Вібраційна установка для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вібраційна установка для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На даному етапі розвитку дрібного та середнього будівельного виробництва формування залізобетонних трубчастих виробів проводиться за допомогою машин різних типів, що мають різні конструктивні особливості. Відформовані за допомогою існуючого обладнання вироби не завжди повною мірою відповідають вимогам за рядом показників. Це зумовлено відсутністю загальноприйнятого підходу до визначення параметрів та оцінювання ефективності робочого процесу, а також методів урахування сил опору. Виходячи з цього, дослідження процесів взаємодії бетонної суміші і робочого органа вібромашини при виробництві трубчастих виробів є завданням актуальним. Розв'язання проблеми досягається шляхом створення вібраційних машин з науково обгрунтованими технічними показниками.

Застосування для ущільнення бетонних сумішей вібраційних машин з просторовими коливаннями робочого органа є ефективним для цілої низки виробів і має ряд переваг, які полягають, насамперед, у можливості формування виробів із жорстких бетонних сумішей, що за рахунок негайного зняття опалубки та швидкого зростання міцності виробу сприяє підвищенню продуктивності виробництва, зменшує металомісткість оснащення та скорочує витрати енергії при термообробці.

Усе це підтверджує актуальність досліджуваної теми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дана робота виконана згідно з планом наукових досліджень кафедри будівельних машин та обладнання Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка на 1996-2001 роки.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення та створення вібраційної установки для формування трубчастих виробів із високою технологічною ефективністю за рахунок передачі бетонній суміші просторових коливань.

Відповідно до поставленої мети роботи вирішувались наступні задачі:

- вибір і обґрунтування конструктивної схеми віброустановки;

- динамічне моделювання руху робочого органа віброустановки з урахуванням процесів його взаємодії з бетонною сумішшю та отримання розрахункових формул для визначення математичних залежностей між основними параметрами системи;

- підтвердження адекватності запропонованої динамічної моделі реальному об'єкту за допомогою фізичного моделювання;

- розроблення методики інженерного розрахунку вібраційної установки із сферичним рухом робочого органа та принципів створення машин подібного класу;

- створення й випробування експериментально-дослідного зразка вібраційної установки із сферичним рухом робочого органа.

Об'єкт дослідження. Формування залізобетонних трубчастих виробів.

Предмет дослідження. Віброустановка з просторовими коливаннями робочого органа для виготовлення залізобетонних кілець.

Методи дослідження. Дослідження проводились за допомогою математичного моделювання динамічної системи «робочий орган - дебаланс - суміш». Для аналізу математичної моделі були використані аналітичні та чисельні методи з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження базувалися на методах математичного планування експерименту та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів

1) Складено та проаналізовано математичну модель вібраційної установки із просторовими коливаннями робочого органа, що знаходиться у сферичному русі, яка враховує висоту встановлення віброзбуджувача над центром мас системи, величину статичного моменту мас віброзбуджувача, пружно-в'язкі властивості пружних опор та суміші, що ущільнюється.

2) отримано експериментальні залежності для визначення вертикальних і горизонтальних амплітуд вібропереміщень та віброприскорень точок робочого органа віброустановки; визначено найбільш доцільні режими вібрації для забезпечення рівномірного ефективного ущільнення виробу;

3) досліджено вплив основних параметрів віброустановки (маси й моменту інерції коливальної системи, ступеня неврівноваженості віброзбуджувача та висоти його встановлення відносно центра мас системи) на потужність, споживану приводним двигуном.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено й створено промислово-дослідний зразок вібраційної установки з дебалансним віброзбуджувачем, установленим таким чином, що вісь дебалансного вала вертикальна. Віброустановка призначена для формування залізобетонних трубчастих виробів. Підвищення ефективності віброустановки зі сферичним рухом робочого органа досягається за рахунок передачі бетонній суміші просторових коливань. За своїми динамічними, енергетичними й технологічними характеристиками вказана віброустановка перевершує звичайні пристрої, які використовуються в технологічних процесах виготовлення залізобетонних трубчастих виробів.

На основі отриманих результатів дослідження запропонована методика визначення динамічних і конструктивних параметрів установок даного типу. Розроблений експериментально-дослідний зразок віброустановки використано в технологічному процесі виготовлення залізобетонних кілець оглядових колодязів КС 15.9 в умовах бетонного вузла Полтавського комунального підрядного шляхового ремонтно-будівельного управління. Результати проведених наукових досліджень застосовані при модернізації віброформувального обладнання з виготовлення залізобетонних кілець на ВАТ «Полтавський завод ЗБВ».

