автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Создание и исследование дискового рабочего органа новой конструкции для обработки бетонных поверхностей

На правах рукописи

Ярослав Капиновски

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСКОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ БЕТОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.05.04 - дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Ченстоховской политехнике (Польша).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Я. Райчык

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор В.В. Берегов;

кандидат технических наук, С.А. Рысс-Березарк

Ведущая организация : Санкт-Петербургский государственный

технический университет

Защита состоится '' t/€> 2005 года в час. мин. на

заседании специализированного совета Д 212.223.02 при ГОУ ВПО «Санкт -Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, Санкт-Петербург, ул. Курлявдская, д. 2/5, ауд. 340.

Телефакс (812) 316-56-82

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан ^ мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.В. Репин

"7 $11 ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ¿^О ' 'Актуальность проблемы. - Производство бетонных изделий для жилищного, промышленного и других областей строительства, неотъемлемо связано с отделкой поверхности этих изделий. В связи с этим существует целый ряд требований, предъявляемых к качеству поверхности бетонных изделий. Такие требования предъявляются к поверхностям промышленных полов, а также для изделий сборных элементов конструкций зданий.

Для получения соответствующего качества поверхности бетонных изделий в дорожном и аэродромном строительстве, а также на строительных площадках находят широкое распространение заглаживающие машины с -рабочим органом в виде вращающегося диска, валка, бруса, ленты или различных комбинаций этих рабочих органов.

Область применения указанных машин зависит от состава бетонных смесей, требуемого качества заглаживания, производительности работ, а также технологии производства изделий на данном предприятии. Наиболее, распространенный и универсальный с точки зрения удобства применения и широты спектра получаемого качества шероховатости поверхности, при различной жесткости бетона, является дисковой рабочий орган.

Актуальность проблемы обусловлена наличием на мировом рынке заглаживающих машин с дисковыми рабочими органами. Из-за отсутствия методов оптимизации параметров работы, они часто не совершенны в их конструкционном исполнении и применяются далеко не всегда эффективно. Изучение перспективных заглаживающих машин с круговым движением диска, позволяющих расширить фронт работы является актуальным.

Целью диссертационной работы является создание методов оценки эффективности дисковых рабочих органов для обработки бетонных поверхности; определение эффективной геометрии рабочего органа, обеспечивающего равномерное поступательное и вращательное движения, а также рационализации процесса заглаживания с учетом перекрытии проходов.

Для достижения поставленных целей были сформулированы следующие задачи:

- проанализировать кинематику рабочего органа для обеспечения равномерного поступательного и вращательного движения. Создать математическую модель расчетов оптимальных параметров сплошных дисков и колец;

- разработать метод рационализации геометрической формы рабочего органа на основе подбора коэффициентов заполнения колец;

- разработать компьютерную программу моделирования рациональной геометрической формы;

- разработать компьютерные программы моделирования процессов заглаживания для дисков произвольной геометрии и параметров движения дискового рабочего органа;

- разработать более точный метод измерения параметра шероховатости с помощью сканинг - компьютерного анализа;

- провести экспериментальные исследования и сравнение типовой и новой геометрической формы диска с похож^ЙФ.ЦЛШШрмЖдя [

| БИБЛИОТЕКА,

! -

про

!Г

о» т?игг

Предмет исследования диссертационной работы составляет: процесс заглаживания бетонных поверхностей дисковыми рабочими органами различных конструкции.

Объект исследования - параметры дисковых рабочих органов. Методы исследования

Компьютерное исследование методом Эйлера моделей рабочих процессов с учетом геометрических параметров и экспериментальная проверка рздулыашв Тсорс!ическшо исследования.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- разработана методика определения аналитическими методами эффективности воздействия дисковых рабочих органов с простым движением;

- на основе использования численных методов разработана методика определения эффективности воздействия дисковых рабочих органов произвольных геометрических форм и движения;

- составлены полные формулы, определяющие величину геометрической эффективности для дисков и колец, что позволило добиться равномерности поступательного и вращательного движения;

- предложен метод оптимизации рабочего органа, направленной на повышение качества обработки бетонных поверхностей.

Достоверность результатов исследований подтверждается наличием удовлетворительной сходимости результатов, полученных методов цифрового моделирования рабочих органов с результатами аналитических формул и с экспериментальными данными.

Практическая значимость результатов исследований диссертации заключается в следующем:

- разработанная методика позволяет определить наиболее эффективную величину перекрытий проходов, учитывая равномерность обработки поверхности для существующих рабочих органов;

- разработанные методика и компьютерная программа позволяют определить рациональную геометрическую форму, обеспечивакмйую равномерность обработки поверхности;

- анализ эффективности рабочих органов дает возможность проектировать процессы обработки поверхности с целью получения ожидаемой равномерности шероховатости за один проход диска.

На защиту выносится:

1. Анализ кинематики сплошного диска при равномерном поступательном и вращательном движении;

2. Аналитические формулы для расчетов геометрической эффективности сплошного диска;

3. Анализ кинематических и геометрических параметров рабочего органа при сохранении равномерности и эффективности воздействия;

4. Анализ коэффициента средней величины геометрической эффектийности сплошного диска;

5. Опрё^ДёЩг'ф^мулы садней эффективности воздействия кольца;

6. РационаЗц^»ии1| |>|§д^его Органа для заглаживания бетонной поверхности

; | 4

Л* < 4

соответствующего средней геометрической эффективности традиционной геометрической формы состоящей из четырех прямоугольных лопастей;

7. Анализ продольной неравномерности воздействия;

8. Метод быстрого расчета геометрической эффективности рабочих органов на основе колец;

9. Применение матричного исчисления для определения и оптимизации равномерности геометрической эффективности рабочего органа;

10. Результаты экспериментальных исследований заглаживания рабочими органами традиционной и предложенной конструкции с похожими параметрами.

