Основы расчета зубчатой виброзаглаживающей рейки бетоноукладчика

УЕБТЫНС

мвви

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 693.54

П.Д. Капырин, М.А. Степанов

ФГБОУВПО «МГСУ»

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЗУБЧАТОЙ ВИБРОЗАГЛАЖИВАЮЩЕЙ РЕЙКИ БЕТОНОУКЛАДЧИКА

Предложена новая конструкция бетоноукладчика с зубчатой виброзаглажива-ющей рейкой. Сущность разработки заключается в том, что в бетоноукладчике для формования изделий из бетонных смесей подъемно-опускаемый заглаживающий механизм выполнен в виде зубчатой рейки, имеющей верхнюю и заглаживающую плиты, жестко связанные между собой. При этом во внутреннем продольном пазу заглаживающей плиты по его длине размещены зубья с выступающей конической рабочей частью. Целью работы являлось создание конструкции для более эффективного уплотнения бетонной смеси.

Ключевые слова: бетоноукладчик, вибрационный способ уплотнения, зубчатая виброзаглаживающая рейка.

Исследования отечественных и зарубежных ученых последних десятилетий, начиная с 1950-х гг., показали огромные потенциальные возможности достижения высокого уровня свойств бетонных и железобетонных конструкций путем совершенствования конструкций, и методов формования изделий из бетона и железобетона.

В связи с этим обстоятельством весьма актуальной задачей остается разработка эффективных конструкций машин и оборудования для уплотнения бетонных и железобетонных конструкций, использующих различные методы воздействия на бетонную смесь, с целью получить максимально плотное изделие с достаточно высокой степенью качества и минимальной стоимостью процесса уплотнения. Однако мононаправленное воздействие на бетонную смесь не всегда обеспечивает необходимое качество конечного продукта. Как показал многолетний опыт, сочетание различных видов воздействия на бетонную смесь с вибрационным способом уплотнения обеспечивает получение изделий с гарантированными прочностными, эксплуатационными и эстетическими показателями [1—4].

Известно, что при выгрузке бетонной смеси в форму под собственным весом происходит захват воздуха с образованием воздушных полостей по всей толщине бетонной смеси. Следствием является неравномерное распределение бетонной смеси с воздушными пробками, которые при уплотнении смеси в форме стремятся накапливаться в поверхностном слое, что снижает качество поверхности готового изделия [5].

Для устранения указанных нежелательных явлений нами предложена конструкция бетоноукладчика с зубчатой виброзаглаживающей рейкой (рис. 1—4) [6], позволяющей повысить качество заглаживаемой поверхности бетонной

ВЕСТНИК 9/2013

9/2013

смеси за счет интенсификации процесса уплотнения поверхности бетонной смеси, путем увеличения степени проникновения вибраций во внутренние слои и давления на бетонную смесь [7].

Сущность разработки заключается в том, что бетоноукладчик для формования изделий из бетонных смесей, включающий самоходный портал, снабженный подъемно-опускным заглаживающим механизмом и тележкой с механизмом передвижения, несущим поворотный бункер с раздаточным окном, снабженным заслонкой, кинематически связанной с электродвигателем, и имеющим упругоэластичную прокладку. При этом подъемно-опускаемый заглаживающий механизм выполнен в виде зубчатой рейки, имеющей верхнюю и заглаживающую плиты, жестко связанные между собой, при этом во внутреннем продольном пазу заглаживающей плиты по его длине размещены зубья с выступающей конической рабочей частью, связанные с пружинами, шарнирно закрепленными на нижней плоскости верхней плиты, жестко соединенной со штоком гидроцилиндра и рамой, установленной на направляющих, смонтированных на портале.

Установка подвижных зубьев на рейке, состоящей из верхней и заглаживающей плит, способствует интенсификации воздействия вибрирующих колебаний на поверхность и вглубь материала, на высоту рабочей конусной части зубьев, что обеспечивает выход воздушных масс, способствует повышению степени уплотнения бетонной смеси и повышению качества изделия [8-10].

