Юдин Константин Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Дегтярь Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Анциферов Сергей Игоревич, канд. техн. наук, доцент, anciferov.sergey@gmail. com, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
STUDY OF LOADING MOVEMENT IN A MIXER WITH BI-DIRECTIONAL ROTATIONAL INFLUENCE
ON THE MATERIAL
K.A. Yudin, A.N. Degtyar, S.I. Anciferov
The article discusses the features of the development of innovative batch mixers. The feasibility of developing such mixers is presented. A variant of a laboratory mixer installation (three-dimensional model) is presented with a description of the effects on the mixed material relative to two mutually perpendicular horizontal axes. The rotation of the mixing chamber is carried out by means of belt, bevel, and chain drives. The resulting complex spatial movement of material particles can be controlled by a frequency converter and selection of appropriate gears. Part of the methodology for determining the trajectory of movement of material particles in the mixing chamber is presented. The spatial problem is solved mathematically. Preliminary experimental studies have been carried out. A central compositional orthogonal plan has been selected. Input factors are proposed. An example of a computer implementation of a problem using the SolidWorks Flow Simulation application with diagram output is presented. Conclusions are drawn from the work.
Key words: device for mixing materials, trajectories of movement of material particles inside the mixing chamber, bidirectional rotational effect.
Yudin Konstantin Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, kyudin@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Degtyar Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, andrey-dandr@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Anciferov Sergey Igorevich, candidate of technical sciences, docent, anciferov. sergey@gmail. com, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
УДК 69.002.5
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-3 -666-667
ОПИСАНИЕ ДИНАМИКИ ВИБРАЦИОННОГО ОШТУКАТУРИВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕН
Р.Р. Шарапов, Н.С. Шихов
В статье рассмотрены основные аспекты изучения эффективного применения штукатурных машин и смесей в строительстве путем применения автоматизированных и механизированных систем, агрегатов и роботов. Теоретический аспект исследования процесса уплотнения штукатурного слоя с помощью виброплатформы робота-штукатура с регулируемыми параметрами. Выявлены основные конструктивно-технологические параметры виброуплотнения штукатурного слоя и их влияние на эффективность процесса уплотнения вертикальных стен. Описаны методики проведения экспериментальных исследований, а также экспериментальные установки, на которых проводился лабораторный эксперимент. Использование данной технологии позволяет решить проблему временных затрат и увеличить показатели производительности труда, а также аспекты экономического характера. При изменении физико-механических характеристик виброплатформы ее зависимость факторов варьирования позволяет сформировать наиболее благоприятные условия для механического воздействия колебаний на эффективность процесса оштукатуривания вертикальных стен. Изучены штукатурные смеси для получения штукатурного слоя, проанализированы основные физико-механические характеристики, требования, которые необходимо учитывать в процессе оштукатуривания. В работе приведено сравнение физико-механических характеристик виброплатформы, выявлены преимущества и недостатки при использовании разных комбинаций параметров. Установлено, что использование определенной комбинации либо изменение одного важного параметра способствует повышению физико-механических характеристик по сравнению с традиционным методом механического воздействия.
Ключевые слова: штукатурная смесь, оштукатуривание, робот-штукатур.
Ведущие компании, связанные с робототехникой, уже сейчас выпускают разнообразные строительные аппараты, с успехом используемые при строительстве больших объектов. Такие устройства показали свою высокую эффективность на всех стадиях — от проектирования до финишной отделки.
Разработка нового устройства штукатурной машины и технологии использования для автоматизированного уплотнения вертикальных стен. Разработка новой автоматизированной штукатурной машины. [1]
Необходимостью изучения более широких связей и свойств объектов, воздействия кинематических, силовых, энергетических и других параметров штукатурных машин с целью выявления новых закономерностей их функционирования и создания на их основе новых конструкций вибромашин обладающих повышенной эффективностью.