Реализация результатов работы. На ряде строительных предприятий Польши испытаны и внедрены новые рабочие органы для обработки бетонных поверхностей и изделий, изготовленные и проверенные по критериям способности их воздействия, а также новые системы обработки, с учетом оптимальных технологических маршрутов и кинематических параметров движения рабочего органа. Результаты работы нашли применение также в учебном процессе в СПбГАСУ и Ченстоховской политехнике (Польша).

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседаниях: кафедры транспортно-технологических машин в строительстве СПбГАСУ и кафедры технологии и организации строительного производства Ченстоховской политехники.

Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научных, международных конференциях в России (СПбГАСУ, СПбГТУ) и Польше (1998-2005гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей, получено 2 патента и 2 решения на выдачу патента.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и содержит 182 страницы основного текста, 102 иллюстраций, 21 таблиц. Список литературы включает 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость её результатов, определены основные методы исследования и пути реализации предлагаемых рекомендации. Показано, что всё растущему использованию бетонных и железобетонных конструкции во всех видах зданий и сооружений сопутствует необходимость совершенствования технологии механической обработки поверхностей как све-жеуложенного в конструкции, так и затвердевшего бетона.

В главе I «Критерии оценки качества поверхности бетонных изделий» приводится обобщение и анализ опыта обработки бетонных и железобетонных конструкции, а также требования, предъявляемые к качеству бетонных и железобетонных изделии, в соответствии с ГОСТами, ТУ и СНИПами. Рассмотрены методы оценки качества отделки поверхности бетонных и железобетонных изделии при помощи различных приборов.

Установлено, что чистота поверхности бетона, подверженной механической обработке, зависит от правильного подбора формы рабочих органов, а также видов и скоростей их движения, соответственно жёсткости бетонной смеси. Определена постановка задач исследования.

Во П главе работы проведен обзор и анализ «Оборудование для обработки поверхности бетона» проведен обзор исследований, посвященных оптимизации параметров заглаживающих машин. Выполнен обзор существующих схем заглаживающих машин, показал большое разнообразие применяемых в мире конструкции дисковых заглаживающих машин для обработки бетонных поверхностей.

В практике производства работ по устройству бетонных покрытий полов и перекрытий, особенно промышленных и коммунальных объектов, а также аэродромных и дорожных покрытий, необходимо учитывать их специфические свойства, определяющие эксплуатационные характеристики покрытий. Эти характеристики отличаются большой разновидностью, что определяет применение для производства бетонных покрытий особых технологий, материалов и механического оборудования.

Выполненные в этой главе исследования показали, что, несмотря на быстрые темпы развития технологии обработки бетонных и железобетонных поверхностей, в данное время, не существует еденного универсального метода оценки эффективности применения машин тех или иных типов.

В главе Ш диссертации представлен «Теоретический анализ процессов проходящих в зоне действия рабочих органов заглаживающих машин». Анализ выполнен с использованием аналитических методов и программ моделирования, путём построения модели воздействия и её решения с использованием разработанной автором компьютерной программы моделирования структуры и оптимизации параметров движения дисковых рабочих органов машин для обработки поверхности бетона.

Установлены особенности кинематики движения дискового рабочего органа машин для заглаживания поверхностей бетонных конструкций. Получило дальнейшее развитие изучения процессов, протекающих в зоне действия рабочих органов заглаживающих машин.

В результате движения диска по поверхности обрабатываемого материала происходит выравнивание поверхности заглаживанием, втирание композитов, а также шлифовка. В случае вращающегося диска имеем сложение двух движений. Чаще всего это сложение прямолинейного равномерного поступательного движения и вращения диска вокруг оси. Возможно использование и других видов поступательного движения криволинейного, зигзагообразного, эксцентричного и других.

В польских условиях используется в большинстве случаев ручные машины для заглаживания поверхности бетонной смеси. Эти машины управляются оператором хаотическим движением. Потому, что движение, как и траектории движения, изменяются, то разные точки обрабатываемой поверхности поддаются разной интенсивности обработки. Это бывает причиной неравномерности физических параметров обрабатываемой таким спо-

собом поверхности, что негативно влияет на качество.

Исследовательские работы доказали, что оптимальным методом управления рабочего органа в случае ручных машин, это равномерное движение машины по прямой линии. Складывание более сложных движений влияло на отсутствие повторяемости.

В теоретических и экспериментальных исследованиях выполнены на примере ручных дисковых заглаживающих машин с собственной скоростью вращения диска 72 об/мин и диаметром рабочего органа 0,5 м.

Выбор такого рода машин был вызванный их общим применением в -польских условиях.

После выполнения процесса обработки исследовалась шероховатость отдельных точек поверхности. Качество обработки было тем больше, чем меньше был коэффициент стандартного отклонения шероховатости Ла измеряемой на перпендикулярной линии к траектории движения рабочего органа.

