Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов

ВИБРАЦИОННЫЕ МАШИНЫ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Описанные в разделах 6—13 вибрационные машины относятся к наиболее распространенным направлениям применения вибраци­онной техники в строительстве и производстве строительных мате­риалов, но далеко не охватывают все направления и все типы при­меняемых вибрационных машин. Остановимся коротко еще на не­которых применениях вибрационной техники в основных и вспомо­гательных операциях.

Проблема разгрузки смерзшихся сыпучих материалов из полу­вагонов имеет в условиях нашей страны очень большое значение, учитывая громадный масштаб перевозок таких грузов, в том числе песка, гравия, щебня, керамзита и других материалов для строи­тельства и производства строительных материалов. Среди предло­женных способов механизации разгрузки полувагонов со смерзши­мися материалами вибрационный способ продемонстрировал ряд положительных сторон: повышение скорости разгрузки, малую стоимость, возможность работы без причинения ущерба подвижно­му составу и др. Поэтому были разработаны вибрационные раз­грузчики различных конструкций.

Показанный на рис. 98, а вибрационный разгрузчик состоит из дебалансного двухвального вибровозбудителя, вызывающего вер­тикально направленные колебания плиты с рыхлящими штырями. Машину при помощи виброизолирующей подвески присоединяют к крюку крана, который ставит ее на поверхность подлежащего разгрузке материала. После открытия люков полувагона включают вибровозбудитель и штыри под действием веса машины погружа­ются в смерзшийся материал, вызывая его растрескивание, дроб­ление и обрушение в люки. После разгрузки одного участка полу­вагона машину переставляют на следующий участок. Виброраз­грузчик обеспечивает производительность 60—120 т/ч. Мощность его двух встроенных асинхронных электродвигателей составляет 40 кВт, амплитуда вынуждающей силы 200 кН, масса машины 5 т.

Существует ряд вибрационных установок для выгрузки сыпу­чих грузов из крытых вагонов. Одна из них показана на рис. 98, б. Вагон подают на рельсы платформы 1 и жестко скрепляют с нею двумя упорами 5. После снятия замков с рельсовыми вставками 6 платформу наклоняют на 10° в сторону разгрузки. Платформа опи­рается на рычаги 2 и пружины 3, установленные в опорах 4. Вклю­чают дебалансный вибровозбудитель 7, и сыпучий груз устремля­

ется к открытой двери посередине вагона. Вибровозбудитель разви­вает вынуждающую силу, направленную вдоль вагона, а система рычагов заставляет вагон покачиваться при колебаниях.

Имеется ряд конструкций вибрационных дробилок. На рис. 99, а показана конусная вибрационная дробилка, предназначенная для дробления материалов до крупности 3-=-5 мм, что позволяет ис­
пользовать ее в качестве источника питания мельниц. Дробилка состоит из корпуса с чашей 7, дробящего конуса 8 и дебаланса 9, который приводится во вращение электродвигателем 1 через вал со шлицевым соединением 4 и карданными шарнирами 10. Вал 6 опирается на два подшипника. Конус сочленен с корпусом при по­мощи сферического шарнира 5. Корпус подвешен к несущей раме 3 при помощи тяг 11 и пружин 2. Под действием вращающегося де­баланса дробящий конус обкатывается по внутренней поверхности чаши, дробя при этом находящийся в зазоре материал. Такие дро­билки были выпущены с диаметром дробящего конуса (максималь­ным) 0,21; 0,6 и 1,65 м и соответствующей производительностью

Одна из конструктив­ных схем ударно-вибраци­онной щековой дробилки изображена на рис. 99, б. Здесь две массивные ще­ки 1, совершающие пря­молинейные антифазные колебания, соединены с опорной рамой 4 упруги­ми элементами 3. Колеба­ния щек возбуждаются расположенными в них двухвальными дебаланс — ными вибровозбудителя­ми 5. Вращение дебалан — сов осуществляется от электродвигателей 8 че­рез синхронизирующую зубчатую передачу 7 и карданные валы 6. Меж­ду опорной рамой и плат­формой 9 установлены виброизоляторы 10. Дроб­ление осуществляется ударами щек о куски ма­териала, расположенные между ними. Эта система практически уравновешена. Поскольку между щеками нет жесткой кинематиче­ской связи, можно дробить материал, содержащий недробимые (на­пример, стальные) куски, которые раздвигают щеки и проходят, не вызывая поломки машины.

