Особенности контактного взаимодействия вибрирующих рабочих органов с бетонной поверхностью в технологиях заглаживания Текст научной статьи по специальности «Физика»

Белокобыльский С.В., Кашуба В.Б. УДК 693.546.3

ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИБРИРУЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С БЕТОННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ В ТЕХНОЛОГИЯХ ЗАГЛАЖИВАНИЯ

Важным этапом при проектировании вибрационных машин является изучение и управление структурно-реологическими свойствами материалов в процессе их переработки для обоснования оптимальных параметров механических воздействий, обеспечивающих минимальные энергетические затраты при предельно возможном сокращении длительности технологического процесса. Бетонная смесь представляет собой систему, состоящую из частиц твердой фазы различной крупности и воды. В силу адсорбционной способности частиц цемента при взаимодействии с водой образуется реакционно-активная система, в которой во взвешенном состоянии могут находиться частицы песка, щебня или гравия [2].

Физические свойства гетерогенных систем определяются в основном поверхностными явлениями, происходящими на границе раздела фаз, а их тип типом контакта между частицами твердой фазы. Рассмотренные авторами смеси обладают структурой с коагуля-ционными контактами, образующимися между частицами твердых фаз, разделенными прослойками жидкой дисперсной среды, равновесная фиксированная толщина которых соответствует минимуму свободной поверхностной энергии. Подобный тип контактов характеризуется обратимостью, т.е. после разрушениям/восстановлением их до первоначального уровня.

I. Для изучения физических свойств материалов математическими методами в реологии принято создавать идеальные модели с точно определенными свойствами. Этотспо-соб заключается в построении моделей, состоящих из различных комбинаций механических элементов, в которых под действием соответствующих сил возникают перемещения

определенных видов, подобных тем, какими обладают материалы, поведение которых желательно описать. В рассматриваемой аспекте исследовании для модельного описания материалов в реологии используются следующие основные идеальные механические элементы:

1. элемент, характеризующий ньютоновскую идеальную вязкую жидкость, в виде поршня в цилиндре с идеальной жидкостью, перемещаемого в нем без трения;

2. элемент, характеризующий идеальное упругое твердое тело, подчиняющееся закону Гука, в виде пружины;

3. элемент, характеризующий пластичность, в виде груза, лежащего на плоскости, который начинает перемещаться с постоянной скоростью после достижения предельного напряжения сдвига.

Все идеальные механические элементы как и их производные, составленные путем последовательного или параллельного соединения основных идеальных механических элементов, принято называть моделями по именам ученых, которые впервые описали законы течения и деформирования различных материалов. На рис. 1 представлен ряд наиболее распространенных моделей. Внимание к этим вопросам не случайно и определяется тем обстоятельством, что диск рабочего магнитострик-ционного органа, находясь в непосредственном контакте со средой, формирует упругие свойства контакта. Последние определяют с учетом массовых свойств рабочего органа частотные диаграммы эффективной работы технологической системы. При детализированном рассмотрении упругой схемы рабочего органа, можно отметить, что он определяется приведенной упругостью нескольких последовательно сое-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 1. Модели вязко-упруго-пластичных жидкостей: а- модель Ньютона ^-модель); б- модель Гука (Н-модель); в- модель Сен-Венана (ЗГУ-модель); г- модель Кельвина ( K=N | Н); д- модель Бинга-ма-Шведова (В=8ГУ | ЭД; где через символы - и обозначены последовательное и параллельное соеди-

нение элементов.

диненных элементов. Поэтому реальная жесткость, отнесенная к рабочему органу, будет значительно меньше рассчитанной теоретически.

Основные реологические уравнения для простых моделей имеют вид: N модель - т = цу; Н- модель т - Су ; StV-модель т -т 0 К- модель т - Су+цу ; В- модель - т -т0 +цплу. Здесь т,т0 -соответственно напряжение сдвига и п ре-дельное напряжение сдвига; ц,цпл - соответственно коэффициент динамической вязкости и пластическая вязкость; G - модуль упругости при сдвиге (модуль упругости второго рода); у,у - соответственно относительная деформация сдвига и градиент скорости сдвига.

Вместе с тем существует и ряд эмпирических зависимостей, так, например, известны для псевдопластичных сред: степенной закон Оствальда т- Цуп у, п >1; Прандтля-Эйринга т- ЛагеЩу/ В); закон Рейнера- Фи-Цо -Ц„

липпова т -

Ц0

1 +(т / Л )2

и другие. Для вяз-

копластичных сред можно назвать законы Гершеля- Балкли и другие. Известно, что свойства тиксотропных превращений структурированных дисперсных систем определяются двумя видами механических воздействий: в условиях непрерывного сдвига, при наложении вибрации либо совместное сочетание тех и других.