Существуют роботы для штукатурных работ. У нас они не распространены из-за высокой стоимости. Как правило, такие виды работ принято делать вручную по маякам. В Китае же, с их огромными объемами строительства они применяются чаще.
Материалы и методы. Исследования влияния конструктивных параметров механического воздействия колебаний на эффективность процесса оштукатуривания вертикальных стен производились на моделях робота-штукатура и виброустановки (см. табл. 1).
Таблица 1
Зависимость физико-механических свойств. Исследуемые факторы и уровни варьирования ПФЭ ЦКРП 2
№ п/п Факторы Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования
Х = -2 (звездный уровень) Х = -1 (нижний уровень) Х = 0 (средний уровень) Х = +1 (верхний уровень) Х = +2 (звездный уровень)
1. Водосодержание W, мл/кг=% XI 50мл/кг 200=66% 250=83% 300=100% 350=116% 400=133%
2. Частота колебаний £ Гц Х2 5Гц 35 Гц 40 Гц 45 Гц 50 Гц 55 Гц
3. Угол наклона виброплатформы а, ° Х3 5 ° 35 ° 40 ° 45 ° 50 ° 55 °
4. Амплитуда А, мм Х4 0.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5
Модель штукатурной машины представлена на рис. 1. Она представляет собой конструкцию, состоящую из двух мачт и тележки с механизмом подъема, а также виброплатформы и бункера установленной на тележке. Механизм подъема представляет собой систему канатов с приводом.
(виброплита с бункером); 2 - стайки; 3 - механизм подъема (электродвигатель и система блоков); 4 - основание; 5 - нож; 6 - механизм изменения угла наклона
Основными требованиями к процессу нанесения является варьируемые факторы виброплатформы и особые свойства штукатурного состава. Процесс нанесения штукатурного слоя изображен на рис. 2.
Рис. 2. Процесс нанесения штукатурного слоя 1 - штукатурный слой (накрывочны); 2 - штукатурный слой (обрызг, грунт); 3 - штукатурная установка; 4 - основание (стена); 5 - механизм уплотнения (виброплита
с бункером)
Критерии проверки качества штукатурных работ нескольких типов штукатурных составов (см. табл. 2).
Таблица 2
Критерии проверки качества штукатурных работ нескольких типов штукатурных составов_
№ п/п Наименование Простая штукатурка Улучшенная штукатурка Высококачественная штукатурка
1. Отклонение от вертикали Не более 3 мм на 1 м, но не более 10 мм на всю высоту помещения Не более 2 мм на 1 м, но не более 10 мм на всю высоту помещения Не более 0,5 мм на 1 м, но не более 5 мм на всю высоту помещения
2. Отклонение по горизонтали Не более 3 мм на 1 м Не более 3 мм на 1 м Не более 1 мм на 1 м
3. Неровности поверхности плавного очертания Не более 4 шт. на 1 м, но не более 10 мм на весь элемент Не более 2 шт., глубиной (высотой) до 3 мм Не более 2 шт., глубиной (высотой) до 1 мм
4. Отклонение оконных и дверных откосов, пилястр, столбов и т.п. от вертикали и горизонтали Не более 4 мм на 1 м, но не более 10 мм на весь элемент На площади 4 не более 4 мм на 1 м, но не более 10 мм на весь элемент На площади 4 не более 2 мм на 1 м, но не более 5 мм на весь элемент
5. Отклонение радиуса криволинейных поверхностей от проектного значения Не более 10 мм на весь элемент Не более 7 мм на весь элемент Не более 4 мм на весь элемент
6. Отклонение ширины откоса от проектной Не более 5 мм Не более 3 мм Не более 2 мм
На рис. 3. представлена виброустановка для воздействия на штукатурный слой при виброуплотнении стен. Установка работает следующим образом.