Вибрационные мельницы (рис. 100) предназначены для тонко­го и сверхтонкого помола различных материалов, в том числе для помола и активации цемента и других вяжущих материалов. Схе­ма вибромельницы с круговыми колебаниями приведена на рис. 100, а. Вал одновального дебалансного вибровозбудителя 4 опирается на подшипники 6, установленные в трубе, которая кон­центрично расположена в цилиндрическом корпусе 3. Вращение де-
балансному валу передается от электродвигателя 1 через муф­ту 2. Корпус опирается на виброизоляторы 7. Под влиянием кру­говой вибрации корпуса мелющие тела 5 и частицы измельчаемого материала совершают хаотические движения, трутся друг о дру­га и соударяются многократно. Помимо этого хаотического дви­жения вся загрузка совершает сравнительно медленное циркуля­ционное движение. Общий вид машины приведен на рис. 100,6. Такие машины имеют объем корпуса от 0,01 до 1 м3, статический момент массы дебалансов от 0,1 до 5,6 кг-м, мощность двигателя от 4,5 до 75 кВт, массу (без мелющих тел) от 0,18 до 2,9 т, частоту 1500 или 3000 кол/мин, амплитуду от 1,5 до 4 мм.

Для прокладки различных коммуникаций под насыпями, соору­жениями, холмами без проходки туннелей или рытья траншей в ряде случаев используют вибропрокалывающие и вибропродавливающие агрегаты. В них применяют специальные вибропогружатели и виб­ромолоты. Различные схемы таких машин изображены на рис. 101. Эти схемы относятся к безударному вибрационному проколу. Но по схемам рис. 101, б—г может осуществляться ударно-вибрацион­ное продавливание. На схемах рис. 101, a—в показаны прокалы­вающая труба I, которая непосредственно или через промежуточ­ные элементы связана с наконечником 2, и вибровозбудитель на­правленного действия 3. На рис. 101, а вибровозбудитель жестко прикреплен к торцу трубы, а прокалывающее усилие передается через пружины 4 на трубу и жестко соединенный с нею наконеч­ник. На рис. 101, б вибрация передается наконечнику через штан­гу, проходящую внутри трубы, а пригружающее усилие, прикла­дываемое к торцу трубы, передается наконечнику через пружи­ны 4. На рис. 101, в вибровозбудитель встроен в наконечник, а при­гружающее усилие передается так же, как в предыдущем случае.

На рис. 101, г установка включает направляющую раму 1, те­лежку 2, вибровозбудитель 3 направленного действия, лебедку 4, создающую прокалывающее усилие с помощью каната, который соединен с тележкой и направляющей рамой полиспастом 5. Виб­ровозбудитель подвешен к тележке на пружинах 6 и опирается на ролики 8. Дебалансные валы приводятся во вращение от электро­двигателя 7 через клиноременную передачу. В вибровозбудителе имеется отверстие, через которое проходит прокалывающая труба. Вибровозбудитель может закрепляться в любом месте трубы.

В течение ряда последних лет уделяется внимание разработке землеройных машин с ударно-вибрационными рабочими органами. Такие машины предназначают для разработки грунтов, трещинова­тых скальных пород и в других трудных случаях, когда обычные землеройные машины можно применять только после предвари­тельного рыхления или оттаивания.

При инженерно-геологических изысканиях применяют наряду с другими методами вибрационное бурение грунтов, при котором буровой инструмент внедряется в грунт вибропогружателем или вибромолотом, причем основная задача бурения заключается в том, чтобы из толщи грунта извлечь столбик породы с ненарушенным природным сложением. Эта задача удовлетворительно решается вибрационным бурением, которое отличается высокой производи­тельностью и низкой стоимостью работ.

В некоторых случаях при строительстве массивных бетонных сооружений и при наличии на месте дешевого крупноразмерного камня применяют так называемый камнебетон, что уменьшает рас­ход бетонной смеси на 30-=-40%. Для уплотнения камнебетона пу­тем послойного вдавливания камней в бетонную смесь может при­меняться вибрационная машина, которую в иностранной литера­туре иногда называют мамонтом (рис. 102). Машина состоит из вибровозбудителя, который по своей конструкции подобен деба- лансному глубинному вибровозбудителю, но содержит три соосно расположенных виброблока, пристроенного сверху электродвига­теля, расположенной внизу решетчатой плиты, которая контакти­рует с погружаемыми в бетонную смесь камнями, кольцевых гру­зов, подвешенных к верхней части корпуса, где амплитуда колеба­ний минимальна, и канатной подвески, при помощи которой маши­ну присоединяют к крюку крана. Частота вибрации машины близка к 3000 кол/мин, вынуждающая сила вибровозбудителя 180 кН, мощ­ность двигателя 40 кВт, масса машины без грузов около 3 т, с гру­зами 15 т, размер опорной решетчатой плиты 1,8×1,8 м. Размеры погружаемых камней 0,15—0,4 м, производительность машины 80—100 м3/ч.