Введён параметр, названный, геометрической эффективности 8в, позволяющий сравнивать результаты заглаживания рабочими органами с различными геометрическими параметрами.

Геометрическую эффективность в данной точке можно тоже определить как длину линии, которую профилировала (вычертила) данная точка обрабатываемой поверхности на поверхности диска рабочего органа с учётом скорости поступательного движения.

Целью диссертации было создание метода оценки эффективности существующих геометрических форм дисковых рабочих органов для обработки бетонных поверхностей.

Геометрическую эффективность вращающегося и одновременно передвигающегося рабочего органа на обрабатываемой поверхности можно определить как функцию трех переменных: поступательной скорости, скорости вращения и геометрической формы диска:

8,-=Ф„шв,в) (1)

где: \ - поступательная скорость диска,

юо - скорость вращения диска,

В - параметр, связанный с геометрической формой рабочего органа и их размещения.

Для поверхности диска, равномерно вращающегося и одновременно прямолинейно перемещающегося равномерным движением, скорость воздействия будет неоднородной на поверхности диска.

Скорость воздействия в отдельных точках диска (абсолютная скорость) V, это векторная сумма поступательной скорости диска и вектора линейной скорости, создаваемого вращательным движением диска, что указано на рис. 1. Абсолютную скорость для произвольной точки диска (х, у), где начало координат является середина диска (0,0) можно определить, используя несколько простых зависимостей. Поступательная скорость имеет одинаковую величину и направление (соответственно с направлением движения диска) независимо от положения точки. Вектор скорости вращательного дви-

жения V., имеет разные параметры в зависимости от положения относительно середины диска. Значение этого вектора прямо пропорциональны произведению вращательной скорости V/ и расстояния г от середины диска: У„=«*г (2)

где. о - скорость вращения, рад/с,

г - расстояние точки от середины диска г = + у:

Рис. 1 Векторы V, абсолютной скорости для произвольной точки на поверхности диска.

Направление скорости вращения в данной точке перпендикулярно к -водящему радиусу этой точки, а ее поворот соответствует направлению скорости вращения. Линейная скорость Уи, вытекающая из скорости вращения пропорциональная к длине водящего радиуса точки г. Водящий радиус может принимать величины из предела (О, Я). Минимальное значение этой скорости в пределах диска равно 0, в середине диска (0,0) и <в * Я на краю диска.

Равнодействующая скорость V, принимает величину от Уатп = 0 для точки на оси х, где (Ур = -V.). Максимальная скорость V, будет на краю диска на высоте ее середины для точки (-11,0), где У, „^ = со * Я + Ур.

Абсолютная скорость диска в зависимости от положения точки относительно середины диска (х, у) определяется формулой:

V, = ^ + 2Урхш+х V + у V ; (3)

где: V - поступатечьня я скорость рабочего органа, ' >

со - скорость вращения рабочегр органа,

х, у - координаты исследуемой точки в системе координат с началом в середине рабочего органа и оси у согласно направлению поступательного движения диска.

Величина абсолютного распределения скорости для сплошного диска указанная на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Пространственный график абсолютной скорости V, диска дня поступательной

скорости Ур =0,1 м/с и скорости вращения ю=72 об./мин (ш=7,54 рад/с), у

Рис. 3. Изолинии абсолютной скорости V, диска для поступательной скорости \ = ОД м/с и скорости вращения ш=72 об./мин («,=7,54рад/с).

На рис. 4 показано направления абсолютной скорости для сплошного диска.

= 0,1 м/с и скорости вращения и=7,54 рад/с (а> = 72 об./мин).

Абсолютная продольная скорость линий параллельных направлению поступательного движения диска (Ур) по формуле (3) указанная на графике рис. 5.

У^М/с]

Рис. 5. Графики абсолютной скорости V, диска для линий параллельных V, в пределах х -0,0225...0,225 м от середины диска.

Геометрическую эффективность можно определить как интеграл абсолютной скорости по времени вдоль линии контакта.

Абсолютная скорость в зависимости от времени для линии на расстоя-

нии х от середины диска можно определить следующим выражением:

V. =Л/У;+2У хсо+12У>г+хгш2 .

а V Р р Р

Нахождение интеграла для абсолютной скорости: /У.Л,

в = -ц/у2 + 2V хш + 12У2ю2 + х2о>2 +

л V Р Р Р

2Урсо

(Ур + хсо)21п(21Урсо + 2^Ур + 2 Урха + 12У2ю2 + х2со2)

Определение пределов интегрирования (-у, у) (-4,1):

1 =

(5)

(6) (7)

Нахождение определенного интеграла в пределах интегрирования в -зависимости от координат х:

8„(х)=

'"} УаЛ

■т/я

е.(X) = -х2)(Ур + 2Урхй) + Я2

, ./V2 + 2У хсо + со2Я2 +о)л/к2 -х2 + (V + хсо)21п(Х-£--, ,-, , ■)]

(8)

(9)

хео+ш'Я1 -юл/й2 -х*

Примерные графики геометрической эффективности для одинаковых кинематических параметров для разных радиусов рабочих органов в виде сплошного диска указано на рис. 6.

