автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Рабочий орган для глубинного уплотнения цементобетонных смесей при строительстве ирригационных каналов

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАШИНЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИРРИГАЦИОННЫХ КАНАЛОВ И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ИХ

РАБОЧИХ ОРГАНОВ

1.1.Виброуплотняющие рабочие органы бетоноукладочных машин

1.2.Вибровозбудители рабочих органов

1.3.Взаимодействие рабочего органа с уплотняемой смесью . Як 1.4.Энергетические характеристики процесса уплотнения

1.5.Основные задачи исследования

2. СОПРОТИВЛЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ РАБОТЕ ГЛУБИННОГО ВИБРОУПЛОТНЯЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА.SO

2.1.Определение параметров колебательной системы по её амплитудно-частотной характеристике

2.2.Определение величины присоединенной массы . . . 2.3.Экспериментальное определение параметров силового взаимодействия глубинного виброизлучателя с уплотняемой средой.S

2.4.Энергетические характеристики процесса взаимодействия

2.5.Жесткость сборного резинового виброизолятора

3. ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ РАБОЧЕГО ОРГАНА.Ю

3.1»Возможность использования уравновешенного вала с сосредоточенными массами в качестве вибровозбудителя . .WS"

3.2.Допускаемые прогибы вала

3.3.Влияние параметров вибровозбудителя на величину вынуждающей силы

3.4.Методика выбора параметров вибровозбудителя

4. общая динамическая модель рабочего органа

4.1.Выбор модели./3&

4.2.Анализ динамической модели

4.3.Экспериментальная проверка теоретических положений

5. практическое использование результатов исследований ./5*

5.1.Методика выбора параметров вибротрубного уплотнителя с вибровозбудителем типа "гибкий вал" . . . .¡

5.2.Результаты испытаний рабочего органа в полигонных условиях.

5.3.Практическая реализация результатов исследований . ./

5.4.Технико-экономическая эффективность использования результатов исследований . . ./^

Основными направлениями экономического и социального разви -тия СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года предусматривается дальнейшее развитие мелиорации земель, расширение сети оросительных каналов. Известно, что по пути транспортирования от реки до поля из-за фильтрации теряется до 50 км3 воды в год. Около 60% потерь приходится на внутрихозяйственные каналы, которые облицованы менее чем на 45%, и на крупные магистральные каналы , как правило, не имеющие облицовки / I / .

Избыток почвенной влаги, который может образоваться из-за фильтрации и глубокого пюосачивания воды, приводит к заболачиванию и засолению обширных участков сельскохозяйственных угодий. Для повторного введения таких участков в аграрное производство требуются значительные капиталовложения. Наличие противофильтрационных облицовок существенно уменьшает потери воды, однако строительство их - процесс трудоемкий, дорогостоящий, связанный со значительны -ми затратами тяжелого ручного труда, особенно при строительстве крупных магистральных каналов. Резкое увеличение объемов ирригационного строительства выдвигает в ряд особо актуальных задачу комплексной механизации технологических операций процесса сооружения противофильтрационных облицовок магистральных каналов.

В связи с изложенным Госкомитетом по науке и технике и Госпланом СССР выдвинута проблема 0.52.03 "Разработать и внедрить высо -коэффективные технологические процессы и технические средства для водохозяйственного строительства, содержания и ремонта мелиоративных систем" , утвержденная Постановлением ГКНТ и Госплана СССР за № 526/260 от 22.12.1980 г. и переутвержденная за № 491/244 от 08.12.1981 года.

В силу ряда преимуществ - высокое качество, сравнительно низкая себестоимость, возможность комплексной механизации наиболее трудоемких строительных операций - наибольшее распространение получили облицовки каналов из монолитного цементобетона.

Уровень механизации бетонных работ непрерывно возрастает, чему в значительной мере способствуют разрабатываемые в НПО ВНИИЗем-маш комплексы машин для строительства цементобетонных пощштий ирригационных каналов. Машины расчитаны на создание облицовок кана -лов глубиной от 0,6 до 5,0 м с возможностью изменения ширины дна канала. Комплексы разбиты на группы в зависимости от параметров поперечных сечений каналов / 58, 65 /. Каждый из комплексов произ -водит все технологические операции по строительству цементобетон -ных облицовок.

