（机械制造及其自动化专业论文）砌块成型机振动机理的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 砌块成型机振动机理的研究 摘要 本课题是我校机械工程学院表面光整技术研究所与北京瑞图科技发展有 限公司合作开发项目，旨在研究砌块成型机的振动压实基本理论及振动参数 与砌块密实度之间的关系。其振动成型原理是通过激振电机驱动对称安装在 振动台上的偏心块轴，产生激振力使振动台产生所需的振动，由于振动使被 压实材料内产生振动冲击。被压实材料的颗粒在振动冲击的作用下，由静止 的初始状态过渡到运动状态，被压实材料之间的摩擦力也由初始的静摩擦状 态逐渐进入到动摩擦状态，使被振压材料的内部摩擦阻力急剧减小，剪切强 度降低，抗压阻力变得很小，增强其“流动| 生”，因而使物料易于成型和密 实，显著提高物料成型的效果。主要内容包括： 1 、振动密实材料的特性及振实基本原理； 2 、砌块强度与密实度的关系； 3 、砌块成型机的振动参数与砌块密实度的关系； 4 、砌块成型机的振动参数设计； 5 、砌块成型机的振动动力学分析及建立力学模型； 6 、通过对模型的的分析计算进行计算机振动仿真，并进一步对振动进行 验证与优化； 7 、通过对砌块成型机生产状态下的振动与砌块密实度的试验测试，得出 振动系统的最优化参数和对系统设计参数进行验证。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：砌块成型机，激振电机，密实度，偏心块轴，振动冲击，剪切强度 太原理工大学硕士研究生学位论文 n i ei t e s e a r c ho fv i b r a n o nf o r a 互d i g n 匝c h a n i c st oc ( ) n c r e t eb l o c k a b s t r a c t t h er e s e a r c hi sd e s t i n e dt os t u d yt h eb a s i ct h e o r yo f v i b r a t o r yc o m p a c t i o na n d t h er e l a t i o nb e t w e e nv i b r a t o r yc o m p a c t i o np a r a m e t e r sa n dc o m p a c t n e s s ，w h i c hi s t h ec o o p e r a t i v ep r o j e c to ft h es u r f a c ef i n i s h i n gr e s e a r c hi n s t i t u t eo fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n gc o l l e g eo f0 1 1 l s c h o o la n db e i j i n gr e i tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t l i m i t e dc o m p a n y t h ev i b r a t o r yf o r m i n gt h e o r yi si n t r o d u c e da sf o l l o w s t h e v i b r a t i o n ，w h i c hi so b t a i n e dt h r o u g hs h o c ke x c i t a t i o ne l e c t r i ce n g i n e sd r i v i n gt o w s y m m e t r i cw o b b l e rs h a f t s ，m a k e st h ec o m p a c t e ds t u f fg e n e r a t ev i b r a t o r ys h o c k u n d e rt h ee 妇f e c to fv i b r a t o r ys h o c k , t h ep a r t i c l e so fc o m p a c t e ds t u f fa r ec h a n g e d f r o mt h es t a t i cs t a t et om o t i o na n dt h ef r i c t i o nf o r c e so f p a r t i c l e sa r ec h a n g e df r o m b r e a k o u tf r i c t i o nt od y n a m i cf r i c t i o n ，w h i c hm a k et h ef r i c t i o n ，s h e a r i n gs t r e n g t h a n d c o m p r e s s i v es t r e n g t ho f s t u f f d e c r e a s e da n dl i q u i d i t yo f s t u f f s t r e n g t h e n e d a sa r e s u l t ，f o r m i n