БЛм]

х[м]

О 25 -0 20 -0 15 О 10 0 05 О 00 О 05 О 10 0.15 0 20 О 25

Рис. 6. График геометрической эффективности для поступательной скорости = о I м/с и скорости вращения ю = 72 об./мин (ю = 7,54 рад/с) для дисковых рабочих органов радиусом Я от 0,01 до 0,25м. 11

При сохранении соотношения величин поступательной скорости V,, и скорости вращения со

- = СОМ1

(Ю)

вычерченные траектории точками обрабатываемой поверхности на диске идентичны, также будет идентичны графики формы и величины геометрической эффективности .

При сохранении соотношения величин поступательной скорости Ур, вращательной скорости V/ и радиуса сплошного диска Я как в уравнении: ю*Я

(11)

- = СОП51

не изменяются пропорции геометрические формы графика. При сохраненной пропорции величины геометрической эффективности для точек графиков двух дисков о радиусах Я, и Ы2 отдаленных от середины диска, такое соотношение х до радиуса Я х|/Я1 = х2Л12 показывают геометрическую эффективность, определенную формулой:

= (12)

Примерные графики 8е для сплошных дисков радиусом Я = 0,25 и я = 0,50 м при сохранении зависимости (11) показаны на рис. 7 показывают, что сохраняется их пропорциональность

-0 5О -О 40 -ОЗО -0 20 -0 10

Рис. 7. График геометрической эффективности для поступательной скорости Ур =0,1 м/с и скорости вращения со = 72 об./мин (и = 7,54 рад/с) для дисковых рабочих органов радиусом я = 0,25 и л = 0,50 м при сохранении соотношения аЯ/У^ получается пропорциональный график.

Определение величины средней геометрической эффективности для сплошного диска

| [ у.лах. (И)

V)д,

!

_ . R

S. =

>¿1" JL VVP+2VPx(0 + tJV>3 + xVdtdx> (14)

"R -Vr- -*:/vp

Прибяюительная формула средней геометрической эффективности для сплошного диска

5-.'^. (15)

р

Величина коэффициента уточнения средней эффективности воздействия af принятая как постоянная составляющая 1,05 (по данным проф. A.B. Болотного).

Анализ выявил, что коэффициент уточнения средней эффективности

воздействия at постоянный для сохраненного соотношения const.

р

Величина коэффициента уточнения средней эффективности воздействия as для разных величин соотношения со * R / vp представлено на ниже указанном графике рис. 8.

Т"* «о

Рис. 8. График, определяющий величину коэффициента уточнения средней эффективности воздействия а, зависимости от соотношения ®*R/vp.

Как следует из графика величину коэффициента уточнения средней эффективности воздействия at для соотношения ®*R/VP >12 можно предположить с небольшой ошибкой, что коэффициент постоянный и составляет 1,04941. Для меньших величин указанной пропорции нужно подбирать величину коэффициента.

Для расчета средней геометрической эффективности кольцевого рабочего органа был использован принцип суперпозиции. Средняя эффективность воздействия кольца с наружным радиусом Rz и внутренним Rw это разница эффективности сплошного диска о радиусе Rz и сплошного диска о радиусе Rw усредненная для длины 2*Rz. Среднюю эффективность для кольца определяем из формулы:

- «»«.Ri-Rl

8 "IT

или

(Р .аД^-аХ

8 V Я

*р г

в случае больших диспропорций и

Величины а, а2, аж нужно подбирать как для сплошного диска. Уравнения геометрической эффективности кольца с наружным диаметром Я7 и внутренним для точек в зависимости от расстояния их от центра:

ДЛ* (18)

в,-2

Ъ=2

Д №

+ 2Ухи+С2У>2+Х2СО2 Л.

(19)

Величину геометрической эффективности для кольца можно определить из формулы:

= ^(К-х 2) * (V2 + 2Урш + Я 2со2) -^-х2)*^р:+2Ур(В + ^ш2)] -

| (Ур+хш); у^Г^+Р; +2Урсо+Я2с)2 ) (0^1 -х2 +^У2+2Ур<о + К2ш2

(20)

Графики геометрической эффективности 5г для кольца с наружным радиусом от 0,01 до 0,25 м и толщине 0,01 м, для вращательной скорости и скорости вращения о> = 72 об/мин (ш = 7,54 рад/с) и поступательной скорости Ур - 0,1 м/с представлены на приведенном ниже графике рис. 9.

0 25 -0 20 -0.15 -0 10 -0.05 0.00 0 05 0 10 0 15 0 20 0.25 Рис 9. График геометрической эффективности для поступательной скорости Ур = 0,1 м/с и скорости вращения со = 72 об./мин (ю = 7,54 рад/с) для кольцевых рабочих органов о диаметре Я, = 0,1 до 0,25 м и толщине 0,0! м.

Геометрическую эффективность в произвольной точке сплошного диска можно рассчитать, суммируя величину геометрической эффективности всех колец.

В случае, когда рассчитываем другую геометрическую форму дигита-лизированную и записанную в кольцевой форме, когда в кольцах имеется разрыв от 0 до 1 (например лопасти) для такого кольца нужно принять величину как для полного кольца умножая на коэффициент заполнения

Система уравнений для к тичек Графика при разделении диска на п колец имеют следующий вид:

в,.,**, + в^Ч + 8, +... + Б, „X = вв1

V*. + + ^.з^з+ - + V™. =

«Ч.Ч + V*! + V"» + - + V™« = в.3 (21)

+ + в«^ +... + 84дХ = 8,4 V™. + Б^Ч + в^Ч + ... + = ^

Коэффициенты \у системы уравнений для очередных линий являются интегралами с абсолютной скоростью по времени вдоль части линии контакта, покрывающиеся с кольцом, что указано на рис. 10.

