Разработка методологических основ создания бетоноотделочных машин с дисковыми высокочастотными рабочими органами

Вибрационные процессы широко используются в промышленности, а вибрационные технологии часто обеспечивают большую производительность и более высокое качество готовых изделий. Вибрационные машины и вибрационные рабочие органы построены таким образом, что вибрации создаются, поддерживаются и управляются на основе различных возбудителей или генераторов колебаний. Таким образом, реализуемый вибрационный технологический процесс и его оборудование, с одной стороны, используют полезные свойства вибраций, а с другой стороны, генерируемые вибрации оказывают вредное воздействие на окружение, в том числе, на технологическое оборудование и человека — оператора.

Комплексный характер взаимодействия вибраций рабочего органа с обрабатываемой средой и окружением ставит задачи, связанные с необходимостью контроля и управления динамическим состоянием вибрационной машины, поиском и разработкой способов и средств генерирования вибраций и возможностей управления уровнем вибрационного состояния, включая возможности локального ограничения или снижения интенсивности вибрационного фона:

Несмотря на повышенное внимание к проблемам вибротехнологий' со стороны инженерно-технической и научной общественности, комплексность и сложный характер динамических взаимодействий, сопровождающих вибротехнологии, актуальность исследований в упомянутой области не теряет своей остроты и значимости. Последнее связано не только с необходимостью обеспечивать высокое качество технических систем и реализуемых ими технологий, но и соответствовать высоким требованиям по уровню надежности и безопасности работы, а также нормам воздействия, вибраций на человека-оператора.

Научная значимость, теоретических и прикладных исследований в обоснованиях вибрационных технологий объясняется большим, потенциалом инновационных возможностей нетрадиционных подходов, основанных на междисциплинарных формах анализа и синтеза в задачах взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой. Российскими учеными внесен достойный вклад в машиноведение, теорию механизмов и динамику машин и их различные приложения, в разработки, связанные с обоснованием и созданием научных основ вибрационных технологий. В названных направлениях известность получили работы Артоболевского И. И., Фролова К. В., Блехмана И. И., Вейца B. JL, Ивовича В. А., Бабичева А. П., Быховского В. И., Потураева В. М., Гончаревича Н. Ф., Спиваковского O.A., Савинова О. А, Лавриновича Е. В. Среди зарубежных авторов хотелось бы отметить работы Тимошенко С. П., Ден Гартога. В" приложениях к технологическим процессам строительной индустрии могут быть названы работы Афанасьева A.A., Болотного A.B., Кузьмичева В: А., Кунноса Г. Я., Овчинникова П. Ф., Подопригора П. Ф., Членова В. А., Мамаева JI.A. и др. Вопросы управления вибрационным состоянием технических объектов в задачах защиты от вибрации и ударов представлены в работах Гозбенко В. Е., Елисеева C.B., Ивовича В. А., Коловского М. З., Синева A.B., Хоменко А. П. и др.

В последние годы большое внимание уделяется поиску методов и средств оценки и управления вибрационным состоянием рабочего органа или создаваемой на его основе технической системы. Серьезное развитие получили подходы, основанные на методах математического моделирования, опирающихся на аналитические технологии, использующие не только потенциал теории дифференциальных уравнений, но и новые. взгляды на проблематику, связанные со структурными представлениями и интерпретациями исходных математических моделей. Последнее открывает возможности более активного внедрения в теорию и практику разработок вибрационных технологий идей управления вибрационным состоянием.

Технологический процесс заглаживания бетонных поверхностей занимает важное место на завершающем этапе формирования высокого качества продукции строительной индустрии. Методы вибрационного заглаживания начали разрабатываться достаточно давно и опираются на зарубежную и отечественную инженерную практику. Однако сложность технологических процессов, в первую очередь, сложность физических процессов вибрационного взаимодействия рабочего органа со средой создают серьезные трудности, что стимулирует теоретические и экспериментальные направления исследований.

В современной динамике машин, характерной особенностью которой является междисциплинарное осмысление научных основ существующих и вновь разрабатываемых технологий, вибрационные взаимодействия, в их комплексном восприятии, послужили и служат в настоящее время основой развития нескольких актуальных направлений исследований в области машиноведения: динамика взаимодействия рабочих органов машин с обрабатываемой средой, защита машин, оборудования, приборов, аппаратуры и человека-оператора от вибраций и ударов, надежность работы в условиях интенсивного динамического нагружения. и др.