Зубья в заглаживающей плите размещены таким образом, что на каждом зубе жестко закреплена пружина, которая, в свою очередь, шарнирно крепится к нижней плоскости верхней плиты. Такая схема установки зубьев обеспечивает их подвижность в вертикальной плоскости относительно рейки, и, соответственно, смещение их во внутреннюю полость заглаживающей плиты в случае контакта зубьев с арматурой. Это предотвращает поломку зубьев, эффективно влияет на надежность работы бетоноукладчика и ведет к повышению качества изделий.

Нижняя плоскость заглаживающей рейки имеет плоский вид и обеспечивает выравнивание и уплотнение бетонной смеси до требований, предъявляемых к изделию.

Выполнение зубьев с углом конусной рабочей поверхности a = 120° исключает разбрызгивание материала и способствует интенсификации процесса его заглаживания. Значение величины угла конуса зубьев, указанное выше, получено на основании проводимых экспериментальных исследований в заводских условиях.

Использование гидроцилиндров на механизме подъема обеспечивает плавность процессов подъема и опускания, что снижает энергопотребление бетоноукладчика для формования изделий из бетонных смесей.

На рис. 1 приведен предлагаемый бетоноукладчик (общий вид); на рис. 2 представлен разрез А-А, с рис. 1; на рис. 3 — вид Б и разрез В-В с рис. 2; на рис. 4 — выноска I с рис. 1.

Рис. 1. Бетоноукладчик для формования изделий из бетонных смесей

4 5

25/щтт

Рис. 2. Бетоноукладчик для формования изделий из бетонных смесей, разрез А-А

В

ВЕСТНИК

МГСУ-

9/2013

Б

25

к

¡'\2.в

В- В

Рис. 3. Бетоноукладчик для формования изделий из бетонных смесей, вид Б, разрез В-В

Предлагаемый бетоноукладчик для формования изделий из бетонных смесей содержит самоходный портал 1 с механизмом передвижения 2, направляющие 3, на которых установлена тележка 4 с механизмом передвижения 5 (см. рис. 1) и приводом 6 поворота с тормозом 7 (см. рис. 2) бункера 8. Бункер 8 установлен на тележке 4 посредством отбойных роликов 9 и поддерживающих роликов 10. Один из роликов 10 кинематически связан с приводом 6 поворота бункера 8. На конусной части бункера 8 установлен вибратор 11, а с противоположной стороны выполнено раздаточное окно 12 (см. рис. 2). По его краям размещены направляющие 13, в которых посредством роликов 14 установлена заслонка 15. Заслонка 15 соединена с электродвигателем 16 посредством муфт 17, промежуточных валов 18, редукторов 19 и винтов 20, взаимодействующих с плавающими гайками 21, размещенными на заслонке 15. Один конец упруго-эластичной прокладки 22 соединен с верхней частью раздаточного окна 12, а другой прикреплен к нижней части заслонки 15.

Бетоноукладчик снабжен подъемно-опускным заглаживающим механизмом. Он представляет собой зубчатую рейку 23, выполненную в виде верхней плиты 24 и жестко связанной с ней заглаживающей плитой 25. Во внутреннем продольном пазу заглаживающей плиты 25 равномерно по длине размещены зубья 26. Каждый из зубьев 26 имеет цилиндрическую форму с конусной рабочей поверхностью с углом конуса 120° и жестко связан с пружиной 27. В свою очередь пружина 27 шарнирно закреплена на нижней плоскости верхней

плиты 24, что обеспечивает зубьям возможность свободного перемещения в вертикальной плоскости относительно рейки 23.

На плоскости верхней плиты 24 закреплены вибраторы 28, связанные с приводом прерывистого вертикального перемещения, зубчатой рейки 23. Кроме того, зубчатая рейка 23 жестко связана с рамой 29, установленной на направляющих 30, смонтированных на самоходном портале 1. Для подъема зубчатой рейки 23 и опускания ее в рабочее положение предназначен гидроцилиндр 31, шток 32 которого соединен с верхней плитой 24 в центральной ее части.