1 - эксцентрик отклонения установки в вертикальной плоскости (виброплита с бункером); 2 - шкив;
3 - подшипник; 4 - ремень передачи; 5 - электродвигатель; 6 - ремень передачи, 7 - шкив, 8 - эксцентрик отклонения в горизонтальной плоскости, 9 - жесткая связь подшипника и эксцентрика оси
Движение в горизонтальном направлении осуществляется двигателем постоянного тока с постоянным магнитом 7712-6 (9). Движение с электродвигателя передается посредством ременной передачи (8) на кривошип (1). Далее по кинематической схеме от кривошипа (1) на шатун (2), а от шатуна (2) с выходным звеном на шатун (3). Шатун (3), соединяющийся с опорой коромыслом (4)
Движение в вертикальном направлении осуществляется двигателе постоянного тока 7712-6 (9). Движение с двигателя передается посредством ременной передачи (7) на кривошип (6). Далее по кинематической схеме от кривошипа (6) на шатун (5), который соединяется с выходным звеном шатун (3). Движение в вертикальном направлении не использовалось в процессе проведения исследования.
После анализа был собран основной агрегат воздействия на штукатурный слой при нанесении на поверхность (рис. 4 и 5) с определенными параметрами (табл. 2). [3, 4, 5]
Рис. 4. Виброплапирорма штукатурной маииты
668
Рис. 5. Виброплатформа штукатурной машины
Таблица 2
Параметры виброплатформы робота-штукатура_
№ п/п Параметры Значения параметров
1. Мощность, Вт 200
2. Габариты ДхШхВ , см 70х40х15
3. Масса, кг 18
4. Частота колебаний, Гц 50-60
5. Амплитуда, мм 0-10
Основная часть. Для описания движения системы с математической точки зрения и получения неизвестных перемещений или сил поступим следующим образом. Будем рассматривать материальную систему (рис.1), состоящую из N=6 материальных точек (твердых тел). На систему наложено S=6 внешних связей (силы реакций в точках закреплений первого, четвертого и шестого тела). Заданы силы
К (t,Г!,...,гн, V!,...,ун ) Нужно определить движение системы и реакции связей .
Рис. 1. Кинематическая схема механизма
Задача сводится к совместному решению дифференциальных уравнений движения и уравнений связей:
mvWv = К + Яу (V = 1,2,...^);
/к (/171,72,..., ¥ы; VI,..., %) = 0 (К = 1,2,...£). (1)
Всего имеем 3N+S скалярных уравнений и 6N неизвестных функций ху, уу, , Яух, Яуу, Яу2. Так как
всегда S<3N, то 3N+S<6М, т. е. число уравнений меньше числа неизвестных. Задача разрешима, но неопределенна. Чтобы сформулированная задача стала определенной, нужна дополнительная информация о характере связей. Таким образом, уравнения (1) для практического применения малопригодны. [6, 7, 8, 9]
Для описания движения V -го тела системы можно применить второй закон Ньютона:
тх = + Ях ,
где , Яу - заданная и реактивная силы, приложенные к у -му телу. Удобнее далее воспользоваться принципом Даламбера:
Яу= 0. (2)
Здесь = -тум>у - сила инерции, которую мы прикладываем к V -му телу. Сообщаем некоторое виртуальное перемещение нашей системе и вычисляем работу сил, приложенных к V -му телу, на перемещении 8гу . На основании (2) имеем
Ку-8гу+ Яу-8гу = 0. (3)
N _ _
Выражение (3) суммируем по всем телам системы и, учитывая, что Е • Яу • 87у = 0 для идеальных связей,
у=1
получим
N _ _
Е (Ру+]у) •87у= 0. (4)
У=1
Уравнение (4) является общим уравнением динамики (уравнением Даламбера - Лагранжа). [10, 11, 12, 13] Следовательно, при движении материальной системы с идеальными и двусторонними связями в инерци-альной системе отсчета в каждый момент времени равняется нулю сумма работ всех заданных и инерционных сил на любом виртуальном перемещении системы.