Комплексныйхарактер технологического процесса вибрационного заглаживания бетонных поверхностей предполагает разработку системы математических моделей, которые бы позволили обеспечить переход от рассмотрения особенностей взаимодействия рабочего органа со средой (с учетом ее реологических свойств), условий возбуждения вибраций, передачи их на рабочий орган к формулированию требований и условий к процессу, в целом, а также обеспечения соответствующих параметров" вибрационного состояния, затрагивающего основные агрегаты машины. Такой подход основан на системном восприятии, и осмыслении возникающих проблем, связанных между собой, но одновременно и достаточно автономных, чтобы, использовать возможности их изучения для последующих задач динамического синтеза.

Естественные при теоретическом исследовании предположения и упрощения, ориентацияв предварительных оценках известных представлений о линейном характере зависимостей не может не приводить к вопросам о степени соответствия результатов математического моделированиям и тех параметров, которые определяются в ходе эксперимента. В этом и заключаются серьезные трудности, связанные с созданием новых технологических процессов, разработкой их теоретического обоснования и определения, конкретных условий для. их реализации.

Выполненная работа, опирается на оригинальные конструктивно-технические разработки, которые былипроведены в рамках научно-исследовательских и хоздоговорных работ Братского государственного университета и заинтересованных промышленных предприятий Братского территориально-промышленного комплекса.

Представленная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии и приложения, общим объемом 205 стр. текста.

Первая глава диссертации посвящена сравнительному обзору работ отечественных и зарубежных исследований в области теории вибрационных технологических процессов и машин, научным основам использования вибраций в технологиях строительной индустрии и в технологиях вибрационного заглаживания свежеуложенных бетонных поверхностей, в частности.

Комплексный характер изучаемой, проблемы предопределил интерес автора к физическим свойствам процессов взаимодействия рабочих органов машин с поверхностью материалов, оценке возможных математических моделей, которые имеют значение для построения моделей вибрационных взаимодействий.

Разработка вибрационных технологий предполагает, естественным образом, внимание к выбору и учету особенностей возбуждения вибраций на рабочем органе, оценке возможностей использования и негативного влияния тех или иных особенностей. Как уже было отмечено, вибрационные машины, генерируя полезные вибрации, вместе. с тем, остаются источниками вибраций для производственного окружения машины и, в первую очередь, влияют на работу других агрегатов, узлов и аппаратуры машины. Последнее требует соответствующих способов и методов решения.

Основой научного подхода является ориентация на методы, математического моделирования в их возможных интерпретациях, позволяющих учитывать характерные особенности вибрационного технологического процесса. В заключительной части первой главы представлена постановка задачи, сформулирована цель работы и перечень основных позиций детализации теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава диссертации посвящена научному обоснованию подхода по выбору конструкторско-технологических решений в реализации технологических процессов вибрационного заглаживания поверхности бетонной смеси. На основе обзора и сравнительного анализа существующих вариантов решения предлагается оригинальное устройство, для которого разработана методика расчета основных конструктивных параметров дискового высокочастотного рабочего органа. Особенности технологического процесса вибрационного заглаживания, с одной стороны, определяются высокочастотным характером возбуждаемых вибраций, а с другойнеобходимостью организации сложного движения рабочего органа. Последнее формирует заглаживающие свойства в контакте с поверхностным слоем (вращение и перемещение рабочего органа).

Выбору рациональных режимов технологического процесса, обоснованию физических и математических моделей процесса взаимодействия рабочего органа с поверхностью бетонной смеси посвящена третья глава диссертации. Сложность модели предполагает поэтапность в ее формировании: от общих (феноменологических и эвристических) представлений к реологическим конструкциям, сравнениям моделей, обоснованию и выбору рациональных форм. Как показали сравнительный анализ и оценка возможностей, условия достижения необходимого качества обработки поверхности могут быть достигнуты при высокочастотных вибрациях порядка 20 кГц при амплитудах 0,05- - 0,09 мм. Последнее предопределило ориентацию на использование магнитострикционных вибраторов в конструкции рабочего органа.

