一種無基礎(chǔ)氣動升降振動臺

摘? 要：近些年來，隨著“建筑工業(yè)化”的高速崛起，混凝土預(yù)制件（PC構(gòu)件）可以實(shí)現(xiàn)建筑的高效率，低成本和低環(huán)境影響，有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，是未來建筑的發(fā)展趨勢。PC構(gòu)件在發(fā)展的同時也遇到了很多技術(shù)方面的問題，其中最重要就是混凝土的振動密實(shí)問題，混凝土是否密實(shí)直接影響預(yù)制件的強(qiáng)度和耐久性，因此研究PC構(gòu)件的生產(chǎn)設(shè)備混凝土振動臺顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：建筑工業(yè)化;振動密實(shí);低幅;高頻

中圖分類號：TU645? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

混凝土振動臺是利用振動電機(jī)產(chǎn)生低幅、高頻振動對混凝士骨料進(jìn)行振動密實(shí)的設(shè)備?；炷涟韬衔镏械墓橇项w粒受到一定頻率的振動，縫隙不斷縮小，排除氣體，從而實(shí)現(xiàn)骨料與水泥漿充分填充，最終達(dá)到密實(shí)的目的。

1 概述

建筑工業(yè)化，以構(gòu)件預(yù)制化生產(chǎn)、裝配式施工兩種方式，以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、施工裝配化為特征，整合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)建筑高效、節(jié)能、環(huán)保的新型建筑生產(chǎn)方式。其中構(gòu)件預(yù)制化生產(chǎn)即是在PC工廠通過自動化設(shè)備流水線生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件。

在PC工廠混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中，是通過振動臺對鋼模臺上模具內(nèi)的混凝土進(jìn)行振搗作業(yè)，實(shí)現(xiàn)混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部密實(shí)，保證構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)及使用要求。目前，市面上大多數(shù)振動臺需要在PC工廠土建施工階段預(yù)埋設(shè)備安裝的基準(zhǔn)墊鐵;且現(xiàn)有振動臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量多故障頻發(fā)，檢修困難等問題嚴(yán)重困擾工廠的正常生產(chǎn);最關(guān)鍵的是振動臺工作噪音超標(biāo)，嚴(yán)重影響工人身心健康。

2 解決方案

針對以上結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢查困難、液壓系統(tǒng)故障頻發(fā)及噪音超標(biāo)等問題，研發(fā)一種無基礎(chǔ)氣動升降振動臺（圖1）由八組氣動升降減振底座、四組簡支橫梁、兩組縱向底梁、十組振動電機(jī)和八組液壓夾緊機(jī)構(gòu)組成，開啟振動電機(jī)將激振力通過縱向底梁傳遞至鋼模臺及其上方的模具與混凝土實(shí)現(xiàn)振搗密實(shí)，具體結(jié)構(gòu)如下：

（1）氣動升降減振底座通過鋼膨脹螺栓直接安裝在振搗工位混凝土地面，空壓機(jī)提供氣源至底座內(nèi)置的空氣彈簧實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體的升降動作，且空氣彈簧作為第二道減振機(jī)構(gòu);

（2）簡支橫梁與左右兩個減振底座螺栓連接，形成四組獨(dú)立的底座橫梁，同時簡支橫梁底部與減振底座連接處配備六套減振橡膠，作為第一道減震機(jī)構(gòu);

（3）縱向底梁通過螺栓與四組獨(dú)立的底座橫梁連接形成一個長12 m、寬4 m的整體結(jié)構(gòu)，通過縱梁與鋼模臺底部橫肋直接接觸將激振力傳導(dǎo)至鋼模臺及澆筑的混凝土;

（4）振動電機(jī)螺栓連接與縱向底梁的下表面提供激振力。左縱梁的五組振動電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，右縱梁的五組振動電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致且跟左縱梁振動電機(jī)旋向相反，該獨(dú)特的振動電機(jī)布置與工作方式，可在振動臺作業(yè)時內(nèi)部抵消左右方向的無效振動，保留有效的上下振動，高效完成振搗密實(shí)作業(yè);

（5）液壓夾緊機(jī)構(gòu)安裝在簡支橫梁端部，采用省力杠桿豎向夾緊方式，以最小能耗實(shí)現(xiàn)鋼模臺與振動臺主體夾緊，迫使鋼模臺與振動臺主體同頻振動，通過縮減鋼模臺與設(shè)備主體的振幅相位差，極大降低振搗作業(yè)時相互碰撞的噪音。

3 選型計(jì)算

通過調(diào)研數(shù)十家PC工廠的實(shí)際生成需求獲知：混凝土預(yù)制構(gòu)件在12 m×3.5 m的鋼模臺上安裝的模具中澆筑成型，振動臺提供激振力將鋼模臺、模具、混凝土與振動臺參振結(jié)構(gòu)形成共振，經(jīng)過數(shù)秒至數(shù)十秒的振動作業(yè)實(shí)現(xiàn)混凝土的密實(shí)。

其中振動臺參振結(jié)構(gòu)質(zhì)量：5500 kg，鋼模臺質(zhì)量：6000 kg，模具+混凝土四檔參振質(zhì)量：5000 kg、10000 kg、15000 kg、20000 kg（極限負(fù)載）。

3.1 振動電機(jī)選型計(jì)算

查閱資料可知，振動參數(shù)可按下式計(jì)算：

——振幅，mm

——振次，次/min

——激振力，N

——參振重量，kg（物料載重在參振質(zhì)量中按0.2～0.3倍計(jì)算）

——振動加速度

根據(jù)生產(chǎn)需求及混凝土特性，混凝土預(yù)制構(gòu)件骨料石子顆粒平均直徑為1.5～2 cm（詳見表1），振動臺應(yīng)選用二級振動電機(jī)，轉(zhuǎn)速n=2900 r/min。

