Способ виброударнопрессового формования изделий из деревобетонов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 634.0.848.004.8:674.816.2

А.Ю. Никифоров

СПОСОБ ВИБРОУДАРНОПРЕССОВОГО ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДЕРЕВОБЕТОНОВ

В статье рассмотрены теоретические положения виброударнопрессового способа формирования арболитовых изделий, предлагаемого для использования в полевых технологиях сельского строительства.

Рыночные преобразования коренным образом изменили структуру сельского строительства. Прежние методы типового индустриального строительства из элементов, изготовлявшихся на городских заводах железобетонных изделий, базировались на государственном бюджетном финансировании. Вследствие этого, были утрачены многие традиционные способы индивидуального жилищного строительства. Прекращение государственных поставок строительных изделий остро поставило вопрос о поиске альтернативы в виде местной сырьевой базы и доступных технологий возведения жилых домов и хозяйственных построек.

Использование круглого леса, бруса и кирпича для возведения стен, безусловно, решает проблему индивидуального строительства, однако для большинства хозяйств существующая стоимость этих материалов чрезмерно высока. Кроме того, деревянные постройки сгораемы и подвержены гниению, а их облик мало соответствует современным архитектурным формам коттеджестроения. Требуется новый подход к сельскому индивидуальному строительству, заключающийся, прежде всего, в применении относительно дешевого, но достаточно эффективного материала, позволяющего создавать любые архитектурно-планировочные решения малоэтажных домов. К числу таких материалов относятся деревобетоны (ДБ) - древесно-цементные композиции (арболит [1], королит, стружкобетон, опилкобетон). Получение из этих материалов строительных изделий (стеновых камней и блоков) долгое время было связано с дорогостоящими цеховыми технологиями, что существенно сдерживало применение деревобетонов, изготовляемых из отходов древесины.

Предлагается бесцеховая технология изготовления эффективного материала - арболита, основанная на комплексном виброударнопрессовом (ВУП) методе формования. Изучение механизма уплотнения показало необходимость дифференцированного подхода к назначению средств механического воздействия на ДБ-смесь: вибрации - для тиксотропного псевдоразжижения и снижения вязкости цементного теста; ударных нагрузок - для снижения внутреннего трения древесного заполнителя и возможности перераспределения частиц в горизонтальной плоскости с выдавливанием воздушных включений; вертикальных вибропрессовых воздействий - для завершающей стадии уплотнения материала. Определены две стадии уплотнения смеси: 1) в бункере-укладчике, 2) в форме.

Уравнения движения смеси в бункере имеют вид:

где ггн - масса вибрируемого деревобетона; 1712 - масса бункера; Е - модуль упругости смеси; ц - динамический коэффициент вязкости смеси (коэффициент Троутона); К1 - упругость вибробункера; К2 - упругость прокладки между фланцами бункера и рамой; Е - площадь виброэлемента; ю - частота колебаний вибратора; Рв - вынуждающая сила вибратора; Ь - толщина слоя смеси; I - время.

Результаты решения уравнений (рис. 1) показывают, что амплитуда вынужденных колебаний смеси существенно ниже амплитуды колебаний бункера, что свидетельствует о значительном гашении вибрации в древесной составляющей, не входящей в резонанс с колеблющейся массой цементного раствора.

При этом, вибрация в бункере интенсивно снижает вязкость цементного раствора, что способствует уже на первой стадии уплотнения продвижению потока смеси в сужающуюся часть бункера.

При прохождении ДБ-смеси в вибробункере ускоряется фильтрация раствора (рис. 2) и увеличивается внутреннее трение древесной составляющей.

