Зачем используется вибрация?

Мы применяем бетонные смеси с низким содержанием влаги и нулевой усадкой для формования бетона необходимой конфигурации, которая должна сохраниться после вынимания из формы. Поэтому вибрация, разжижая бетон, позволяет частицам смеси "идеальной" градации расположиться равномерно и плотно. Сила вибрации довольно велика, включая центробежные силы до 12000 кг. Эта вибрация передается от источника вибрации через форму на бетон. Если мы представим себе вибрацию как круги от брошенного в воду камня, то чем дальше от камня, тем шире расходятся круги, и точно так же ведет себя вибрация, усиливаясь (имеем в виду амплитуду) по мере удаления от источника вибрации.

Мы упомянули 2 типа машин для изготовления бетонных блоков. Европейские машины, или машины с вибрацией стола, хорошо зарекомендовали себя как машины для изготовления бетонных блоков для мостовых и прочих дорожных покрытий, т.е. их продукция имеет небольшую высоту. Стол и поддон вибрируют под формой, контактируя со статической секцией стола для поддонов. Этот процесс можно назвать детонационной вибрацией, которая уплотняет невысокое бетонное изделие в форме. Когда машины данного типа применяются для изготовления бетонных блоков для строительной кладки, то высота бетона более чем в два раза превышает высоту бетонных изделий, применяющихся в дорожных покрытиях. Вибрация исходит из-под стола и поддона, поэтому ее интенсивность неравномерна по мере продвижения сверху вниз, точно так же, как у кругов на воде. Таким образом, вибрация неравномерна, что ставит под вопрос пористость. Блоки бетонной кладки, изготавливаемые на данном типе машин, имеют тенденцию к появлению трещин. Европейские машины, или машины с вибрацией стола, имеют функцию вибрации головки, что иногда используется для компенсации неравномерной вибрации.

Североамериканские машины, использующие вибрацию формы, работают быстрее, нежели европейские машины, но, несмотря на меньший размер поддона, их производительность такая же или выше. Большинство систем с вибрацией формы используют 2 или 4 вибратора, обычно подсоединенных к форме. В то время как это метод дает относительную равномерность вибрации по всей высоте блока, интенсивность вибрации от вибратора к вибратору может варьироваться. Если применяется более одного вибратора, то равновесия системы очень трудно достичь из-за разного пускового времени вибраторов и их интенсивности. В результате имеет место разная плотность бетонных блоков по всей области поддона и плохое качество верхних кромок блока, поскольку при движении формы во время пуска вибраторов и во время сжатия башмаки выталкивателя формы требуют большого допуска во избежание соприкосновения с формой. Поэтому существует небольшая потеря бетона между формой и башмаком выталкивателя, что приводит к плохому качеству кромки блока. Кроме того, усиливается износ формы вследствие бокового движения формы.

В компании "Columbia Machine" разработали систему вибрации формы, использующую один источник вибрации, которая передается форме вертикально, причем форма удерживается на месте, одновременно вибрируя. Несмотря на то, что эта система может быть признана отличной, компания "Columbia Machine" все равно находится в поиске совершенства.

Прямая вертикальная вибрация достигается путем соединения торцов формы к узлу эксцентричного вибратора при помощи 2-х валов вибратора. Горизонтальное перемещение ограничивается параллельными пружинящими пластинами, соединяющими валы вибратора к шасси машины для изготовления бетонных блоков. Эти пружинящие пластины удерживают форму в определенной плоскости, когда она вибрирует с заданной амплитудой.

При вибрировании формы в этой ограниченной среде каждая полость внутри короба формы подвергается одинаковой повторяющейся вертикальной вибрации. Это приводит к равномерности качества блока во всей форме вне зависимости от его положения в форме.

Амплитуда вибрации машин постоянна и управляема, она не изменяется при заполнении формы материалом. Это очень важно при перемещении механизма подачи раствора от тыльной части формы к передней. Поэтому, если бы вибрация была чувствительна к степени нагрузки, передние полости формы подвергались бы вибрации, отличной от той, которую испытывали бы тыльные полости. Это выразилось бы в разной плотности и высоте блока по его длине.

