【摘要】針對建筑行業(yè)鋼筋混凝土施工中混凝土振搗質(zhì)量的關(guān)鍵問題, 提出了中頻振搗理論并介紹研制出的中頻振搗設(shè)備。
【關(guān)鍵詞】混凝土; 中頻振搗; 研制
【中圖分類號】TU528; TU755.6 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B
1 國內(nèi)外振搗技術(shù)的現(xiàn)狀
目前國內(nèi)鋼筋混凝土的預(yù)制或現(xiàn)場施工中普遍采用的是工頻（ 50Hz）振動(dòng)平臺或普通電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械軟軸，由機(jī)械軟軸帶動(dòng)振搗器工作，這種振搗器振搗效果差，質(zhì)量低，噪聲大（ 高過110dB 以上），且工作電壓通常為380V 或220V，容易造成觸電事故。
近年來，國外開始出現(xiàn)中頻振搗技術(shù)的應(yīng)用，其中德國、意大利已經(jīng)有相應(yīng)產(chǎn)品問世。德國Bor公司研制了以變頻發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力，配置高速微型電機(jī)，直接帶動(dòng)振搗器工作的系統(tǒng)。但是價(jià)格很高，一般在1.2 萬元~1.6 萬元。意大利ovle 公司利用電子技術(shù)推出了以電子變頻電源為動(dòng)力，配置微型高速電機(jī)，帶動(dòng)振搗器工作的系統(tǒng)。動(dòng)力形式不一樣，但末端輸出基本一致，驅(qū)動(dòng)高速微型電機(jī)的電源均為42V/195Hz。
2 中頻振搗理論的提出
相同體積的混凝土振搗質(zhì)量和效率是和作用在混凝土的振搗頻率有直接關(guān)系，混凝土振搗過程，實(shí)際上是使?jié)补嗪蟮幕炷?，骨料之間失去空隙，達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，實(shí)際是混凝土的一種液化過程，當(dāng)振搗棒的振動(dòng)頻率與骨料固有的自振頻率相接近時(shí)，就能大大的促進(jìn)混凝土的液化，獲得良好的振搗效果。
2. 1 振搗頻率的選擇
根據(jù)有關(guān)的試驗(yàn)研究，骨料自振頻率n 與骨料粒徑的平方根成反比。即：
式中，K 為振波在骨料內(nèi)的傳播速度,一般可以認(rèn)為是某常數(shù)；d 為骨料直徑。
從式中可以看出，骨料顆粒直徑較大時(shí)宜用頻率較低的振搗棒。顆粒較小時(shí)，宜用頻率較高的振搗棒。
因液化過程往往取決于振動(dòng)加速度，對于干硬性混凝土宜采用中頻振搗棒。而塑性混凝土為避免產(chǎn)生分層離析的現(xiàn)象宜采用低頻振搗棒。不過混凝土的骨料常是由各種粒徑的石、砂組成。選擇多大頻率的振搗棒合適，還要具體分析。
2. 2 振搗棒的振幅
實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)混凝土采用三級配置（最大骨料粒徑為80mm）坍落度為3cm～6cm 時(shí)，可選用振幅為1.0mm～1.5mm，頻率為100Hz～167Hz 的振搗棒。那么振搗棒的直徑應(yīng)在80mm～130mm 為宜。
2. 3 振動(dòng)加速度
混凝土的振動(dòng)加速度是促使混凝土液化的決定因素。它與振搗頻率W和振幅A 的關(guān)系為：
a=A·W
實(shí)際應(yīng)用中，振搗棒的振動(dòng)加速度可按下式來
計(jì)算：
式中,Me 為偏心軸重；r 為偏心距；Mδ為振搗棒減去偏心軸重后的剩余重量；Mb 為排出的混凝土的重量。
2. 4 振搗棒的作用半徑
振搗棒的作用半徑，據(jù)詳細(xì)測定一般為如表1所示
據(jù)表1 分析：中小型混凝土斷面，可選用直徑為80mm 的振搗棒為宜。大型混凝土斷面可選用直徑為130mm～140mm 的振搗棒為宜。
2. 5 振搗棒的生產(chǎn)率計(jì)算
插入式振搗棒的生產(chǎn)率計(jì)算采用下式：
式中，r2 為振搗棒的作用半徑,mm；K 為振搗棒時(shí)間利用系數(shù)，可取K=0.8~0.85；h 為振動(dòng)層厚度，M；t1 為每一位置振動(dòng)時(shí)間，s；t2 為變動(dòng)位置所需時(shí)間，s 。
由上式分析可知，加速度α與振搗棒頻率ω成正比，因此振搗頻率越高，對混凝土的液化越有利，但在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)頻率高到一定程度，將使運(yùn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速過高。一般軸承的運(yùn)行速度上限，即極限轉(zhuǎn)數(shù)為11000r/min，在這個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)以下，為使電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，需提高加工質(zhì)量，加強(qiáng)潤滑措施才能達(dá)到目的。如按此轉(zhuǎn)速或高于此轉(zhuǎn)速，在強(qiáng)度允許的情況下，就需要采用特殊的高速軸承，如高壓空氣懸浮或磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)等，這樣就必然會提高制造成本或造成施工現(xiàn)場運(yùn)行的不可行性。