£Й2 И И

+Кг • [(Д • зт(б2> • /)) - (Д • зт(<у • /))] = Рв ■ зт(ю • /);

(1)

(2)

Рис. 1. График зависимости Аі и Аг от массы арболитовой смеси в бункере (ті)

V

Рис. 2. Зависимость скорости фильтрации цементного раствора от коэффициента вязкости и давления (по ф-ле Дарси): V- скорость фильтрации; е- пористость среды; Р - давление; р- плотность; 1-1 - коэффициент вязкости; в- отношение поверхности зерен к их объему

В связи с этим, возникает необходимость в силовом перераспределении древесных частиц в горизонтальной плоскости. Наряду со статическим сближением частиц по мере опускания смеси в более узкую часть вибробункера, эффективно горизонтальное ударное воздействие, в частности, удары подрессоренного вибробункера о двусторонние ограничители высокоамплитудных собственных колебаний системы.

Основной принцип силового воздействия заключается в замещении имеющихся пустот между древесными частицами другими (внедряемыми) частицами. При этом возможны три варианта:

и т

1) 2>;<5>л ¿=1 ]=1

п т

2) =

;=1 >1

п т

з) 1>, > 1л.

1=1 м

п т

- общий объем внедряемых частиц; _ общий объем пустот.

1=1 J 1

В первом варианте имеет место недоуплотнение смеси, во втором - полное уплотнение и в третьем -переуплотнение, характерное сжатием древесных частиц и возможностью релаксации смеси после выхода из бункера в форму.

Необходима оптимизация вхождения (при ударе) древесного заполнителя в воздушные полости смеси.

Определена плотность вероятности ^(гД) того, что в момент времени 1 твердая частица окажется в точке г (в воздушной полости) и будет способствовать удалению воздуха и сближению древесных частиц в процессе уплотнения. Использовано уравнение Колмогорова, описывающее диффузию вдоль прямой:

сН¥(г,і) _ с/'

&

( 2,0~

Получена формула для определения средней длины пути частиц для внедрения в полость:

, 2^2 А о .

(3)

(4)

л * ИТ с/н +

где би - диаметр частицы; От - диаметр полости; Ь - количество пор; X - величина свободного пути частицы, при котором плотность вероятности максимальна.

Виброударное прессующее давление на ДБ-смесь в форме (вторая стадия уплотнения) может осуществляться как одновременно по всей площади формуемого изделия, так и с помощью «скользящего» штампа-вибропластины, поставленной под определенным углом захвата. Второй вариант более предпочтителен, т.к. отличается меньшей энергоемкостью и возможностью поточного выполнения процесса формования.

Рассматривая работу виброштампа, направленного действия в среде ДБ-смеси, обладающей массой тпр, сопротивлением колебанию Г и упругостью с, с помощью дифференциального уравнения Лагранжа второго рода для голономной системы в выражении через обобщенную координату и обобщенную силу, как для системы с идеальными связями и одной степенью свободы, показано дифференциальное уравнение движения рабочего органа в общем виде:

(2т0 + т + т )х + Рх + сх = -2т(]со г соэ сої,

(5)

О пр' О

где то - вынуждающая масса; т - колеблющаяся масса; а> - угловая скорость неуравновешенной вынуждающей массы; г-эксцентриситет неуравновешенной вынуждающей массы; время.

Сопротивление среды колебаниям учитывается коэффициентами пропорциональности сил сопротивления ускорению X и скорости X .

В результате получены выражения для амплитуды колебания вибратора и затрачиваемой полезной мощности:

а =

N... =

2тпсо~г

УІ[С-(2т,

О +т + тпр

)co2f + F2 со1

2(ПІрУГУОГІ'

^[С - (2т 0

- т + т.

,)аг]2+Г2аг

■ = —Рога2

(6)

(7)

где С - коэффициент жесткости колеблющейся среды.

Расчетная схема прессующего рабочего органа показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема формования уплотняющей кромкой вибробункера

Таким образом, получены исходные данные для определения оптимальных параметров бесцеховой технологии арболитовых изделий.

При движении формы отсек с достаточно уплотненной виброударами ДБ-смесью переходит в зону прессующего воздействия рабочей пластины (Рпрес), поставленной под углом атаки р (рис. 4).

