоне составляет 0,1 … 0,5 мм, что
124
связано с активным формообразованием. Если сравнить результаты эксперименталь-
ных исследований с теоретическими, то можно сделать вывод, что при условии пред-
ставления среды дискретными моделями, строительная смесь движется с небольшим
опозданием по отношению к движению рабочего органа. Поэтому для данной зоны
целесообразно использовать дискретную модель [18]. На уровне s.7, s.8 амплитуда
перемещения составляет 0,7 … 1,2 мм, характер движения – сложный знакопеременный,
отличается как от нижних, так и от средних слоев. Для данной высоты смеси ( h > 0,5м)
целесообразно использовать волновую модель для описания закона движения смеси
[1, 5, 7, 11, 13,].
Исходя из вышеизложенного, можно предположить наличие в смеси условно 3-х
зон – контактной, переходной и верхней. Исходя из характера движения смеси во
времени можно также весь цикл уплотнения разделить на 3 условных периода: период
интенсивного осаждения смеси и формообразования 0t … 10 c; период формообра-
зования и перераспределения компонентов смеси 10t … 30 с; период перераспре-
деления напряжений и деформаций с высокой интенсивностью гармонических состав-
ляющих высокой частоты 30t … 80 с.
Закон деформирования строительной смеси по гипотезе Кельвина – Фойгта за-
пишем в виде [1]:
0
d
E k
dt
, (19)
где – напряжение, Па; /u x – относительная деформация; E – модуль упру-
гости, Па; 0k – динамическая вязкость, Па∙с; 0 /k – кинематическая вязкость 2м /с .
Значения коэффициентов 0k и найдено за результатами экспериментальных
исследований.
Если max 20поч кПа, тогда:
0,0035
0,35
0,01t
с-1;
3
0
20 10
57142,8 Па с
0,35
k
; 20 57142,8
23,8 м /c
2400
k
,
где 0,01сt – время наростания напряжения до значения относительной деформации
, (по экспериментальным данным); = 2400 кг/м3 – плотность строительной смеси.
Таким образом, получены основные необходимые параметры для решения урав-
нений движения вибромашины при условиях взаимодействия со строительной сме-
сью, которая представлена в виде модели с распределенными параметрами.
5. Спектральный анализ записи изменения напряжения в зоне контакта
«форма – смесь».
Одним из методов оценки качественной характеристики взаимодействия системы
«вибромашина – рабочая середа» является спектральный анализ сигнала [6, 15, 17,
18]. Целью спектрального анализа в соответствии с принципом суперпозиции являет-
ся подача (аппроксимация) периодических колебаний рабочей среды суммой гармо-
ник для определения отклика среды (строительной смеси) и ее влияние на сложный
характер движения рабочего органа вибромашины.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Получение количественных и качественных характеристик экспериментального
сигнала взаимодействия системы «вибромашина – рабочая середа».
2. Анализ полученных спектральных характеристик для уточнения модели взаи-
модействия вибромашины и рабочей среды.
3. Разработка рекомендаций по результатам исследований, более эффективных
режимов движения вибрационной машины.
Найдем коэффициенты ряда Фурье. Для определения коэффициентов ряда вос-
пользуемся численным методом. Для этого выражения
0
0
2
,a m t dt
;
0
2
, cos( )na m t n t dt
;
0
2
, sin( )nb m t n t dt
; (20)
125
приведем к более удобному виду
0
0
2 m
i
i
a t
;
0
2
cos( )
m
n i
i
a n t t
;
0
2
sin( )
m
n i
i
b n t t
, (21)
где рад/с – угловая скорость колебаний рабочей среды; ( , )m t – массив числовых
данных изменения напряжения в рабочей среде; n – порядковый номер гармонической
составляющей; m – количество элементов массива экспериментальных числовых дан-
ных; = 0,05 с – период колебаний вибромашины принят исходя из рекомендаций по
вибрационному формованию[5].
Определение коэффициентов ряда (21) выполнялось численным методом при по-
мощи программы Mathcad.
По результатам анализа экспериментальных осциллограмм установлено, что
спектр взаимодействия системы «вибромашина – рабочая середа» изменяется во вре-
мя цикла уплотнения, поэтому данные для спектрального анализа были отобраны для
двух характерных периодов движения системы в виде выборок массива данных. Да-
лее по полученным коэффициентам построен тригонометрический ряд Фурье
( ) sin( ) cos( )n n
n
F t a n t b n t . (22)
Анализируя график (рис. 5, а) можно сделать вывод, что доминирующими гармо-
никами спектра для первой стадии уплотнения являются, соответственно, 1-я, 4-я и 8-
я. Это подтверждает тезис о том, что начальный этап характеризуется процессом
формообразования и смесь еще не имеет достаточной объемной жесткости. Несколько
иная ситуация для второго этапа уплотнения. Спектр амплитуд напряжений в зоне
контакта плавно смещается в сторону 2-й, 5-й и 7-й гармоник (рис. 5, б). По мере
уплотнения смесь изменяет свои свойства, что, соответственно, отображается в спек-
тре взаимодействия. Можно сделать вывод, что конечный этап уплотнения характери-
зуется существенным увеличением влияния высших гармонических составляющих.