Производительность комплекса определяется главным образом эффективностью уплотняющего оборудования бетоноукладочных машин.Дальнейшее совершенствование уплотняющих рабочих органов нельзя рас -сматривать в отрыве от прогресса в области технологии приготовления бетонных смесей.А здесь в последнее время наметилась тенденция к широкому использованию различных химических добавок, влияющих , кроме прочего, на увеличение подвижности смеси. Высокоподвижные су-перпластифицированные смеси требуют меньше энергии для уплотнения, что позволяет улучшить энергетические и эргономические характеристики уплотняющего оборудования / 34, 52 /.

Работами ученых ВНИИСтройдормаша, ВНИИЗеммаша и других организаций показана перспективность применения глубинного метода уплотнения при строительстве цементобетонных покрытий / 61, 86 / , причем эффективность виброизлучателя возрастает с уменьшением угла наклона его продольной оси к горизонту.

В НПО ВНИИЗеммаш в рамках выполнения целевой комплексной программы "Автоматизация и строительная робототехника 11 была предложена конструкция глубинного вибротрубного уплотнителя с вынесенной вибролинией / 47 /. Несмотря на простоту конструкции, уплотнитель имеет сложную динамическую систему. Правильный выбор параметров рабочего органа, основанный на существующих методах расчета вибрационных уплотнителей, до настоящего времени не представлялся возможным.

Цель настоящей работы - разработка основ теории и методики расчета глубинного вибротрубного уплотнителя с вынесенной вибролинией. Эта цель может быть достигнута путем решения ряда частных задач. Необходимо :

- определить параметры силового взаимодействия рабочего органа с уплотняемой смесью ;

- найти параметры конструктивных элементов рабочего органа-виб-роизоляторов, вибровозбудителя ;

- разработать и подвергнуть анализу динамическую и математическую модель рабочего органа.

Для решения этих задач использовался экспериментально-теоретический метод, основанный на элементах теоретической механики, теории упругости и прикладной математики . Эксперименталь -ные исследования проведены на установках и машинах, оснащенных современной контрольно-измерительной аппаратурой .

Научную новизну проведенных исследований составляют следующие результаты :

- разработана динамическая модель глубинного вибротрубного уплотняющего рабочего органа бетоноукладочных машин ;

- проведен анализ рабочего процесса нового типа вибровозбудителя и разработаны элементы его теории и метод расчета ;

- предложена методика определения величины присоединенной мае -сы ;

- предложен метод определения параметров одномассовой колебательной системы по её амплитудно-частотной характеристике ;

- выявлено влияние параметров колебательной системы рабочего органа и скорости поступательного движения машины на энергетические показатели процесса уплотнения.

На защиту выносятся изложенные выше результаты исследований , а также методика расчета глубинного вибротрубного уплотняющего рабочего органа.

Диссертация выполнена на кафедре "Дорожные и строительные машины " Ленинградского ордена Ленина политехнического института имени М.И.Калинина. Результаты работы использованы в проектных разработках НПО ВНИИЗеммаш, направленных на создание бетоноукладочных машин для бетонирования каналов глубиной до 3 м и до 5 м.

Работа выполнялась при консультациях кандидата технических наук, доцента М.И.Капустина.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и приложений. Работа содержит стр. машинописного текста, стр. иллюстраций и таблиц, список литературы из № наименований на /3 стр., йк стр. приложений .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Глубинный виброуплотняющий рабочий орган обладает более высокими показателями энерго- и металлоемкости по сравнению с другими типами виброуплотнителей.

2. Предложен метод определения параметров одномассовой колебательной системы по её АЧХ, который позволяет, при надлежащем выборе базовых значений измеряемых величин, с высокой степенью точности расчитать коэффициенты инерционных, диссипативных и упругих сопротивлений.