Рис. 4. Схема вибропрессующего воздействия: 1 - бункер; 2 - вибратор; 3 - форма; 4 - тележка

Маятниковый вибробункер может быть симметричным и асимметричным. Симметричный предназначен для формующей установки с двухсторонним (попеременным) перемещением формы тележки под бункером (рис. 5). Асимметричный рассчитан на одностороннее (прямоточное) движение форм (рис. 6).

Рис. 5. Схема симметричного маятникового вибробункера:

1 - бункер симметричный; 2 - вибратор; 3 - гибкая подвеска; 4 - форма-тележка

Е

Рис. 6. Схема асимметричного маятникового бункера: 1 - бункер;

2 - вибратор; 3 - гибкая подвеска; 4 - форма-тележка

3

2

4

Для симметричного укладчика автором предложена челночная схема.

1

Челночная линия внедрена в производство и используется при изготовлении арболитовых блоков для сельского строительства.

Литература

1. Пискарева, Л.Н. Арболит из отходов лесозаготовительной промышленности Сибири / Л.Н. Пискарева // Местные строительные материалы: сб. науч. тр. - Красноярск: Изд-во КПИ, 1970.

2. Никифоров, А.Ю. Полевые технологии деревобетонных изделий в сельском строительстве / А.Ю. Никифоров // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2004. - Вып. 4.

УДК 620:539.3 В.И. Матюшин

ОДНОРОДНОЕ РЕШЕНИЕ ПРИ ОСЕВОМ РАСТЯЖЕНИИ-СЖАТИИ С ИЗГИБОМ ПРИ ПРЯМОСИММЕТРИЧНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ НАПРЯЖЕНИЙ

В статье приводится методика построения однородного решения теории упругости в простейшем случае чистого изгиба с растяжением-сжатием. Решение может быть полезным для ликвидации нормальных напряжений на свободном торце арки.

Для некоторых пространственных конструкций, у которых одним из элементов является цилиндрическая арка, свободными от напряжений должны быть либо оба торца, либо один. Чтобы избавиться от этих

напряжений, возникает необходимость привлечения других решений, не влияющих на выполненные уже граничные условия. В данной статье и приводится одно из таких простейших однородных решений, выполненное на базе уравнений теории упругости. Ниже приведем его для двух случаев загружения.

1. Прямосимметричное загружение

В этом случае однородное решение можно получить из комбинации решений, приведенных ниже.

а) Возьмем функцию фз в следующем виде:

1

фз =

1-2// Напряжение от функции (1)

1 (1 - 2ju)? -1 (5 - 4ju)?p2 + \ (2 - ¡л)р4 6 4 8

ао. (1)

Or = 0;

сте = - 2Mpaocos0;

стх = М ——— paocosB; (2)

1-2 /л

т ex = Mao^sinB; т хг = - Mao^cosB; т re = - МpaocosB.

В выражениях (1) и (2) функция фз удовлетворяет бигармоническому уравнению ДДф = 0,

G

М=-----------т,

(1-^)с3

где G - модуль упругости при сдвиге;

/л - коэффициент поперечной деформации;

a + b

с =-------,

2

где а и b - внутренний и внешний радиусы арки;

р, £ 8 - безразмерные координаты цилиндрической системы.

r r x Р = -; £ = -. с с

При вычислениях используется общее решение теории упругости академика Б.Г. Галеркина [1].

б) Возьмем еще бигармоническую функцию фз такого вида:

фз=^(|Г-^У)Ьо. (3)

От функции (3) найдем напряжения:

Стг = - M(2 - |j)pbocos8;

Ое = - Mjpbocos8;

Стх = М(1 - |j)pbocos0; г ex = - М(3 - 2|j)bo^sin0; (4)

т хг = М(3 - 2|j)bo^cos0; т ге = - М(1 - |j)bopcos0.

Ui = 1 £р3сосоз8. (5)

Or = - M(3 - 4J)рсocos8;

Ое = - M(l - 4J)рсoCOs8;

Стх = 4(2 - |j)Mpcocos0;

т ex = - 4(1 - |j)Mfcosin0; (6)

т хг = 4(1 - |j)Mfcocos0; т r8 = - Mcopsin8.

