混凝土預(yù)制構(gòu)件線性振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)研究

曹國(guó)巍，張聲軍，周 磊，陳煒寧，石小虎，魏 乾

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.北京建筑機(jī)械化研究院有限公司，北京 100007；3.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

近年來(lái)，建筑工業(yè)化在我國(guó)得到大力發(fā)展，振動(dòng)臺(tái)作為混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到混凝土構(gòu)件的質(zhì)量與生產(chǎn)效率?，F(xiàn)有混凝土預(yù)制構(gòu)件振動(dòng)臺(tái)一般采用安裝多臺(tái)振動(dòng)器的方式進(jìn)行振動(dòng)，每臺(tái)振動(dòng)器所產(chǎn)生的振動(dòng)覆蓋一定范圍，距離振動(dòng)器近的位置振動(dòng)強(qiáng)，距離振動(dòng)器遠(yuǎn)的位置振動(dòng)弱，導(dǎo)致整個(gè)臺(tái)面振動(dòng)分布不均；另外，由于多臺(tái)振動(dòng)器工作時(shí)不能保持同步，多臺(tái)振動(dòng)器之間存在振動(dòng)能量?jī)?nèi)耗，噪音大，振動(dòng)效率不高。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種混凝土預(yù)制構(gòu)件線性振動(dòng)臺(tái)，該振動(dòng)臺(tái)可進(jìn)行水平面內(nèi)XY方向上線性整體振動(dòng)，保證了整個(gè)臺(tái)面上的振動(dòng)參數(shù)分布均相同，大大提高混凝土振動(dòng)密實(shí)效率，并且無(wú)內(nèi)耗，噪音低，由于其進(jìn)行線性振動(dòng)，尤其對(duì)于大型模臺(tái)，無(wú)扭曲變形，提高了使用壽命，另外，該振動(dòng)臺(tái)可方便地進(jìn)行頻率、振幅等振動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，以適應(yīng)不同構(gòu)件的生產(chǎn)，使用范圍廣。

1 線性振動(dòng)原理

根據(jù)現(xiàn)有混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線振動(dòng)臺(tái)的問(wèn)題，提出水平面內(nèi)XY方向上線性振動(dòng)的方案。其基本原理如圖1所示。

圖1 線性振動(dòng)方案示意圖

底架底部安裝支撐彈簧，支撐彈簧與地面固定，底架框架內(nèi)部安裝四組限位裝置，限位裝置與回轉(zhuǎn)中心的距離可調(diào)，底架框架中間安裝回轉(zhuǎn)裝置，回轉(zhuǎn)裝置外端帶有滾輪。

當(dāng)X方向兩組限位裝置與回轉(zhuǎn)中心O之間的距離a小于回轉(zhuǎn)裝置運(yùn)動(dòng)半徑R時(shí)，回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾輪與X方向的2組限位裝置接觸，推動(dòng)底架在X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生X方向上的振動(dòng)；滾輪與Y方向的2組限位裝置接觸，擠壓限位裝置，推動(dòng)底架在Y方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生Y方向上的振動(dòng)。調(diào)整回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速，可改變振動(dòng)的頻率，調(diào)整限位裝置與回轉(zhuǎn)中心O的距離a，可改變振幅。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)上述線性振動(dòng)原理，設(shè)計(jì)混凝土預(yù)制構(gòu)件線性振動(dòng)臺(tái)方案，由于大多數(shù)混凝土預(yù)制構(gòu)件振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)寬比較大，因此在長(zhǎng)度方向上布置2組上述裝置，以保證整體運(yùn)行的平穩(wěn)性，該方案主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)方案示意圖

1）底架 底架作為振動(dòng)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)件，用主要來(lái)安裝其他結(jié)構(gòu)、承載上部模臺(tái)與混凝土的重量、傳遞振動(dòng)，其由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，強(qiáng)度剛度大。

