曹國巍，張聲軍，周 磊，陳煒寧，石小虎，魏 乾

（1.中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.北京建筑機械化研究院有限公司，北京 100007；3.廊坊凱博建設(shè)機械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

近年來，建筑工業(yè)化在我國得到大力發(fā)展，振動臺作為混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到混凝土構(gòu)件的質(zhì)量與生產(chǎn)效率?，F(xiàn)有混凝土預(yù)制構(gòu)件振動臺一般采用安裝多臺振動器的方式進行振動，每臺振動器所產(chǎn)生的振動覆蓋一定范圍，距離振動器近的位置振動強，距離振動器遠的位置振動弱，導(dǎo)致整個臺面振動分布不均；另外，由于多臺振動器工作時不能保持同步，多臺振動器之間存在振動能量內(nèi)耗，噪音大，振動效率不高。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種混凝土預(yù)制構(gòu)件線性振動臺，該振動臺可進行水平面內(nèi)XY方向上線性整體振動，保證了整個臺面上的振動參數(shù)分布均相同，大大提高混凝土振動密實效率，并且無內(nèi)耗，噪音低，由于其進行線性振動，尤其對于大型模臺，無扭曲變形，提高了使用壽命，另外，該振動臺可方便地進行頻率、振幅等振動參數(shù)的調(diào)整，以適應(yīng)不同構(gòu)件的生產(chǎn)，使用范圍廣。

1 線性振動原理

根據(jù)現(xiàn)有混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線振動臺的問題，提出水平面內(nèi)XY方向上線性振動的方案。其基本原理如圖1所示。

圖1 線性振動方案示意圖

底架底部安裝支撐彈簧，支撐彈簧與地面固定，底架框架內(nèi)部安裝四組限位裝置，限位裝置與回轉(zhuǎn)中心的距離可調(diào)，底架框架中間安裝回轉(zhuǎn)裝置，回轉(zhuǎn)裝置外端帶有滾輪。

當X方向兩組限位裝置與回轉(zhuǎn)中心O之間的距離a小于回轉(zhuǎn)裝置運動半徑R時，回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動時，滾輪與X方向的2組限位裝置接觸，推動底架在X方向往復(fù)運動，產(chǎn)生X方向上的振動；滾輪與Y方向的2組限位裝置接觸，擠壓限位裝置，推動底架在Y方向往復(fù)運動，產(chǎn)生Y方向上的振動。調(diào)整回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速，可改變振動的頻率，調(diào)整限位裝置與回轉(zhuǎn)中心O的距離a，可改變振幅。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

依據(jù)上述線性振動原理，設(shè)計混凝土預(yù)制構(gòu)件線性振動臺方案，由于大多數(shù)混凝土預(yù)制構(gòu)件振動臺長寬比較大，因此在長度方向上布置2組上述裝置，以保證整體運行的平穩(wěn)性，該方案主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動臺結(jié)構(gòu)方案示意圖

1）底架 底架作為振動臺的主要結(jié)構(gòu)件，用主要來安裝其他結(jié)構(gòu)、承載上部模臺與混凝土的重量、傳遞振動，其由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，強度剛度大。

2）回轉(zhuǎn)裝置 兩組回轉(zhuǎn)裝置與地面結(jié)構(gòu)固定，布置在框架內(nèi)部兩端，主要由同步帶輪、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)臂、滾輪等組成，滾輪與限位裝置接觸時可以保證其推力一直垂直于限位裝置平面，從而保證振動臺始終保持線性運動。

3）同步驅(qū)動裝置 同步驅(qū)動裝置設(shè)置在兩組回轉(zhuǎn)裝置之間，主要由變頻電機、減速機、同步帶輪、同步帶組成，同步帶輪可保證兩組回轉(zhuǎn)裝置同步、同相位回轉(zhuǎn)，變頻電機調(diào)整回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速，進而調(diào)整振動系統(tǒng)頻率。

4）限位裝置 每組回轉(zhuǎn)裝置四周設(shè)置四組限位裝置，XY方向各分部兩組，每組限位裝置主要由限位板、導(dǎo)向裝置、液壓缸組成，通過液壓缸調(diào)整限位裝置與回轉(zhuǎn)中心的距離，可調(diào)整振動系統(tǒng)的振幅，還可進行X與Y方向振動的轉(zhuǎn)換。

5）夾緊裝置 多組夾緊裝置設(shè)置在底架外側(cè)，主要用來夾緊固定上部的模臺，夾緊裝置主要由夾緊臂、液壓缸組成，通過液壓缸的伸縮可完成夾緊臂對模臺的夾緊與松開。

6）支撐彈簧 支撐彈簧布置在底架底部，主要用來支撐整個系統(tǒng)，其由多組橡膠彈簧組成，底面與地面連接，上面與底架連接。

7）模臺 模臺主要作為混凝土構(gòu)件的底模，安裝邊摸，承重混凝土，傳遞振動。

該振動臺工作流程如下：當模臺運動至振動臺工位時，啟動夾緊裝置夾緊模臺，布料機完成混凝土布料后振動臺進行振動，按照要求，通過控制系統(tǒng)調(diào)整好所需要振動頻率、振幅，啟動振動臺，驅(qū)動電機帶動回轉(zhuǎn)裝置進行回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生X或者Y方向上的振動。