3. Предложен метод оцределения величины присоединенной массы применительно к сферической, цилиндрической и плоской волне. Установлено, что уравнения цилиндрической волны в части инерционных сопротивлений адекватно отражают взаимодействие горизонтального . глубинного виброизлучателя с уплотняемой средой.

4. Коэффициенты инерционных, диссипативных и упругих соцротивлений связаны нелинейными зависимостями с частотой колебаний. Локальные минимумы зависимостей совпадают с пиками АЧХ.

5. Мощность привода виброуплотнителя, установленного на движущемся бетоноукладчике, связана линейной зависимостью со скоростью передвижения в исследованном диапазоне скоростей. Коэффициент пропорциональности при постоянной частоте увеличивается с уменьшением относительной вынуждающей силы .

6. Предложена оригинальная конструкция стенда для исследования процесса взаимодействия горизонтального глубинного виброуплотнителя с уплотняемой средой, позволяющая достоверно имитировать условия работы уплотняющего оборудования.

7. Показано, что в качестве вибровозбудителя уплотняющих рабочих органов бетоноукладочных машин может использоваться статически уравновешенный вал с сосредоточенными массами. Разработаны основы теории такого вибровозбудителя и методика расчета основных параметров, даны рекомендации по назначению рабочего режима .

8. Исследования, проведенные на экспериментальном гусеничном бетоноукладчике в полигонных условиях, подтвердили работоспособность уплотняющего оборудования. При скорости укладки до 0,045 м/с обеспечивается коэффициент уплотнения смеси 0,98 без зади-ров и оплывов на поверхности облицовки. Наработка до первого отказа составила 1150 часов.

9. Результаты исследований используются в НПО ВНИИЗеммаш при разработке уплотняющего оборудования бетоноукладочных машин. В частности, результаты использованы при отработке конструкции бетоноукладчика МБ-25, входящего в состав серийно выпускаемого Брянским заводом "Ирмаш" комплекса машин для бетонирования каналов глубиной до 5 м. Годовой народнохозяйственный экономический эффект от применения данного комплекса составляет 464,9 тыс. рублей.

Ожидаемый экономический эффект от применения бетоноукладчика МБ-30 (для каналов глубиной до 3 м), рассчитанный на стадии проекта технического задания, составляет 44,4 тыс.рублей в год. Социальный эффект заключается в улучшении условий работы обслуживающего персонала за счет уменьшения затрат ручного труда и снижения уровня вибрации на рабочих местах.

1. Алексеевский Е.Е. Орошение и осушение в странах мира.-М.:Колос, 1974.-527 с.

2. Аронсон А.Я. Влияние присоединенной массы воды на колебания погруженного в неё стержня.-Изв.АН СССР, Механика и машиностроение, № 5, 1959, с.41-47.

3. Арутюнов С.С. Устойчивость маятника при периодических колебаниях точки подвеса.- Тр.Казанского авиацион. ин-та Казань: КАИ, 1960, № 58, с.3-21.

4. Афанасьев А.А. Анализ спектров колебаний импульсных режимов уплотнения бетонных смесей.- В кн.: Исследования и расчеты строительных и дорожных машин.-Воронеж: Воронежский университет , 1977, № 3, с.87-93.

5. Афанасьев Е.В. О резонансе воздушных включений в бетонных смесях при вибрировании.- Тр.ВНИИСтройдормаш: Исследования машин для строительства дорожных покрытий.-М., 1974, №66, с.30-35.

6. Афанасьев Е.В. Расчет мощности, потребляемой электродвигате -лем виброуплотнителя, установленного на движущемся бетоноукладчике.- Тр.ВНИИСтройдормаш: "Исследования ударных и вибрационных машин".-М.,1976, №71, с.102-104.

7. Афанасьев Е.В., Андреев Г.С. Уплотняющие рабочие органы с прикрепляемыми вибровозбудителями для сооружения цементобетонных дорожных и аэродромных покрытий.- В кн.: Вибрационная техника.-М., 1974, с.128-130.