2）回轉(zhuǎn)裝置 兩組回轉(zhuǎn)裝置與地面結(jié)構(gòu)固定，布置在框架內(nèi)部?jī)啥?，主要由同步帶輪、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)臂、滾輪等組成，滾輪與限位裝置接觸時(shí)可以保證其推力一直垂直于限位裝置平面，從而保證振動(dòng)臺(tái)始終保持線性運(yùn)動(dòng)。

3）同步驅(qū)動(dòng)裝置 同步驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在兩組回轉(zhuǎn)裝置之間，主要由變頻電機(jī)、減速機(jī)、同步帶輪、同步帶組成，同步帶輪可保證兩組回轉(zhuǎn)裝置同步、同相位回轉(zhuǎn)，變頻電機(jī)調(diào)整回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)頻率。

4）限位裝置 每組回轉(zhuǎn)裝置四周設(shè)置四組限位裝置，XY方向各分部?jī)山M，每組限位裝置主要由限位板、導(dǎo)向裝置、液壓缸組成，通過(guò)液壓缸調(diào)整限位裝置與回轉(zhuǎn)中心的距離，可調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)的振幅，還可進(jìn)行X與Y方向振動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

5）夾緊裝置 多組夾緊裝置設(shè)置在底架外側(cè)，主要用來(lái)夾緊固定上部的模臺(tái)，夾緊裝置主要由夾緊臂、液壓缸組成，通過(guò)液壓缸的伸縮可完成夾緊臂對(duì)模臺(tái)的夾緊與松開(kāi)。

6）支撐彈簧 支撐彈簧布置在底架底部，主要用來(lái)支撐整個(gè)系統(tǒng)，其由多組橡膠彈簧組成，底面與地面連接，上面與底架連接。

7）模臺(tái) 模臺(tái)主要作為混凝土構(gòu)件的底模，安裝邊摸，承重混凝土，傳遞振動(dòng)。

該振動(dòng)臺(tái)工作流程如下：當(dāng)模臺(tái)運(yùn)動(dòng)至振動(dòng)臺(tái)工位時(shí)，啟動(dòng)夾緊裝置夾緊模臺(tái)，布料機(jī)完成混凝土布料后振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)，按照要求，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整好所需要振動(dòng)頻率、振幅，啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生X或者Y方向上的振動(dòng)。

3 線性振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算

由于振動(dòng)臺(tái)XY方向振動(dòng)原理相同，選取X方向作為研究對(duì)象，由振動(dòng)原理進(jìn)行分析，將該振動(dòng)臺(tái)簡(jiǎn)化為單自由度無(wú)阻尼受迫振動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

K為系統(tǒng)彈簧的剛度，F(xiàn)為受迫振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于從上述起始位置到擺臂回轉(zhuǎn)至水平位置，滾輪推動(dòng)限位板，其推力為驅(qū)動(dòng)力，如圖4所示。

圖4 滾輪驅(qū)動(dòng)起始位置示意圖

其計(jì)算公式為

式中F0——回轉(zhuǎn)臂對(duì)限位裝置的推力；

M0——回轉(zhuǎn)臂的驅(qū)動(dòng)力矩；

r——滾輪回轉(zhuǎn)半徑；

q——滾輪與限位板接觸時(shí)擺臂與水平軸方向的初始夾角；

x——彈簧壓縮量。

當(dāng)擺臂轉(zhuǎn)過(guò)水平位置，系統(tǒng)在彈簧回復(fù)力的作用下進(jìn)行運(yùn)行，如圖5所示。

圖5 滾輪驅(qū)動(dòng)水平位置示意圖

此過(guò)程中，由于回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快，該過(guò)程中限位板與滾輪之間處于輕微接觸，可以忽略F0，驅(qū)動(dòng)力變?yōu)?/p>

由以上可知，對(duì)于整個(gè)周期內(nèi)，如圖6所示位置。

圖6 滾輪驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)示意圖

以圖6a為初始位置，在一個(gè)周期內(nèi)，滾輪推動(dòng)限位裝置時(shí)