Результати досліджень використовуються в курсовому й дипломному проектуванні на електромеханічному факультеті Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка та в Кіровоградському державному технічному університеті.

Особистий внесок здобувача

Із матеріалів дисертації й опублікованих робіт здобувачеві належать:

- розроблення математичної моделі вібраційної установки;

- дослідження характеру зміни параметрів коливань робочого органа віброустановки залежно від зміни пружних та дисипативних характеристик системи;

- установлення закономірностей руху робочого органа віброустановки в умовах взаємодії з середовищем, що обробляється;

- розроблення методики розрахунку основних параметрів вібраційної установки.

У друкованих працях, виконаних у співавторстві, здобувачеві належать:

у роботі [1] - аналіз сучасного розвитку обладнання для формування залізобетонних трубчастих виробів; у роботі [2] - обґрунтування вихідних даних для складання математичної моделі; у роботі [3] - аналіз отриманих результатів експериментальних досліджень; у роботі [4] - математичне моделювання просторового руху віброустановки; у роботі [5] - розв'язання рівнянь, що описують рух системи; у роботі [6] - пропозиція застосувати віброзбуджувач із вертикальним дебелансним валом, вісь якого збігається з вертикальною віссю симетрії віброустановки; у роботі [7] - запропоновано тип приводу віброзбуджувачів вібростенда; у роботі [8] - дослідження розподілу амплітуд віброприскорень по висоті поверхні робочого органа.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на Першій всеукраїнській науково-практичній конференції «Прогресивні технології та машини для виробництва будматеріалів, виробів і конструкцій» (Полтава, 1996 р.), на щорічних наукових конференціях Полтавського державного технічного університету (1996-2000 рр.), на науковій конференції «Будівництво та архітектура - погляд у ХХІ століття» Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (2000 р.), на науковій конференції «Проблемы создания новых машин и технологий» (Кременчук, 2000 р.), на ХХХІ науковій конференції викладачів, аспірантів та співробітників Кіровоградського державного технічного університету (Кіровоград, 2000 р.), а також подані в роботі наукової школи «Вібротехнологія - 98» (Одеса, 1998 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 робіт, у тому числі 1 журнальна стаття, 5 статей у наукових збірниках, 1 у збірниках матеріалів і тез доповідей на наукових конференціях та семінарах, й отримано патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Обсяг дисертації 178 сторінок, із яких 31 займають рисунки, 2 - таблиці, 11 - додатки. Список використаних літературних джерел включає 140 найменувань і розміщується на 13 сторінках.

Основний зміст роботи

віброустановка бетонний робочий

У першому розділі «Аналіз стану питання та задачі дослідження» проаналізовано існуючі способи формування трубчастих залізобетонних виробів та конструктивні особливості найбільш поширеного обладнання, яке при цьому використовується; розглянуто сучасні уявлення про механізм процесу вібраційного ущільнення бетонних сумішей; проведено детальний аналіз особливостей математичного моделювання просторового руху робочих органів вібраційних машин з урахуванням впливу зовнішніх факторів, сформульовано мету та задачі досліджень.

У сучасних технологіях виготовлення трубчастих залізобетонних виробів застосовують різні способи ущільнення бетонних сумішей: радіальне пресування, осьовий та відцентровий прокат, центрифугування, вібрування, віброгідропресування та ін.

Найбільш поширеним способом формування трубчастих виробів є вібраційний, який базується на властивості бетонних сумішей розріджуватись та заповнювати форму під дією вібрації. При цьому також відбувається ущільнення суміші. Цей спосіб при простоті конструкції і надійності обладнання, яке використовується, дозволяє отримувати високі показники якості готової продукції. За різними даними з використанням вібрації виготовляють близько 85 - 90% загальної кількості залізобетонних виробів та конструкцій.

Ефективність протікання процесу вібраційного ущільнення і формування великою мірою залежить від правильного вибору типу та форми коливань робочого органа вібромашини, які, в свою чергу, необхідно підбирати, орієнтуючись на призначення даного виробу, технологію його формування, а також конструкцію самого органа вібраційної машини. Для якісного ущільнення бетонних сумішей необхідна дія коливань, які містять горизонтальні й вертикальні складові, а також створення в шарах суміші градієнта динамічного тиску за рахунок кутових коливань.