ga n dc o m p a c t n e s so fs t u f fb e c o m e se a s ya n dt h ee f f e c t i v e n e s so f f o m a i n g i si m p r o v e do b v i o u s l y m ys t u d i e sc o n c e n t r a t eo i lt h ef o l l o w i n gw a y s ： 1 、t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p a c t e ds t u f fa n dt h eb a s i ct h e o r yo fv i b r a t o r y c o m p a c t n e s s 2 、t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb l o c ks t r e n g t ha n dc o m p a c t n e s s 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev i b r a t o r yp a r a m e t e r so f t h ec o n c r e t eb l o c kf o r m i n g m a c h i n ea n dt h ec o m p a c t n e s so f b l o c k 4 、t h ep a r a m e t e r sd e s i g no f c o n c r e t eb l o c kf o r m i n gm a c h i n e 5 、t h ea n a l y s i so f v i b r a t o r yd y n a m i co f c o n c r e t e b l o c kf o r m i n gm a c h i n ea n d t h eb u i l d i n go f m e c h a n i c a lm o d e l 6 、d e m o n s t r a t ea n do p t i m i z et h ev i b r a t i o n ，t h r o u g ht h ea n a l o gs i m u l a t i o no f t h em e c h a n i c a lm o d e l 7 、o b t a i nt h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r sa n dv 嘶母t h ep a r a m e t e r so fd e s i g n ， t h r o u g ht e s t i n gv i b r a t i o no f m a c h i n ea n dm e a s u r i n gc o m p a c t n e s so f b l o c k k e yw o r d s ：c o n c r e t eb l o c kf o r m i n gm a c h i n e ，s h o c ke x c i t a t i o ne l e c t r i ce n g i n e ， c o m p a c t n e s s ，w o b b l e rs h a f t ，v i b r a t o r ys h o c k ，s h e a r i n gs t r e n g t h i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 j j 予 二 论文作者签名：! 篁遘| 釜日期： 2q 。彳、4 一一f 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：! 壹遣羔：日期： 导师签名：蒸2 遂日期：型趟：生：型二 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 在许多发展中国家，砌块生产是传统而又重要的工业。砌块是便宜而又多样化的建筑 材料。在我国，砌块是使用最广泛的建筑材料。随着经济和人口的增长，砌块和其它建筑 材料的需求也在不断的增长。1 9 8 0 年，我国生产砌块的总数约为1 5 0 0 亿块，而到1 9 9 4 年， 我国砌块生产的总数接近8 0 0 0 亿块，砌块业的发展非常迅速。 随着建筑砌块生产的发展，我国建筑砌块机械的发展也越来越引起人们的重视。据了 解，目前全国砌块机械制造厂约1 0 0 家左右，其中，以制造砌块机械为主要产品的制造厂 约4 0 家，而加工能力较大的骨干企业约1 0 余家。近1 0 年来，各砌块机械厂的生产、营 销业绩较好，这同我国砌块生产持续发展有直接关系。