Рис. 10. Схема нахождения коэффициентов определяющих геометрическую эффективность я,,полученную от очередных колец на линии отдаленной от середины

диска на расстояние х.

Для расчетов эффективности воздействия дисков с перекрытиями рассчитываются коэффициенты сумм, как соответствующие величины для пересекающихся линий диска «главных» и «с пере1фытиями».

Геометрическую эффективность для диска с геометрической формой, разделенной на кольца можно записать в виде произведения определителей:

или в символическом виде:

в * >у = 58 (23)

где: 5 - определитель коэффициентов, описывающих геометрическую эффективность для отдельных колец для отдельных точек графика, V? - матрица столбец (вектор) коэффициентов заполнения колец, в, -матрица столбец (вектор) значение геометрической эффективности. Матрица № это матрица столбец (вектор) коэффициентов заполнения колец. Величина этой матрицы соответствует количеству концентрических колец, на которые разделен диск. Элементы этой матрицы могут принимать величины от 0,0 до 1,0 в зависимости от пропорции до всей поверхности кольца.

Матрица в, это матрица столбец (вектор) значение геометрической эффективности воздействия рабочего органа в очередных точках измерительной линии. Значение этой матрицы зависит от количества точек, в каких рассчитана будет геометрическая эффективность на измерительной линии.

Матрица б это матрица геометрической эффективности Б, для отдельных линий контакта с разделением на отдельные кольца. Матрица в имеет столько строк, сколько заложено измерительных точек и столько столбцов, колец, на сколько виртуально разделен рабочий орган. Сумма значений коэффициентов в строке соответствует величине эффективности сплошного диска в точке, до которого она приписана.

Коэффициенты перекрытий проходов с левой и правой стороны указаны на рис. 11.

Для передвигающегося диска равномерным прямолинейным движением \ и одновременно равномерно вращающимся движением ш через линию сенсоров 8, получаем графики несимметричные относительно середины оборота. Это есть вызванное представленным раньше суммированием скорости. Графики для одного прохода на концах линии сенсоров выказывают нулевые величины геометрической эффективности воздействия. Чтобы улучшить равномерность воздействия, а этим самым качество обработки применяется соответственно подобранные перекрытия проходов с правой и левой стороны. Величина перекрытий на графике с левой стороны обозначается как а, а с правой стороны как Ь. Перекрытие траектории производится таким образом, чтобы обрабатываемая поверхность накладывалась на обработанную поверхность бетона. В зоне перекрытий наступает суммирование эффектов воздействия при очередных перекрытиях рабочего органа. Повторяемая часть эффективности воздействия обозначена на графике символом Г и имеет длину равную четырем радиусом диска, уменьшенную на сумму дли-

ны перекрытий обоих сторон. Графики эффективности воздействия на указанной схеме работы на произвольной длине линии можно получить через многократное умножение повторяемой части с левой и правой стороны. Все показатели типа средне- арифметического значения или равномерности стандартного отклонения, среднеквадратическое отклонение или показатель этих отклонений для поверхности, должны бать рассчитанные на повторяемой длине Г. Идентичные величины показателей как для повторяемой длины Г получаем, осуществляя измерения на длине Г, как на графике. Зто вызванное тем, что левая часть на длине 2Я - а и правая часть длиной 211-Ь разделена через линии середины пути (дороги) диска являются симметричными относительно своих серединок.

===== ====т=

Рис. 11. Обработка бетонной поверхности рабочим органом по заданной схеме работы с частичным накладыванием зоны (полосы) во время следующих переходов.

Этим способом можно уменьшить количество расчетов для симмуля-ционных программ или ограничить измерительную длину в экспериментальных методах.

Для сравнения качества параметров эффективности воздействия рабочих органов, рассмотрим сравнительные критерии. С точки зрения технологии обработки бетонных поверхностей с целью обеспечения высокого качества требуется однородность процесса обработки. В качестве сравнительного критерия принято стандартное отклонение от ожидаемой величины геометрической эффективности Бв. В случае сравнения геометрической формы с разньми ожидаемыми величинами можно использовать критерии на базе сведений к минимум показателя стандартного отклонения.

Формула средней геометрической эффективности вдоль исследуемого отрезка длиной Ь, на котором совершаем п измерении на одинаковых расстояниях Ь/(п-1) и получаем очередные величины принимает следующий вид:

1 а-1 1

г + (24)

8 п-1

Формула стандартного отклонения геометрической эффективности имеет вид:

(25)

где: Б,, - величина пробы геометрической эффективности в данной точке, ожидаемая величина геометрической эффективности, р - вероятность появления данной пробы.

В случае, когда анализируем данные вдоль повторяемого отрезка длиной Ь, на котором совершаем п измерений в одинаковых расстояниях Ь/(п-1) формула на стандартное отклонение принимает следующий вид:

1

1 __»-! __I _

п-1

Показатель относительного отклонения лучше подходит для сравнения характеристик инструмента с разной средней величиной измеряемого параметра. Общий вид формулы показателя относительного отклонения следующий:

Ч- (27)

В раскрытом виде для анализа данных определенных на измерительном отрезке формула имеет вид:

--^---. (28)

я, (П-1)

Результат рационализации рабочего органа компьютерной програм-

мой использующей разделение поверхности диска на концентрические кольца показан на рис. 12.