При математичному моделюванні руху робочого органа вібромашини доцільніше використовувати алгоритм Нільсена, оскільки він швидше приводить до мети і є зручнішим при аналітичних дослідженнях. Положення робочого органа вібромашини в просторі при сферичному рухові зручніше визначати за допомогою вібраційної системи осей з урахуванням малості відхилень робочого органа від свого початкового положення. При математичному моделюванні та практичних розрахунках ущільнюючу машину і бетонну суміш необхідно розглядати як єдину динамічну систему оскільки на подолання опору в середовищі, що ущільнюється, витрачається значна частина енергії машини.

У другому розділі «Динамічна модель вібраційної установки із просторовими коливаннями робочого органа» запропоновано конструктивну схему вібраційної установки для формування трубчастих залізобетонних виробів, за допомогою алгоритму Нільсена розроблено математичну модель вібраційної установки із просторовими коливаннями робочого органа, виконано відповідне опрацювання й проведено чисельний аналіз отриманих моделей.

За основу динамічного моделювання, яке було проведено з метою дослідження основних закономірностей руху вібраційної установки для виготовлення трубчастих залізобетонних виробів, було прийнято конструктивну схему віброустановки із просторовими коливаннями робочого органа (рис. 1), характерною особливістю якої є те, що вертикальна вісь симетрії збігається з віссю дебалансного вала, а площина прикладання вимушуючої сили знаходиться вище від центра мас рухомої частини з бетонною сумішшю.

Таке конструктивне рішення дає змогу отримати просторові коливання робочого органа і змінну за висотою інтенсивність вібраційного впливу на бетонну суміш.

За допомогою алгоритму Нільсена на основі ряду припущень, звичайних для більшості прикладних задач динаміки вібраційного ущільнення, розроблено динамічну модель віброустановки, яка враховує пружні і в'язкі властивості бетонної суміші, що ущільнюється за допомогою установки й в'язей між робочим органом та фундаментом (розрахункову схему установки представлено на рис. 2). Виконано відповідне опрацювання отриманої моделі із зведенням її до безрозмірного вигляду, що зручно для подальшого проведення чисельного аналізу.

Отримана модель має наступний вигляд:

(1)

де

 - узагальнені координати;

- моменти інерції робочого органа відносно відповідних осей;

- кутова швидкість обертання дебалансного вала в сталому режимі;

- моменти інерції бетонної суміші відносно відповідних осей;

- маса дебаланса;

- відстань від нульової точки О до проекції центра мас дебаланса на вертикальну вісь;

- ексцентриситет дебаланса;

- кут повороту дебаланса відносно осі обертання;

- моменти інерції дебаланса відносно відповідних осей;

, - коефіцієнти пружності у напрямках відповідних переміщень;

, - коефіцієнти в'язкого опору у відповідних напрямках;

- обертаючий момент від приводного двигуна;

- та момент сил опору.

При проведенні чисельного аналізу диференціальних рівнянь руху системи досліджено вплив пружних і дисипативних сил на характер руху системи та основні закономірності руху віброустановки залежно від основних параметрів системи. На основі виконаних досліджень показано, що дійсна величина кутової швидкості дебалансного вала осцілює навколо середнього значення з частотою, яка в два рази перевищує частоту обертання дебалансного вала, що підтверджується також висновками, зробленими при аналізі даного питання попередніми дослідниками.

Показано, що збільшення величини неврівноваженості дебалансного вала призводить до зниження кутової швидкості його обертання. Зроблено висновок, що найбільший вплив на величину кутової швидкості обертання дебалансного вала серед постійних коефіцієнтів диференціальних рівнянь руху системи мають коефіцієнти і , які є відношенням частот власних і вимушених коливань відповідно робочого органа віброустановки та бетонної суміші, що ущільнюється, у відповідних напрямах переміщень.

У третьому розділі «Експериментальні дослідження просторових коливань робочого органа вібраційної установки» визначено мету і задачі експериментальних досліджень, для проведення яких використано спеціально сконструйований вібраційний стенд, котрий дозволяє моделювати просторові коливання робочого органа та відтворює основні конструктивні особливості промислового зразка запропонованої установки; описано засоби вимірювань, що використовувалися під час проведення експериментальних досліджень; визначено методику проведення експерименту й обробки експериментальних даних; наведено результати експериментальних досліджень основних динамічних параметрів вібростенда.