在一個(gè)周期內(nèi)，滾輪不推動(dòng)限位裝置時(shí)

由以上分析可得，該系統(tǒng)為一個(gè)單自由度受迫振動(dòng)，對(duì)于受迫振動(dòng)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

由該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理可知，其振幅有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，通過(guò)調(diào)節(jié)限位板與回轉(zhuǎn)臂的中心距決定，其振動(dòng)頻率通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)對(duì)其激振力、加速度進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)于該系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的位移為

對(duì)其時(shí)間t求二次導(dǎo)，可得加速度a為

可得加速度的最大值

可得系統(tǒng)激振力的最大值

又由式（4）推導(dǎo)得驅(qū)動(dòng)力矩

式中w——回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的角頻率；

A——振幅；

q——滾輪與限位板接觸時(shí)擺臂與水平軸方向的初始夾角；

Mz——振動(dòng)系統(tǒng)的參振總重量；

M0——回轉(zhuǎn)臂的驅(qū)動(dòng)力矩。

由此可計(jì)算出系統(tǒng)的最大加速度、最大激振力、驅(qū)動(dòng)力矩，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)計(jì)算。

對(duì)于該系統(tǒng)，未添加模具及混凝土?xí)r，振動(dòng)臺(tái)的固有頻率為

式中m0——未加載模具和混凝土?xí)r振動(dòng)臺(tái)重量；

k——支撐彈簧總剛度。

對(duì)于該振動(dòng)臺(tái)，選用多組橡膠彈簧作為振動(dòng)臺(tái)的支撐，同時(shí)，橡膠彈簧也作為振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)剛度，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，如圖7所示。

圖中m0——振動(dòng)臺(tái)空載重量；

m1——臺(tái)面上部混凝土與模具重量；

圖7 振動(dòng)臺(tái)彈簧支撐示意圖

k1——橡膠彈簧垂直方向的剛度；

k2——橡膠彈簧水平方向的剛度。

在垂直方向上，多組橡膠彈簧承載振動(dòng)臺(tái)與上部混凝土的重量，橡膠彈簧的數(shù)量為n，振動(dòng)臺(tái)滿載時(shí)，橡膠彈簧壓縮量為Dh，在垂直方向受力

即得彈簧垂直剛度

根據(jù)實(shí)際振動(dòng)臺(tái)工作要求，選取合適的壓縮量Dh，合適的數(shù)量n，與振動(dòng)臺(tái)空載重量m0、與混凝土與模具重量m1，可以初步計(jì)算彈簧豎直方向的剛度k1。

對(duì)于水平方向，振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，由式（11）可得

由此為依據(jù)計(jì)算橡膠彈簧在水平方向上的剛度k2，綜合橡膠彈簧垂直與水平方向的剛度，進(jìn)行橡膠彈簧的設(shè)計(jì)選型。

由以上可得，在該系統(tǒng)中，已知主要參數(shù)，如總參振重量Mz，角頻率w，振幅的情況下，可以對(duì)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩、功率、彈簧剛度、最大加速度、最大激振力等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)而得出整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)論

對(duì)于該線性振動(dòng)臺(tái)，采用多組同步同相位運(yùn)行的帶滾輪的擺臂，驅(qū)動(dòng)整個(gè)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)，由于滾輪與限位裝置接觸時(shí)驅(qū)動(dòng)力的方向均垂直于限位裝置，多組滾輪同步工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)只能向同一方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)線性振動(dòng)；另外，通過(guò)變頻電機(jī)與同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，可簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)；其次，通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)限位裝置進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)X方向與Y方向振動(dòng)的轉(zhuǎn)換與振幅的調(diào)節(jié)。

通過(guò)分析計(jì)算，可對(duì)該類型振動(dòng)臺(tái)主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可作為參考值指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)與樣機(jī)試驗(yàn)。