Рис.12 Рационализированный рабочий орган с помощью 50 концентрических колец

Рис. 13 РабочййтэргаЯ, геометрическая форма которого построена с простых геометрических фигур.

Рационализированный рабочий орган (рис. 13) построен на базе треугольника с закругленными краями радиусом г и с вырезанными половинками трех окружностей центрами на серединке длины каждого бока треугольника и радиусе вырезки я„.

На рис. 14 показано эффективность воздействия рационализированной геометрической формы для одного и двух проходов. Благодаря получению равномерного прироста эффективности с левой и правой стороны после применения соответственно подобранных перекрытий получаем постоянную величину эффективности, что видно на рис. 15. Для поступательной скорости = 0,1 м/с и скорости вращения со = 72 об./мин (ю = 7,54рад/с) для кольцевых рабочих органов о радиусе Я = 0,25 м рационализированные геометрические величины равны г = 0,019 м и Я,, =0,092 м.

„„.¡50 И]

200

-0 25 -0 20 -015 4)10 -0 05 0 00 0 05 010 015 0 20 0 25

Рис. 14 Сравнение эффективности воздействия диска с перекрытиями проходов для рационализированной геометрической формы; сплошной линей обозначено характеристики для одного прохода диска, прерывистой линей обозначено характеристики для двух проходов (противоположные скорости вращения).

. Sg Im]

2.00 •

0.00 '

n*M

-0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -006 000 009 0.10 OIS 0.20 025

Рис. 15. Сравнение эффективности воздействия диска с оптимальными перекрытиями

проходов для рационализированной геометрической формы; сплошной линей обозначено характеристики для одного прохода диска; прерывистой линей обозначено характеристики для двух проходов (противоположные скорости вращения).

Сравнение свойств эффективности воздействия традиционного четы-рехлопастного рабочего органа и рабочего органа с рационализированной геометрической форме указано на рис. 16.

/ТЧ Р

Ч1У

-в» -вар -0» «W 48Б 0.00 оев ею ачв ох а»

425 A» 4M 4110 -0.05 Ы» 00S 010 Ü15 OJO 0-25

а). а=5см,Ь=6см, S,=1.705838m, £ = 0.149438 б) а» 10см, b-12см, Ss=l 704842м,6 = 0.051416

435 «1» -О» МО 0Я 0.10 а» ОЛ 0 23

4S 420 -Ol S «1С -OJK ало 0Х о 10

в), a = 5см, b = 5см. S, = 3.498654м, s = 0.135660 г).а = 11см, Ь = 11см, Se =3.419242м, е = 0.0135660

Рис. 16. Сравнение эффективности воздействия дисков с перекрытиями проходов для традиционной геометрической формы в виде четырех лопаток и рационализированной; а, б - указаны характеристики эффективности для одного прохода диска; в, г - для двух

проходов.

Указанные аналитические методы определения эффективности воздействия дают средине величины. Эффективность воздействия в продольном направлении не одинаковая на всей длине для геометрии рабочих органов с выемками. Это вытекает из геометрии рабочего органа, где распределение хода трущейся поверхности неоднородное.

Время после, которого рабочий орган установится в идентичном начальном положении.

1„ =

2тс

(29)

где: Ур - скорость вращения рабочего органа,

п - количество оси симметрии рабочего органа. Длина повторяемого цикла смен продольной геометрической эффективности воздействия.

с = УрЧ

с = V

пш '

(30)

где:

\ - поступательная скорость рабочего органа, оо - скорость вращения рабочего органа, п - количество оси симметрии рабочего органа. На рис. 17 можно заметить продольную неравномерность эффективности воздействия. Четко заметны повторяемые вдоль направления обработки. Неравномерность кинематических параметров небольшая и не влияет на уменьшение качества обработки бетонной поверхности.

а)

Ь)

090

ОЛО 070 060 050 0« ОХ одо 010 040 -0 10

Рис 17. Геометрическая эффективность воздействия $8 на обрабатываемую поверхность при однократном проходе диска для рационализированного элемента для поступательной скорости » 0,1 м/с и скорости врашения ш = 72 об /мин (и = 7,54 рад/с) для кольцевых рабочих органов о диаметре 0,25 м и толщине 0,01 м, а) пространственный график, горизонтальный график.

Существуют простые возможности создания эквивалентных геометрических форм по отношению к геометрической эффективности через разделение рабочей поверхности на части. Пример возможности формирования геометрической формы через разделение указано на рис. 18.

Рис !8 Геометрические формы рабочих органов с идентичной средней геометрической эффективностью полученные через разделение выполнения кольца на п = 3 8 одинаковых частей (лопаток).

С увеличением элементов, на которые разделен рабочий орган, возрастает, продольная равномерность обработки. Заглаживание рабочим органом, разделенным на многие элементы не выгодно, что вызвано большим числом краев, которые действуют как режущие элементы, а также укорочением сплошной линии контакта обрабатываемой поверхностью. В случае рабочих органов для заглаживания используется три или четыре лопасти. Большее количество лопастей применяется для окончательного заглаживания поверхности.