Машины для изготовления бетонных блоков используют принцип прямой вертикальной вибрации короба формы по мере поступления материала из механизма подачи раствора в течение цикла наполнения. Вертикальная вибрация заставляет частицы материала перемещаться в крайне возбужденном состоянии, стараясь сблизится и состыковаться, устраняя воздушные пустоты. Этот процесс уплотнения дает равномерную плотность состава материала по всей высоте изделия.

Бетонный блок сформирован без особого применения силы сжатия. Без чрезмерного уплотнения при формировании блока мы получаем изделие с равномерным качеством, от низа до верха. Машины, использующие большие силы сжатия, и/или вибраторы в головке, производят блоки, имеющие более высокую плотность в верхней и нижней части, чем в средней. Для того, чтобы достичь требуемой силы в середине, дополнительный материал помещается в верхней и нижней части. Это приводит к растрате материала и "полосам плотности" на блоке, что является совершенно нежелательным.

Если используется только сила вертикальной вибрации, срок службы формы продлевается. Важной чертой данной методики является то, она позволяет точно выровнять узлы во время циклов сжатия и выталкивания, значительно снижая износ деталей формы и башмаков выталкивателя. Она также позволяет башмакам формы плотнее заполнять полости, предотвращая образование неровного края в верхней части блока. Изготовление блока во время цикла наполнения сопровождается более коротким циклом уплотнения, что означает, что башмаки соприкасаются с формой в течение более короткого периода.

Разработка машин с большей производительностью и поддонами большего размера привела к использованию систем вибрации с изменяемой скоростью.

Регулирование скорости вала вибратора позволяет выбирать оптимальные параметры для разных бетонных смесей и заполнителей или иную конфигурацию блока по высоте. Эта возможность позволяет в обязательном порядке разжижать относительно сухой материал для наполнения с последующим затвердеванием, что приводит к сокращению продолжительности цикла.

В ситуации, когда требуется более длительное наполнение, количество оборотов в минуту вала вибратора может быть сокращено к концу цикла наполнения. Это устранит тенденцию чрезмерной вибрации, применяемой к материалу, который первым попал в форму, и не допустит перемещение больших частиц заполнителя по направлению к верхней части формы.

Еще одним преимуществом системы точной вибрации является возможность остановить амплитуду вибрации в одной и той же точке во время каждого цикла наполнения. Это позволяет отводить транспортер подачи раствора на одной и той же высоте над коробом формы, оставляя равномерный слой материала над формой.

В результате получаются бетонные блоки с нужной высотой и плотностью, что означает применение управления силой сжатия, пористостью, цветом и себестоимостью.

Для достижения аналогичных целей компания «BESSER» использует два вибродвигателя вращающихся в противоположных направлениях. В обоих случаях применяется известный в физике эффект самосинхронизации маятников.