На данном этапе можно сделать следующие выводы: во-первых, качественное изме-
нение спектра взаимодействия можно рассматривать как критерий качества процесса
уплотнения смеси и во-вторых, с точки зрения энергетики процесса значительная
часть энергии, что поглощается высшими гармоническими составляющими обычно не
учитываются в исследовании динамики вибрационной машины.
На начальной стадии уплотнения (рис. 5, а) максимальный вклад в спектр изме-
нения напряжения вносит 1-я гармоника ( 1 62,83 рад/с), второй пик соответствует
4-й гармонике ( 4 251,33 рад/с), третий максимум устанавливает 8-я гармоника
( 8 502,65 рад/с).
На конечной стадии уплотнения (рис. 5, б) максимальный вклад в спектр изменения
напряжения вносит 2-я гармоника ( 2 125,66 рад/с), второй пик соответствует 5-й гар-
монике ( 5 314,16 рад/с), третий пик соответствует 7-й гармонике ( 7 439,8 рад/с).
0
0,02
0,04
0,06
0 500 1000
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 500 1000
а б
Рис. 5.
126
Качественное изменение спектра взаимодействия как критерий эффективности
процесса уплотнения может служить средством управления электропривода в системе
обратной связи. Как показывает анализ экспериментальных данных, интенсивная ге-
нерация высших гармонических составляющих осуществляется во время резкого из-
менения характера кривой ускорения рабочего органа. Этот факт наталкивает на
мысль о целесообразности использования сложных нелинейных режимов движения
рабочего органа вибромашины для уплотнения строительных смесей.
6. Исследование поличастотного режима движения рабочего органа вибромашины.
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что
спектр напряжений среды в зоне контакта «вибромашина – рабочая среда» во время
уплотнения смещается в направлении высоких частот. Экспериментальными исследо-
ваниями установлено высокую эффективность влияния на процесс уплотнения поли-
частотного характера движения рабочего органа вибромашины. Строительные смеси
представляют собой сложную многокомпонентную среду и целесообразность приме-
нения нелинейных режимов вибрационного воздействия является подтвержденной и
есть предметом дальнейших научных исследований [2, 8, 10, 14].
Исследованию влияния поличастотного характера движения рабочего органа
вибромашины на эффективность уплотнения строительных смесей посвящено много
работ [9, 11, 13]. Практическое применение указанного положения в основном сво-
дится к реализации принципа суперпозиции, т.е. поличастотный характер движения
вибромашины создается за счет наличия разночастотных вибровозбудителей колеба-
ний. Таким образом в рабочей среде генерируется сложный спектр напряжений, бла-
годаря чему и достигается эффект повышения качества уплотнения.
В процессе виброуплотнения происходит передача вибрационной энергии от ра-
бочего органа вибромашины к рабочей среде. Вследствие этого в среде происходит
изменение напряженно-деформированного состояния, которое сопровождается уда-
лением воздуха, равномерным распределением вяжущего, перекомпоновкой компо-
нентов смеси и их уплотнением.
Известно, что процесс виброуплотнения строительной смеси с точки зрения эф-
фективности влияния различных параметров вибрации является достаточно противо-
речивым. Основная частота работы вибромашины является оптимальной при наибо-
лее характерных для данных условий уплотнения параметрах (напряженно-дефор-
мированное состояние среды, энергия, которая поглощается смесью, время уплотне-
ния и др.) однако значительная часть диапазона энергетического спектра колебаний
( ,n 2, ,n N ) не передается рабочей среде. Низкочастотная форма колебаний
имеет хорошую проникаемость в толщу смеси, но не всегда эффективно «восприни-
мается» рабочей средой в процессе уплотнения. В противоположность этому высоко-
частотная форма колебаний является носителем энергии высокой интенсивности, но
имеет низкую степень проникаемости и быстро поглощается средой.
Решение этой задачи следует искать в рациональном сочетании низкочастотных
(несущих) и высокочастотных (накладываемых) режимов колебаний рабочего органа.
Логическим итогом вышеизложенного является необходимость создания вибромаши-
ны, которая имеет возможность реализовывать поличастотный характер движения
рабочего органа и тем самым обеспечить необходимый по технологии режим взаимо-
действия системы «вибромашина-рабочая среда».