Бетоноукладчик работает следующим образом.

После включения механизма передвижения 2 портала 1 и механизма передвижения 5 тележки 4, установленной на направляющих 3, бетоноукладчик подгоняют к форме, в которую должна производиться укладка бетонной смеси. При помощи привода 6 поворота бункер 8 разворачивают таким образом, чтобы раздаточное окно 12 оказалось в нужном положении, останавливая поворот бункера 8 тормозом 7.

Включением электродвигателя 16 поднимают заслонку 15 по направляющим 13 посредством роликов 14 и кинематической связи, включающей муфты 17, валы 18, редукторы 19 и винты 20 с гайками 21, приоткрывая раздаточное окно 12. Бетонная смесь из бункера 8, отжимая упругоэластичную прокладку 22, попадает в форму. При необходимости используют вибратор 11 или виброплощадку, на которой находится форма. Использованием механизма 5 передвижения тележки 4 посредством отбойных роликов 9 и поддерживающих роликов 10 и привод 6 поворота бункера 8 с тормозом 7 можно выполнять соответственно поперечное перемещение и поворот раздаточного окна 12 с остановкой в заданном месте.

После наполнения формы бетонной смесью необходимо произвести интенсификацию процесса уплотнения бетонной смеси и заглаживание поверхности формуемого изделия. Для этого включают механизм подъема и опускания заглаживающего механизма, и включается гидроцилиндр 31. За счет связи его штока 32 с рейкой 23 (посредством жесткого крепления штока 32 к центральной части верхней плиты 24) и наличия рамы 29 так же жестко связанной с рейкой 23 и установленной на направляющих 30, заглаживающий механизм опускается в бетонную смесь таким образом, что рабочая конусная часть зубьев 26 оказывается полностью заглубленной в бетонную массу.

Конусные поверхности зубьев 26, врезаясь в поверхность смеси, и перемещаясь вдоль изделия вместе с порталом 1, ин-

делий из бетонных смесей, выноска I

ВЕСТНИК

МГСУ-

9/2013

тенсифицируют процесс удаления скопившихся воздушных масс во внутренней поверхности смеси. Наличие шарнирной связи зубьев за счет пружин 27 с верхней плитой 24, обеспечивает им возможность смещения в свободную внутреннюю полость заглаживающей плиты 25 в случае контакта зубьев 26 с арматурой, что исключает их поломку.

Одновременно с включением гидроцилиндра 31 включается привод вибраторов 28, что обеспечивает прерывистый контакт нижней плоскости заглаживающей плиты с поверхностью бетонной смеси, при этом происходит дополнительное удаление воздушных масс.

Часть рейки 23, которая представляет собой заглаживающую плиту 25, в процессе горизонтального перемещения заглаживающего механизма вместе с порталом 1 выравнивает и уплотняет бетонную смесь, чем способствует заключительному формованию изделия. На этом цикл формования заканчивают.

Таким образом, использование предлагаемой конструкции виброзаглажи-вающей рейки бетоноукладчика для формования изделий из бетонных смесей позволяет повысить качество заглаживаемой поверхности бетонной смеси за счет увеличения интенсификации и процесса уплотнения поверхности бетонной смеси путем увеличения степени проникновения вибраций во внутренние слои и давления на бетонную смесь.

Проведенные лабораторные испытания показали, что замена формы зубьев с конусной рабочей поверхностью с углом конуса 120° на зубья шарообразной формы дает ускорение процесса виброзаглаживания и повышает качество поверхности изделия. Поэтому рассмотрим некоторые элементы расчета конструктивных параметров рейки с зубьями полусферической формы (рис. 5).