u 】 我国砌块机械发展的现状是：国产砌块机械的加工能力略大于国内市场的容量，部分 f l 械带, j 造厂的加工能力有富余；国产砌块机械的性能、质量显著提高；砌块机械的机型设 计开始由单纯模仿外国产品转向自行研究、创新，如采用先进振动方式，采用调频振动技 术、合理增大激振力、优化部件设计、增大机架刚度、采用精密定位技术及计算机电控技 术等；砌块机械的加工质量也有所提高，一些骨干机械制造厂己采用等离子切割、精密切 削、自动焊接等先进加工手段；砌块机械的整机组装质量也有改进；国产大、中型砌块机 械已有一部分采用进口的优质电控、液压配件，关键部件采用特种钢材及优质器件；一些 骨干砌块机械厂已能成套制造和供应砌块生产机械，也可为各型进口砌块成型机提供相应 的配套机械。部分国产砌块机械的眭能、质量已接近国际上同类产品的先进水平。我国的 砌块机械在国际市场有价格优势，对发展中国家有较强的适应眭，已有少量机械产品出口。 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着我国正式加入wt0 以及国家对1 7 0 个大中城市限时禁用实心粘土砖，国产砌块 生产设备面对的是一个新的市场发展机遇，同时也面临着新的挑战。国外厂商对中国的节 能节土政策十分敏感，对中国的市场潜力抱有很高的期望值，因此欧美厂商一直紧盯着中 国市场，近年国内引进了数十条砌块生产线便是例证。面对愈演愈烈的市场竞争局面，国 内厂商只有抓住机遇、立足市场、不断创新，才能在竞争中得到生存和发展。【2 】 但是与国外相比仍有一定差距，砌块机设备的研制大多以生产实践经验来决定各部分 参数，理论上的研究甚少，从而无法从更深层次的原理方面去解决现有国内砌块机行业所 存在的问题。在此背景下，我们提出了对砌块成型机的振动成型机理这一课题的研究。它 的意义有如下几点： l 、确定最优的振动参数，提高生产技术水平，增加生产效益。 2 、解决在生产高强度、高废渣掺加量、高隔热保温性能的煤矸石砌块、粉煤灰空心 砌块以及其它利废制品方面的某些局限性。 3 、对物料的配料计量的优化。 4 、产品的可靠性的提高。 5 、利用废弃资源，减小生产噪声，有利于环保。 3 8 j 6 、砌块成型方式生产砌块步骤简单，能量消耗远小于传统生产粘土砖的烧结法，符 合我国持续| 生发展的要求。【2 7 】【：s 】 1 2 国内外砌块成型机的发展现状 1 2 1 砌块成型机的历史发展【3 】【4 m 6 】 国外砌块成型机的发展历史较长，尤其二战以后得到迅速发展，生产厂商主要有美国 c o l u m b i a 、b a s s e r 公司和欧洲h e s s ( 德) 、m a s a ( 德) 、r o s a c o m e t t a ( 意) 公司等。其中 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 美国的c o l u m b i a 、b a s s e r 公司的成型机构为模振成型机，欧洲公司则以台振成型机为主。 它们的共同特点是可靠l 生高、故障率低、自动化程度高，振动加速度般达到l o 1 5 9 左 右，个别甚至更高，生产的砌块抗压强度高制品质量稳定，生产率为1 0 8 0 3 2 4 0 块h 。 我国砌块成型机械始于2 0 世纪6 0 年代，当时采用一些简易自制的振动台，用手工生产 实心砌块，砌块的质量和产量均很低。从7 0 年代起到8 0 年代初，砌块的生产和应用得到 了较陕的发展，为了提高砌块的生产率，国内相继开发生产了多种砌块成型机，但绝大部 分采用简易杠杆式或简易移动式，这些设备劳动强度偏大、激振力偏小，生产的砌块强度 低、质量差，不能满足砌块建筑的发展要求。 经过2 0 多年的发展，国内砌块成型机机械行业已取得了一定规模。8 0 年代中期，扬 州机械厂、西安东方机械厂从意大利r o s a c o m e t t a 公司引进技术生产h q c 5 型全自动生产 线，此后国内自行开发研制的年产2 万一以下的生产设备形成系列产品，生产厂家近l o 家，有些企业能小批量生产。近年来通过消化、吸收、借鉴国外先进技术，相继开发生产 了 t j 3 2 5 、q t j 4 - 2 5 、q t m 4 - 1 8 、q m j 3 2 5 、q m j 5 2 2 、q m 5 2 0 、q t 4 1 8 等新型砼砌块成型 机，h q c 一5 、q t 5 2 0 、h s c 3 、伽j 5 2 2 、刚3 1 5 等全自动砌块生产线以及地面砖生产线、砌 块劈裂机、装饰砌块凿毛机等辅助产品，国产砌块成型机总体性能有很大提高，品种、规 模逐渐增多，与国外的差距在逐渐缩小。在这些产品中，既有机械传动、常规电器控制的 中小型设备，又有机电液相结合、微机全自动控制的大型设备；既有模振成型机又有台振 成型机，个别产品已经接近或达到国际同类产品的先进水平，并且将逐步取代进口产品， 有些己远销国外，迄今全国已具备相当生产规模，有较强的技术力量和制造经验。 然而，不少国产成型机还存在可靠性不高、功能单一等问题，还缺少能生产高强承重 砌块、生产率高的现代化生产线。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 国外砌块成型机的研究现状7 】 工业发达国家非常重视砌块成型机的开发与研究，美国、德国和意大利等国已有近百 年的历史。主要企业有1 0 余家。美国b e s s e r 公司生产的砌块成型机大约有5 种型号，生 产能力高达1 0 8 0 块h 3 2 4 0 块h ，每次成型块数为3 块6 块，在美国销售量占5 0 。 