Основы теории движения самопередвигающихся роторных заглаживающих машин

Современное производство бетонных и железобетонных изделий, для жилищного, промышленного и других областей строительства, неотъемлемо связано с отделкой поверхности этих изделий. При устройстве монолитных цементобетонных покрытий эта операция проводится либо вручную, либо с применением заглаживающих машин: ручных, специализированных дорожных финишеров или так называемых самопередвигающихся роторных заглаживающих машин (СРЗМ). В нашей стране, отсутствует, какой бы то ни было, опыт проектирования, изготовления или эксплуатации СРЗМ, в отличие от других типов машин, и все работы производятся по большей части вручную, с низким качеством и малой производительностью. Целью данной диссертационной работы является разработка теории движения СРЗМ, создание которой позволит проектировщикам и конструкторам этого типа машин более глубоко понять принцип ее действия и требования, предъявляемые к конструкции. Для специалистов эксплуатирующих СРЗМ создание теории позволит выработать рекомендации по управлению машиной и режимам ее работы.

В главе 1 диссертации представлен обзор требований предъявляемых к бетонным поверхностям, проведен сравнительный анализ технологий устройства монолитных цементобетонных покрытий, а так же приведены результаты сбора и анализа информации о трансформации конструкции самопередвигающихся роторных заглаживающих машин на протяжении периода времени с 1959 по 2002 г.

В главе 2 диссертационной работы представлены результаты сбора информации о характеристиках бетонной смеси влияющих на характер движения СРЗМ и, на этой основе, установлены наиболее приемлемые способы управления машиной.

В главе 3 проведен тщательный анализ процесса взаимодействия дискового рабочего органа заглаживающей машины с незатвердевшей 6 бетонной поверхностью, и, на этой основе, получены уравнения определяющие зависимость величины движущих сил, действующих на СРЗМ, от величины управляющих воздействий прилагаемых оператором к рабочим органом. Предложен критерий, согласно которому производится выбор способа определения величины движущей силы, в зависимости от характеристик бетонной смеси.

В главе 4 представлен анализ возможных конструкций СРЗМ, а именно количества и. расположения, друг отнорительно друга, рабочих органов. Построены схемы действующих, на различные конструкции СРЗМ, сил, и, на этой основе, разработаны дифференциальные уравнения движения СРЗМ.

В главе 5 описаны основные параметры СРЗМ, установлена их взаимозависимость и предложена методика определения этих параметров.

1. РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИИ СРЗМ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ.

1.1 ВВЕДЕНИЕ.

В технологическом процессе производства бетонных и железобетонных изделий, в общем случае, существует следующая последовательность выполнения технологических операций: подготовка формы, приготовление бетонной смеси, укладка, распределение смеси по площади формы, уплотнение изделия,' заглаживание и уход за свёжеуложенным бетоном. В зависимости от конкретных условий производства работ и требований, предъявляемых к готовому изделию, в технологический процесс могут быть добавлены операции вакуумирования, термовлажностной обработки и другие. Для получения качественного бетонного изделия, технологический процесс должен быть выстроен таким образом, что бы каждая операция выполнялась наиболее эффективно и с наименьшими затратами времени и энергии.

В частности, одной из основных операций, определяющей качество изделия, является заглаживание незатвердевшей бетонной поверхности. В процессе изготовления бетонного изделия эта операции осуществляется после уплотнения, в некоторых случаях, после вакуумирования. Под заглаживанием, в данном случае, понимается процесс механического перераспределения частиц бетонной смеси по незатвердевшей поверхности. Благодаря операции заглаживания возможно получение поверхности с заданной шероховатостью и высокой плотностью поверхностного слоя. Следовательно, повышается прочность, морозоустойчивость, стойкость к истиранию и воздействию агрессивных сред, в то время как водопоглощение снижается. Безусловно, для проявления вышеописанных эффектов в полной степени, необходимо обеспечить оптимальные режимы обработки. Для этого, в технологическом процессе, необходимо использовать заглаживающие машины, наиболее полно отвечающие условиям производства работ. Основными критериями, выбора того или иного вида машин, являются: требуемый темп производства работсостав бетонной смесижесткость, или пластичность, смесиплощадь обработкиконфигурация поверхности в плане.

Существующие в нашей стране машины, предназначенные для обработки незатвердевших бетонных поверхностей, находятся как бы на разных концах ряда, в котором машины расставлены по возрастанию производительности. С одной сторонц, узкоспециальные машины — дорожные финишеры, обладающие.

• «*. .

ФГ ' * ' * большой производительностью, но, в то же время, практически неприемлемые для устройства сложных в плане, или просто широких, покрытий, особенно в стесненных городских условиях* помещениях. С другой стороны, стационарные машины, используемые для заглаживания поверхностей бетонных изделий на ДСК и заводах ЖБИ, и универсальные, легкие, ручные машины. Использование первых, для производства работ вне помещений, на строительной площадке, затруднено. Единственная машина отечественного производства, предназначенная для такого вида работ — консольная дисковая машина типа ДЗМ-ЗА, но и она обладает целым рядом недостатков присущим всем консольным заглаживающим машинам. Таким образом, применять при производстве работ по устройству больших, по площади, бетонных поверхностей, остается только ручные заглаживающие машины. Однако, как уже отмечалось, низкая производительность, и невозможность, хотя бы частичной, автоматизации, делает применение этих машин малоэффективным.

