混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床研制與應(yīng)用

張繼合 熊長軍 姚秀芝

（聊城安泰黃河養(yǎng)護公司，山東 聊城 252000）

0 概述

混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床是一種能代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工預(yù)制塊振搗工藝的設(shè)備，由它生產(chǎn)出來的預(yù)制塊表面光滑，硬度高，各項指標都符合質(zhì)量要求。振動床由床面、振動彈簧、吸附式振動器、可組合式支架四部分組成。預(yù)制塊加工時，將塑料模具裝滿混凝土料，放在振動床上振動40秒左右后取下，再進行養(yǎng)護24小時后取下模板。用振動床生產(chǎn)小型預(yù)制塊，操作方法簡單，生產(chǎn)效率高，節(jié)約勞動力，一般女同志就能方便地操作。通過了解和網(wǎng)上查詢沒有發(fā)現(xiàn)類似或比此更先進的振動床。

1 研究背景

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)小型混凝土預(yù)制塊是把木制（或鋼制）模具固定在地面上，用平板振動器或插入式振動器進行振搗，模板易變形，容易出現(xiàn)跑漿、漏漿，成品表面多蜂窩麻面，密實度差，生產(chǎn)成本高，工作效率低，并且模板周轉(zhuǎn)次數(shù)也少。在黃河標準化堤防建設(shè)中，路沿石、擋土墻、斷面樁、百米樁、千米樁等為小型混凝土預(yù)制塊，其預(yù)制質(zhì)量、埋設(shè)平順圓滑，是影響工程外觀質(zhì)量的主要因素。各種預(yù)制構(gòu)件的表面光滑、結(jié)構(gòu)密實、堅硬，外表美觀,是標準化堤防工程的主要看點。同時也是給日后的工程管理工作帶來很多便利的有利條件，反之將帶來很多不必要的維修養(yǎng)護工作量，增加工程的維修養(yǎng)護成本。2008年，我們在淄博高青標準化堤防工程建設(shè)中，當?shù)仡A(yù)制件廠生產(chǎn)的路沿石，表面粗糙，多麻面,成品密實度低，無法滿足工程需要。為此，我們經(jīng)多方考查研究，進行市場調(diào)查，最后在振動篩的啟示下，進行了混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床的研制。

2 主要研究內(nèi)容及研究方法

振動床從設(shè)想到設(shè)計制作加工、試驗應(yīng)用，經(jīng)歷了以下過程。機械設(shè)計→機械焊制加工→進行試驗→改進→成型的機械→編寫報告。

2.1 振動床的設(shè)想

2008年5月10日，研究小組開始收集混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床有關(guān)信息，考慮到傳統(tǒng)的模板振搗器制作預(yù)制塊速度慢，且表面易出現(xiàn)蜂窩麻面，棱角易損壞，成品也不夠密實等現(xiàn)象，如何讓預(yù)制塊結(jié)構(gòu)密實，且表面光滑美觀呢？帶著這個問題，小組人員經(jīng)多方咨詢，隨后又在建筑工地進行考查，看到了振動篩，底下篩子在動，上面的沙子在動，在這一現(xiàn)象啟示下，產(chǎn)生了焊制振動床的設(shè)想，把混凝土拌和料放在模具盒里，一起放到振動床面上，振搗效果可能會優(yōu)于傳統(tǒng)的振搗方法，為此，我們繪制了振動床設(shè)計草圖。

2.2 振動床的結(jié)構(gòu)原理

振動床由床面、振動彈簧、吸附式振動器、可組合式支架等組成。

2.2.1 振動床面大小及材料的選擇

首先振動床大小的選擇考慮了三個方面的因素：①考慮到人工從振動床面上把預(yù)制構(gòu)件搬下來操作方便、順手、省力。②振動床面規(guī)格選擇主要是考慮到所加工預(yù)制構(gòu)件的大小。③考慮振動床移動運輸方便等因素。最后根據(jù)預(yù)制路沿石尺寸(0.5m×0.3m×0.1m)，一次放置10塊，確定床面的大小定長*寬為2.2m*1.2m。其次，床面材料的選擇：因10塊路沿石的重量在360kg左右，360kg的重物在床面上振動，所以振動床面要承載達到500kg左右的強度，因此選用承載能力強的5cm×5cm角鋼。支架材料的選擇：支架必須在床面振動時保持十分牢固可靠，因此我們選用了直徑5cm的鋼管作為支架材料。