Однако, технологический процесс требует более сложных конструктивно-технических решений по обеспечению характера движения рабочего органа и его взаимодействия с обрабатываемой средой. Такая особенность заключается в необходимости обеспечения дополнительного вращения диска, что связано с конструктивными усложнениями рабочего органа, а также с необходимостью обеспечения движений выглаживания. Последнее требует перемещения каретки с рабочим органом по траверсе машины, а следовательно, взаимодействия с общей системой динамики машины. Математическая модель машины для вибрационного заглаживания является колебательной системой со многими степенями свободы. Вместе с тем, при предварительном выборе и обосновании параметров технологического процесса обосновано применение упрощений, что позволяет придать модели достаточную простоту и обозримость.

В четвертой главе диссертации представлена предложенная автором математическая модель виброзаглаживающей машины, состоящей из рабочего блока с одним рабочим органом. При соблюдении условий симметрии конструкции и выборе рациональных соотношений конструктивных параметров, для предварительных исследований может быть принята нелинейная модель в виде системы с двумя степенями свободы. Был исследован ряд типовых ситуаций, что позволило создать научнометодические основы для учета при выборе параметров машины тех особенностей, которые характерны для динамики нелинейных систем. В целом, проведенные разработки позволяют для обеспечения необходимого качества заглаживания «в определенном смысле» управлять динамическим состоянием системы, уменьшая уровень низкочастотных вибраций путем установки динамических гасителей.

Пятая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям влияния высокочастотного вибровоздействия дискового рабочего органа на качество обработки свежеуложенных бетонных поверхностей. Поставленные и проведенные эксперименты подтвердили предположения о характере зависимости качества обрабатываемой поверхности от частоты вибраций рабочего органа, давления на бетонную поверхность, величины амплитуды колебаний рабочего органа и его заглаживающей способности. Опытное изучение контактных взаимодействий позволило отметить нелинейные свойства упругих взаимодействий, которые ближе всего соответствуют характеристике кубического типа. Реальные особенности технологического процесса проявляются в более сложном спектре вибраций и его частотном наполнении. Последнее характеризуется частотами, которые соответствуют угловой скорости вращения рабочего органа, а также определяются частотами собственных колебаний конструкции закрепления рабочего блока с рамой заглаживающей машины.

Научная новизна работы заключается в развитии основ создания бетоноотделочных машин для обработки жестких бетонных поверхностей высокочастотными дисковыми рабочими органами, что связано с построением системы математических моделей, отражающих на каждом этапе последовательных представлений свои особенности технологического процесса и вытекающие из этого ограничения на конструктивные решения, связанные с созданием новых технологических машин. Комплексный характер исследования определяет проблему в междисциплинарном пространстве, предполагающем использование методов машиноведения, теории механизмов и машин, теоретической механики, теории колебаний, прикладной математики, теории автоматического управления.

Практическая значимость результатов исследования определяется запросами предприятий строительной индустрии, выпускающих железобетонные изделия, для которых качество и высокая прочность поверхности имеют особое значение.

В ходе выполнения исследований автором делались доклады и сообщения на научных конференциях: «Интерстроймех-2005» (Тюмень, 2005), «Естественные и инженерные науки — развитию регионов» (Братск, БрГУ, 2005), «Механики — XXI веку» (Братск, БрГУ-2005, 2006), III международном научном симпозиуме «Ударно — вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, ОрелГТУ, 2006), научный семинар «Современные технологии. Системный анализ. Моделирование» (Иркутск, ИрГУПС, 2006 -2008), «Инновационные технологии — транспорту и промышленности» (Хабаровск, Дальневосточный ГУПС, 2007) и др.

По результатам исследований имеется 19 опубликованных научных работ, получен патент РФ № 2 279 975, положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 24.03.08 г. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на лабораторной базе кафедры «СДМ» ГОУ ВПО БрГУ. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры за помощь и поддержку в работе.

5.4 Выводы по главе 5.

На основании проведенных экспериментов можно сделать ряд выводов.

1. Частота колебаний рабочего органа в большой степени влияет на проявление вязких свойств смеси, что определяет качество обработки поверхности.

2. Амплитуда колебаний рабочего органа таюке является важным фактором вибровоздействия, однако частота колебаний оказывает большее влияние.

