Ручные глубинные вибраторы с гибким валом

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА С УСТАНОВЛЕННЫМ НА НЁМ ВИБРАТОРОМ

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

ЯГТУ 190205.65 КР

Работу выполнил:

студент гр. АСДМ-47

_________ А.В.Зимин

Содержание

Введение_______________________________________________________3

1.Обзор существующих конструкций_______________________________4

1.1 Классификация и принципы устройства глубинных вибраторов______4

1.2. Расчёт глубинных вибраторов__________________________________33

2. Патентный обзор______________________________________________40

2.1. Патентный обзор глубинных вибраторов________________________40

3. Расчет основных элементов стенда_______________________________42

3.1. Выбор каната____________________________________________ 42

3.2. Подбор двигателя_________________________________________45

4.Заключение___________________________________________________46

5.Список использованной литературы_____________________________________________________47

Введение

Глубинные вибраторы предназначены для уплотнения бетонных смесей при укладке их в монолитные конструкции. Также используются при изготовлении бетонных и железобетонных изделий для сборного строительства.

Основным преимуществом глубинного вибрирования является возможность уплотнять бетонную смесь с меньшим содержанием воды, что увеличивает прочность бетона, повышает его водонепроницаемость, морозостойкость, износостойкость и снижает время затвердевания. Такое вибрирование улучшает сцепление бетона со стальной арматурой и в швах между свежими и затвердевшими слоями бетона.

Данная работа предназначена для получения теоретических знаний и практических навыков по исследованию стенда глубинных вибраторов и разработки его наилучшей конструкции.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ГЛУБИННЫХ ВИБРАТОРОВ

На рис.1 приведена классификация существующих глубинных вибраторов для уплотнения бетона.

По характеру выполняемой работы глубинные вибраторы могут быть подразделены на ручные и подвесные.

В массовом масштабе выпускаются ручные вибраторы, рассчитанные по весу на обслуживание одним и гораздо реже двумя бетонщиками.

Подвесные вибраторы применяются в одиночном исполнении или в виде пакетов от 3—4 до 15 шт. в каждом.

Подвесные вибраторы выпускаются исключительно с приводом от электродвигателя, который либо выносится в верхнюю часть вибратора, либо встраивается непосредственно в его корпус.

В зависимости от вида привода ручные глубинные вибраторы можно подразделить на электромеханические с приводом от электродвигателя (в большинстве случаев трехфазного асинхронного короткозамкнутым ротором), пневматические, с приводом от двигателя внутреннего сгорания и гидравлические.

Электромеханические ручные вибраторы в зависимости от расположения электродвигателя изготовляются с вынесенным электродвигателем и гибким валом, соединяющим двигатель с рабочим вибронаконечником, или с электродвигателем, встроенным непосредственно в рабочую часть корпуса вибратора.

Самым распространенным типом глубинных вибраторов остаются вибраторы с гибким валом. Их важными преимуществами являются:

а) облегчение работы благодаря тому, что приходится удерживать на весу не весь вибратор, а только вибронаконечник небольшого веса;

С электродвигателем, вынесенным в верх- нюю часть вибратора

Рисунок 1. Классификация глубинных вибраторов

б) высокая маневренность;

в) возможность использования планетарных вибровозбудителей, позволяющих получать сложные колебания высокой частоты без использования дорогих и сложных по конструкции преобразователей частоты или мультипликаторов.

Вибраторы с гибким валом выпускаются, как правило, диаметром не более 75—80 мм, ибо при дальнейшем увеличении диаметра и мощности вибронаконечника гибкий вал становится столь громоздким и тяжелым, что работать вибратором оказывается затруднительно.

Значительная часть ручных глубинных вибраторов изготавливается со встроенным в корпус вибратора высокочастотным электродвигателем. У этих вибраторов отсутствует гибкий вал, являющийся одним из наиболее уязвимых узлов существующих глубинных вибраторов. Работая таким вибратором, рабочий удерживает его за гасящий вибрацию наружный резиновый шланг, внутри которого проходит питающий электродвигатель кабель, или за амортизированную рукоятку, благодаря чему на руки рабочего передается значительно меньшая вибрация, чем при работе вибратором с гибким валом. Вибраторы со встроенным электродвигателем компактны, в них отсутствуют какие-либо механические передачи между электродвигателем и возбудителем колебаний, что значительно снижает внутренние вредные потери энергии.