Обратим внимание на то, что уравнение (4) не содержит реакций идеальных связей, которые нам заранее не известны.
Из общего уравнения динамики можно получить дифференциальные уравнения материальных систем различных видов. Из уравнения (5) также можно получить силовое воздействие на тело.
Уравнение (4) можно представить в координатной форме (работа записана через проекции)
ЕЕ {(КУХ + 1уХ )8ХУ + (КУу + )8Уу + (КУ2 + )82У } = 0 , (5)
У=1
или в следующем виде (непосредственный подсчет работ): N _ л _ _ л
Е К собК, , 8гу) + С08(• 5гу)
у=1_
Поскольку система содержит твердые тела, то при вычислении работы воспользуемся известными формулами для работы сил, приложенных к твердому телу, по аналогии с вычислением обобщенных сил. В частности, виртуальная работа инерционных сил при вращении тела вокруг неподвижной оси равна
8Л(]) = М^ -8ф = -128§ф,
где М^'/) =ЕМг(_/') - главный осевой момент инерционных сил Окончательное уравнение имеет вид:
Е (й + Б, Щ = 0. (7)
¡=1
5Sv = 0,5Sv = 5rv . (6)
d_
dt
f дТ '\
дТ
— = Q, (i = 1,2,..., n) (8)
дЧг
,dqi J
Уравнения (8) представляют собой систему n дифференциальных уравнений второго порядка относительно обобщенных координат, число уравнений здесь совпадает с числом обобщенных координат и числом степеней свободы. В случае идеальных связей система является полной, реакции вообще не входят в уравнения движения. Уравнения (8) носят название уравнений Лагранжа второго рода, они широко используются при изучении движения материальных систем. [14, 15, 16]
Большое достоинство уравнений Лагранжа заключается в том, что для широкого класса материальных систем они дают универсальный метод составления дифференциальных уравнений движения; особенно это важно для систем с несколькими степенями свободы, для которых применение других методов представляет значительные трудности. Этот метод не требует введения реакций идеальных связей или уравнений голономных связей. [17, 18, 19]
Таким образом, динамику сложной системы материальных тел, состоящую из большого числа тел со сложным взаимодействием друг с другом, можно описывать уравнениями вида (7) или (8). Отличие в описании этими уравнениями будет только том, что уравнения (7) будут включать силы инерции, а в уравнениях (8) силы инерции выражены через кинетическую энергию.
Выводы:
1. Таким образом, динамику сложной системы материальных тел, состоящую из большого числа тел со сложным взаимодействием друг с другом, можно описывать уравнениями вида (8). Отличие в описании этими уравнениями будет только том, что в уравнениях (8) силы инерции выражены через кинетическую энергию.
2. Проведенные исследования подтвердили достоверность аналитических выражений, позволяющих определить качественные параметры регулирования робота-штукатура, и выявить характеристики получаемого штукатурного слоя.
Список литературы
1.Ефремов И.М. Определение реологических показателей бетонных смесей по их критериальной значимости / И.М. Ефремов, Д.В. Лобанов, А.А. Лиханов, Д.М. Ивасиив, К.Н. Фигура // Вестник машиностроения. 2011. С. 44-48.
2.Ефремов И.М. Анализ конструкций вибросмесителей в аспекте изучения перспективных технологических процессов перемешивания бетонных смесей / И.М. Ефремов, Д.В. Лобанов // Mechanics Development Issues. International conference: collection of papers. Ulaanbaatar, Mongolia: Mongolian University of Science and Technology, 1820 June, 2009. P. 206-208.
3.Маслов А.Г., Жанар Батсайхан. Исследование колебаний рабочего органа машины для уплотнения бетонных смесей в вибрационном рабочем режиме // Вюник Кременчуцького нацюнального ушверситету iменi Ми-хайла Остроградського. Кременчук: КрНУ. 2015. Вип. 2 (91). Част. 1. С. 92-97.