Основною метою фізичного моделювання було підтвердження працездатності запропонованої віброустановки та визначення впливу основних параметрів віброустановки на характер руху системи. Проведені експериментальні дослідження дозволили установити характер розподілу амплітуд складових віброприскорень по висоті робочого органа залежно від значення змушуючої сили віброзбуджувача та висоти її прикладання відносно центра мас коливальної системи, встановлено, що віброприскорення робочого органа пропорційні змушуючій силі віброзбуджувача при різній висоті його встановлення.

Дослідження проводились із використанням методів математичного планування експерименту з подальшою обробкою експериментальних даних за методикою комплексного аналізу впливу факторів на величину, яка оптимізується. Для досліджень було прийнято трьохрівневий трифакторний експеримент другого порядку. Раціональні діапазони зміни факторів визначено в результаті аналізу попередньо проведених пошукових експериментів.

У результаті реалізації прийнятого плану та аналізу експериментальних даних отримано такі рівняння регресії для відповідних складових прискорень довільної точки поверхні робочого органа:

для горизонтальних складових віброприскорень

(2)

для вертикальних складових віброприскорень

, (3)

де - відповідно величини горизонтальних і вертикальних складових прискорень довільної точки на поверхні робочого органа.

Комплексні графічні залежності складових прискорень робочого органа вібростенда від змінних факторів за рівняннями (2) і (3) наведені на рис. 3,4. Для забезпечення необхідних технологічних режимів ущільнення бетонних сумішей на розробленому вібростенді, а саме забезпечення максимальних горизонтальних складових віброприскорень

робочого органа в межах 2…3 g (умова достатньої інтенсивності коливань), вертикальних - близько 1g (умова безвідривних коливань форми), висота прикладання змушуючої сили віброзбуджувача над центром мас системи повинна становити 0,13 м. Необхідна інтенсивність коливань досягається регулюванням змушуючої сили віброзбуджувача.

Отримано залежності потужності, яка споживається приводним двигуном вібростенда при пуску та в усталеному режимі роботи від величини вимушуючої сили, що генерується віброзбуджувачем для завантаженого і незавантаженого вібростенда. Для незавантаженого вібростенда:

Nн.з. = ; (4)

для вібростенда з виробом:

Nзв. = , (5)

де - величина змушуючої сили, яка генерується віброзбуджувачем.

Отримано також експериментальні залежності часу пуску приводного електродвигуна та часу вибігу дебалансного вала віброзбуджувача від величини вимушуючої сили, яка генерується віброзбуджувачем для завантаженого та незавантаженого вібростенда.

Зв'язок між часом запуску віброзбуджувача Тп і величиною вимушуючої сили F можна описати такими залежностями:

для незавантаженого вібростенда з R = 0,972:

Тп = ; (6)

для вібростенда з виробом із R = 0,982:

Тп = . (7)

Зв'язок між часом вибігу дебалансного вала Тд та величиною вимушуючої сили F можна описати такими залежностями:

для незавантаженого вібростенда з R = 0,966:

Тд = ; (8)

для вібростенда з виробом з R = 0,984:

Тд = . (9)

При зіставленні результатів фізичного і динамічного моделювання виявлено добрий збіг теоретичних та експериментальних даних, відхилення значень віброприскорень, отриманих при динамічному моделюванні, відрізняються від експериментальних не більше ніж на 10%.

У четвертому розділі «Основні принципи розрахунку та конструювання вібраційної установки для формування залізобетонних кілець» запропоновано методику інженерного розрахунку вібраційної установки для формування залізобетонних кілець; розглянуто застосування теорії подібності для створення ряду вібраційних машин для формування залізобетонних кілець; наведено приклад розрахунку основних параметрів віброустановки.

Показано, що геометричні розміри та маса вібруючих частин вібромашин на стадії їх попереднього розрахунку визначаються насамперед геометричними розмірами виробу, що формується за їх допомогою. Подано залежності, за якими можна проводити такий розрахунок. Запропоновано алгоритм розрахунку основних параметрів віброзбуджувача та його основних складових. Наведено методику розрахунку гумометалевих опор, переваги яких порівняно з пружинними полягають, насамперед, у суттєвому зменшенні маси, підвищенні довговічності за рахунок відсутності частин, що труться, а також в ефективнішому гашенні вібрації за рахунок внутрішнього тертя гуми.

Запропоновано критерії вибору та методику розрахунку приводного двигуна віброзбуджувача, яка передбачає перевірку часу його пуску. З використанням теорії подібності отримано залежності для розрахунку основних параметрів ряду подібних вібромашин.