Для прикатывания линолеума после укладки его на мастике применяют ручные виброкатки (рис. 103). Они обеспечивают проч­ное сцепление линолеума с основанием пола. Машина содержит два прикатывающих вальца, собранных в раме, на которую уста­новлен маятниковый дебалансный вибровозбудитель. К раме при­креплена рукоятка с выключателем. При ширине вальцов от 0,3 до 0,45 м виброкатки обеспечивают производительность от 75 до 150 м2/ч.

В рамках данной книги нет возможности охватить всю номен­клатуру вибрационных машин и процессов, используемых в строи­тельстве и производстве строительных материалов. Невозможно также даже коротко остановиться на важнейших применениях виб­рационных машин в других областях. Между тем пределы возмож­ностей вибрационной техники весьма широки. Практически все от­расли промышленности и сельское хозяйство, строительство и транспорт, медицина и коммунальное хозяйство, научные лабора­тории и испытательные станции — вот та сфера, в которой разум­ное и целенаправленное использование вибрационной техники при­носит значительную, а в дальнейшем принесет еще большую пользу.

Огромны диапазоны размеров, массы, мощности вибрационных устройств: от сотен киловатт крупного вибропогружателя до долей ватта маленького зуммера, от внушительного вибрационного ко­рабля-ледокола до крошечного зубоврачебного бура.

Перечислим бегло еще некоторые применения вибрационных машин и устройств. Вибрирование грунтозаборных органов земле­сосных снарядов или вибрирование специальными устройствами грунта вблизи всаса грунтозаборных органов нередко имеет суще­ственные преимущества перед фрезерным рыхлением и обеспечи­вает значительное повышение производительности землесосных сна­рядов и расширение области их применения. Разработаны методы и устройства для вибрационного заполнения емкостей сыпучими ма­териалами, поступающими снизу. Такой процесс получил наимено­вание вибробункеризации. Разработаны вибрационные процессы и машины для отмывки нерудных и рудных материалов от глинис­тых включений. Их характеризуют высокая производительность, хорошее качество отмывки и низкий расход воды.

Большое распространение получила вибрационная техника в технологии машиностроения и приборостроения. Широко приме­няются вибрационные накопители и вибрационные бункеры для пи­тания автоматических станков и автоматических линий штучными заготовками, причем во многих случаях осуществляется точная пространственная ориентация подаваемых деталей. Вибрационные бункеры находят применение также в радиоэлектронной, фарма­цевтической и других отраслях промышленности. Быстро внедря­ются операции вибрационной обработки деталей, начиная от гал­товки до точных доводочных операций — хонингования, полирова­ния и т. д. Вибрация находит применение при точении, фрезерова­нии, сверлении, строгании.

Широко применяются вибрационно-прессовые и ударно-вибра­ционно-прессовые машины для изготовления литейных форм и стержней. В ряде случаев производится вибрирование расплавлен­ного металла в ковшах перед заливкой и в изложницах при крис­таллизации. Это приводит к более совершенному удалению газов и шлаковых включений из металла и получению равномерной тон­козернистой структуры слитков. На многих предприятиях имеются вибрационные решетки для выбивки опок. Вибрационные и удар­но-вибрационные стенды используются для быстрого искусственно­го старения отливок и поковок. Это в сотни раз ускоряет процессы старения, т. е. снятия внутренних напряжений во избежание по­следующих деформаций. К тому же снятие напряжений происхо­дит гораздо полней, чем при естественном старении. Ведутся рабо­ты по закалке металлических деталей в виброкипящем слое сыпу­чего материала. Все шире применяют вибрацию при прессовании изделий из порошковых и зернистых материалов и при обработке давлением металлов, пластмасс и других материалов.

Большие перспективы имеют вибрационные процессы в хими­ческой, металлургической, пищевой, текстильной, кожевенной, ме­ховой и других отраслях промышленности. Важнейшими направле­ниями здесь надо считать применение вибрации для интенсифика­ции процессов, протекающих в жидкой среде, в особенности на границах двух фаз, например, выщелачивания, экстракции, рас­творения, обезжиривания, дубления, окраски. Перспективны также многочисленные процессы, ускоренно протекающие в сухом виб­рокипящем слое или в зоне вибрационного псевдоожижения.