Управление электромагнитной ударно-вибрационной системой осуществлено с
помощью изменения жесткости подвешивания ударника С1 и изменения времени за-
держки на включение питания электромагнитов tz [4], что дает возможность управ-
лять амплитудно-частотными характеристиками вибромашины.
Для создания поличастотного режима колебаний наиболее «удобным» парамет-
ром динамической системы является жесткость пружины С1, но изменять жесткость
механической системы с частотой, которая превышает основную частоту работы ма-
шины не является эффективным способом и требует дополнительных затрат энергии.
Поэтому было принято решение заменить механическое упругое подвешивание элек-
тромагнитным подвешиванием ударника.
В режиме компьютерного моделирования в программе Mathcad были проведены
исследования изменения параметров работы машины при условии изменения жест-
кости упругого подвешивания в междуударный период. По результатам моделирования
получен устойчивый поличастотный характер движения рабочего органа (рис. 6, в).
127
а
б
в
Рис. 6
На рис. 6 показаны основные параметры работы вибрационной машины: переме-
щение рабочего органа X1, ударника X2 и относительное перемещение масс X, (м)
(рис. 6, а); скорость рабочего органа V1 и скорость ударника V2 (м/с) (рис. 6, б); уско-
рение рабочего органа
1X (м/с2) (рис. 6, в) при условии действия функции управления
жесткостью упругого подвешивания ударника )(1 tfC по прямоугольному закону.
В качестве функции управления жесткостью упругого подвешивания ударника
применен треугольный (пилообразный), прямоугольный и закон синуса. Моделирова-
ние проводилось при таких начальных условиях: грузоподъемность виброустановки
100 кг, жесткость 1C = 80000 … 480000 Н/м, время задержки zt = 0,03 … 0,04 с.
В режиме компьютерного моделирования получен устойчивый поличастотный
характер движения вибрационной машины при условии изменения функции управле-
ния в принятых границах по всем трем законам, которые указаны выше. Однако, во-
128
прос выбора оптимального закона изменения жесткости упругого подвешивания оста-
ется предметом дальнейших исследований.
Рекомендованные рациональные частоты функции управления упругостью под-
вешивания ударника по результатам Фурье анализа экспериментальных данных:
1 62,8рад/с ; 2 125,66 рад/с ; 4 251,33рад/с ; 5 314,16 рад/с .
Следующим этапом исследований была разработка новой конструкции машины.
Поставленная задача решается путем усовершенствования существующей маши-
ны за счет установки магнитного подвешивания ударника, а также электромагнитов-
соленоидов, которые дают возможность при помощи системы управления создавать
переменный амплитудно-частотный спектр колебаний (рис. 7).
Рис. 7
Для эффективной работы виброустановки разработана схема управления, которая
построена на базе современного программированного микроконтроллера PIC 16C47.
Применение схемы управления дает возможность программно управлять работой
вибромашины в соответствии с технологическими требованиями.
Установка работает следующим образом:
Форма со смесью 2 устанавливается на рабочий орган 1 и закрепляется. Ударник
4, удерживаясь магнитным полем постоянных магнитов 10, находится в рабочем по-
ложении. На обмотку статора электромагнитов-соленоидов (YB1, YB2) 3 подается
выпрямленный ток от тиристорного выпрямителя 9. Под действием электромагнитной
силы ударник 4 притягивается к рабочему органу 1 и ударяет по нему буферным эле-
ментом 6. В момент удара (или немного раньше) индукционный датчик 11, включен-
ный в блок управления 8, обесточивает катушку. Далее, под воздействием потенци-
альной энергии сжатия буфера и реакции магнитного поля подвешивания ударника, а
также за счет восстановления скорости при ударе, массы отдаляются. В момент отры-
ва буфера (или немного позже) энергия питания подается к электромагнитам-
соленоидам через программируемый микроконтроллер 7 по установленному закону (с
частотой, которая превышает основную частоту работы машины), обеспечивая при
этом реализацию поличастотного режима передачи энергии от рабочего органа к сре-
де. Через заданный интервал времени (в начальный момент сближения масс или не-
много позже) реле времени, включенное в блок управления, подает питание, и цикл
повторяется. Опорные амортизаторы 5 выполняют виброизолирующую функцию.
Новая конструкция вибрационной машины дает возможность повышения каче-
ства уплотнения строительных смесей за счет реализации поличастотного режима
передачи энергии от рабочего органа к среде.
129
Заключение.
Проведены теоретические исследования и получены основные динамические па-
раметры работы вибрационной машины с учетом рабочей среды, которая представле-
на моделью с распределенными параметрами.