8. Ахвердов И.Н. Высокопрочный бетон.-М.:Госстройиздат, 1961.-163с.

9. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона.-М.:Стройиздат, 1981.-464 с.

10. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве.-М.:Госстройиздат, 1959.316 с.

11. Белостоцкий Б.А. К вопросу теории центробежных вибраторов дляуплотнения бетона.- Тр.НИИЖБ.: Автоматизация и совершенствование процессов приготовления, укладки и уплотнения бетонных смесей.-М.: Госстройиздат, 1961, Ш, с.113-119.

12. Беляев Н.М. Метод подбора состава бетона.- В кн.: Сборник ШПС, вып.СШ, 1929, с.67-198.

13. Блехман И.И. Вращение неуравновешенного ротора, обусловленное гармоническими колебаниями его оси,- В кн.: Известия АН СССР, ОТН, Л6, 1954, с.79-94.

14. Блехман И.И., Гортинский В.В., Птушкина Г.Е. Движение частицы в колеблющейся среде при наличии сопротивлений типа сухого трения. (К теории вибрационного разделения сыпучих смесей).-Изв. АН СССР, ООН, 1963, №4, с.31-42.

15. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение,- М.: Наука, 1964.-410 с.

16. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Исследования вынужденных коле -баний некоторых вибрационных машин со многими вибраторами. -Изв. АН СССР, Механика и машиностроение, 1958, № 3, с.51-64 .

17. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Об эффективных коэффициентах трения при вибрации.- Изв.АН СССР, ОТН, 1958, ¥7, с.97-101 .

18. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.-7-е изд., перераб.-М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.- 608 с.

19. Бутт Ю.М., Колбасов В.М., Берлин Л.Е. Влияние водоцементного отношения на структуру, прочность и морозостойкость цементного камня.- Бетон и железобетон, 1974, №11, с.9-10.

20. Быховский И.И. Зависимость эффективной частоты вибрирования бетонной смеси от крупности заполнителя.- В кн.: Вибрационная техника. Материалы научно-технической конференции.-М.: НИИИНФСтройдоркоммунмаш, 1966, с.108-113.

21. Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники.-М.:Машиностроение, 1969, 364 с.

22. Быховский И.И. Поддержание вращения маятников синусоидальными колебаниями.-Тр.ВНИИСтройдормаш, 1971, №61, с.3-13.

23. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред.совет: В.Н.Чело-мей пред.- М.: Машиностроение, 1980.-Т.3.Колебания машин, конструкций и их элементов./Под ред. Ф.М.Диментберга и К.С.Колесникова. 1980.-544 с.

24. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред. совет: В.Н.Че-ломей пред. .-М.: Машиностроение, 1981.-Т.4. Вибрационные процессы и машины./ Под ред. Э.Э.Лавендела. 1981.-509 с.

25. Вяжущие вещества, бетоны и изделия из них./Учебное пособие для строительных специальностей ВУЗов./ Г.Н.Горчаков и др.:Высшая школа, 1976.- 299 с.

26. Гадионенко А.Я. Резонансные колебания и вращения маятника с вибрирующей точкой подвеса.- Украинский математический журнал, 1966, т.18, №2, с.102-106.

27. Гадиененко А.Я. О периодических движениях маятника с вибрирующей точкой подвеса.-^Украинский математический журнал, 1966, т. 18, №5, с.97-100.

28. Гастев В.А. Краткий курс сопротивления материалов.-2-е изд.-М.: Наука, 1977.- 456 с.

29. Гвоздев Ю.А., Лускин А.Я., Романенко В.А. Некоторые результаты исследования работы глубинных вибраторов.- Механизация строи -тельства, 1970, №9, с.20-23.

30. Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий.- М.: Стройиздат, 1974.- 359 с.

31. Гирштель Г.Б. О физической природе вибрационного воздействия на уплотняемые смеси.- В кн.: Технология бетона и железобетонных конструкций. Киев, 1972, с.14-19.

32. Гладков С.Н. Электромеханические вибраторы.-М.: Машиностроение33