Основным недостатком вибраторов со встроенным высокочастотным электродвигателем является необходимость их комплектации специальным преобразователем частоты на 200 или 150 гц, по весу и стоимости в несколько раз превосходящим сами вибромеханизмы.

Преимуществом вибраторов с двигателем внутреннего сгорания (бензиновым или дизельным) является автономность питания. Они применяются на объектах, где нет электроэнергии. В России вибраторы с приводом от двигателя внутреннего сгорания не получили применения, но за рубежом этот тип вибратора распространен довольно широко.

В последнее время все шире применяют пневматические планетарные вибраторы, отличающиеся компактностью, малым весом, простотой конструкции и обслуживания, высокой маневренностью, большой надежностью и долговечностью работы, возможностью получения высокой частоты колебаний и ее регулирования, взрыво- и электробезопасностью. Пневматические вибраторы незаменимы в шахтах, рудниках, метро, химическом производстве и тому подобных условиях, в которых возможны взрывы и велика опасность поражения обслуживающего персонала электрическим током.

Недостатками этих вибраторов являются высокая энергоемкость, необходимость иметь для питания сеть сжатого воздуха или передвижные компрессорные установки, неустойчивость работы при отрицательных температурах и повышенный шум.

Перспективным оборудованием являются гидравлические вибраторы. Обладая всеми преимуществами пневматических инструментов, они гораздо менее энергоемки, так как к. п. д. у них значительно выше. В связи с общим быстрым развитием гидропривода сейчас создаются возможности для использования его и в глубинных вибраторах.

По принципу действия все глубинные вибраторы, независимо от привода, делятся на дебалансные с вибровозбудителем в виде дебаланса, вращающегося в подшипниках качения, и планетарные, в которых колебания создаются тяжелым элементом — бегунком, планетарно обкатывающимся по беговой дорожке, закрепленной в корпусе вибратора.

К достоинствам дебалансных вибраторов относятся простота изготовления и эксплуатации, удобство обслуживания и ремонта. Однако с ростом частоты колебаний для получения требуемых параметров в высокочастотных вибраторах пришлось применять зубчатые мультипликаторы или же электродвигатели повышенной частоты, питаемые от специальных преобразователей, что обусловило удорожание вибратора и усложнило его эксплуатацию.

Главная же проблема заключалась в том, что с увеличением частоты колебаний и скоростей вращения резко снизилась долговечность подшипников. В этих условиях подшипники качения обычного исполнения, смазываемые обычной консистентной смазкой, оказались недостаточно работоспособными, причем в первую очередь под воздействием больших инерционных нагрузок выходили из строя сепараторы подшипников.

Для решения данной проблемы могут быть использованы различные пути. Самым простым из них является спаривание подшипников на каждом конце дебалансного вала. Однако при этом оба подшипника никогда не работают в одинаковых условиях. Основную нагрузку воспринимает на себя один из подшипников пары, который быстрее изнашивается, после чего всю нагрузку воспринимает второй подшипник.

Другое решение заключается в том, что дебаланс делят на несколько элементов, каждый из которых опирается на свои подшипники. Дебалансный вал выполняется разрезным с эластичными соединительными муфтами. Подшипники в этом случае оказываются достаточно долговечными, но конструкция вибратора усложняется, повышаются и требования к точности его изготовления.

Применение специальных высокооборотных виброустойчивых подшипников с повышенным радиальным зазором и монолитным, сепаратором из цветного металла, смазываемых жидкой или содержащей антифрикционные добавки специальной консистентной смазкой, обеспечивает достаточную долговечность подшипниковых узлов современных вибраторов при частоте до 9000—12000 кол/мин. Дальнейшее повышение частоты колебаний на базе дебалансного вибровозбудителя оказывается нерациональным.

Другим недостатком дебалансных вибраторов является невозможность практически получать с их помощью сложные поличастотные колебания.

В отличие от дебалансных систем, планетарные вибраторы позволяют исключительно просто получать сложные высокочастотные колебания.

1- бегунок; 2 — приводной вал; 3 — корпус вибратора;

4 — сердечник

Рисунок 2. Принципиальные схемы планетарного вибрационного механизма с наружной (а) и внутренней (б) обкаткой бегунка.

На рис. 2 приведены принципиальные схемы планетарного-вибрационного механизма с наружной и внутренней обкаткой бегунка. В первом случае число колебаний в минуту определяется зависимостью

(1)

во втором

(2)

где n- число оборотов приводного вала в минуту;

d,D- диаметры поверхностей обкатки.