Значительное применение в горной, обогатительной, металлур­гической и химической промышленности имеют вибрационные ма­шины для транспортирования и сепарации материалов, а также на погрузочно-разгрузочных и вспомогательных операциях. Большую и традиционную область применения имеют вибрационные маши­ны в зерновой и мукомольной промышленности.

В заключение назовем еще такие две различные сферы приме­нения вибрационных процессов, как механизированная уборка уро­жая орехов и фруктов при помощи вибрационных устройств и виб­рационный медицинский массаж.

Источник

Вибрационные машины и процессы в строительстве

Вибрационные машины и процессы в строительстве

Бауман В. А., Быховский И. И.

Вибрационные машины и процессы получили широкое и разнооб­разное применение в строительстве, производстве строительных ма­териалов и во многих других отраслях. Вибровозбудители общего назначения и глубинные вибровозбудители выпускаются в массо­вом масштабе. Вибрационные процессы формования железобе­тонных изделий и изделий из неармированного бетона заняли гос­подствующее положение. Вибрационные грохоты эксплуатируются на множестве строек, карьеров и предприятий. Значительное рас­пространение получили вибрационные машины для уплотнения грунта, дорожных оснований и покрытий. Уплотнение и измельче­ние, смешение и сепарация, забивка свай и бурение скважин, раз­грузка смерзшихся материалов из транспортных средств и разра­ботка мерзлых грунтов, погрузка насыпных материалов и отмывка песка и гравия — это далеко не полный перечень технологических переделов, в которых целенаправленное применение вибрационных машин приносит большую пользу.

Существенным тормозом в развитии и расширении сфер приме­нения вибрационной техники стала недостаточная осведомленность широкого круга инженеров о динамике вибрационных машин и про­цессов. При конструктивной простоте большинства вибрационных машин их динамика и динамика вибрационных процессов оказыва­ются весьма сложными. Для успешной работы в области вибраци­онной техники и технологии необходимо изучение с единой точки зрения определенного комплекса теоретических методов анализа, практических сведений и рекомендаций. К сожалению, как прави­ло, студентам в ряде общетехнических и специальных курсов изла­гают лишь отдельные, разрозненные, нередко мелкие, а не наибо­лее существенные элементы этого комплекса. Давно назрела не­обходимость введения курса «Вибрационные машины и процессы» в инженерно-строительных, автомобильно-дорожных институтах и в ряде институтов других отраслей народного хозяйства. Отсутст­вие учебного пособия по вибрационным машинам и процессам от­рицательно сказывается на усвоении части существенного материа­ла ряда предусмотренных учебным планом профилирующих пред­метов студентами механических и технологических специальностей инженерно-строительных и автомобильно-дорожных институтов и факультетов.

Предлагая первое учебное пособие по данному вопросу, авторы надеются, что оно окажет помощь преподавателям и студентам старших курсов указанных специальностей при изложении и изу­чении вибрационных машин и процессов, при курсовом и диплом­ном проектировании, а также окажется полезным молодым инже­нерам в производственной, конструкторской и научно-исследова­тельской деятельности.

Структура книги и последовательность изложения достаточно освещаются наименованиями разделов и не требуют комментариев. Несмотря на взаимосвязанность разделов книги, удалось, за еди­ничными исключениями, избежать перекрестных ссылок, затруд­няющих изучение предмета. Строгая ограниченность объема книги вынудила свести к минимуму излагаемый теоретический материал и осветить лишь часть известных вибрационных машин и процес­сов. В тексте нет ссылок на использованные литературные источни­ки, но эти источники приведены в конце книги в перечне литерату­ры. Естественно, что перечень охватывает лишь небольшую часть весьма большого количества публикаций по затронутым в книге вопросам.

Раздел «Вибрационные грохоты» написан В. А. Бауманом, ос­тальные разделы книги написаны И. И. Быховским. Авторы выра­жают свою признательность докт. техн. наук, проф. Б. М. Ребрику, кафедре строительных машин Ленинградского инженерно-строи­тельного института (заведующий кафедрой — докт. техн. наук, проф. М. Н. Лебедев) и кафедре механического оборудования, экс­плуатации и ремонта строительных машин Киевского инженерно­строительного института (заведующий кафедрой — проф. Ю. Ф. Чу­бук) за замечания и предложения, высказанные ими после озна­комления с рукописью книги. Авторы с благодарностью примут кри­тические замечания и советы читателей, которые просят направ­лять по адресу: 103051, Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, изда­тельство «Высшая школа».

