混凝土振动台隔振系统设计研究

尚文端

上海电气研砼（徐州）重工科技有限公司

摘要：随着“建筑（住宅）工业化”的不断发展，各建筑领域对混凝土预制件的应用越来越多，其发展已进入全新的领域。然而我国对预制件的应用却相对较少，主要原因在于生产的混凝土预制件密实度较低，导致其强度和耐用性差（究其主要原因在于我国的混凝土振动台振动频率低且单一）。混凝土振动台是生产混凝土预制件的主要设备，其振动性能好坏直接决定了预制件密实度的高低，而振动系统（振源和振动形式）作为振动台最核心的部件，其性能的优劣直接影响着振动台的加工质量和效率。本文以混凝土振动台的振动系统为研究对象，在分析其振动属性的前提下，利用具有宽频振动的混沌激振器为输出源，结合双质体弹簧振动系统，以此来提高振动台的振动性能。

关键词：混凝土预制件；混凝土振动台；密实度；混沌振动

混凝土工程不断向规模化、复杂化、高层化方向发展，其振捣困难，导致工程质量难以保证，这就给混凝土密实提出了更高的要求，纵观国内外的混凝土预制构件的发展历程，预制装配式建筑是未来发展的一个必然趋势，我国现阶段在预制装配式建筑领域所作出的努力也证明了这点，混凝土预制件如图1所示。应用混凝土预制件可以减少城市污染和资源浪费，因此国家发展战略也把混凝土预制作为未来的一个方向，并制定了相关的规划要求，这足以体现混凝土预制的重要性。当然混凝土预制件在发展的同时也遇到了很多技术方面的问题，其中最重要就是有关混凝土的振实问题，混凝土是否密实直接影响预制件的强度和耐久性。因此研究混凝土预制件的生产设备——混凝土振动台显的尤为重要。

1混凝土振动台的原理

混凝土振动台是利用振动装置（振源）产生振动，通过低幅、高频振动对混凝土骨料进行振动密实的设备。混凝土拌合物中的骨料颗粒受到一定频率的振动，降低了混凝土拌合物之间的粘着力和摩擦力，混凝土拌合物中的骨料颗粒的缝隙不断缩小，排除存在于混凝土拌合物中的气体，从而达到骨料和水泥浆得到充分地填充，最终达到密实的目的。但目前，国内外的混凝土振动台的激振机构仍是以偏心块为主的激振方式，其激振力的频率和幅值均是一定的，显然不能满足混凝土骨料被振实的条件。研究表明，混凝土预制件密实度每提高1%，其强度可以提高3～5%。目前，我国虽已开始研制变幅的振动台，但这种频率和振幅的改变都不是无极的[9-14]。国外的厂商通过微电子计算和智能科技技术，对振动密实过程进行实时控制，根据混凝土骨料特性，随时矫正振动台的工作参数（如：偏心块转速、偏心距等），这种振动台的振动密实性能虽得到提高，但其结构复杂、造价高。如果能改变激振机构，使其产生宽频振动，这样就能满足混凝土骨料中不同粒径颗粒自振所需的振动频率，从而提高振动密实效果。

图1混凝土预制件

2混凝土振动密实机理

混凝土预制件的生产一般选用半干硬性的混凝土骨料，其生产过程是振动密实成型的过程，而密实和成型分属两个不同的概念。密实是疏松的拌合物向其内部空隙填充、紧缩，使预制件内部密实，属于拌合物的“内部流动”；成型是拌合物在模箱内流动并充满整个模腔空间，从而获得所需预制件的外形，属于拌合物的“外部流动”。预制件的生产要求混凝土拌合物必须具有相当的流动性，而增加流动性就要增加拌合物用水量，水量较多会使预制件在成型过程中产生离析，且多余水从混凝土中蒸发后会留下许多孔洞，反而降低了混凝土预制件的密实度。因此，密实与成型之间存在矛盾，目前较有效地方法是采用振动加压成型工艺。

干（半干）硬性混凝土拌合物在振动作用下的密实成型过程常伴随着一些复杂的现象，这是由于水泥桨在液态介质含量不变时的稀释能力，即遭受触变变化的能力所形成的，其实质是“振动——流动——密实”的过程。（1）水泥胶体的触变作用；（2）颗粒间粘结力的破坏；（3）颗粒间机械啮合力的破坏；振动使混凝土拌合物的内阻大大降低，释放出部分吸附水和自由水，从而使拌合物部分或全部液化。此时，集料颗粒犹如悬浮在液体中，在其自重作用下，纷纷下沉滑移并趋于紧密排列的稳定位置，空气从拌合料中排出，而空隙内则被液化的水泥浆和砂浆填充，它们就如同润滑剂一样，降低骨料间的摩擦力。因此，在混凝土骨料振动密实时，振动的能量将消耗于破坏骨料的结构体系（即克服结构的抗切强度）、降低系统的粘度、振实集料的构造和确定骨料的新平面状态结构。