3 線性振動臺的設(shè)計計算

由于振動臺XY方向振動原理相同，選取X方向作為研究對象，由振動原理進行分析，將該振動臺簡化為單自由度無阻尼受迫振動系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 振動系統(tǒng)簡化示意圖

K為系統(tǒng)彈簧的剛度，F(xiàn)為受迫振動的驅(qū)動力，對于從上述起始位置到擺臂回轉(zhuǎn)至水平位置，滾輪推動限位板，其推力為驅(qū)動力，如圖4所示。

圖4 滾輪驅(qū)動起始位置示意圖

其計算公式為

式中F0——回轉(zhuǎn)臂對限位裝置的推力；

M0——回轉(zhuǎn)臂的驅(qū)動力矩；

r——滾輪回轉(zhuǎn)半徑；

q——滾輪與限位板接觸時擺臂與水平軸方向的初始夾角；

x——彈簧壓縮量。

當擺臂轉(zhuǎn)過水平位置，系統(tǒng)在彈簧回復(fù)力的作用下進行運行，如圖5所示。

圖5 滾輪驅(qū)動水平位置示意圖

此過程中，由于回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動速度較快，該過程中限位板與滾輪之間處于輕微接觸，可以忽略F0，驅(qū)動力變?yōu)?/p>

由以上可知，對于整個周期內(nèi)，如圖6所示位置。

圖6 滾輪驅(qū)動振動系統(tǒng)示意圖

以圖6a為初始位置，在一個周期內(nèi)，滾輪推動限位裝置時

在一個周期內(nèi)，滾輪不推動限位裝置時

由以上分析可得，該系統(tǒng)為一個單自由度受迫振動，對于受迫振動過程，其運動微分方程為

由該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理可知，其振幅有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，通過調(diào)節(jié)限位板與回轉(zhuǎn)臂的中心距決定，其振動頻率通過驅(qū)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，現(xiàn)對其激振力、加速度進行計算分析。

對于該系統(tǒng)強迫振動的位移為

對其時間t求二次導(dǎo)，可得加速度a為

可得加速度的最大值

可得系統(tǒng)激振力的最大值

又由式（4）推導(dǎo)得驅(qū)動力矩

式中w——回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的角頻率；

A——振幅；

q——滾輪與限位板接觸時擺臂與水平軸方向的初始夾角；

Mz——振動系統(tǒng)的參振總重量；

M0——回轉(zhuǎn)臂的驅(qū)動力矩。

由此可計算出系統(tǒng)的最大加速度、最大激振力、驅(qū)動力矩，進而進行系統(tǒng)功率設(shè)計計算。

對于該系統(tǒng)，未添加模具及混凝土時，振動臺的固有頻率為

式中m0——未加載模具和混凝土時振動臺重量；

k——支撐彈簧總剛度。

對于該振動臺，選用多組橡膠彈簧作為振動臺的支撐，同時，橡膠彈簧也作為振動臺的振動剛度，現(xiàn)對其進行分析計算，如圖7所示。

圖中m0——振動臺空載重量；

m1——臺面上部混凝土與模具重量；

圖7 振動臺彈簧支撐示意圖

k1——橡膠彈簧垂直方向的剛度；

k2——橡膠彈簧水平方向的剛度。

在垂直方向上，多組橡膠彈簧承載振動臺與上部混凝土的重量，橡膠彈簧的數(shù)量為n，振動臺滿載時，橡膠彈簧壓縮量為Dh，在垂直方向受力

即得彈簧垂直剛度

根據(jù)實際振動臺工作要求，選取合適的壓縮量Dh，合適的數(shù)量n，與振動臺空載重量m0、與混凝土與模具重量m1，可以初步計算彈簧豎直方向的剛度k1。

對于水平方向，振動臺進行振動時，由式（11）可得

由此為依據(jù)計算橡膠彈簧在水平方向上的剛度k2，綜合橡膠彈簧垂直與水平方向的剛度，進行橡膠彈簧的設(shè)計選型。

由以上可得，在該系統(tǒng)中，已知主要參數(shù)，如總參振重量Mz，角頻率w，振幅的情況下，可以對系統(tǒng)的驅(qū)動力矩、功率、彈簧剛度、最大加速度、最大激振力等參數(shù)進行設(shè)計計算，進而得出整個系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。

4 結(jié)論

對于該線性振動臺，采用多組同步同相位運行的帶滾輪的擺臂，驅(qū)動整個振動臺進行振動，由于滾輪與限位裝置接觸時驅(qū)動力的方向均垂直于限位裝置，多組滾輪同步工作時，驅(qū)動振動臺只能向同一方向運動，從而實現(xiàn)線性振動；另外，通過變頻電機與同步驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用，可簡單有效地實現(xiàn)振動頻率的調(diào)節(jié)；其次，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動限位裝置進行位置調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)X方向與Y方向振動的轉(zhuǎn)換與振幅的調(diào)節(jié)。

通過分析計算，可對該類型振動臺主要參數(shù)進行設(shè)計計算，計算結(jié)果可作為參考值指導(dǎo)整個設(shè)計與樣機試驗。