в) Добавим еще такую функцию:

От функции (5) найдем напряжения:

Чтобы получить суммарное однородное решение, положим в (2), (4), (6)

аг = Т хг = т ге = 0.

Это условие приведет к решению такой системы уравнений:

- (2 - ^)Ьо - (3 - 4^)со = 0;

- ао + (3 - 2^)Ьо + 4(1 - р)со = 0;

- ао + (1 - м)Ьо + со = о.

После решения уравнений (8) получим:

1-6// + 4//2 , а0 = —_ , Ь0;

(7)

(8)

со= —

3 - 4/л 2-/л

Ьо.

3-4//

Подставив (9) в выражения (2), (4), (6), получим следующие формулы для напряжений:

СТг = Сте = Г 0х = Г хг = Т Г0 = о,

■ 4М (2 - //)(1 - ц2)*

ах =

Решение (10) умножим на

(1_ 2//)(3 - 4/л) (1 - 2//)(3 - 4/л)

Ьоpcos0.

4(2 - /0(1 -¡л2)

После подставки (11) в (10) напряжение Стх получит более простое выражение:

Ох = - МЬор^б .

Остальные напряжения будут равны нулю. С учетом (9) и (11) ф1 и фз будут:

1-2 ц

(9)

(10)

(11)

(12)

■ Ьоф3соБ0;

Фз :

1

4(1-//2)

-(1 - 2ц)2^ - (1 - //)(1 - 4М)£2Р2 + 7 О - 6М + 4М2)РЛ

Ьо.

(13)

8(1 -/л2)

'1

3 ' ‘ " ................. ' 8

От функции (13) в соответствии с общим решением теории упругости, приведенном в [1], найдем пе ремещения:

1

и = -■

V =

(О - ■

4<-

2(1 - /л2)с: —*

■Ьофвт0,

2 л2 (Л %

/лр «о со$>6\

(14)

1 ^

.^2

2. Кососимметричное загружение

В данном случае однородное решение получается из комбинации трех решений. 1. Функцию ф2 принимаем в таком виде:

<Р2

1

1-2//

Напряжения от функции ф2 будут:

^ (1 - 2//)^4 - і (5 - 4ц)Єр2 + \ (2 ■- //V4

8

(15)

аг = о; сто = - 2Мраозіп0;

Стх = М ——— раовіпб; 1-2 ц

Тох = - Мао^0;

Тхг = - Мао£ап0;

(16)

Тге = Ма0 pcos0

2. Введем еще такую функцию ф2:

<Р2=\(\^-^Р2)К- (17)

От функции (17) найдем напряжения:

о = - М(2 - р)рЬоап0;

ао = - МррЬоап0; ах = М(1 - р)рЬоап0;

Тох = - М(3 - 2^і)Ьо^0; (18)

Тхг = М(3 - 2^|)Ьофп0;

Тг0 = - М(1 - ^|)Ьор^0 .

3. Добавим еще такую функцию: Найдем напряжения от функции (19):

1 ,

^=-&>Со8ІП0. (19)

ог = - М(3 - 4р)рооап0;

Оо = - М(1 - 4р)рсоап0;

Ох = 4М(2 - р)рсоап0;

Тох = 4М(1 - ^|)со^0; (2о)

Тхг = 4М(1 - р)со£ап0;

Тге = - Mcоpcos0 .

Чтобы получить необходимое однородное решение, потребуем обращения в нуль суммарного решения от (16), (18), (20), т.е.

Ог = Тхг = Тг0 = о. (21)

Условие (21) приведет к системе алгебраических уравнений:

-(2 - ^)Ьо - (3 - 4 ^)со = о;

-ао + (3 - 2 м)Ьо + 4(1 - м)со = о; (22)

ао - (1 - м)Ьо - со = о.