Наиболее характерной чертой окружающего нас мира можно считать огромное количество все время происходящих изменений, движений, превращений. С математической точки зрения, все из­меняющиеся свойства, параметры и т. д., которые можно прямым или косвенным образом измерить, являются переменными величи­нами. Величину, значение которой в каждый данный момент опре­деляется одним числом, называют скалярной, например темпера­тура в какой-либо точке тела, давление газа в какой-либо точке его объема и т. д. Хотя изменения скалярных величин бесконечно многообразны, все они делятся на два класса: изменения колеба­тельные и неколебательные.

Колебательное изменение скалярной величины в отличие от не­колебательного характеризуется чередованием ее возрастания и убывания. Все это можно отнести к одномерному движению, при котором положение движущегося объекта в данный момент време­ни полностью определяется одной координатой. Движение точки по заданной жесткой траектории (в частности, по прямой линии) — это пример одномерного движения. Колеблющаяся точка проходит каждое из положений (кроме крайних) на траектории попеременно то в одном, то в противоположном направлении.

Колебательные движения тел или геометрических фигур назы­вают механическими колебаниями или вибрацией [1]. С механиче­скими колебаниями нам приходится сталкиваться повсеместно в природе и в искусственных устройствах, сделанных человеком. До­статочно назвать такие примеры, как колебания земной коры при землетрясениях и взрывах, колебания веток и листьев на ветру, ма­хание крыльями, мигание век, биение сердца, движение поршня ав­томобильного двигателя, качание маятника часов, дребезг неплотно пригнанных оконных рам автобуса и т. д.

Среди колебательных движений важно выделить периодические колебания, когда движение полностью повторяется через равные промежутки времени. Функцию f(t), описывающую какой-либо про­
цесс, называют периодической, если существует постоянная величи­на Т, называемая периодом, для которой

где п — целое положительное число.

При двухмерном движении точки по заданной жесткой поверх­ности (в частности, плоскости) или трехмерном (в пространстве) возможны случаи, когда точка перемещается по замкнутой траек­тории, многократно проходя каждое из положений в одном и том же направлении. Такое движение точки называется циркуляцион­ным. Циркуляционные движения также могут быть периодическими. Проекции точки, совершающей циркуляционное движение, на оси прямолинейной системы координат движутся колебательно. Благо­даря значительному сходству закономерностей и математического описания колебательного и циркуляционного движения в физике и технике укоренились такие термины, как «конический маятник», «круговые» и «эллиптические» колебания.

В множестве периодических колебаний особое место занимают синусоидальные, или гармонические, колебания, когда колеблю­щаяся величина описывается синусоидальной функцией времени, например

у = a sin (t — f а2, рис. 3, в):

3) разность фаз составляет я/2 (ф2=Фі + л/2) (рис. 3, г):

а = Vа? + a’i, ? = ?i + arctg-

Сложнее обстоит дело при сложении несинхронных коллинеар­ных гармонических колебаний. Рассмотрим сложение двух колеба­ний Xi=aiCOS (©it — фі) и x2=a2cos (co2t — фг) с различными, но

сравнительно близкими частотами мі и м2 (рис. 4,а), осциллограм­мы которых приведены на рис. 4,6. В результате такого сложения’ получаются биения, при которых размах суммарных колебаний медленно с частотой |а>2 — сої ( колеблется между минимальным и

максимальным значениями. При этом минимальный размах больше нуля при аіфа.2 (рис. 4, в) и равен нулю при щ = а2 (рис. 4, г).

Сумма двух прямолинейных

гармонических компланарных, т. е. совершающихся параллельно одной плоскости, колебаний с рав­ными или находящимися в рацио­нальном отношении частотами представляет собой в общем слу­чае периодическое циркуляцион­ное движение. При некоторых ча­стных значениях разности началь­ных фаз слагаемых оно вырож­дается в периодическое двухмер­ное колебательное движение (од­номерное в случае синхронности слагаемых колебаний).

Траектории точки, совершаю­щей одновременно два указанных компланарных колебания, называют фигурами Лиссажу. На рис. 5 приведены фигуры Лиссажу для отношений частот слагаемых пер­пендикулярных колебаний 1:1 (а), 1 :2 (б), 1 :3 (в) и 2:3 (г) при различных значениях разностей начальных фаз.

При изучении различных процессов часто возникает необхо­димость анализа колебаний, т. е. разложения их на составляющие. Разложение колебаний на синусоидальные составляющие различ­ных частот называют гармоническим или спектральным анализом. Любая ограниченная периодическая функция f(t), имеющая на про­тяжении периода 2я/(о конечное число экстремумов и разрывов, мо­жет быть представлена рядом Фурье (разложена в ряд Фурье):

Источник