Из приведенных формул видно, что планетарные вибраторы позволяют получать высокие частоты колебаний без применения преобразователей частоты или мультипликаторов, причем получаемая частота колебаний зависит от числа оборотов двигателя и соотношения диаметров бегунка и беговой дорожки.

Получение сложных двухчастотных колебаний в планетарных вибраторах достигается путем применения в их конструкции неуравновешенных относительно своей геометрической оси (разбалансированных) бегунков. Высокая частота получается от планетарного обкатывания бегунка, вторая низкая частота возникает от вращения разбалансированной части бегунка вокруг его оси.

1 — бегунок; 2 — беговая дорожка (корпус вибратора);

3 — поводок (приводной вал)

Рисунок 3. Схема бегункового вибратора IRFЕМ 1у/42 поводкового типа (ФРГ, фирма «Вакер»).

Неуравновешенная масса легко может быть расположена так, что ее центр тяжести будет совпадать по высоте с точкой приложения равнодействующей центробежных сил бегунка, вследствие чего вибратор будет иметь нулевую точку, что позволяет обеспечить надлежащую виброизоляцию рукояток.

Планетарные системы дают возможность создавать виброударный режим, в ряде случаев повышающий эффективность работы. Для получения частых ударных импульсов беговая дорожка или бегунок выполняются в виде многогранника, благодаря чему плавное движение бегунка перемежается с возникающими ударами. Вибраторы с многогранными беговой дорожкой или бегунком более трудоемки в изготовлении. Кроме того, такая планетарная пара менее долговечна. Виброударные планетарные системы пока не нашли промышленного применения.

В ФРГ фирмой Вакер разработана и практически осуществлена конструкция электромеханического глубинного вибратора с поводковым бегунком (рис. 3). Преимущество такого вибратора заключается в том, что обкатка здесь совершается не по коническим, а по цилиндрическим поверхностям. Это позволяет создать на базе механизма с поводковым бегунком вибратор со встроенным в его корпус высокочастотным электродвигателем. В существующих же конструкциях бегунковых вибраторов планетарного типа обкатка совершается по коническим поверхностям, что делает неизбежным наличие в них бегунковой штанги, препятствующей встраиванию электродвигателя в корпус вибратора.

В бегунковых вибраторах поводкового типа, как и в планетарных системах, отсутствуют высоконагруженные подшипники, а возникающая при обкатке вынуждающая сила воспринимается непосредственно поверхностями обкатки.

РУЧНЫЕ ГЛУБИННЫЕ ВИБРАТОРЫ С ГИБКИМ ВАЛОМ

Глубинные вибраторы с гибким валом (рис. 4) предназначены для уплотнения бетонных смесей при укладке их в небольшие массивы, монолитные конструкции с различной степенью армирования, а также при изготовлении бетонных и железобетонных изделий для сборного строительства.

Рисунок 4. Глубинный вибратор ИВ-47 (С-922) с гибким валом.

В России Ярославский завод «Красный Маяк» серийно выпускает планетарные вибраторы с гибким валом моделей ИВ-75, ИВ-113, ИВ-117 и ИВ-116А комплектуемые вибронаконечниками диаметром соответственно 28,36, 51 и 76 мм.

Вибраторы меньшего диаметра моделей ИВ-75 и ИВ-113 имеют бегунки с наружной обкаткой (рис. 5), а вибратор ИВ-117 — бегунок с внутренней обкаткой (рис. 6).

В вибраторе ИВ-117 обкатка бегунка начинается немедленно после запуска, а в вибраторах ИВ-75 и ИВ-113 — после одного-двух легких ударов нижней частью корпуса о землю или опалубку.

Вращение бегунку передается от приводного шпинделя с помощью упругой резино-металлической муфты. Последняя позволяет бегунку отклоняться на расчетный угол и совершать планетарное обкатывание по конусной поверхности втулки или центрального пальца. Резино-металлический шарнир конструкции завода «Красный маяк» устойчив в работе и надежно защищает планетарный механизм вибраторов от попадания в него смазки из шарнирного соединения. Попадание смазки на поверхности обкатки планетарного механизма недопустимо, так как при этом вибронаконечник перестает вибрировать.

Детали планетарной пары подвергаются при работе вибронаконечников воздействию больших знакопеременных нагрузок и контактных напряжений. Для обеспечения долговечной работы этих деталей они изготовляются из термически упрочненных специальных легированных сталей.

Планетарные системы нашли широкое применение в вибраторах с гибким валом не только отечественного, но и зарубежного производства.