美国哥伦比亚公司生产批量较小，国内销售量占2 0 3 0 。意大利r o s a c o m e t t a 公司共 有生产大约4 种型号，班产量可达6 0 0 0 块2 2 0 0 0 块。德国h e s s 公司的产品规格较全。 德国m a s a 公司制造小型成型机，共有大约5 种，中型成型机大约有3 种，大型成型机大 约有4 种，生产能力2 7 0 0 块h 5 4 0 0 块h ，每次成型块数达9 块1 8 块。还有韩国德山 机工( 株) 生产大约3 种型号。上述国家的砌块成型机成套设备采用计算机集中控制，机 械系统协调统一，集成液压驱动系统平稳可靠，整机自动化机械化程度高，实现了机电液 一体化，可靠性高，主机采用大功率变频式整体振动成型技术，各个机构匹配好、维修率 低、运转时间长、整机还设有故障点自动显示控制系统以及能生产优质高强度承重砌块， 并可带有装饰面。 1 2 3 国内砌块成型机的研究现状m 】 经过几十年的发展，我国砌块成型机械已经成为建筑机械的重要组成部分，在整个建 筑机械行业中占有一定的比重，现已初步形成了规模生产能力，产品性能有了较大的提高， 但市场竞争也越来越激烈。为了使我国砌块机械工业上档次、上水平、上效益，中国建筑 砌块协会早在1 9 9 5 年公布了第一批中国建筑砌块成型机械8 个定点生产厂家：武汉建材 机械厂、广州光华机械厂、贵阳南明建材五金厂、四川绵竹机械厂、西安强力机械厂、西 安东方 几械厂、海门机床厂和扬州机械厂。这些厂所生产的产品基本反映了我国目前砌块 的制造水平。 目自i 我幽生产的砌块机有两大类：固定j 睹【】移动。固定式又有两种，一种足采 丑馍 4 太原理l 大学硕士研究生学位论文 箱振动的方法，简称“模振”式，这种振动成型方式，激振力较大，成型周期短，_ 般为 l o s 2 5 s ，但一般模箱尺寸较小。目前国内大约有5 种型号的自动化生产线，最高生产能 力在1 2 0 0 块h 左右，每次成型块数可达5 块，中小型成型机大约有1 0 种，生产出的砌块 密实性、均质性都较好。另一种是“台振”式，即通过底板、工作台及模箱产生振动，使 模箱中混凝土混合料密实成型，这种振动成型方式成型周期比前者长，一般为1 5 s 3 5 s ， 激振力相对较小。目前国内大约有近6 种型号的自动化生产线，生产能力达1 8 0 0 块h ， 每次成型块数7 8 块，另外还有2 0 多种中小型砌块成型机。我国生产的移动式砌块成型 机大约有1 0 多个型号，生产能力为3 2 块h 6 0 0 块h ，每次成型块数为2 5 块，多为 工人手动控制，结构简单，砌块质量不高，适用于小批量砌块生产，取材为轻质骨料，具 有投资少、见效快等特点；缺点是质量不高，只能满足一般建筑的需要。我国砌块机械装 备按自动化程度可分为人工控制、半自动化和全自动控制：按主机类型又分为小型、中型 和大型。中小型砌块成型机制造厂家占绝大多数，能够生产大型砌块成型机的厂家不过5 家左右。 大型砌块机一般均采用全自动控制方式，适用于大规模生产各种轻质或承重砌块，以 及各种实心和空心砌块、联锁型铺路砖、路缘石、广场砖以及各种特殊混凝土砌块制品。 所生产的砌块强度高，性能稳定，功能形式多，能够满足高档建筑要求。如小型砌块成型 机产量及制成品尺寸不够大而投资额又需适当限制时，便需选择中型砌块成型机，再配上 简单的往复式输送设备，构成半自动化生产线。 国产砌块成型机行业与国外砌块成型机行业的主要差距是，产品质量不稳定、配套件 质量不过关、可靠性差、黎机寿命低、维修期短和较难适应多种要求的砌块生产。其总的 特点有一下几点： 1 、生产厂家较多生产规模较小 b 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国砌块成型机械随着墙体材料的改革和砌块建筑的发展其需求不断增加，现有生产 企业近百家，已形成多系列、多品种规格的局面。各厂家的生产条件得到一定改善，生产能 力逐步增强。据不完全统计，2 0 0 1 年各类砌块成型机械年产近3 0 0 0 台( 套) ，产量较大的 企业主要有四川绵竹太极机械有限公司、扬州建设机械有限公司、西安东方福星机械有限 公司等近1 0 家，但大多数企业生产规模较小，有些企业年产e e d , 型机型仅1 0 余台( 套) 。 2 、新技术应用增多产品性能提高较大 通过学习、引进和消化国外先进技术，各单位先后开发研制了大量新产品、新工艺， 机、电、液技术得到了广泛应用。控制系统大多采用可编程控制技术，产品的自动化水平 得到显著提高：模具的加工工艺、制造质量明显改善；多数固定式成型机能够生产承重砌 块，少数成型机能够生产超高强砌块；调频调幅技术在少部分机型中得到应用。技术水平 的提高和制造质量的改善使产品无论是可靠性、实用性还是经济性均有了显著提高，部分 产品已达到或接近国际同类产品先进水平，个别产品的技术水平达到国际领先水平，如中 国建筑科学院建筑机械化分院与四川绵竹太极机械有限公司共同研制的q m 4 - 1 2 型砌块成 型机具有多项技术创新，填补了国内砌块成型机械多项技术空白，其技术水平达到国际领 先水平。产品性能的提高以及高性能产品的研制生产，提高了我国砌块成型机械的竞争力， 有利于进一步巩固国内市场、进而走向国际市场，与此同时，进口产品的数量近年已呈下 降趋势。 