Немного о самосинхронизации Одно из удивительных явлений рассматриваемого класса - самосинхронизация неуравновешенных роторов (роторов, ось вращения которых не проходит через центр масс). Оказывается, два или более кинематически и электрически не связанных между собой ротора, установленные на общем подвижном основании и приводимые в движение от независимых асинхронных двигателей, вращаются синхронно - с одинаковыми или кратными средними угловыми скоростями и с определенными взаимными фазами. При этом согласованность вращения роторов возникает, несмотря на различие между их парциальными угловыми скоростями, т.е. теми скоростями, с которыми они вращаются, будучи установленными на неподвижном основании (рис.1). Тенденция к синхронному вращению оказывается во многих случаях столь сильной, что даже выключение одного или нескольких двигателей не приводит к выпадению из синхронизма: роторы с выключенными двигателями могут продолжать вращаться неограниченно долго. Энергия, необходимая для поддержания их вращения, передается от оставшихся включенными в сеть двигателей благодаря вибрации основания, на котором роторы установлены. Эта вибрация может быть едва заметна; иногда складывается впечатление, будто между роторами имеются упругие валики или пружины (рис.1, в). Рис. 1. Самосинхронизация механических вибровозбудителей. Два или более неуравновешенных ротора, приводимых в движение асинхронными двигателями, на неподвижном основании имеют разные скорости вращения w1 и w2 (а). Установленные же на общем подвижном основании, они вращаются с одинаковой средней скоростью w (б). Синхронность вращения может сохраняться даже при выключении одного из двигателей (w1=0 или w2=0). У наблюдателя V создается иллюзия, будто роторы соединены пружиной (в).   Толчком к обнаружению явления самосинхронизации неуравновешенных роторов послужило случайное наблюдение описанного эффекта в ленинградском институте “Механобр” в 1948 г. При длительных испытаниях вибрационной машины с двумя механическими вибровозбудителями (неуравновешенными роторами, которые приводились во вращение от асинхронных электродвигателей) оборвался провод, подающий напряжение к одному из двигателей. Наличие обрыва, однако, выяснилось лишь спустя несколько часов, ибо установка продолжала нормально работать. В том же институте было выполнено и большинство теоретических исследований и экспериментально-конструкторских разработок устройств с самосинхронизирующимися вибровозбудителями. Его сотрудникам выдано свидетельство на научное открытие явления синхронизации вращающихся тел (роторов). Раньше вращение неуравновешенных роторов в вибрационных машинах согласовывалось лишь путем установки между ними жестких кинематических связей в виде зубчатых зацеплений, цепных передач и т.п. (см. рис.2, а). Результатом становились значительный шум и быстрый износ, сопровождающий работу зубчатой или цепной передачи - из-за наличия знакопеременных или пульсирующих нагрузок. Кроме того, кинематический способ синхронизации сдерживал развитие вибрационной техники, поскольку не мог быть целесообразно применен во многих практически важных случаях, например при значительных расстояниях между вибровозбудителями. При использовании самосинхронизации кинематические связи между роторами оказываются излишними (рис.2, б). Рис. 2. Возможности использования самосинхронизации роторов: старый способ согласования вращения роторов вибровозбудителей для получения направленных колебаний (а); новый способ достижения той же цели (зубчатое зацепление излишне) (б). Последовавшая вслед за открытием разработка теории и методов расчета устройств с самосинхронизирующимися вибровозбудителями привела к созданию нового класса вибрационных машин - конвейеров, питателей, грохотов, дробилок, мельниц, концентрационных столов, специальных стендов и др. К настоящему времени зарегистрировано около 300 изобретений и патентов, основанных на использовании эффекта самосинхронизации. Многие из этих изобретений, по-видимому, не были бы сделаны без теоретических исследований. Дело в том, что ряд закономерностей самосинхронизации вибровозбудителей вряд ли может быть предсказан на основе чисто интуитивных соображений или обнаружен на основе нецеленаправленного экспериментирования. Вместе с тем возможности использования самосинхронизации вибровозбудителей еще далеко не исчерпаны - постоянно рождаются новые идеи, разрабатываются новые и совершенствуются известные устройства.

При производстве бетонных блоков машинного изготовления форма наполняется смесью цемента, заполнителя и воды. Поскольку изделия извлекаются из формы сразу же после формования, смесь должна быть относительно сухой и, конечно же, ниже точки оседания (за исключением случаев изготовления специальных изделий из подвижного бетона).

Поскольку данная смесь не очень жидкая, ее нелегко залить в форму во время цикла заполнения, и вибрация должна использоваться для облегчения движения материала. Необходимо следить за тем, чтобы бетонная смесь с заполнителем разного размера не расслоилась во время коротких циклов заполнения формы, сжатия или обработки изделия до заданного размера и извлечения изделия из формы. Точная, управляемая система вибрации - принципиальный момент для всех фаз данного процесса.

Опыт показывает, что секрет производства высококачественной продукции с максимально однородной плотностью заключается в правильной загрузке и уплотнении данной смеси в форме во время цикла заполнения. Именно эта идея легла в основу уникальной технологии вертикальной вибрации. Прямая вертикальная вибрация создается путем соединения концов формы с узлом эксцентрикового вибратора с помощью двух валов. Горизонтальное перемещение ограничивается параллельными подпружиненными стержнями, соединяющими валы вибратора с шасси машины для производства бетонных блока. Эти подпружиненные стержни удерживают форму в горизонтальной плоскости во время ее вибрации с фиксированной амплитудой.