振次=2900 次/min

據(jù)此初定振動電機(jī)如下：

型號：VBE-15122-B;

配用數(shù)量：10臺，單臺電機(jī)質(zhì)量：46 kg，合計(jì)460 kg;

裝機(jī)功率：1.2 Kw×10;

電機(jī)轉(zhuǎn)速：2900 rpm;

單臺振動電機(jī)額定激振力：15 KN;出廠時調(diào)整為80 %，即12 KN。

通過以上實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)推算：

第一檔工作振幅：

第二檔工作振幅：

第三檔工作振幅：

第四檔工作振幅：

無基礎(chǔ)氣動升降振動臺振幅范圍選擇在0.18～0.27 mm區(qū)間，滿足預(yù)制構(gòu)件低流動性混凝土振幅要求（詳見表2），振動電機(jī)以上選型合適。

3.2 夾緊油缸選型計(jì)算

振動臺額定總激振力：=15×10=150 KN，鋼臺車自重：=6 t，在空載狀態(tài)下，鋼模臺受到一個最大的豎直向上的合力，即：

為平衡此力，液壓夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)給予一個豎直向下的合力：

單個壓緊臂所需的夾緊力為：

根據(jù)力矩平衡公式：

當(dāng)壓緊臂處于壓緊狀態(tài)時，力臂，故液壓缸的推力：

結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間預(yù)留條件，初定油缸缸筒內(nèi)徑63mm，其活塞面積：

由此可推油缸所需工作壓力：

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》油缸設(shè)計(jì)壓力一般為工作壓力的1.5倍，可得油缸設(shè)計(jì)壓力：

故夾緊油缸規(guī)格參數(shù)選型初定如下：

（1）油缸規(guī)格。缸徑：63 mm，桿徑：36 mm，行程：150 mm，安裝距：450 mm，安裝方式：兩端單耳環(huán)鉸接;

（2）油缸數(shù)量：8支;

（3）油缸額定工作壓力：6 MPa。

3.3 空氣彈簧選型計(jì)算

鋼模臺+模具+混凝土額定重量為26 t（），振動臺自重為6 t（），故空氣彈簧額定靜載為32 t。

已知振動電機(jī)最大激振力（動載）：

當(dāng)振動電機(jī)激振力方向豎直向下時，空氣彈簧需承受的最大負(fù)載（靜載+動載）：

據(jù)此選定空氣彈簧JBF290/105-1：已知該空氣彈簧全行程為65mm。振動臺設(shè)計(jì)升降高度為55mm，故空氣彈簧最高伸長高度取130mm，最低壓縮高度取75mm?？諝鈴椈筛叨仍礁?，其承載力越小，故取其最高伸長高度130mm時的情況進(jìn)行受力分析。

空氣彈簧公稱使用壓力為0.6 Mpa，考慮氣動系統(tǒng)實(shí)際使用中有一定氣壓損失，故取其表壓0.56 Mpa時，該空氣彈簧的承載力為33.8 KN。當(dāng)4根橫梁總計(jì)安裝16個空氣彈簧時，總承載力為：

故無基礎(chǔ)氣動振動臺選用16個JBF290/105-1型空氣彈簧滿足承載要求。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析

4.1 靜應(yīng)力分析

振動臺結(jié)構(gòu)承受極限載重26t垂直向下均布加載于縱梁上表面，邊界條件設(shè)定為16個空氣彈簧固定，采用SolidWorks Simulation進(jìn)行模擬計(jì)算得出，最大應(yīng)力為），低于材料的屈服力，安全系數(shù)約為2.6，判定該結(jié)構(gòu)與材料的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求;最大變形為0.815mm，出現(xiàn)在兩根縱梁中間偏兩側(cè)位置，結(jié)合靜應(yīng)力分析此處應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，故判定此變形為彈性變形，外力撤銷后可恢復(fù)。

4.2 振動受力分析

振動臺結(jié)構(gòu)承受極限載重26t，垂直向下均布加載于縱梁上表面，同時縱梁底部振動電機(jī)位置加載10組垂直向上合計(jì)150KN的激振力，邊界條件設(shè)定為16個空氣彈簧固定，采用SolidWorks Simulation進(jìn)行模擬計(jì)算得出，最大應(yīng)力為，遠(yuǎn)低于材料的屈服力，判定該結(jié)構(gòu)與材料的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求;最大變形為，微量彈性變形對結(jié)構(gòu)無影響。

結(jié)合高頻振動工況，參照Q235材料SN曲線中應(yīng)力與頻次關(guān)系（詳見圖2），該結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力遠(yuǎn)在Q235材料的疲勞強(qiáng)度以下，疲勞壽命可近似看作無窮大。

5 結(jié)語

研制無基礎(chǔ)氣動振動臺對于降低設(shè)備制造成本、減少設(shè)備故障及維修頻次、降低設(shè)備運(yùn)行噪音等方面具有重大意義。目前該設(shè)備業(yè)已在全國多家PC工廠推廣應(yīng)用，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益，降低了噪音超標(biāo)造成的職業(yè)病危害及環(huán)境污染。

收稿日期：2021-08-10

作者簡介：劉藝（1985—），男，湖南漣源人，本科，工程師，從事裝配式建筑專用PC設(shè)備研發(fā)工作。