После решения системы (22) найдем:

1 — 6// + 4//

ао =-----------— Ь0;

3-4//

Со=-^^Ьо. (23)

3-4//

Подставив (23) в решение (16), (18), (20), получим однородное решение с такими значениями напряжений:

аг= ае = Тех = Тхг = Тге = 0;

-4М(2-//)(1-//2) . „

ах =------------^ Ьорэш© . (24)

(1-2//)(3-4//) Н V '

Выражение (24) умножим на

(1 - 2//)(3 - 4/л)

4(2 -//)(1-//2)'

После подстановки (21) в (20) напряжение Ох будет записано в более простом виде:

Ох = - Mcоpsin0 . (26)

Остальные напряжения равны нулю в решении (26).

С учетом (25) и (23) функции ф1 и ф2 будут:

1

ф2

4(1 — М )

1-2 /л

фі =----------ч- во ф3єіп0;

8(1 /^ )

\ (1 - 2/г)2^ - (1 - ц)(\ - 4 /і)? р2 + і (1 - в ¡и + 4//2) 5 о

р\ (27)

От функции (27) в соответствии с решением, приведенном в [1], найдем перемещения:

и = -оп 1Л^5'п6;

2(1 - // )с

и = 1 2ч 2 ^-МР1 Ж (28)

4(1-//2)с2

и/=------1 Л£г + //р2)й0ап9 .

4(1 ~/и)с

При решении конкретной задачи в соответствии с её условиями из выражений (28) следует убрать перемещения арки как абсолютно твердого тела.

Литература

1. Галеркин, Б.Г. Определение напряжений и перемещений в упругом изотропном теле при помощи трех функций / Б.Г. Галеркин // Изв. НИИ гидротехники. - 1931. - Т.1.

УДК 667.637.2:621.7.029 С.И. Торопынин, С.А. Терских

ПОДОБИЕ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Проведенный анализ тенденции развития отечественного комбайностроения показывает, что существует подобие и конструктивно-технологическая преемственность зерноуборочных комбайнов нескольких поколений. Эти факторы являются предпосылкой современного метода прогнозирования износов и обеспечения преемственного развития технологии восстановления деталей на перспективу.

Для выполнения сельскохозяйственных работ создаются машины по функциональному назначению (например, плуги, сеялки, культиваторы, зерноуборочные комбайны и т.п.). С целью повышения технических показателей, их конструкции в своем развитии совершенствуются по так называемой классической схеме, основываясь на достижениях теории процессов, кинематики, динамики и силового расчета, теории производства, потребления и старения машин [1].

При расчете и конструировании комбайны рассматриваются как сложные динамические системы, представляющие собой совокупность взаимосвязанных объектов и процессов. Расчетная модель комбайна основана на установленных вероятностно-статистических связях между процессами с входными и выходными параметрами [2]. Входные (физико-механические свойства и структура хлебной массы, сопротивление движению и др.) преобразуются в выходные переменные (технологические, эксплуатационные, энергетические и другие показатели). Между техническими показателями (производительностью и такими параметрами, как урожайность, ширина захвата, вместимость бункера, удельная энерговооруженность (кВт/т)) установлены статистические связи. Коэффициент корреляции между ними составляет 0,6...0,7 [3].

По мере совершенствования технологии выращивания зерновых культур и повышением урожайности, физическим моделированием на базе расчетной модели создан ряд однотипных конструкций комбайнов с изменением масштаба. У комбайнов сохранилась физическая природа технологического процесса (обмолота зерна), стабилизировались принципиальные конструктивные и кинематические схемы, общая компоновка агрегатов. Основные рабочие органы однотипны и отличаются в основном размерами. Предусматривается производство комбайнов пропускной способностью 6,0; 9,0; 12,0 кг/с при ширине молотилки 1200 и 1500 мм также в рамках существующей схемы [4].

Численные значения показателей технического уровня комбайнов уже достигли предельных, и наметилась тенденция интенсификации рабочих процессов обмолота и сепарации грубого вороха, достижению которой частично уже способствовали оптимизация размеров и рациональное размещение рабочих органов.