3 、品种增多创新较少 近年来国内砌块成型机械在多品种方面发展较陕，尤其是每模成型块数为3 5 块的 机，型中产生了许多不同生产周期的机型，丰富了市场，拓宽了用户的选择余地。但在更多 块数的机型中目前投放市场的成熟产品只有每模成型7 块这一种机型，用户需要更多块数 的 l 型时日 j i 只有限赖进口。同建设机械多数行业样，砌块成型机碳f 亍业除少部分企业 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 外相当部分厂家由于自身技术水平的限制，不重视产品的更新和开发，产品多年一贯制， 品种规格较少、技术含量较低、仿制产品多、品牌产品少、有专利和特色的产品更少。 4 、与国外相比仍有一定差距 1 ) 、产品的适应性 我国地域广阔，各地自然条件不一，对砌块的要求也就不一样。国产设备在生产砼 空心砌块、炉渣砌块等方面可以满足使用要求，但在生产高强度、高废渣掺加量、高隔热 保温性能的煤矸石砌块、粉煤灰空心砌块以及其它利废制品方面有一定的局限陛，因此要 求砌块机械生产厂在不断提高产品质量的同时加大技术创新力度，针对不同地区的不同要 求和不同的材料及特性，为用户提供适用、可靠的产品。 2 ) 、物料的配料计量 国外对物料的配料、计量以及搅拌非常重视，体现在配料种类多、计量精度高、搅 拌均匀等方面，其规模水平不亚于商品砼拌合站( 楼) 。而国内在这方面的重视程度不够， 虽然近年来有日益重视的趋势，但在产品配套中无论是设备的计量精度还是配料种类等和 国外仍有不小的差距，常常因为配料计量因素而出现砌块质量问题，这现象最近几年来 已引起部分机械制造企业和用户的日益重视。 3 ) 、产品的可靠性 国产设备近年来尽管性能有了较大提高，但在可靠性方面与国外相比还有一定差 距，主要在配套电器、液压元件、气动元件以及材质等方面问题较多。近年来许多厂家的 产品均选用了进口优质元器件，对提高砌块成型机械7 k - t 起到了非常重要的作用，但在多 功能方面还无法与国外相比。 1 3 课题研究的内容 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着国家在全国逐步实施禁止生产实心粘土砌块的政策，我国的砌块成型机械将迎来 很好的发展机遇，但是同时也存在挑战，即我国的砌块成型机械还存在很多问题。在此背 景之下，为了促进砌块成型机械的发展，我们提出了对本课题的研究。主要内容有以下几 个方面： 1 、振动压实介质特性及振动压实理论的研究： 2 、砌块成型机主要振动参数的设计： 3 、砌块成型机的动力学模型的建立及仿真分析； 4 、对成型砌块进行密实度和强度测量，得出混凝土制品密实度与制品强度的对应关 系： 5 、使用砌块成型设备进行实验，研究上模头压力、激振力、频率、振幅等振动参数 对成型材料的振实效果的影响，确定合适的振动参数并得出振动参数与产品密实度的对应 关系； 6 、在确定最优的振动参数以后，调节上模头压力，以得出振动与加压结合的最佳匹 配关系。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 概述 第二章砌块成型机简介 砌块成型机是一种将一定比例的胶结材料、粗、细集料和水混合搅拌成的干硬性混凝 土，经振动将其加工成砼构件的机械设备。它是生产砌块的关键设备，砌块生产效率的高 低，砌块质量的好坏，很大程度上取决于成型机的性能。p j f 2 2 j 2 2 砌块成型机的分类2 1 1 3 9 1 2 2 1 按工作状态分类 1 、移动式成型机：是指在场地上生产，砌块不移动，机器移动的成型机； 2 、模振固定式成型机：是指在固定的位置上生产，采用模箱振动砌块移动而机器不 移动的成型机； 3 、台振固定式成型机：是指在固定的位置上生产，采用台座振动砌块移动而机器不 移动的成型机； 4 、叠层式成型机：是指刚成型的砌块，依次叠放在上一次脱模砌块上的成型机； 5 、分层布料式成型机：是指能生产由面层和底层两种不同混合料组成的砌块成型机。 2 2 2 按砌块成型机振源分类【2 4 】 砌块成型机成型方式主要有振动台振动成型( 简称台振) 和模箱振动成型( 简称模振) 两种。从振动成型原理看，台振与模振都是垂直振动，但传递激振力形式有所不同，台振 是间接的，模振是直接的。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 、台振 一般是由电机通过皮带轮带动两根带有偏心块的轴，产生相向转动，水平方向的离心 力互相抵消，垂直方向的离心力互相叠加，从而产生垂直定向振动。成型块数较少时，模 箱下面可设一个振动“源”；成型块数较多时，模箱下面可设2 个或多个振动“源”。振动 “源”多时，由于电机起动快慢及速差等影响，振动不可能完全同步。欧洲制造设备一般 均采用台振，每次成型的块数较多，有的多达1 8 块，但相对振动功率较小，一般每块砌 块可分担的振动功率约为1 2 2 娜。 2 、模振 主要有两种，一种是美国贝赛尔公司为代表的模振形式，即带有偏心块的传动轴直接 安装在模箱两端，电机通过皮带轮带动传动轴旋转产生离心力，模箱两端的两个电机转动 相反，产生的水平方向离心力互相抵消，而垂直方向的离心力互相叠加，从而产生垂直定 向振动。由于电机直接带动模箱振动，所以模箱及其混凝土拌和物的振幅和频率与振动系 统一致。