3混凝土振动台振动系统

混凝土振动台振动系统对预制件的密实度起决定性作用，其性能直接决定混凝土预制件的质量及强度。因此选择合理的振动参数，振动模式及振源是确定振动台振动系统的主要工作。

2.3.1振动台振动参数的确定

混凝土预制件的振动密实过程实际上就是骨料“振动——流动——密实”的过程。振动系统参数的选择必须使骨料颗粒产生液化，颗粒在液化后重新占据稳定的位置，这样才能实现预制件的密实。根据上述理论，混凝土振动台的理想振动参数为：

（1）振动频率：根据混凝土骨料颗粒不同粒径的自振频率，为满足大部分预制件的生产加工，并使预制件的质量及强度较现有生产设备有所提高，振动频率宜选40Hz～90Hz范围内；

（2）振幅：0.3mm～1.2mm；

（3）振动加速度：10g～20g（af/2≈）；

（4）参振质量：约为20t（1/8质量约为2.5t）。

（5）振动台运行稳定，对地面的冲击和噪音小。在实践中我们发现随着振动频率的增加，振动加速度随之成正比增加，目前市面上振动台的振动频率较高，当继续增加振动频率时，会对振动台造成更大的冲击，影响其使用寿命，并且噪音也较大。当振动台的振动频率一定时，想要获取较大的振动加速度就要从振幅上着手，因此，在满足颗粒粒径自振频率的前提下，提高振幅来达到所要求的振动加速度，是合理设计振动台振动系统的关键。

2.3.2振动方式分析

目前振动台的振动方式多种多样，本文研究的混凝土振动台要有较大的振动加速度、振幅和频率。因此振动系统选择的核心是振动方式的确立。

（1）单质体直线受迫振动

单质体直线受迫振动是直接有一简谐力（F=F0sinωt）作用于振动台m上（如图2.3所示），振动台台面与机架通过弹性连接，弹性件刚度为k，阻尼为c。

（2）单质体圆周受迫振动

单质体直线受迫振动在在实际应用中很少，在实际应用中一般都选择机械式激振器，即通过电机带动偏心块转动产生简谐力，这便是单质体圆周受迫振动。

（3）双质体直线受迫振动

混凝土预制件的振动密实，在振幅满足一定的条件下要求振动台具有较高的振动频率，并且应尽量减少机架或基础所受振动的影响，无论是单质体直线振动还是圆周运动都不能满足要求。

4混沌激振器

为解决现有振动台输出频率单一的问题，以及满足现代建筑发展的需要。本文提出一种用于混凝土振动台的机械式混沌激振器，该激振器不仅可以根据工作的需要对振动台的振幅进行调整，而且能够在输入单一频率的情况下输出多种频率（即宽频），从而最大限度的满足不同粒径骨料的自振频率，使骨料颗粒尽可能多的排出内部气体、填充孔隙。

本文只对其结构进行简单设计，其结构剖面图如图2所示。该机械式混沌激振器的结构原理为：偏心轴8上装有两个滚动轴承7，将两个加工好的偏心轴套6与滚动轴承7按照过盈配合要求套装在滚动轴承7上，这样，偏心轴套6可在偏心轴8上实现无摩擦转动，以同样的方式在偏心轴套6外面再装一滚动轴承和偏心转盘。其工作原理为：带轮1在电机的带动下以一定的角速度作匀速转动，同时带轮1带动偏心轴8作匀速转动，而偏心轴套6在偏心轴8转动的过程中作无规则的平面运动，偏心转盘在偏心轴套6上做无规则平面运动，由于三个的转向各不一样，故混沌激振器在电机的高速带动下产生混沌振动。

1—带轮；2—轴承端盖；3—支撑板；4—调心轴承；5—挡圈；6—偏心轴套；7—滚动轴承；8—偏心轴；9—传动齿轮图

图2机械式混沌激振器二维结构图

该混沌激振器虽然也是靠惯性力产生振动，但与普通单频激振器相比，该混沌激振器已有明显改善，其优点主要表现在：（1）该混沌激振器的偏心轴上装有偏心轴套，偏心轴套上又装有偏心转盘，偏心轴在电机的驱动下转动，带动偏心轴套和偏心转盘做平面运动，从而产生混沌振动。混沌振动具有较宽的振动频率，能够对应更多混凝土骨料颗粒的自振频率，因此可以获得更好的密实效果。（2）该混沌激振器是将箱体简化为两个支撑板组成的支撑系统，不但减少了材料的使用，又方便加工制造、装配及安装，并且减轻了参振质量，从而减少激振器振能的损耗。

4结束语

隔振是振动控制的重要途径之一。在振动机械设计中隔振系统的设计是非常重要的部分。通过上述分析，混凝土振动台隔振系统的设计应满足以下要求：①机器应该有较良好的和能满足实际工作需要的隔振效果。即：的取值要合理。②为得到较好的捣实效果，应选用较小的弹簧刚度和较大的振幅。而增大振幅又会使激振频率降低，为此需要在振幅和激振频率之间作好权衡，这方面有待于进一步探讨。

参考文献：

[1] 张宇. 基于并联机构的混凝土振动台研究[D]. 2015.

[2] 贠志达. 大型混凝土振动台振动系统研究[D].2017.