Специфическая особенность различных видов бетонных смесей, как отмечалось выше, состоит в том, что вследствие сильно развитой поверхности раздела фаз поверхностные явления в таких гетерогенных системах приобретают решающее значение по сравнению с другими видами связей. При вибрировании частицам среды сообщаются колебания, кото-

рые вызывают уменьшение внутреннего трения между ними. Уменьшение внутреннего трения происходит как за счет сообщаемой частицам различного градиента скорости, так и за счет того, что во время вибрирования, благодаря вводимой энергии, частицы ее раздвигаются.

Качественные и количественные связи различных процессов (явлений) целесообразнее устанавливать в виде обобщенных соотношений, полученных методами теории подобия и размерностей физических величин. Из гидродинамики известно, что подобие явлений течения в потоке жидкости обусловлено действием сил тяжести, инерции, внутреннего трения и характеризуется критериями Рейно-

льдса Re - рр^1 и Фруда Рг - —, которые вклю-Ц д

чают независимые параметры: физические -коэффициент динамической вязкости ц, плотность р и ускорение д свободного падения; кинематические - скорость V потока жидкости; геометрические - характерный размер 1. Основными параметрами, характеризующими процесс тиксотропного разрушения структуры смесей при вибрировании, являются кинематические - амплитуда Л и частота ю колебаний, геометрические - площадь Р лобовой поверхности, передающей вибрацию, и объем Vвибрируемой смеси.

На основании вышеизложенного изменение эффективной вязкости бетонных смесей под действием вибрации можно описать уравнением [9]:

ц

рЛ2 ю

- Ц

лю2

д

СЛ\п 2 РЛ

VЛ] (при РЛ -0.02...0.05). (1)

п

Здесь к, п, п2- коэффициенты, определяемые экспериментально. В этом уравнении соотношения и Лю2

являются модифициро-

рЛ2 ю

д

смеси.

ванными критериями Рейнольдса и Фруда для процессов вибрирования смесей. Критерий-симплекс FA/V характеризует эффективность геометрической формы поверхности вибратора. Чем больше его значение, тем выше коэффициент полезного действия вибромашины, определяемый как отношение количества энергии, потребляемой вибромашиной, к количеству энергии, поглаженной смесью. Предшествующими исследованиями [2] установлено, что жесткие бетонные смеси при интенсивности вибраций, характеризующейся амплитудным значением ускорения колебаний порядка 20...40 м/с, приближаются по своим свойствам к ньютоновским жидкостям.

При поверхностном вибрировании, которое используется в рассматриваемом процессе, важным является глубина распространения вибрации. Последняя определяет толщину слоя, участвующего в процессе заглаживания. Изучение закономерностей распространения колебаний позволили определить характер затухания колебаний, обусловленный поглощением энергии, которое является функцией не только структурно-реологических свойств сред, но и происходит вследствие расширения фронта волны. С рассматриваемых позиций свойства смесей характеризуются плотностью р, модулем объемной упругости Е, скоростью V распространения колебаний, связь между которыми определяется зависимостью , а также коэффициентом затухания ш колебаний. На основе известных представлений о распространение колебаний в упруговязкопластичных средах принимаем во внимание зависимости изменения амплитуды колебаний:

Для линейной задачи:

Л = Л 0е ^. (2)

Для цилиндрической задачи:

Рис. 2. Характер разрушения и восстановления структуры

Л = ^ Лп

(3)

Здесь г0, А0 — соответственно радиус корпуса и амплитуды колебаний вибратора; А —

текущее значение амплитуды колебаний смеси на расстоянии г от вибратора.

Характерной особенностью процессов поверхностной обработки свежеуло-женных бетонов предлагаемыми методами является сочетание сдвиговых деформаций и вибраций. На рис. 2 приведена типичная картина характера разрушения и восстановления вязкопластичных материалов в потоке при воздействиивибрации [1,2,4], котораясвидет-ельствует о нелинейном характере свойств системы.

Для пояснения физических особенностей процесса приняты обозначения. 1 - зона эластической деформации; 2 - зона активного разрушения структуры материала; 3- зона установления равновесной степени разрушения структуры и течения с постоянной и2 вязкостью; 4 - зона активного разрушения структуры при воздействии вибрации; 5 - зона равновесной степени разрушения структуры при вибрации и течении с постоянной и3 вязкостью; 6 -зона тиксотропного восстановления структуры в потоке при прекращении вибрации; 7 -зона разрушения в потоке упрочненной структуры с последующим установлением стационарного течения с постоянной и2 вязкостью.