但由于两台电机起动陕慢及速差影响，模箱两端的振动也不可能完全同步。该种 振动形式的成型机每次成型的块数相对较少，目前最多的为6 块，但振动功率较大，每块 砌块分担的振动功率为5 6 2 k w 。另外一种是美国哥伦比亚公司的模振形式，是靠装在成 型机底架上的振动偏心轴，并通过连杆机构与模箱相连，使模箱产生垂直定向振动，该种 振动形式的成型机每次生产的砌块也不多，振动功率也很大。 2 2 3 按成型原理分类 1 、连杆式砌块成型机：由凸轮连杆机构驱动振动体上下往复振动的砌块成型机 2 、电磁式振动成型机：由电磁激振器驱动的砌块成型机： l 3 、液压推动砌块成型机：由液压驱动，使得活塞产生往复振动的砌块成型机 4 、叹轴联动自同步砌块成型机：由两个激振电机驱动两根装有偏心块的轴，从而驱 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 动振动体上下振动的砌块成型机。 砌块成型机一般为双轴自同步振动原理的成型机为最常见，它结构紧凑，设计简化， 制造安装简便，生产效率高，噪音相对较小，成本低，因而成为现在生产和使用最多的砌 块成型机类型，因此本文以后所研究的对象就是这种类型的成型机。 2 3 砌块生产线工艺流程 生产工艺流程图如下图2 - - 1 ：1 2 3 1 图2 1 砌块生产流程图 f i g 2 1t h ep r o d u c t i o nf l o wc h a r to f b l o c k 1 _ 配料系统：骨料( 3 种：碎石、砂、石粉) 、水泥、粉煤灰、水、外加剂，根据制品 强度等级需要计量后送入搅拌机。 2 搅拌系统：搅拌机在设定的时间内将材料拌好，由输送带送入成型机料斗内。 3 成型系统：送板机将托板仓内托板送至成型机振动台上，通过脱模油缸将模箱下落 在托板上，压头上升到位，全部条件到位后( 动作自锁) 按自动键，料斗门开将材料送入 料车内，料车前进至模箱e 方，料车旋转系统起动对模箱强制加料，加完料料车回位，压 头下压在设定的时间内，振动加压成型。脱模油缸工作，模箱上升将制品挤出，由送板机 将制品推至送砖机送出，进入下一循环。根据不同材料，不同产品需求，任意剪接机械动 作。实现人机对话，一机多用。 4 送砖机系统：送砖机累存三板制品后，将其带走，由砖面清扫器清扫后将制品送出， 由运转车运走。 太原理： 大学硕士研究生学位论文 2 4 砌块成型机类型特点对比【4 】【i o 2 4 1 固定式与移动式砌块成型机陛能特点 l 、移动式成型机是指在特定的场地( 台座地坪) 上，生产的砌块不移动而机器移动的 成型机。通常用虚铺给料，芯模振动成型方式，将砌块直接成型在地坪上，无需底板，产 品一般采用自然养护。但由于该类机型给料与振动不能同时进行。每完成一个成型周期需 整机移动一个模位，成型周期长达1 2 分钟，生产率低，加之因机体轻，激振力与压头 加载压力偏小，生产的砌块强度较低，离散性大，较适合生产非承重砌块。 2 、固定式成型机是指在固定的位置上，生产的砌块移动而机器不移动的成型机。在 振动中采用加压振动成型。实铺给料方式，给料与振动同步进行，成型周期短( 国内设备2 4 循环允国外设备7 9 循环分) ，蒸汽养护，产品密实度均匀，强度高，耗灰少，且生 产不受季节气候影响，占地面积小，生产率高，适合于规模化生产，但与移动| 生成型机比， 设备投资大、能耗高，对企业的生产经营管理与技术水平要求也较高。 2 4 2 台振与模振成型机的性能对比 固定式成型机因振源方式不同，又分为台振式和模振式两种，在性能与应用上存在如 下差异： l 、台振成型机是由振动台产生振动力将振动传给成型模箱，振幅值沿制品高度方向 衰减，因此制品沿高度方向所获得的振动能量是不一样的，生产的砌块上下密实度相差较 大，模振成型机沿模箱高度方向和长度方向的振幅是一致的，实测数据证明振幅值偏差不 大于0 1 毫米，所以生产的砌块强度离散系数较小。 2 、台振成型机的模箱构造简单，属焊接式模箱木底板，重量轻、制造方便，成本低， f 【使用，命短( 约8 j 次) 。税搬成，型机采用组合模甜，钒底皈加工精度要j 戈高，制造工艺 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 复杂，成本高，模箱笨重，换模难度较大。但组合模箱都可换衬板和隔板，模箱使用寿命 可达1 5 万次以上。 3 、台振成型机模箱芯子吊梁是下藏式的，故打出制品有一较深的凹槽( 在槽肋上) ， 影响砌块的质量。 4 、从模振与台振成型机振动功率可见，模振成型机每块砌块的振动功率约为台振的3 5 倍。在振动质量一定的情况下，振动功率大，激振力大，振动加速度也大，所以模振 成型机振动成形时间短，砌块密实度高。由此可见振动密实效果好坏的关键是振动加速度 的大小，而不是振动形式本身。因此加大台振的振动功率，提高振动加速度，同样也可缩 短振动成型时间，提高振动密实效果。混凝土振动密实成型还有一个参数叫振动延续时间， 也就是说混凝土拌和物受振后需要一个互相填充密实的时间，因此过分加大激振力、提高 振动加速度也不可能在瞬间使混凝土得以密实。目前模振成型机的振动加速度约为1 0 一 1 9 9 ，振动成型时间约为1 3 秒；台振成型机的振动加速度约为5 8 9 ，振动成型时间约 为3 - - 5 秒。