2.2.2 振動彈簧的選擇

根據(jù)放置預(yù)制塊的重量，來確定用什么樣的振動彈簧。彈簧的彈性系數(shù)k與彈簧的直徑，彈簧的線徑，彈簧的材料，彈簧的有效圈數(shù)有關(guān)。具體關(guān)系是：與彈簧圈的直徑成反比，與彈簧的線徑的4次方成正比，與彈簧的材料的彈性模量成正比，與彈簧的有效圈數(shù)成反比。

彈簧彈性系數(shù)計算公式：c=F/λ＝Gd4/8D23＝Gd/8C3n

上式中：c——彈簧的剛度，（即彈性系數(shù)，中學物理叫倔強系數(shù)k）；F——彈簧所受的載荷；λ——彈簧在受載荷F時所產(chǎn)生的變形量；G——彈簧材料的切變模量；（鋼為8×104MPa，青銅為4×104MPa）；d——彈簧絲直徑；D2——彈簧直徑；n——彈簧有效圈數(shù)；C——彈簧的旋繞比（又稱為彈簧指數(shù) ）

為了使選用的彈簧與振動器配置最為合理，試驗小組進行了選用不同彈簧，不同振動器試驗，具體試驗數(shù)據(jù)如表1：

表1 選用不同彈簧、振動器實驗數(shù)據(jù)表

通過試驗實踐表明：第四組是最好的，振動器功率與彈簧可完全滿足10塊路沿石預(yù)制塊的預(yù)制，不浪費功率，生產(chǎn)的數(shù)量也最多。通過無數(shù)次的試驗及實際應(yīng)用，我們最后確定該振動床，用0.75kW的振動器，與彈簧長度×直徑×線徑×圈數(shù)為17cm*7.5cm*1cm*9圈，相匹配是最為合理的。

2.2.3 吸附式振動器的選擇

通過市場調(diào)查，我們選擇了ZKF150、ZKF075、ZKF035三種型號振動器，通過實驗發(fā)現(xiàn):

（1）ZKF075型振動器體積適中，激振頻率高、振幅小、輻射范圍大（1.5-2.0m），混凝土流動性高、可塑性增加，構(gòu)件密實度提高。在模板形變上消耗的能量少，延長模板的使用壽命。

（2）ZKF150型振動器，體積大，振幅大，能把預(yù)制塊拋起，影響預(yù)制塊質(zhì)量。

（3）ZKF035型振動器振動力小，不能把構(gòu)件充分振動密實，達不到質(zhì)量要求。

通過對比實驗，我們最終確定采用ZKF075型振動器用在該振動床上。具體參數(shù)見表2。

表2 振動器主要參數(shù)表

2.3 振動床的制作加工

2.3.1 振動床面的加工及振動器的安裝

首先用5cm×5cm的角鋼焊制一個長×寬為2.2m×1.2m振動床面框，角鐵向上，這樣預(yù)制塊放在上面振動時掉不下來，中間焊上鐵條或細鋼筋都行，在床面的中間安裝上振動器。在振動床面的四個角安裝上四個選好的彈簧。

2.3.2 組合式支架的加工

為了安裝、搬運方便，我們焊制可組裝式振動床支架，連接部分使用螺栓。

2.3.3 振動床面與支架的連接

把床面的四個彈簧安裝到支架上面的彈簧導管內(nèi)，導管不要過長或過短，過長降低彈簧的有效彈性，過短不能起到支架與彈簧的導向作用，就象那種彈簧式的摩托車后減振器，達到那種效果，使振動床面在振動器的作用下，充分振動，但振動床面還要在床腿上牢固。

現(xiàn)在讓我們將目光轉(zhuǎn)向現(xiàn)象之“物”。形上之“物”在開出天然現(xiàn)象之“物”的過程中，使天然現(xiàn)象之“物”具有“德”。《五十一章》曰：“道生之，德畜之，物形之，勢成之……故道生之，德畜之：長之、育之、亭之、毒之、養(yǎng)之、覆之?！绷_安憲說：“老子之所謂‘德’，其實就是后代之所謂‘性’。德者，得于道者也?！睂τ谔斓?、萬物而言，“道”是外在的，但同時，“道”以“德”的形式內(nèi)貫于天地、萬物，天地、萬物便以“德”體現(xiàn)著“道”?！暗隆笔翘斓?、萬物的本性，而“德畜”就是本性的發(fā)動。天地、萬物因不同的“德”呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，具有了不同的質(zhì)料，并在形勢、環(huán)境之下不斷展開自身。