Характер разрушения и восстановления структуры смеси объясняется следующим. При достижении равновесной степени разрушения структуры в потоке и течении ее при заданном градиенте скорости с постоянной вязкостью происходит разрушение поперечных к направлению потока связей и ориентация анизотропных частиц твердой фазы вдоль линий тока. Чем выше скорость сдвига, тем меньше их восстанавливается в потоке. Наложение на систему вибрационного поля сопро-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

вождается более глубоким разрушением структуры и, тем самым, уменьшением ее вязкости, но в то же время приводит к нарушению ориентации частиц в процессе их колебаний. После прекращения вибрации дезориентация частиц и образование прочных коагуля-ционных контактов по наиболее лиофобным участкам приводит к ускоренному тиксотроп-ному восстановлению структуры и росту вязкости в потоке до уровня, превышающего равновесный уровень до вибрации.

II. Таким образом, процесс вибрационной обработки изделий, отформованных из жестких бетонных смесей, связан с тиксотроп-ным разжижением смеси и выделением водо-песчаноцементной составляющей, образующей слой пристенного скольжения, необходимый для качественной обработки поверхности. В статье рассматривается дисковое заглаживающее вибрационное устройство с магни-тострикционным приводом, обеспечивающим частоту колебаний в диапазоне 8-15 кГц

[3].

На рисунке 3 приняты следующие обозначения: 1-цилиндрический корпус,

2-вращающийся корпус магнитостриктора,

3-возбудитель магнитострикционного вибратора, 4-концентратор, 5-приводной вал, 6-рама портала, 7-резинометалические рукава, 8-за-глаживающий диск, 9-скользящие контакты магнитостриктора, 10-резиновые манжеты, 11-заглаживающее кольцо, 12-клиновой ремень. Преимуществом такой конструкции яв-

Рис. 3. Дисковое заглаживающее устройство с магнитострикционным приводом.

ляется высокое качество обработки поверхностей бетонных изделий, отформованных из жестких бетонных смесей. Преимущество обработки достигается за счет возможности получения высокочастотных периодических возмущений при сравнительно малых амплитудах перемещений заглаживающего диска в вертикальной плоскости. Вибрационный заглаживающий орган позволяет создавать динамическое воздействие на бетонную смесь в несколько раз превышающее статистическую составляющую, что существенно повышает заглаживающую способность машины с вибрационным рабочим органом по сравнению с обычными машинами невибрационного действия. Заглаживающая способность, в свою очередь, напрямую влияет на качество шероховатости поверхности бетонных изделий [4].

Известно, что минимальное вибропогружение заглаживающего диска в бетонную смесь препятствует появлению волнообразований, борозд, раковин и т.п. на обрабатываемой поверхности, а, следовательно, ведет к повышению качества (шероховатости) поверхности изделий [5]. Однако качество обработанной поверхности бетонного изделия — это не единственный показатель бетона, на который могут оказывать влияние высокочастотные колебания при обработке поверхности изделия. С теоретической точки зрения в процессе взаимодействия вибрационного рабочего органа с обрабатываемой бетонной смесью связи между ее компонентами нарушаются, и смесь становится наиболее подвижной. Разжижение бетонной смеси способствует перераспределению частиц в наиболее плотную упаковку с одновременным удалением из бетонной смеси защемленного воздуха, что оказывает влияние на увеличение прочностных свойств затвердевшего бетона.

Воздушные пузырьки в бетонной смеси в результате периодических колебаний способны к миграции. Режим движения пузырьков определяется критерием Рейнольдса [6]

Re - Vd р, (4)

Л

где: л - вязкость жидкой фазы смеси, с - плотность среды; d - диаметр пузырьков, V - скорость подъема пузырьков.

Из (4) определим диаметр пузырька, способного к подъему со скоростью V:

^е р

d =:

Л

(5)

На воздушный пузырек, всплывающий в смеси действуют три силы: подъемная, сила сопротивления окружающей среды и сила поверхностного натяжения. Для воздушных образований диаметром до 3 мм их форму можно считать сферической, а движение отдельного пузырька следует рассматривать как движение жесткой сферы в колеблющейся среде с вязким сопротивлением. Сила сопротивления окружающей среды представляет собой силу внутреннего трения и сопротивления колебательным движениям в волновом поле вязкой среды и равна [5, 7].