Висновки

Унаслідок розроблення та дослідження вібраційної установки з просторовими коливаннями робочого органа для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей у дисертації отримані й наведені нові науково обгрунтовані теоретичні та експериментальні результати, які у своїй сукупності є суттєвими для розвитку вібраційної техніки й удосконалення технологій у виробництві будівельних матеріалів і конструкцій.

1. На основі аналізу існуючих конструкцій машин для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей та основних напрямків підвищення ефективності віброущільнення запропонована схема вібраційної установки з просторовими коливаннями робочого органа, який знаходиться у сферичному русі.

2. З використанням алгоритму Нільсена розроблено математичну модель системи «робочий орган - дебаланс - бетонна суміш», за допомогою якої досліджено характер руху установки і дано теоретичне обґрунтування вибору основних її параметрів.

3. Експериментальні дослідження дозволили встановити характер розподілу амплітуд складових вібропереміщень та віброприскорень по поверхні робочого органа залежно від величини й висоти прикладання вимушуючої сили віброзбуджувача відносно центра мас установки.

4. Зівставлення результатів динамічного та фізичного моделювання показало, що має місце достатній збіг теоретичних і експериментальних даних. Відхилення значень амплітуд вібропереміщень та віброприскорень у контрольних точках не перевищують 10%.

5. Запропоновано інженерну методику розрахунку основних параметрів віброустановки для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей.

6. За допомогою теорії подібності показана можливість створення ряду подібних віброустановок та вибору їх основних параметрів для забезпечення ефективного режиму ущільнення залізобетонних трубчастих виробів різних типорозмірів.

7. Створено і впроваджено у виробництво експериментально-дослідний зразок віброустановки, використання якого у складі обладнання для виготовлення залізобетонних кілець спрощує й інтенсифікує технологічні процеси і забезпечує щорічну економію електроенергії (порівняно з використанням вібромашини В1 796А) 13,8 тис. кВт, що дозволяє заощадити близько 2,3 тис. гривень за рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Орисенко О.В., Нестеренко М.П. Розроблення установки для формування залізобетонних кілець із просторовими коливаннями робочого органа // Галузеве машинобудування, будівництво: Зб. наук. пр. - Полтава: ПДТУ ім. Юрія Кондратюка, 2000. - Вип. 5. - С. 38-46.

2. Орисенко О.В., Нестеренко М.П. Математична модель вібраційної машини з вертикальним дебалансним валом // Проблемы создания новых машин и технологий: Сб. науч. тр. - Кременчуг: КГПИ, 2000. - Вып. 1/2000 (8). - С. 457-460.

3. Орисенко О.В., Нестеренко М.П. Дослідження просторового руху робочого органа вібраційної машини для формування трубчастих залізобетонних виробів // Галузеве машинобудування, будівництво: Зб. наук. пр. - Полтава: ПДТУ ім. Юрія Кондратюка, 2000. - Вип. 6. Ч. 1. - С. 172 - 175.

4. Нестеренко Н.П., Орисенко А.В. Вибрационная установка с пространственными колебаниями рабочего органа для формования железобетонных колец // Автомобильный транспорт: Сб. науч. тр. - Харьков: ХГАДТУ, 2000. - Вып. 5. Совершенствование машин для земляных и дорожных работ. - С. 136 - 137.

5. Вікторов Ю.С., Нестеренко М.П., Орисенко О.В. Аналітичні дослідження закономірностей просторового руху робочого органа вібраційної машини з двома дебалансними віброзбудниками // Галузеве машинобудування, будівництво: Зб. наук. пр. - Полтава: ПДТУ ім. Юрія Кондратюка, 2000. - Вип. 5. - С. 53-62.

6. Пат. 30766 А Україна, В 28В 21/14. Пристрій для формування трубчастих виробів із бетонних сумішей / О.В. Орисенко, М.П. Нестеренко, С.О. Шахов // Бюл. - 2000. - №7 - ІІ.

7. Нестеренко М.П., Орисенко О.В., Шульгін В.В. Універсальний вібростенд просторових коливань // Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций: Тез. докл. Первой всеукр. науч.-практ. конф. - Полтава, 1996. - С. 59.

8. Нестеренко Н.П., Орисенко А.В. Оптимизация процесса вибрационного формования трубчастых железобетонных изделий // Бетон и железобетон в Украине. - 2000. - №4. - С. 26-27.

Размещено на Allbest.ru