.¡0

ш

¡0

ь

Рис. 5. Расчетная схема для определения числа зубьев на рейке

В этом случае можно получить соотношения, которые связали бы следующие конструктивные параметры:

Г0 — радиус полусферической части зуба рейки, м;

L — длина зубчатой рейки подъемно-спускного механизма, м;

к — глубина прорабатываемого слоя бетонной смеси, м;

10 — расстояние между зубьями рейки, м;

юр — частота колебания зубчатой рейки, с1;

V — кинематическая вязкость бетонной смеси, которая в свою очередь зависит от объемного содержания воды, м2/с;

X — глубина проникновения вибрации в вязкую жидкость (бетонную смесь), м.

Очевидно, что расстояние между зубьями рейки не должно превышать удвоенной величины распространения вибраций в бетонной смеси:

10 = 2Х = ^8у/шр,

а глубину прорабатываемого слоя бетонной смеси можно определить исходя из следующего соотношения:

И = г + Х = г0 +^ 2у/ Юр.

Согласно расчетной схеме, приведенной на рис. 5, определим, что длину рейки можно найти исходя из следующего соотношения:

L = 2 пг0 +

На основании выражения (3), с учетом (1) находим, что число зубьев рейки «п» должно удовлетворять выражение

L -X

п = ^.

Го + Х

Подстановка в (4) выражения

X = у/ 2У/Ю

приводит к следующему результату: Ь

№

2 м /шр

n = 2

r0 2Vp

Таким образом, полученные соотношения (1)—(6) устанавливают искомую связь между конструктивными и технологическими параметрами зубчатой рейки заглаживающего подъемно-опускного механизма.

Библиографический список

1. Михайлов К.В. Железобетон в XXI веке. М. : Готика, 2001. 683 с.

2. Чаус К.В., Чистов Ю.Д., Лабзина Ю.В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 448 с.

3. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий / В.С. Богданов, Р.Р. Шарапов, Ю.М. Фадин, И.А. Семикопенко, Н.П. Несмеянов, В.Б. Герасименко. Старый Оскол : ТНТ, 2012. 680 с.

4. Журавлев М.И., Фоломеев А.А. Механическое оборудование предприятий вяжущих материалов и изделий на базе их. М. : Высш. шк., 2005. 233 с.

5. Hammond G., Jones C. 2008. Inventory of Carbon and Energy. University of Bath.

6. Капырин П.Д. Бетоноукладчик для формования изделий из бетонных смесей : Патент на полезную модель № 128153, заявка № 20131302741. Дата поступления: 22.01.2013. Зарегистрировано: 20.05.2013.

7. Савинов О.А., Лавринович Е.В. Теория и методы вибрационного формования железобетонных изделий. М. : Стройиздат, 1988. 154 с.

8. ДСК «Блок» инвестирует в новое оборудование для производства перекрытий и стен // Бетонный завод BFT Internation. 2009. № 3. C. 52—55.

9. Plouman J.M., 1953. The influence of variobles in the vibration of concrete. Concrete building and concrete products, Vol. 28, pp. 10—11.

10. Superplasticizers and other chemical Admixtures in concrete. Proceeding Fifth Canmet / ACI International Conference. Rome. (Italy), 1997.

Поступила в редакцию в сентябре 2013 г.

ВЕСТНИК 9/2013

9/2013

Об авторах: Капырин Павел Дмитриевич — аспирант кафедры механического оборудования и деталей машин технологии металлов, начальник научно-технического управления, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, kapyrin@mgsu.ru;

Степанов Михаил Алексеевич — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой механического оборудования и деталей машин технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, moidm@gis. mgsu.ru.

Для цитирования: Капырин П.Д., Степанов М.А. Основы расчета зубчатой ви-брозаглаживающей рейки бетоноукладчика // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 47—55.

P.D. Kapyrin, M.A. Stepanov

FUNDAMENTALS OF CALCULATIONS OF A VIBRATION-INDUCED SMOOTHING RACK

FOR A CONCRETE SPREADER

The essence of the new development, proposed by the co-authors, consists in the following engineering solution: a concrete spreader, designated for the molding of products to be made of concrete mixtures and composed of a self-moving gantry, is equipped with a hoisting smoothing mechanism and a cart having a travel mechanism that has a roll-over hopper and a dispenser with a shutter, that is kinematically connected to the power engine. The shutter has an elastoplastic lining. The hoisting smoothing mechanism represents a rack having rigidly connected top and bottom plates. The longitudinal groove of the smoothing plate has teeth with a conical body. The teeth are attached to the springs hinged to the bottom surface of the top plate rigidly connected to the rod of the hydrocylinder and a frame installed on the guide of the gantry.