По результатам экспериментальных исследований построены аппроксимирован-
ные зависимости перемещения и угла сдвига фаз слоев строительной смеси по высоте
формы, которые дают возможность уточнить математическую модель взаимодействия
рабочего органа вибромашины и рабочей среды.
Проведен Фурье-анализ экспериментальных данных взаимодействия рабочего ор-
гана вибромашины со средой, а также установлен рациональный частотный спектр
передачи вибрационной энергии в системе «вибромашина – рабочая среда».
В режиме математического моделирования получен устойчивый поличастотный
характер движения рабочего органа вибромашины.
Предложена новая конструкция вибрационной машины, которая имеет возмож-
ность реализовывать поличастотный режим движения, и, таким образом, повысить
эффективность процесса уплотнения строительной смеси.
Р Е З Ю М Е . Досліджено взаємодію будівельної суміші з робочим органом електромагнітної
ударно-вібраційної установки в процесі віброущільнення. Фізичну модель будівельної суміші пред-
ставлено у вигляді системи з розподіленими параметрами. Створено дослідно-експериментальний
стенд, що включає ударно-вібраційну установку та апаратуру прийому, запису та аналізу даних. Про-
ведено комплекс експериментальних досліджень і отримано значення переміщення та зсуву фаз ша-
рів будівельної суміші в умовах віброущільнення. Для аналізу основних параметрів взаємодії систе-
ми «робоче середовище – машина», застосовано чисельну методику розрахунку. Здійснено спектра-
льний аналіз напружено-деформованого стану бетонної суміші та отримано закономірність його
зміни в процесі ущільнення. Проведено математичне моделювання та отримано стійкий полічастот-
ний режим руху ударно-вібраційної машини. Запропоновано нову конструкцію вібраційної машини.
1. Афанасьев А.А. Технология импульсного уплотнения бетонных смесей. – Москва: Стройиздат,
1987. – 166 с.
2. Бабицкий В.И., Крупенин В.Л. Колебания в сильно нелинейных системах. – Москва: Наука, 1985. – 320 с.
3. Баранов Д.С. Тензометрические приборы для исследования строительных конструкций. – Москва:
Стройиздат, 1971. – 166 с.
4. Баранов Ю.А. Особенности проектирования ударно-вибрационных площадок с электромагнитным
приводом // Горные, строительные, дорожные и мелиоративные машины. Респуб. межвед. науч.-
технич. сборник. – Киев: Техника, 1990, вип.43. – C. 69 – 72.
5. Гусев Б.В., Деминов А.Д., Крюков Б.И. и др. Ударно-вибрационная технология уплотнения бетон-
ных смесей. – Москва: Стройиздат, 1982. – 150 с.
6. Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. – Москва: Физматгиз, 1960. – 580 с.
7. Жермен П. Курс механики сплошных сред. – Москва: Высш. шк., 1983. – 399 с.
8. Закржевский М.В. Колебания существенно нелинейных механических систем. – Рига: Зинатне,
1980. – 190 с.
9. Маслов А.Г. Определение параметров поличастотной виброплощадки для формования железобе-
тонных изделий // Горные, строительные и дорожные машины. – 1984. – № 37. – С. 107 – 113.
10. Митропольский Ю.А. Нелинейная механика. Асимптотические методы. – Киев: Ин-т математики
НАН Украины, 1995. – 397 с.
11. Овчинников П.Ф., Бабий В.С. Уплотнение строительных смесей на переменных во времени пара-
метрах вибрации и удара. – Кишинев: Штиинца, 1976. – 134 с.
12. Олехнович К.А. Выбор технологических режимов уплотнения бетонных смесей на виброплощад-
ках // Бетон и железобетон. – 1976. – № 10 – С. 10 – 12.
13. Осмаков С.А., Брауде Ф.Г. Виброударные формовочные машины. – Ленинград: Стройиздат, 1976. – 128 с.
14. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. – Ленинград: Политехника, 1990. – 272 с.
15. Радиотехника: энциклопедический учебный справочник: Учеб. пособие / Под ред. Ю.Л. Мазора,
Є.А. Мачуського, В.І. Правди. – Киев: Высш. шк., 1999. – 838 с.
16. Хайкин С.Э. Физические основы механики. – Москва: Наука, 1971. – 751 с.
17. Харкевич А.А. Спектры и анализ. – Москва: Физматгиз, 1962. – 236 с.
18. Цзе Ф.С., Морзе И.Е., Хинкл Р.Т. Механические колебания. Пер. с англ. – Москва: Машинострое-
ние, 1966. – 508 с.
19. Larin V.B. Correcting the Parameters of Undamped Mechanical Systems // Int. Appl. Mech. – 2017. –
53, N 1. – P. 111 – 115.
Поступила 04.03.2019 Утверждена в печать 03.03.2020
|