对于振动成型时间仅有l 一2 秒的模振成型机，再提高振动加速度意义不大。 因此合理地确定振动加速度是很必要的，振动加速度太小，振动延续时间加长，振动不密 实：振动加速度太大，将会造成振动功率的浪费，并需加强振动系统的结构。 综上所述，台振成型机主要用于生产轻质填充砌块，而模振成型机适用于生产承重砌 块。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章振动压实介质与振动压实理论 3 1 千硬性混凝土特点【2 9 干硬性混凝土具有硬化j 陕、强度高、密实性大、又能节省水泥等优点，其根本的原因 在于减少了混凝土中的用水量，即直接地减少了混凝土中多余有害的游离水分。这是最基 本的因素。除此之外，也还有一些其他的因素。现在从水泥硬化理论与物理力学两个方面 来说明干硬性混凝土的原理。 3 1 1 水泥硬化理论 根据苏联a a 巴依可夫的学说，把水泥硬化的过程分为三个时期 l 、溶解期( 准备期) 。当水泥与水接触后，水泥颗粒表面即与水起化学反应，生成 c a ( o h ) ，等可溶物溶解于水中，使水泥颗粒暴露了一层新的表面层。再继续与水作用又生 成c a ( o h ) ，等可溶物，溶解于水中，直到形成了c a ( o h ) ，的饱和溶液。 2 、胶化期( 凝结期) 。c a ( 0 h ) ，饱和溶液形成以后，水泥与水的化学反应仍继续进行， 这时水化作用的反应产物，不经过溶解而直接析出，形成微小的固体颗粒，即生成胶凝体 系。此时水泥浆就逐渐失去流动性，产生了凝结现象。 3 、结晶期( 硬化期) 。形成胶凝体系的胶状颗粒逐渐转化为大块不溶解于水的晶体。 这时水泥就具有抵抗机械强度的性能，即产生了强度。 从上面水泥硬化理论就可以知道，水泥的凝结与硬化速度是与水泥在水化过程中， c a ( o h ) ，饱和溶液的形成速度直接相关。c a ( o h ) ，饱和溶液形成得早，则水泥的凝结与硬化 就快；反之，则慢。至于c a ( o h ) ，饱和溶液形成的速度，主要是由下面两个因素来决定的： 1 ) 、与水泥在水化过程中生成c a ( o h ) ，的数量及速度有关。在水化过程中，生成的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a ( o h ) ：愈多、愈快，则c a ( o h ) ：饱和溶液形成的速度就快。这个因素与水泥的品种、矿 物组成及硬化c x f 牛- ( 硬化时的温度等) 等因素有关。 2 ) 、与水泥在水化过程中的用水量有关。在水化过程中，用水量愈多，则c a ( o h ) ，饱 和溶液的形成速度较慢；反之则快。 由此可见，干硬性混凝土由于用水量少，因此在水化过程中c a ( o h ) ，饱和溶液的形成 是比较快的，胶体及晶体的形成也相应地加快。这就意味着干硬性混凝土地凝结和硬化是 比较快的。这也就说明了干硬性混凝土硬化快和早期强度高的原因。 3 1 2 干硬性混凝土的物理性质 1 、粗集料的骨架作用与混凝土强度的关系 在混凝土组成材料中，材料受力较弱的部分不是集料，而是水泥。如果把混凝土的组 成材料分为粗集料( 石子) 与水泥砂浆两个部分，则较弱的部分是水泥砂浆部分，石子的 强度一般都能达到1 0 0 0 m p a 以上。如果混凝土中水泥砂浆过多，则会在混凝土中形成一层 较厚的水凝砂浆层。这层水泥砂浆层在混凝土中受到载荷时，由于其厚度较大，因此就成 为一种承受载荷的材料：又由于其强度较低，所以在受到载荷后，混凝土的破坏也常常从 这层水泥砂浆层的被压碎开始而引起整个混凝土的崩碎。这种现象我们可以在用水量较 多，砂率较大的塑性混凝土中时常见到。 但是在干硬性混凝土中，由于用水量少，砂率小，因此水泥及砂子的用量就少，粗集 料( 石子) 的用量相对地增多。在灌筑成型时，又经过激烈地震捣，石子在混凝土中就形 成了紧密的骨架。在石子之间的水泥砂浆层是比较薄的，因此在混凝土中受到的载荷主要 由石子骨架来承受。由于石子的强度较高而在干硬幽昆凝土中又能充分发挥其强度，因而 就提高了混凝土的强度。 2 、材料密实度与强度的关系 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 材料的密实程度往往直接影响到材料的强度，密实度愈大，则强度也愈大。混凝土也 是如此。 我们知道，在混凝土中与水泥起化学作用的水分是很有限的，大约是水泥用量的2 0 左右。可是为了满足灌筑混凝土时所必需的流动性或和易性，在很凝土中所加入的水量 是远超过水化作用所必需的水量，这些多余的水分便成为游离水分，在混凝土硬化过程中 逐渐蒸发，使混z t t t 内部留下空隙或孔道，减少了混凝土镇守载荷的面积，并且使混凝土 内部产生局部应力。因此混凝土中的空隙愈多，则强度也愈低。 在干硬陛混凝土中，由于水灰比小，用水量少，所以混凝土中的游离水分也就绝对地 减少了，从而空隙也就相应地减少( 可以从干硬性混凝土地密卖l 生较高得到说明) 。另外 干硬性混凝土必须震捣才能成型，而强力震捣又能使混凝土更加密实，空隙更加减少，因 而混凝土的强度就比较高。 3 、水泥砂浆对粗集料的粘着力与混凝土强度的关系 在一般情况下，混凝土的强度与水泥砂浆对粗集料的粘着力是有直接关系的。当混凝 土受到载荷产生内部应力，而内部应力又大于水凝砂浆与粗集料的粘着力时，则混凝土中 的集料即与水泥砂浆脱离而破坏混凝土。 