3. Для обеспечения полноты охвата в оценке обеспечения качества • обработки поверхности предложено и исследовано регрессионное уравнение, учитывающее взаимную связь частоты колебаний, давления на бетонную смесь, жесткости бетонной смеси и заглаживающей способности рабочего органа.

4. Снижение шероховатости поверхности, обработанной высокочастотным рабочим органом, объясняется тиксотропным разрушением поверхностного слоя и интенсивным выделением цементно-песчаного теста, образующего слой пристенного скольжения и обеспечивающего сглаживание неровностей.

5. Наибольший эффект высокочастотных воздействий рабочего органа на качество обработки бетонной поверхности достигается при заглаживании повышенно-жестких смесей (150с. < Ж < 200с.) и смесей средней жесткости (60с. < Ж < 150с.). Наименьший эффект отмечен при заглаживании поверхностей, отформованных из особо жестких смесей (Ж > 200с.).

6. При исследовании влияния давления рабочего органа на качество обработки бетонной поверхности установлено, что увеличение давления свыше значения 0,73 кПа приводит к снижению качества обработки (В.п = 0,8 — 1,2 мм) при значениях частоты колебаний 17,5 кГц и заглаживающей способности 40 — 60 м.

7. Предложена целевая функция на основе многофакторного уравнения регрессии для установления оптимальных режимов обработки бетонных поверхностей, отформованных из смесей различной жесткости. Определены значения выделенных факторов влияния.

8. Упругие свойства контакта рабочего органа с поверхностью соответствуют нелинейной зависимости упругой силы (кубического типа) от перемещения.

9. Высокочастотные вибрации при заглаживании обеспечивают прирост прочности поверхностного слоя 9 — 14%.

10. Действительные вибрации рабочего органа характеризуются наложением низкочастотной компоненты «наведенных» вибровозмущений на основную высокочастотную составляющую, что может приводить к значительному снижению качества обработанной поверхности.

Заключение

.

Проведенные исследования показывают, что реализация технологического процесса связана не только с необходимостью создания физической и математической модели взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой, но и создания технологического комплекса, то есть оборудования, которое обеспечивает, в целом, необходимые производительность, качество продукции, безопасность условий труда, экономические показатели.

Применение вибрирующих рабочих органов для заглаживания бетонных поверхностей составило в последние годы достаточно автономное направление, в строительной индустрии позволившее произвести структуризацию технологического процесса по основным факторам влияния. Объективная сложность обеспечения заглаживания с высоким качеством требует формирования сложного движения рабочего органа на основе комбинационного сочетания вибраций, вращения рабочего органа и заглаживающих движений, создаваемых специальными механизмами. По существу, качество обрабатываемой поверхности формируется рабочим блоком заглаживающей машины. Рабочий блок может иметь несколько рабочих органов, которые приводясь в движение, могут взаимодействовать между собой. Важным обстоятельством при этом является то, что рабочий блок, в свою очередь, представляет собой фрагмент в динамической системе, образующей машину. Упругое крепление рабочего блока к станине машины, вызванное необходимостью организации движения рабочего блока, формирует «наведенные» вибрации на рабочем органе (диске).

В этом плане рабочий орган рассматривается как элемент более сложной системы, взаимодействие с которой создает реальный фон вибрационных (в целом, динамических) взаимодействий с обрабатываемой поверхностью.

С учетом отмеченных обстоятельств, рассмотрены физические особенности контакта рабочего органа (в виде магнитострикционного стержня с диском на конце) со средой. Сравнительный обзор и анализ известных результатов и собственные эксперименты позволили получить необходимые аналитические соотношения для выбора параметров технологического процесса, а также определиться с условиями обеспечения необходимого качества поверхности. Последнее связано с неразрывностью потока бетонной смеси, поведением воздушных включений, нелинейными упруго-вязкими свойствами контакта.

Вторая глава диссертации представляет собой, по существу, развернутое обоснование выбора рационального варианта конструкторско-технического решения по созданию приемлемого варианта рабочего органа. Конструкция такого рабочего органа защищена российским патентом.