На рис. 7 представлена конструкция планетарного вибронаконечника вибратора с гибким валом модели 95ЖФ-ПЕ фирмы «ПТК» (Франция). Его основное конструктивное отличие заключается в том, что шарнирное соединение приводного шпинделя с бегунком выполнено при помощи радиального сферического двухрядного шарикоподшипника. В планетарных вибраторах с гибким валом производства ГДР (рис. 8) это соединение осуществляется шарнирной муфтой со стальной спиральной пружиной. Недостатком обеих указанных конструкций является сложность защиты планетарного механизма вибратора от попадания в него смазки из шарнирного соединения. Этот недостаток устранен в планетарных вибраторах шведской фирмы «Тремикс» (рис. 9), в которых отклонение бегунка на расчетный угол обеспечивается за счет изгиба эластичной штанги.

Все зарубежные глубинные вибраторы планетарного типа выполнены с наружной обкаткой бегунка. Такой тип вибровозбудителя характеризуется большей технологической простотой и меньшей трудоемкостью изготовления его деталей по сравнению с планетарным вибромеханизмом, в котором бегунок обкатывается вокруг центрального пальца. Однако вибровозбудители с наружной обкаткой имеют ряд недостатков:

а) для начала обкатки необходимо произвести удар нижней частью корпуса вибронаконечника о какой-либо твердый предмет;

1— конусная втулка; 2 — бегунок; 3 — корпус вибронаконечника; 4 — резино-металлическая муфта; 5 — шпиндель

Рисунок 5. Планетарный вибронаконечник с наружной обкаткой бегунка (ИВ-113).

1— сердечник; 2 — бегунок; 3 — корпус вибронаконечника; 4 — резино-металлическая муфта; 5 — шпиндель

Рисунок 6. Планетарный вибронаконечник свнутренней обкаткой бегунка (вибратор ИВ-117).

1— корпус; 2 — бегунок; 3 — маслозащитное уплотнение; 4 — радиальный сферический двухрядный шарикоподшипник; 5 — крестовая муфта; 6 — шпиндель

Рисунок 7. Планетарный вибронаконечник глубинного вибратора 95ЖФ-ПЕ с гибким валом фирмы «П. Т. К.» (Франция).

1— конусная втулка; 2 — бегунок; 3 — корпус вибронаконечника; 4 — шарнирное соединение со стальной спиральной пружиной; 5 — приводной шпиндель

Рисунок 8. Планетарный вибронаконечник глубинного вибратора IV А3000 с гибким валом (ГДР, народное предприятие «Рави» в Радеберге).

б) при наружной обкатке по коническим поверхностям могут
возникать значительные растягивающие осевые усилия, плохо
воспринимаемые некоторыми типами шарнирного соединения (на-
пример, резино-металлической шарнирной муфтой, муфтой со
стальной спиральной пружиной и т. п.), которые в этом случае
довольно быстро выходят из строя;

в) даже небольшое количество смазки, проникшей из шарнирного соединения или через уплотнение подшипников шпинделя
в корпус вибратора, сразу же попадает на поверхности обкатки,
и вибронаконечник перестает вибрировать.

Вибровозбудители с внутренней обкаткой бегунка не имеют указанных недостатков.

1— беговая дорожка; 2 — бегунок; 3 — эластичная штанга;4 — корпус вибронаконечннка

Рисунок 9. Планетарный вибронаконечник глубинного вибратора с гибким валом фирмы «Тремикс» (Швеция).

В то же время при наружной обкатке возможна реализация большей вынуждающей силы и мощности, чем в вибраторах того же диаметра с внутренней обкаткой, что играет решающую роль в планетарных вибронаконечниках малого диаметра. Чем больше размеры вибратора, тем меньше сказываются преимущества и сильнее проявляются недостатки, присущие планетарному вибровозбудителю с наружной обкаткой. Поэтому его целесообразно применять лишь в вибронаконечниках сравнительно небольшого диаметра. В крупных вибраторах лучше использовать планетарный механизм с внутренней обкаткой бегунка, как это имеет место в отечественных конструкциях.

Многие зарубежные фирмы продолжают выпускать глубинные вибраторы с гибким валом, выполненные на базе дебалансного вибровозбудителя. Недостаточная долговечность подшипников ограничивает частоту колебаний этих вибраторов величиною 9000—12000 кол/мин, не обеспечивающей оптимальную эффективность работы вибронаконечников небольшого диаметра порядка 25—50 мм.