2.4 焊制好振動床后的試驗

混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床的工作原理：把混凝土料放在讓專業(yè)廠家生產(chǎn)規(guī)定尺寸的塑鋼模板盒上，然后一塊把它放在振動的床上，接通吸附在床面上振動器的電源，振動床面開始振動，使放在上面的預(yù)制構(gòu)件振動40秒左右后取下，放到工作場地上，24小時后取下塑鋼模板盒，進行下道工序養(yǎng)生。

2.4.1 塑料模具選擇

為什么要選用塑料模板呢，考慮到它有以下幾點優(yōu)越性。

（1）塑料模板具有抗?jié)裥?、耐腐蝕性強、耐酸和耐堿性強點，使用壽命長等特，一般可從復(fù)使用4年左右。

（2）塑料模板強度高、韌性強，耐沖擊、彈性強，不易產(chǎn)生變形，從而大幅度提高模板的周轉(zhuǎn)使用次數(shù)。

（3）塑料模板可根據(jù)設(shè)計需要做成各種型號，其重量輕，施工操作及搬運安全可靠、勞動強度低、施工效率高。

（4）因制作預(yù)制構(gòu)件與模板一起經(jīng)常澆水養(yǎng)護生，所以木制的容易腐爛，而塑料模板卻不會腐爛，從而增加模板使用壽命，可大大降低施工成本，且使用后的廢舊模板還可收回，以舊換新，節(jié)約成本更加可觀。

（5）塑料模板在使用過程中可預(yù)制細小精美的花紋、棱角等各種圖案，可達到標準一致，且容易清潔和保養(yǎng)。

（7）塑料模板如遇損壞，可百分之百地回收、再生、減少廢棄物對環(huán)境的污染。

2.4.2 振動床的試驗

混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床焊制好后，2008年5月15日進行了試驗。首先根據(jù)C20路沿石的制作質(zhì)量要求，計算好料的配合比例，用小型混凝土攪拌機進行攪拌好料，放在塑料模板上，進行振動，約40秒左右即可成型，把成型后的預(yù)制塊路沿石放到養(yǎng)護生的場地上，24小時后取下模板，進行下道工序養(yǎng)護。結(jié)果生產(chǎn)出的成品效果非常好。為了確定最佳振動時間，小組進行了實際操作實驗，把預(yù)制塊放在振動床面上，用秒表記時，每10秒作一次實驗結(jié)果記錄，通過實踐證明40秒為最佳振動時間。具體時間與振動效果見表3。

用振動床生產(chǎn)的預(yù)制塊路沿石，試驗室試驗結(jié)果表明，各項指標均符合質(zhì)量要求(具體見附件:聊城公路工程質(zhì)量檢測中心做的抗壓強度試驗報告)。

2.4.3 混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床預(yù)制路沿石與傳統(tǒng)工藝對比試驗

2008年5月20日，試驗小組在淄博高青第一標段工地的預(yù)制塊加工廠進行了對比試驗，同樣生產(chǎn)100塊路沿石，拌料相同，傳統(tǒng)工藝5人操作，振動床3人操作。

傳統(tǒng)工藝：首先5個人都開始固定木制（鋼制）模板，模板較重，有人搬運模板，有人抹油，有人固定，100塊模板固定好后用時2小時；上料，2人用小推車運料，2人拉著振搗器開始振動，1人作振搗后抹平，該工序結(jié)束后用時2.5小時，養(yǎng)護生后5人同時工作去掉模板，用時1.5。整個過程共用6小時，結(jié)果出來的成品表面粗糙，很多蜂窩麻面，強度不夠，達不到質(zhì)量要求。

用振動床：3人進行分工，1人把很輕的塑料模板放在振動床上，上料，上好料后并接通電源進行振動，一次可放置10塊模板（也就是一個循環(huán)生產(chǎn)10塊路沿石），振動好后，由1人用小車推到養(yǎng)生場地，放好后由另1人擺放，24小時后1人把塑料模板取下來，這樣一個循環(huán)程序用時15分鐘，100塊加工好后共用時2.5小時。結(jié)果制出的成品表面光滑，沒有麻面，強度很好，質(zhì)量合格。

表3 預(yù)制構(gòu)件振動時間與振動效果表

通過對比試驗我們可以得出這樣一個結(jié)論，同樣生產(chǎn)100塊路沿石混凝土預(yù)制塊，振動床生產(chǎn)要比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)節(jié)省3.5小時，并且用振動床加工路沿石預(yù)制塊，省時、省力、質(zhì)量好、硬度高、外表美觀等優(yōu)點。