Теоретическое обоснование физической сути процесса взаимодействия, учета наиболее важных факторов, влияющих на качество заглаживания бетонной поверхности, представлено в третьей главе. В ней развернуто не только обоснование построения математической модели вибрационного заглаживания, но и отмечена существенная нелинейность свойств контакта рабочего органа со средой. Понимая, что колебания рабочего органа определяются не только параметрами вибрации ультразвукового диапазона, но и являются комбинационным сочетанием собственных движений магнитострикционного стержня и упругих колебаний рабочего блока, предварительная оценка упругих свойств рабочего органа дана на уровне макроперемещений в соответствии с характеристикой кубического типа.

В четвертой главе диссертации разработана математическая модель машины, обеспечивающая работу блока с одним вибратором. Однако, этот подход легко обобщается и на тот случай, когда рабочий блок состоит из нескольких рабочих органов. Показано, что качество заглаживаемой поверхности формируется рабочим органом, колебания которого отражают весь спектр динамических процессов, возбуждаемых в замкнутой механической системе с несколькими степенями свободы.

Упрощенные подходы в поиске, выборе и расчете рациональных конструкций связаны с выполнением условий симметрии упругого закрепления рабочего блока на раме машины, с совмещением в одной точке или в вертикали центров тяжести и упругости рабочей головки. Однако центральным моментом в этой ситуации является динамика взаимодействия рабочего органа с бетонной поверхностью, что может быть сведено к задаче упругих колебаний нелинейной системы с одной степенью свободы.

Реологические свойства контактов рабочего органа со средой учитываются набором нелинейных упруго-вязких характеристик взаимодействия. Полученные решения позволяют оценить набор возможных динамических свойств и определиться с направлениями для стабилизации параметров, обеспечивающих качество заглаживания бетонной поверхности. Конкретные технические средства могут быть выбраны, например, из класса динамических гасителей.

Проведенные эксперименты подтверждают основные исходные положения, которые принимались во внимание при построении математической модели технологического процесса виброзаглаживания. Был реализован четырех-факторный экспериментполучено регрессионное уравнение, характеризующее влияние частоты вибраций, давления и заглаживающей способности на качество обработки поверхностипоказано, что повышение частоты вибраций рабочего органа до 18 кГц обеспечивает высокое качество заглаживания бетонной поверхности. Высокочастотная обработка бетонной поверхности также приводит к существенному повышению ее прочности.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработана системно связанная последовательность математических моделей технологического процесса высокочастотного заглаживания: от контакта рабочего органа с поверхностью до взаимодействия рабочего блока с ме- ^ таллоконструкцией машины.

2. На базе предложенных математических моделей и по результатам экспериментальных исследований разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров технологического процесса, обеспечивающих заданное качество обработки поверхности. Показана необходимость выполнения условий, обеспечивающих неразрывность потока пограничного слоя смеси в зоне действия рабочего органа.

3. Разработанная математическая модель взаимодействия рабочего блока с технологическим комплексом позволила объяснить наблюдаемые нестабильные режимы работы и появление характерных локальных дефектов на обрабатываемой поверхности. Получены аналитические зависимости, позволяющие выбрать способ снижения уровня низкочастотных вибраций рабочего блока.

4. На основе научно-обоснованных требований разработана оригинальная конструкция дискового высокочастотного рабочего органа, генерирующего вибрационное движение на основе магнитострикционного эффекта.

5. На основе экспериментальных исследований с использованием методов многофакторного планирования получено регрессионное уравнение, характеризующее влияние частоты вибраций, уровня амплитуд, давления и заглаживающей способности высокочастотного рабочего органа на качество обработки поверхностного слоя бетонных изделий.

6. Экспериментально подтверждено высокое качество обработки высокочастотным рабочим органом поверхностей, отформованных из бетонных смесей жесткостью свыше 100 сопределены оптимальные значения заглаживающей способности (5Л=62,4 м), частоты колебаний (1=18,0 кГц), давления.

Р=0,73 кПа) рабочего органа на обрабатываемую поверхность бетонной смеси (Ж= 142 е.), при которых достигается наименьшая шероховатость обработанной поверхности Яя=0,32 ммустановлен прирост прочностных свойств заглаженной бетонной поверхности на 9−14% при оптимальных режимах работы высокочастотного рабочего органа в сравнении с обработкой рабочим органом традиционной конструкции.

7. Результаты разработок внедрены на предприятиях строительной индустрии г. Братска, гг. Красноярска и С. — Петербурга, республики Монголии.