При вибрации формы в такой управляемой среде каждая ее полость подвергается одинаковой вертикальной вибрационной нагрузке, которая воздействует на консистентное изделие по всему объему формы, независимо от положения. Амплитуда вибрации стабильна и управляема, и не изменяется при заполнении формы материалом. Это важно, поскольку при перемещении подающего устройства от задней части формы к передней в задних полостях формы откладывается большее количество материала, чем в передних. Следовательно, если вибрация зависит от степени загрузки, уровни вибрации, воздействующие на передние и задние полости формы, отличались бы друг от друга. А это повлияло бы на однородность плотности изделия и его высоту между передней и задней стенками формы.

Машины для изготовления бетонных блоков используют прямую вертикальную вибрацию формы при поступлении материала из подающего устройства во время цикла заполнения.

Вертикальная вибрация заставляет частицы материала интенсивно перемещаться в окружающем пространстве, приближает их друг к другу и соединяет, устраняя пустоты. Этот процесс уплотнения позволяет достичь однородной структуры материала по всей высоте изделия. Дно формы закрыто поддоном, установленным на стол, прижимаемый пневматической пружиной.

Принудительное вертикальное движение формы вызывает ответное действие стола для поддонов, поддерживаемого пружиной. Поскольку реакция пружины не успевает за ускорением формы, между поддоном и формой возникает вибрация. Уровень этой вибрации может изменяться при изменении частоты вибрации формы и/или давления пневматической пружины. В результате, оптимальная вибрация заполнения отличается от оптимальной вибрации сжатия в одном и том же машинном цикле.

В время цикла сжатия опускаются башмаки формы; они соприкасаются с материалом и уменьшают пространство вибрации материала.

Прецизионность высоты изделия обеспечивается использованием системы управления высотой. Формовка изделия производится без воздействия больших усилий сжатия. Благодаря такому методу сжатия при формовке изделия обеспечивается его однородность по всей высоте. Машины, использующие большие усилия сжатия и/или вибраторы в головке, производят изделия, плотность которых вверху и внизу больше, чем плотность в середине. Для достижения требуемой концентрации в средней части изделия в его верхнюю и нижнюю часть закладывается больше материала. В результате - потери материала и полосы уплотнения на изделии, которые ухудшают эстетические характеристики продукта и, прямо скажем, не способствуют его прочности.

При использовании только вертикальных вибрационных усилий увеличивается срок службы формы. Важной особенностью данного метода является возможность выравнивания узлов во время циклов сжатия и выталкивания, что значительно снижает износ деталей формы и башмаков. Это также позволяет точнее подогнать башмаки к полостям формы, избегая образования ребер в верхней части изделия. Формирование изделия во время цикла заполнения позволяет сократить цикл сжатия; другими словами, башмаки соприкасаются с материалом в течение меньшего периода времени. Управление скоростью вала вибратора позволяет выбрать оптимальные параметры для разных бетонных смесей или разных конфигураций изделий по высоте. Это, в свою очередь, позволяет существенно увеличить текучесть относительно сухого материала для заполнения формы и уплотнения изделия, что приводит к сокращению циклов.

Такие функции, как запуск и остановка вибрации на разные периоды времени в процессе изготовления блока позволяют добиться большей гибкости при производстве широкого ассортимента продукции, избегая “перевибрации” для более хрупких блоков. Другим преимуществом прецизионной системы вибрации является возможность фиксации амплитуды вибрации на одном и том же уровне во время каждого цикла заполнения. Это дает возможность панели отсекания транспортера подачи раствора втягиваться на одной и той же высоте от формы, оставляя слой материала над формой.

Метод прямой вертикальной вибрации позволяет изготавливать изделия однородной плотности, высокой прочности и превосходного качества. Формирование изделия уже во время цикла заполнения позволяет полностью унифицировать производственную линию.