3 主要研究成果

聊城安泰黃河養(yǎng)護公司研究制造的混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床由床面、振動彈簧、吸附式振動器、可組合式支架四個部分組成。床面長×寬為2.2m×1.2m的角鋼焊制而成，支架為了安裝方便由5cm×5cm的鋼管用螺栓連接而成；振動彈簧直徑7.5cm，線徑1cm，長度17cm，圈數(shù)9圈；振動器型號ZKF150-7.5，功率為0.75KW，安裝在床面中間位置的下方。該振動床最大振動重量約500kg，最佳振動重量約360kg，可生產(chǎn)各種小型預(yù)制構(gòu)件。

4 應(yīng)用轉(zhuǎn)化情況和應(yīng)用前景

混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床研制完成后，在2008年淄博堤防道路工程中，第一標段所使用的路沿石、擋土墻全部是該機械生產(chǎn)的，2009年聊城河務(wù)局更換的險工斷面樁、百米樁、千米樁等也是該機械生產(chǎn)的，使用效果很好，生產(chǎn)的各種構(gòu)件外觀沒有麻面，質(zhì)地堅硬，所有檢測指標均符合要求。

圖1

使用混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床生產(chǎn)小型預(yù)制塊，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，他不但適應(yīng)公路兩側(cè)路沿石的預(yù)制，而且應(yīng)用很廣，只要是小型的預(yù)制塊加工都行，使用混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床生產(chǎn)預(yù)制塊，工作效率高、節(jié)約人力，成品美觀實用，前景十分廣闊。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

表4 用振動床生產(chǎn)預(yù)制塊與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)預(yù)制塊對比表

由表4可以看出：同樣生產(chǎn)100塊同規(guī)格的預(yù)制塊，可節(jié)約人工費37.5元-15.63元＝21.87元，由此可以得出，加工一塊可節(jié)約21.87元÷100塊＝0.22元/塊。每塊可節(jié)省模板費3元。2008年在山東淄博高青堤防道路路沿石及擋土墻埋設(shè)工程施工中，第一標段用路沿石及擋土墻9.95萬塊，每塊節(jié)約資金3.22元，共節(jié)約資金32.05萬元。該振動床推廣到該工程施工的二標、三標使用，共生產(chǎn)路沿石及擋土墻16.8萬塊,每塊節(jié)約資金3.22元,共節(jié)約資金54.09萬元。共計節(jié)約資金86.14萬元。

通過對比分析，我們可以得出這樣一個結(jié)論：經(jīng)濟效益方面，使用振動床生產(chǎn)預(yù)制塊比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)預(yù)制塊，節(jié)約資金、提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動力，經(jīng)濟效益十分可觀。

5.2 社會效益

使用振動床生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，成品美觀、沒有麻面，表面光滑，質(zhì)地堅硬，符合各項質(zhì)量要求。它在黃河防洪工程預(yù)制構(gòu)件中，適應(yīng)范圍廣，可很好的預(yù)制工程上很多預(yù)制構(gòu)件。具體適用范圍見表5。

表5 振動床生產(chǎn)黃河工程各種預(yù)制構(gòu)件表

聊城黃河共有堤防長度142.95km，險工26處、壩岸506段，每年更換損壞的百米樁、千米樁、警示樁、斷面樁、路沿石外側(cè)防護墩、界樁等等預(yù)制構(gòu)件，數(shù)量很大，以往都是如果損壞了就讓預(yù)制件廠給加工，因加工的數(shù)量不是成批，所以要價很高，增加了養(yǎng)護成本，而有了預(yù)制構(gòu)件振動床，這項資金就可節(jié)約30%以上，用它生產(chǎn)這些構(gòu)件，成本低，省力省時，而且勞動強度也不大，養(yǎng)護職工自己就能夠生產(chǎn)。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)預(yù)制塊相比，使用混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床加工各種小型預(yù)制塊，成品美觀，表面平滑無蜂窩麻面，密實度高，生產(chǎn)中可節(jié)約資金30%以上。混凝土預(yù)制構(gòu)件振動床，通過實際生產(chǎn)大量的預(yù)制路沿石塊、斷面樁、百米樁等，技術(shù)十分成熟，可廣泛應(yīng)用于各種小型預(yù)制塊的加工，具有很大的推廣應(yīng)用價值。