Другой недостаток дебалансных вибраторов с гибким валом заключается в необходимости использования зубчатого мультипликатора для получения повышенной частоты колебаний вибронаконечника. Обычно указанный мультипликатор встраивается в корпус приводного двигателя, в результате чего гибкий вал вращается с высокой скоростью, равной частоте колебаний вибратора. Это приводит к повышенному износу и, что особенно недопустимо, к повышенной вибрации гибкого вала, передающейся на руки бетонщика. Иногда применяется иное решение, при котором планетарный мультипликатор встраивается непосредственно в корпус вибронаконечника (рис. 10). В этом случае гибкий вал, как и в планетарных вибраторах, вращается с низкой скоростью, однако конструкция такого вибронаконечника более сложна.

Техническая характеристика выпускаемых в России глубинных вибраторов с гибким валом представлена в табл. 1.

1- планетарный мультипликатор; 2 — дебаланс;3 — корпус вибронаконечника; 4 — винтовой насос для подъема жидкой смазки

Рисунок 10. Дебалансный вибронаконечник глубинного вибратора Хамдингер с гибким валом фирмы «Файнмашинери» (Англия).

В табл. 2 приведены основные параметры некоторых моделей глубинных вибраторов с гибким валом, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами.

Некоторые зарубежные фирмы выпускают вибраторы с гибким валом, работающие при высоком напряжении 380/220 в. Защита обслуживающего персонала от поражения электрическим током обеспечивается в этом случае за счет подключения электродвигателей вибраторов к сети через специальный разделительный трансформатор (ГДР, фирма «Рави») или путем применения электродвигателей с двойной изоляцией и одновременным изолированием от двигателя гибкого вала вибратора (Швеция, фирма «Тремикс»). Последнее решение является более надежным и безопасным.

В России разработано несколько типов специальных защитно-отключающих устройств, обеспечивающих отключение электродвигателя от сети высокого напряжения 220/380 в при пробое его изоляции (замыкании на корпус). ГОСТ 10825—64, а также действующие в России правила эксплуатации электроустановок допускают при наличии указанных защитно-отключающих устройств работу ручными вибраторами при напряжении 220/380 в. Серийное производство защитно-отключающих устройств налажено на Выборгском заводе «Электроинструмент».

Таблица 1. Техническая характеристика глубинных вибраторов с гибким валом Ярославского завода «Красный Маяк»

Наименование показателей технической характеристики	Модель вибратора
ИВ-75	ИВ-113	ИВ-117

Вибронаконечник
Наружный диаметр корпуса в мм
Система вибрационного механизма	Планетарная
Момент дебаланса в кгсм.	0,03	0,10	0,35
Частота колебаний в кол/мин.	20 000	15 000	10 000
Вынуждающая сила в кГ.
Длина рабочей части в мм
Вес в кг	1,4	2,7	4,5
Электродвигатель
Тип Частота тока в гц Напряжение в в Мощность в кет Скорость вращения в об/мин	Однофазный асинхронный с корот-
козамкнутым ротором


0,6	1,3	1,3

Режим работы Вес в кг	Длительный
5,1	14,9	14,9

Краткая техническая характеристика Краткая те	Гибкий вал	Скорость вращения в об/мин
Длина в мм	4,0 4,0 4,0 5,0	2,0 3,0 3,0 3,0	6,0
Наружный диаметр брони в мм	Отсутствуют данные		Отсутствуют данные
Электродвигатель	Скорость вращения в об/мин
Мощ-ность в л. с.	1,25 1,25 2,0 4,0	2,0	0,8 0,8 0,8 1,2
Напря-жение в в		380/220
Час-тота тока в гц
Вибронаконечник	Вес виб- ронако- нечника в кг	1,8 3,0 8,0 16,0	1,2 2,6 3,7 8,1	Отсут- ствуют данные
Вынуж- дающая сила в кГ		Отсут-ствуют данные
Частота колеба-ний в минуту	20 000 16 000 12 000 10 500	20 000 17 000 17 500 14 000
Наруж-ный ди-аметр корпуса в мм
Систе- ма виб- рацион-ного механз-ма	Планетарная То же >> >>	То же >> >> >>	То же >> >> >>
Модель	35GF 46GF 70GF 95GF		VIP30 VIP40 VIP50 VIP70
Страна и фирма-изготовитель	Франция, «Р.Т.С.»	Швеция, «Тремикс»	Италия, «Венанцетти»

Таблица 2. Основные параметры некоторых зарубежных глубинных вибраторов с гибким валом