4.Маслов А.Г., Жанар Батсайхан. Определение рациональных параметров виброударного рабочего органа для уплотнения бетонных смесей // Вюник Кременчуцького нацюнального утверситету iменi Михайла Остроградського. Кременчук: КрНУ. 2015. Вип. 4 (93). Част. 1. С. 58-64.
5.Блехман И.И. Вибрационная механика. М., 1994; англ. пер.: Blekhman I.I., Vibrational Mechanics (Nonlinear Dynamic Effects, General Approach, Applications). Singapore, 2000.
6. Блехман И.И. Что может вибрация? О «вибрационной механике» и вибрационной технике. М., 1988.
7. Вибрации в технике: Справочник в 6 т. М., 1978 -1981.
8. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. М., 1964.
9. Гончаревич И.Ф. Вибрация — нестандартный путь. М., 1986.
10. Фролов К.В. Вибрация — друг или враг? М., 1984.
11. Блехман И.И. Синхронизация в природе и технике. М., 1981.
12. Белецкий В.В. Резонансные явления во вращательных движениях искусственных и естественных небесных тел // Динамика косм. аппаратов и исслед. косм. пространства. М., 1986.
13. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Динамика частиц при воздействии вибрации. Киев, 1975.
14. Блехман И.И., Блехман Л.И., Вайсберг Л.А., Васильков В.Б., Якимова К.С. // ДАН. 2003 Т.391. №2. С.185—188.
15. Элаттар С.М.С. Автоматизация и робототехника в строительстве: возможности и проблемы // Emirates Journal for Engineering Research, 13 (2), 21-26, 2008.
16. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Дрофа, 2004. 591 с.
17. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Л.: Машиностроение, 1976. 320 с.
18. Маслова Н.А. Определение движений виброплощадки с супергармоническими колебаниями в режиме холостого хода // Проблемы создания новых машин и технологий. Науч. труды Кременчугского государственного политехнического института, 1997. Вып. 2. Ч. 3. С. 73-83.
19. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.
472 с.
Шарапов Рашид Ризаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. ru, Россия, Москв, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет НИУ МГСУ,
Шихов Николай Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет НИУ МГСУ
DESCRIPTION OF THE DYNAMICS OF VIBRATORY PLASTERING OF VERTICAL WALLS
R.R. Sharapov, N.S. Shikhov
The article considers the main aspects of studying the effective use of plastering machines and mixtures in construction through the use of automated and mechanized systems, units and robots. Theoretical aspect of the study of the process ofplaster layer compaction with the help of a vibration platform of a robot plasterer with adjustable parameters. The main design and technological parameters of vibration compaction of the plaster layer and their influence on the efficiency of the process of compaction of vertical walls are revealed. The methods of experimental research are described, as well as experimental installations on which the laboratory experiment was carried out. The use of this technology allows to solve the problem of time costs and increase labor productivity indicators, as well as aspects of economic nature. When changing the physical and mechanical characteristics of the vibration platform its dependence of variation factors allows to form the most favorable conditions for the mechanical effect of vibrations on the efficiency of the process of plastering vertical walls. Plastering mixtures for obtaining a plaster layer are studied, the main physical and mechanical characteristics are analyzed, the requirements to be taken into account in the process of plastering are analyzed. The paper presents a comparison of physical and mechanical characteristics of the vibration platform, reveals the advantages and disadvantages of using different combinations of parameters. It is established that the use of a certain combination or change of one important parameter contributes to the increase of physical and mechanical characteristics in comparison with the traditional method of mechanical action.
Key words: plastering mix, plastering, plastering robot.
Sharapov Rashid Rizaevich, doctor of technical sciences, professor, SharapovRR@mgsu. ru, Russia, Moscow, National Research Moscow State Construction University NIUMSCU,
Shikhov Nikolai Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, National Research Moscow State Construction University NIU MSCU