Приблизительный численный метод определения геометрической эффективное-! и ио.;дейс1 вия для произвольной геометрической формы. Используя ранее определенные формулы на геометрическую эффективность воздействия для кольца можно простым способом установить приближенные величины геометрической эффективности 5г для произвольной геометрической формы рабочего органа.

Каждую геометрическую форму можно записать в виде коэффициен-

тов заполнения кольца. Эти коэффициенты являются действительными числами и принимают значение от 0,0 до 1,0. Коэффициент определяемой как (0,0) обозначает, что рабочий орган не имеет общей части между поверхностью кольца и обрабатываемой поверхностью. Когда значение коэффициента для данного кольца составляет 1,0, это обозначает, что поле кольца полностью является занятым срезывающей поверхностью. Косвенные значения обозначают частичное заполнение поля. Коэффициент заполнения можно получить через однородное тестирование поверхности кольца точками, где проверяется нахождение в данной точке срезывающей поверхности. На основании соотношения количества попадании к количеству проб можем статистически определить коэффициент заполнения.

Точность воспроизведения геометрической формы на кольце увеличивается с ростом количества колец и количеством точек тестирования. Пример распределения тестирования указано на рис. 19.

Собранные этим способом коэффициенты могут быть использованные как начальные данные для рационализации методой колец.

Нужно подчеркнуть, что полученные на основании этой методики результаты являются средними значениями и не учитывают изменяемости этого значения вдоль линии поступательного движения диска.

Рис. 19. Схема разделения существующей геометрической формы на кольца с помощью точек, которыми проверяется существование срезающей поверхности.

В главе IV диссертации была проведена «Экспериментальная проверка теоретических анализов и расчетов новой конструкции диска заглаживающей машины» с целью решения задач проверки результатов теоретических исследовании путём постановки экспериментов, которые содержат также анализ

23

экономических эффектов применения оптимальных параметров дискового рабочего органа при обработке бетонных поверхностей.

В опытных исследованиях решена задача приспособления параметров работы дискового рабочего органа к консистенции обрабатываемой бетонной поверхности. Критерием их оптимизации являлось качество обработки бетонного элемента, определяемое ее шероховатостью.

Среднюю абсолютную шероховатость я. определяем формулой:

Средняя арифметическая шероховатость принимает вид:

где: ь,-1 измерение расстояния от точки поверхности,

п - количество измерении.

Для решения этих задач необходимой оказалась совершенствование метода измерения шероховатости, позволяющего с большей точностью определить её изменения на заданном участке обработки с применением современных достижений компьютерного моделирования. Сущность метода состоит в использовании сканирующей установки, работающей с персональным компьютером и обработке сканирования по составленной для этой цели компьютерной программе «БИТ-МАП 1».

Метод измерения потребовал определения по эталонным образцам соответствующих зависимостей между показателями яркости сканирования поверхности, а показателями её шероховатости.

Целью опытных исследований являлось сравнение равномерности эффективности воздействия традиционного рабочего органа для бетонной смеси жесткостью 25 с. Проведен цикл экспериментов для дисков с четырьмя прямоугольными лопастями и рационализированного элемента. Выполнено цикл экспериментов для комбинаций скорости вращения 60,72 и 84 об/мин и поступательной скоростью 0,05, 0,10 и 0,15 м/с. Выполнен анализ эффектов обработки бетонной поверхности двух рабочих элементов и выявление корреляции между эффективностью воздействия, а шероховатостью обрабатываемой поверхности.

Желаемый предел изменений величины эффективности воздействия получен путём изменений кинематических параметров работы диска согласно плану эксперимента.

Для проведения экспериментов заглаживания поверхности бетонного изделия была приспособлена мостовая машина, построенная для шлифования и полировки облицовочных плит, производимых из минеральных и композитных материалов. Фотография приспособленной для заглаживания машины приведена на рис. 20.

(31)

(32)

Рис. 20. Испытательный стенд, использованный для опытного заглаживания поверхности бетонной смеси, а) машина для заглаживания бетонной смеси, б) вид прототипа рационализированного диска, использованного для заглаживания.

Из данных рис. 21 следует, что качество заглаживания поверхности наиболее жесткого бетона (Жд = 35 с) повышается по мере увеличения эффективности воздействия сплошного диска. Ход кривой ЖЛ = 35 с на рис. 21 указывает, что применение параметров движения рассматриваемого диска, которые дают эффективность его воздействия меньше 8 м приводит к резкому ухудшению качества заглаживания. Для бетона жесткостью Жв = 25 с возможно применение параметров движения дающих меньшую эффективность воздействия, но одновременно отмечено, что, начиная с эффективности воздействия = 22...26 м получается постепенное ухудшение качества заглаживания. Для бетона жесткостью Жс = 15 с отмечены небольшие пределы величин эффективности воздействия сплошного диска, для которых возможно было получение шероховатости поверхности изделия в пределах Яа = 1,0... 1,5 мм. Эти величины соответствуют переменным параметрам работы дисков, дающих среднюю эффективность их воздействия в пределах 2,5...18,0 м. Минимальные значения показателя шероховатости поверхности заглаживаемого бетона равны для жестокостей смеси: ЖА - Яа = 0,48 мм, Жи - Я = 0,67 мм и Жг - Я =1,06 мм.