Р _ 6пцг

£

(6)

ю( М 0 + М')- 6пцт = ю( М - М о )£ й,

(£ с -£й )_

1+-

к==_1

£ с Лс м +М'

(

1+г

М 0 + М'

+1+-

о

1+г

(8)

(

/ >

2

2 Р

г Л-

п /„

4. -. г 2 лР

(10)

Подставив в (10) значение которое в случае воздушных пузырьков при р 0 - 0 будет равно:

9л

{д _

(9лг2р)'

( 11)

найдем окончательное выражение для частоты:

9л

{д >

лг2 р

( 12)

где: л - вибровязкость среды, г — радиус частицы, р - плотность среды, ю- частота колебаний, £ - скорость колебаний. Тогда уравнение движения частицы можно записать в виде:

ю бю

(7)

где М - масса частицы, М0 - масса среды в объеме, равном объему частицы; М' - присоединительная масса частицы; £й ,£ с - скорость частицы и среды.

Решая уравнение, получаем выражение для отношения скорости частицы и скорости среды или отношение их амплитуд:

_ / ( М 0 + М ') ю( М 0 + М'). (9) 1д 3лг 6ллг

Здесь f — частота колебаний, ^ — характеристическая частота.

Из (9) определим значение частоты ^ при которой сила трения между воздушными пузырьками и средой приближается к нулю:

Из (12) следует, что для удаления пузырьков воздуха, с уменьшением их радиуса, вынужденная частота колебаний должна существенно повышаться вплоть до звукового и ультразвукового диапазонов. Следовательно, ультразвуковой диапазон колебаний создает условия удаления воздушных пузырьков малого диаметра и тем самым значительно повышает плотность и прочность бетонных изделий.

Таким образом, для обеспечения заданного качества поверхности обрабатываемых изделий при одновременном повышении их плотности и прочности частота колебаний ВДРО с магнитострикционным приводом должна удовлетворять условию (12).

В заключение отметим, что обеспечение чистоты поверхности бетонных изделий, обрабатываемых высокочастотным заглаживающим органом будет определяться как требованиями минимального вибропогружения заглаживающего диска, так и реологией течения бетонной смеси, находящейся в зоне действия рабочего органа. Минимальное вибропогружение заглаживающего диска в бетонную смесь препятствует появлению волнообразований, борозд, раковин и т.п. на обрабатываемой поверхности, а, следовательно, ведет к повышению качества (шероховатости) поверхности изделия.

На основе теории течения бетонных смесей можно утверждать, что вязкость после начала разрушения структуры бетонной смеси рабочим органом, можно рассматривать как итоговую характеристику происходящих в системе массовых случайных явлений и описывать ее изменение на основе функции Гаусса:

к)2

Л_Ли+(Л0-л„>2 (Т5-Т к) 2, (13)

где л0 - наибольшая вязкость практически неразрушенной структуры, л„ - наименьшая вязкость практически разрушенной струк-

1

2

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

туры, х 0- условное граничное напряжение практически неразрушенной структуры, х5 -параметр, по своему физическому смыслу характеризующий среднюю величину прочности структуры.

С учетом течения до начала разрушения структуры, изменение вязкости, как функции действующего касательного напряжения, можно представить в общем случае уравнениями:

здесьУд— окружная скорость диска, Ь1 — ширина волны смеси, находящейся перед диском, ^ — высота волны.

В соответствии с законом течения бетонной смеси, выведенным для плоской щели [8], можно записать, что

(

2

Л = -

3

Р

М + Аю

2

л3

ОЛ

(18)

Л - да Л-Л0

при х <х 0, прих 0 <х <хг, (14)

(х-хК ) 2

Л-Лда+(Л0 -Лда )е 2 (х5-хК)

прих <х(

позволяющими описать процесс течения градиентного слоя бетонной смеси. При воздействии высокочастотного заглаживающего рабочего органа, бетонная смесь, разжижаясь, течет в двух направлениях (рис. 4). Общий расход материала равен сумме расходов через сечения ВВ1 и АА1; обозначим последние соответственно QB и QA.

На заглаживающий диск, при его поступательном движении набегает поток расходом:

Онае - Vзh' Я, (15)

где V - скорость поступательного движения рабочего органа, ^ = + ^ , R - радиус диска.