The proposed construction of the vibration-induced smoothing rack of a concrete spreader improves the quality of the smoothed surface of concrete mixtures thanks to the higher intensification and compaction of the concrete mixture surface because of deeper penetration of vibrations into inner concrete layers and higher pressure produced on the concrete mixture.

Key words: concrete spreader, vibrocompaction, vibration-induced smoothing rack, concrete mixture.

References

1. Mikhaylov K.V. Zhelezobeton v XX veke [Reinforced Concrete in the 20ieth Century]. Moscow, Gotika Publ., 2001, 683 p.

2. Chaus K.V., Chistov Yu.D., Labzina Yu.V. Tekhnologiya proizvodstva stroitel'nykh ma-terialov, izdeliy i konstruktsiy [Technology of Production of Construction Materials, Products and Structures]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988, 448 p.

3. Bogdanov V.S., Sharapov R.R., Fadin Yu.M., Semikopenko I.A., Nesmeyanov N.P., Gerasimenko V.B. Osnovy rascheta mashin i oborudovaniya predpriyatiy stroitel'nykh mate-rialov i izdeliy [Fundamentals of Calculations of Machinery and Items of Equipment by Enterprises Engaged in Production of Construction Materials and Products]. Stary Oskol, TNT Publ., 2012, 680 p.

4. Zhuravlev M.I., Folomeev A.A. Mekhanicheskoe oborudovanie predpriyatiy vyazhush-chikh materialov i izdeliy na baze ikh [Mechanical Equipment at Enterprises Engaged in Production of Viscous Materials and Products Made of Viscous Materials]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 2005, 233 p.

5. Hammond G., Jones C. 2008. Inventory of Carbon and Energy. University of Bath.

6. Kapyrin P.D. Betonoukladchik dlya formovaniya izdeliy iz betonnykh smesey [Concrete Spreader Designated for Molding of Products Made of Concrete Mixtures]. Patent Issued to Protect the Utility Model no. 128153, application no. 20131302741, filing date 22.01.2013, registration date 20.05.2013.

7. Savinov O.A., Lavrinovich E.V. Teoriya i metody vibratsionnogo formovaniya zhelezo-betonnykh izdeliy [Theory and Methods of Vibration-induced Molding of Reinforced Concrete Products]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988, 154 p.

8. DSK «Blok» investiruet v novoe oborudovanie dlya proizvodstva perekrytiy i sten ["Block" Integrated House-building Factory Invests in New Floor and Wall Making Machinery]. Betonnyy zavod BFTInternation [BFT Internation Concrete Factory]. 2009, no. 3, pp. 52—55.

9. Plouman J.M. The Influence of Variables in the Vibration of Concrete. Concrete Building and Concrete Products. 1953, vol. 28.

10. Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete. Proceedings of the Fifth Canmet, an ACI International Conference. Rome, Italy, 1997.

About the authors: Kapyrin Pavel Dmitrievich — postgraduate student, Department of Mechanical Equipment, Details of Machines, and Technology of Metals; Director, Department of Research and Technology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; kapyrin@mgsu.ru;

Stepanov Mikhail Alekseevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chair, Department of Mechanical Equipment, Details of Machines, and Technology of Metals; Director, Department of Research and Technology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; moidm@gis.mgsu.ru.

For citation: Kapyrin P.D., Stepanov M.A. Osnovy rascheta zubchatoy vibrozaglazhi-vayushchey reyki betonoukladchika [Fundamentals of Calculations of a Vibration-induced Smoothing Rack for a Concrete Spreader]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 47—55.