В а 7 С а '

Зависимость качества заглаживания от эффективности воздействия сплошного диска для бетонной смеси жесткостью Жд = 35 с указывает, что в случае заглаживания полузатвердевшего или затвердевшего бетона целесообразным будет применение больших скоростей движения диска.

Рис. 21. Влияние геометрической эффективности заглаживания рабочим органом на показатель шероховатости поверхности 11,.

На рис. 22, 23 приведены примерные графики эффективности воздействия и шероховатости обрабатываемой бетонной поверхности для традиционного четырех лопастного и рационализированного рабочего органа. Два графики были выполнены для поступательной скорости Ур = ОД м/с и скорости вращения ш = 72об./мин (со = 7,54рад/с). На рис. 22 представлены графики для одного прохода дисков, а на рис 23 для двух проходов.

М щ [тт]

Рис. 22. Графики распределения геометрической эффективности и шероховатости поверхности для одного прохода: сплошной линей обозначено характеристики для рационализированного рабочего органа; тонкой линей обозначено характеристики для двух проходов четырех лопастного рабочего органа. 26

^ М яд [тш]

Рис. 23. Графики распределения геометрической эффективности и шероховатости поверхности для двух проходов: сплошной линей обозначено характеристики для рационализированного рабочего органа; тонкой линей обозначено характеристики для двух проходов четырех лопастного рабочего органа

На графиках, на рис. 22 и 23 видна зависимость между эффективностью воздействия и шероховатостью бетонной поверхности.

При двух проходах качество обработки улучается.

В предложенном ходе двух циклов переменной обработки бетонной поверхности как указывает рис. 23, улучшается однородность обработки и снижается время работы.

А

1' _ 2 3' _ 4 5' ^ 6 г 8 чп5 т

«V 5' , 1 V Ч, I V; V. | - 'V.

• 4| ьЛ V. !_ 1 | 3 2' 1 8'

Щ 3' I 1 1 1 1 1 1 *я» ч

се 2 J ■ч» Vк» V-! ^к ™

1' 1 2' ' 3 4' ' 5 6' " 7*

а а а а . а а . а

Рис. 24. Предложенный упорядочиваемый ход двух циклов обработки.

Вводя упорядоченное движение и оптимизацию перекрытий, уменьшилась длина проходов и увеличилась равномерность обработки. Сравнивая

«хаотическое» с упорядоченным движением время уменьшилось в среднем

на 12%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Созданная новая конструкция заглаживающего диска, обеспечивающая улучшение физико-механических свойств обрабатываемых поверхностей: сопротивления сжатию, на срез, морозоустойчивости, а также получения программируемых фактурных поверхностей.

2. Разработана методика и создано программное обеспечение для расчёта параметров заглаживающих дисков и оптимизации процесса заглаживания.

3. Использован метод опто-электрического определения шероховатости поверхности и уточнены правила оценки критерия эффективности воздействия рабочего органа.

4. Достигнут более равномерный износ рабочих органов, что повышает качество обрабатываемых поверхностей бетона.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Райчык Я., Калиновски Я.: Технологические условия обработки поверхности бетона. // тезисы докладов XXI научно-технической конференции в рамках проблемы «Наука и мир» - Брест: БПИ, 1995. - ч Ш.С. 112-114.

2. Rajczyk J., Kalinowski J.: Z zakresu malej mechanizacji. Maszyny, Urz^dzenia&Narzfdzia, №1., 1997, str.4-7.

3. Przybylo. W., Kalinowski J.: С++ and Fortran Procedures for Optimum Renumbering of Nodes of Structures. Materiafy konferencyjne «Lightweight Structures in Civil Engineering. Local Seminar of IASS Polish Chapter. Warsaw-Cracow 2000», s. 93-102/

4. Райчык 3., Калиновски Я.: Теория и практика механической обработки поверхности бетонных конструкций и использованного при этом оборудования.: ИНТЕРСТРОЙМЕХ - 2001. Труды международной научно-технической конференции. С.Пб. 2001, с. 281-287.

5. Rajczyk J., Rajczyk, M., Kalinowski J.: Technologia obrôbki powierzchni betonowych. Opole 2001.1 Sympozjum «Diagnostyka i badania most6w» Politechnika Opolska. Wydz. Bud. Opole. 4-6 kwietnia 2001 s. 287-291.

6. Rajczyk J., Rajczyk M., Kalinowski J.: Badanie efektywnoici procesyw obrôbki zacierania powierzchni betonowych. Budownictwo о zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Praca zbiorowa pod red. Tadeusza Bobki, Czçstochowa 2004, s. 321-330, ISBN 83-7193-269-3.

7. Rajczyk J., Rajczyk M., Kalinowski J.: Effect of the Geometrical Form of the Working Elements of a Surface Treatment Machine., Technology & Economy in Industrial Reconversion, Virton 2004, s.348-352

8. Rajczyk J., Rajczyk M., Kalinowski J.: Element roboczy nowej struktury geometrycznej do obróbki powierzchni. Zgloszenie projektu wynalazczego z 20.04.1998.

9.Rajczyk J., Rajczyk M., Kalinowski J.: Narzçdzie do obróbki powierzchni plaskich. Patent nr 340275 z dnia 23.09.2002.

Подписано в печать 20.05.2005. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,7. Тираж 100 экз. Зак. 102.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 5.

i i

РНБ Русский фонд

2006-4 28275