干硬l 生混凝土由于水灰比小，用水量少，含砂率小，因此水泥砂浆与粗集料的粘着强 度是比较高的，所以混凝土的强度也比较高。 4 、混凝土的析水性与强度的关系 塑性混凝土的析水量较多，因此容易形成分层而降低混凝土的强度。同时在混凝土内 部，也会在水泥砂浆与粗集料接触的表面上出现一层很薄的水膜，因而减弱了水泥砂浆与 粗集料的粘着力。 在干硬胜混凝土中，由于用水量少，几乎没有析水，因此它的强度也就比较高。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 、所用材料的质量与混凝土强度的关系 干硬性混凝土所用材料，根据技术条件的规定，与塑性混凝土相比，虽然没有很大的 区别，但在配制高标号混凝土时，所用水泥标号较高，要求砂、石的级配较好，含水泥量 较少，石质强度较高。因为这些因素都与混凝土的强度有一定的关系，所以配制干硬性混 凝土时也应给予足够的重视。 3 2 振动压实理论帅2 m 】 3 2 1 内摩擦减小学说 该学说的基本原理是：振动使被压实材料内产生振动冲击。被压实材料的颗粒在振动 冲击的作用下，由静止的初始状态过渡到运动状态，被压实材料之间的摩擦力也由初始的 静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。 材料受强迫振动后，由于各颗粒的质量及所处位置不同，所产生的惯性力也截然不同。 此时，颗粒间的粘结膜发生张紧的现象。若惯性力不大，不足以克服颗粒间的摩擦力和粘 结力，则各颗粒仍处于原始位置。如果惯性力很大，足以破坏颗粒间的摩擦力和粘结力， 在这种情况下，颗粒在其自重力和上层物料重力的作用下相互脱离，发生移位，力图占据 最低稳定位置，排除气相和液相，互相契紧、挤紧、达到密实。 料粒的惯性力可按下述方法确定n 4 j 。料粒在强迫振动时的位移近似地按正弦规律进 行： z 2 a s i n m t ( 3 1 ) 式中：x 一位移值； a 振幅； 0 3 角频率； 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 t 振动时间。 速度和加速度为： z = 一缈c o s 卿 ( 3 - 2 ) z = 一4 2s i n n 开 ( 3 - 3 ) 料粒质量为m 时的惯性力： f = 一m a r e 2s i n n 】t( 3 - 4 ) 由此可见，材料相邻颗粒的质量差别越大，颗粒之间的粘结越弱，则它们的相对位移 越大。具有较大质量的大颗粒，在振动时得到较大的惯性力，首先脱离相邻的料粒，向下 移动。如果含有不同大小颗粒的材料进行长时间的振动，则可出现分层现象，大颗粒料都 处在下层，这是不允许的。因此，振动应该在材料具有最大密实度，即大颗粒之间的孔隙 由小颗粒料填满时结束，此时分层还未发生，所需的振动时间视材料而定。 从流变学的角度看，混凝土拌合料接近于一般宾汉姆体，应符合下列公式： f ：+ 叩拿 ( 3 5 ) 7 2 + 叩万 ， 式中：f 剪应力，即单位液面上的内阻力，欲使流体流动，必须克服此剪应力： r l 粘性系数； d _ p 变形速度梯度； d v “拌合料的极限剪应力。 在某个极限速度限以前，r o 为速度v 的函数，即f 。可( y ) ，( v o 时，机件仅沿y 轴方向作直线振动，所以双轴自同步砌块成型机必须满足w o 的条 件。 为使自同步振动机两主轴同步运转，首先必须满足同步性条件，即 见| 1 。 见 愈大， 实现同步愈容易；当i 见 * l 时，同步性很弱。选择特性相同的电动机，合理调整机体力学 参数，都可增加自同步性能。具体措施有： l 、选用特性接近的感应电机： 2 、使两轴摩擦阻矩接近相等： 3 、对皮带传动的自同步振动机，可通过车削小皮带轮的办法，使埘；一时，z0 ； 4 、增大k “2 e 2 f 的值； 5 、调整两个激振电机对机体重心的相对安装位置。 虽然成型机不可能达到完全同步，通过自同步的设计调节，可使成型机的振动接近同 步，故在对砌块成型机的振动参数进行设计时可看作同步情况来进行设计，所以下面的振 动参数的设计都是按理想状态同步隋况时进行的。 4 2 砌块成型机振动参数的理论设计 振动台的振幅与振动频率，及加速度直接影响着振动成型的效果，不同的物料对应的 最佳振动频率和振幅也不同。因此，如何f 确设计使振动台产生所要求的振动参数就成为 砌块成型机生产优质砌块的关键。 2 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 2 1 参加振动的总质量m 的计算 m = m p + 七 m 弹+ 七。m 制 ( 4 一1 ) m 。振动质体的质量，包括：振动台质量，振动器质量，模箱质量，托 板质量和上模压头质量； 吒弹性元件结合系数，由振动手册可得：橡胶剪切簧时取； m 弹弹性元件总质量： 七。物料结合系数，一般取o 1 o 4 取o 4 m 制物料质量，这里是参加振动的砼质量。 由于模箱、托板、压头与8 个减振块连接，均属于弹性结合振动方式，由上可知结合系数 取1 3 ，参与振动质量为： 丢( m 模+ m 托- - m 压) 振动质体质量为 m s , = m 振动台+ 彳振动器+ ( f 模箱+ 朋托+ 彳压) ( 4 2 ) 所以，参加振动