為了降低制造成本，保證建筑施工設(shè)備的長壽命運(yùn)行，進(jìn)一步提高混凝土振搗效率和質(zhì)量，在綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為最佳的振動(dòng)頻率應(yīng)為150Hz ~190Hz。
3 中頻發(fā)電機(jī)組及插入式振搗棒的研制
為了實(shí)現(xiàn)振搗系統(tǒng)的高效、環(huán)保、安全、節(jié)能的目標(biāo)，我們依據(jù)中頻振搗棒理論，研制了中頻低壓發(fā)電機(jī)組和插入式振搗棒，并實(shí)現(xiàn)了操作者對機(jī)組的遠(yuǎn)距離遙控。
中頻振搗用電源，國際目前有兩種形式的產(chǎn)品，一種為中頻發(fā)電機(jī)組，另一種為電子變頻電源。其中電子變頻電源成本較低，生產(chǎn)工藝較簡單。它是利用電子技術(shù)獲得了42V/195Hz 的中頻電源，但是它的外部能量是由工頻50 Hz 、380V 市電提供的，一旦有關(guān)電子器件損壞，380V 的市電就會直接作用在操作者所撐握的振搗棒上，對現(xiàn)場操作人員構(gòu)成極大的潛在威脅。而中頻發(fā)電機(jī)組，尤其是本文所論述的交流激磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，制造成本略高，但外施380V 市電與42V 輸出電源之間雙層絕緣，除同一機(jī)械軸外，沒有必然的聯(lián)系，故安全性能好。由于該機(jī)組的工作原理是由一臺380V 的異步電機(jī)同軸拖動(dòng)一臺42V/195 Hz 的發(fā)電機(jī)。因此，本機(jī)組適應(yīng)惡劣環(huán)境能力及過載能力高。同時(shí)
在機(jī)組控制上，我們采取了手動(dòng)和遠(yuǎn)距離遙控兩種并存的方式，大大方便了操作者。在振搗棒的設(shè)計(jì)中，我們依然本著高效、環(huán)保、節(jié)能、安全的原則，將高速電機(jī)與振子設(shè)計(jì)為一體，
由42V/195 Hz 電源直接驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)帶動(dòng)振子工作，相對目前老式軟軸傳動(dòng)的振搗棒動(dòng)力性能高出幾十倍，由于采用的是低電壓中頻電源手持震感大大減輕。噪聲大大的降低，操作者的安全得到了有效的保障。產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)有了極大的提升。
在設(shè)備研制過程中，我們分別解決了多項(xiàng)技術(shù)課題，使該產(chǎn)品很快達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。
1）為實(shí)現(xiàn)低壓（ 交流36V~42V） 中頻（ 150Hz~195Hz）大電流的要求，在發(fā)電機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)中，采用多繞組、多并聯(lián)支路，多回路的設(shè)計(jì)。結(jié)果，造成了一臺定子繞組出來252 個(gè)接頭，給生產(chǎn)工藝和工人操作帶來了巨大困難，2 個(gè)工人接兩天才能制造一臺定子，稍有疏忽，接錯(cuò)了一根線，查找起來非常困難。為此，我們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變了繞制工藝，從252 個(gè)接頭縮減到42 個(gè)。從而解決了批量生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。
2）就多輪系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)的撓度計(jì)算和研究，我們解決了同一殼體內(nèi)雙軸承、多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)條件下，在氣隙允許值內(nèi)，改變了轉(zhuǎn)軸臺階結(jié)構(gòu)，加大了軸徑，減少振動(dòng)撓度，保證了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行性能。
3）就薄壁殼過盈配合公差的計(jì)算方面，我們保證了機(jī)組和高速電機(jī)的裝配工藝，保證了同軸度和接合力的方案設(shè)計(jì)。
4）在機(jī)組控制方面，我們采用了更人性化的方案，即操作者和機(jī)組之間采用了遠(yuǎn)距離遙控，既減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又使機(jī)組控制性能得到了提升。
4 結(jié)論
1）為了提高振搗技術(shù)和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)振搗設(shè)備在現(xiàn)代施工現(xiàn)場的高效、環(huán)保、安全、節(jié)能運(yùn)行，本文提出了中頻振搗理論，介紹了新研制的中頻振搗設(shè)備。低電壓（ 36V~42V）中頻（ 150HZ~195HZ）為運(yùn)行最佳參數(shù)。
2）選用交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組為穩(wěn)定高效、安全運(yùn)行的最佳電源配置。
3）選用高速電機(jī)與振子一體化設(shè)計(jì)是安全、節(jié)能、降噪的最佳方案。
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