В соответствии с условием неразрывности потока условие отсутствия макродефектов поверхности заглаживаемого изделия можно записать в виде:

Ояав - Ол + Ов . (16)

Расход в сечении ВВ1 с некоторым приближением может быть представлен как:

ОВ - Ь1 + ¿1 + VA

(17)

Рис. 4. Схема взаимодействия рабочего органа с поверхностью бетонной смеси.

где Р — давление рабочего органа на обрабатываемую поверхность, Ь, — толщина градиентного слоя, S1 — площадь заглаживающего диска.

Уравнение расхода в сечении АА1 с учетом того, что вязкость может быть представлена как функция действующего касательного напряжения [137], можно записать в виде:

ОА -0 прих<х0, (19)

2

л--3

(п М + Аю2 ^

Р+-

5

л3

м У

Л0 Я

прих0 <х <хг , (20)

2

л--3

(п М + Аю2 ^

Р+-

5

м У

(х-хК) 2

Я(Л0 -Лда> ^

при х>х г. (21)

При напряжениях в градиентном слое больших предельного напряжения сдвига, но меньших условно граничного напряжения практически неразрушенной структуры х 0 < х < х г происходит разрушение наиболее слабых связей бетонной смеси и начинается течение с вязкостью л 0. В результате чего к поверхности трения выделяется цементно-пес-чаное молочко, необходимое для сглаживания неровностей поверхности. В этом случае наблюдается наиболее качественная обработка поверхности. Окончательное условие отсутствия макродефектов на заглаживаемой поверхности запишется:

М + А ю2

Л-

1

( л 0 + л 3)

(

Я

2

Л3

Л0 Я

(22)

Величина Л0 в выражении (22) представляет собой вязкость практически неразру-

шенной структуры и равна вязкости бетонной смеси в начале процесса обработки. Поэтому целесообразно выразить вязкость смеси через частоту из уравнения (21), обуславливающего оптимальные условия повышения прочности изделия при его высокочастотной обработке. Тогда вязкость смеси будет определяться:

Ц

пт2 р/ ' 9

(23)

где г — средневзвешенный радиус воздушных пузырьков в отформованной жесткой бетонной смеси, р - плотность бетонной смеси.

Представим круговую частоту в уравнении (22) как ю_ 2п1 и подставим вместо з0 зависимость (23), тогда:

Ц =

(-h0 + h3 )

b 1 h1 Vg 18(p + MA(2 nf )2 )h 2

R

3nr2 р/R

(24) 5.

Таким образом, уравнение (24) представляет собой условие бездефектной обработки поверхности бетонных изделий, отформованных из жестких бетонных смесей, с учетом одновременного повышения прочностных свойств изделий. При этом частота f и радиус диска R = D/2 в выражении (24) должны соответствовать условию минимального вибропогружения заглаживающего диска.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. КашубаВ.Б., МамаевЛ.А., СитовИ.С., Вер-шинский Н.А. Бездефектное заглаживание бетонных поверхностей с учетом по-

7.

8.

вышения прочностных свойств бетонного изделия, обработанного высокочастотным рабочим органом // Труды международной научно-технической конференции Часть 7. «Интерстроймех-2005». Тюм. ГНГУ Тюмень. 2005. С. 47-54. Мамаев Л.А., Кононов А.А., Герасимов С.Н., Кашуба В.Б. Экспериментальные исследования в области обработки бетонных поверхностей. БрГУ. Братск. 2006. 146с. Мамаев Л.А., Кононов А.А., Герасимов С.Н., Кашуба В.Б. Виброзаглаживающее устройство с магнитострикционным приводом // Патент РФ № 2279975 от 20.12.04. Герасимов С.Н. Определение рациональных параметров и режимов работы вибрационного дискового рабочего органа для обработки бетонных поверхностей // Дисс. на соискание учен. степени канд. техн. наук. БрГУ. Братск. 2003. — 198с. Гранат Н.Л. Движение твердого тела в пульсирующем потоке вязкой жидкости. // Механика и машиностроение.- 1960. № 1. С. 127-142

Гуняло Ю.П., Резанов Ю.С., Сергеев Ю.А. Диффузионный поток на деформированный газовый пузырь при больших числах Райнольдса // Изв. АН СССР, Серия механика жидкости и газа. 1976. №4. С. 421-426. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.Н. Механика сплошных сред. М.: Наука. 1965.- 476с. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.: Наука. 1972. - 548с.

Мамаев Л.А. Исследование процессов рельефной обработки бетонных поверхностей // Дисс. на соск. учен. степени канд. техн. наук. — ЛИСИ, Ленинград 1979. —194с.

1