Производя обзор существующих, за рубежом, видов заглаживающих машин приходим к выводу, что там подобная проблема решена. Помимо отмеченных выше трех типов машин, применяемых в нашей стране, существует четвертый, предназначенный как раз для устройства больших по площади, широких и сложных в плане бетонных покрытий, на открытом воздухе. Так называемые самопередвигающиеся роторные заглаживающие машины (Riding trowel или Ride-on trowel). Причем все типы машин, и, в частности, последний, имеют большой разброс основных параметров.

1.2 ТРЕБОВАНИЯ. ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РАЗЛИЧНЫМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ.

БЕТОННЫМ ПОВЕРХНОСТЯМ Как уже упоминалось выше, существует отдельный класс поверхностей с большой площадью. Например: дорогистоянкивнутренние дворы и проездытротуарыполы и.т.д. Специфика условий эксплуатации этих покрытий заключается в следующем: как правило на открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях под воздействием атмосферных осадков и больших перепадов температурдвижение людей и различных транспортных средств по нимдля полов в производственных^{помещениях} дополнительное воздействие агрессивных сред. Эти и другие факторы положены в основу разработанных в нашей стране и" за рубежом нормативно-технических документов, нормирующих параметры бетонных покрытий и, в некоторых случаях, рекомендующих наиболее целесообразные технологии производства работ. К сожалению, в нашей стране требования, предъявляемые к этим типам покрытий, разрабатывались с гораздо меньшей интенсивностью, чем за рубежом. Основное внимание уделялось производству требований к качеству поверхности строительных изделий, как-то: плиты перекрытийстеновые панелилестничные марши и.т.д.

Результаты исследований в этой области представлены в СНиП 1-А.4−62 [48] (табл. 1.1) и ГОСТ 13 015.0−83 [46] (табл. 1.2). Так же разработаны требования к шероховатости дорожного покрытия ВСН 38−90 [47] (табл. 1.3) и СНиП 2.05.02−85 [50].

Как уже отмечалось выше, за рубежом, помимо разработок в области производства строительных изделий изготавливаемых на ДСК и в области дорожного строительства, ведутся активные разработки требований и технологий, которые используются при устройстве цементобетонных покрытий полов в производственных помещениях, гаражах и других подобных объектах. В частности этим заняты такие крупные организации, как BSI (British Standart Institute), ACI (American Concrete Institute), ASTM (American Society of.

Testing and Materials), DIN (Deutsches Institut fur Normung) и другие. Все это свидетельствует об активном применении подобного вида покрытий.

Параметры шероховатости бетонных поверхностей строительных изделий (согласно СНиП 1 -А.4−62). Табл. 1.1.

Класс шероховатости Условное обозначение Параметр Rz, мм Базовая длина I, мм Пример поверхности «4-ш ДАМ 'V/ /у/////// 0,3−0,6 100 Бетонные полы мест общественного пользования.

3-ш ДМ «///////// 0,6−1,2 100 Поверхности обращенные внутрь помещений.

2-ш дд '////'// /// 1,2−2,5 200 Поверхности покрываемые рулонными или плиточными материалами.

1-ш, А 2,5−5,0 200 Фундаментные блоки, панели под черные покрытия.

Вне классов гло >5,0 200 Изделия закладываемые в грунт, кроме свай.

Требования предъявляемые к бетонным ловерхностям строительных изделий (по ГОСТ 13 015.0−83). Табл.1.2.

Категория бетонной поверхности Наибольший размер раковины, мм Высота местного наплыва или глубина впадины, мм Основное назначение поверхности.

А1 Глянцевая (по эталону) Глянцевая (по эталону) Глянцевая поверхность не требующая отделочного покрытия на строительной площадке.

А2 1 1 Поверхность подготовленная под улучшенную или высококачественную окраску.

A3 4 2 Поверхность подготовленная под декоративную отделку, окраску или оклейку обоями.

А4 10 1 Поверхность подготовленная под оклейку рулонными или облицовку плиточными материалами на клею.

А5 Не регл. 3 Поверхность подготовленная под облицовку плиточными материалами на растворе.

А6 15 5 Поверхность подготовленная под. г ©-краску, не отдел ываемая поверхность.

А7 20 Не регл. Поверхность невидимая в условиях эксплуатации.

Требования предъявляемые к шероховатости дорожного покрытия (по ВСН 3 8−90). Табл. 1.3.

Тип покрытия Условное обозн. Наибольший размах шерох. Rz, мм Наибольшая глубина впадин Н, мм.

Гладкое Гл 0,1−0,5 0,02−0,25.

Мелкошероховатое Мшер 0,5−3,0 0,25−1,5.

Мелкошипованное Мшип 0,5−3,0 1,5−2,5.

Среднешероховатое Сшер 3,0−6,0 1,0−3,0.

Среднешипованное Сшип 3,0−6,0 3,0−5,0.

Крупношероховатое Кшер 6,0−9,0 2,0−4,5.

Крупношипованное Кшип 6,0−9,0 4,5−7,0.

Параметры шероховатости бетонных поверхностей (согласно BS 8204).Табл1.4.

Максимальная высота.

Класс поверхности Место применения неровностей, измеренная на длине 4 м. R, мм.

Высокий стандарт на.

SR1 специальных объектах, 3.

N складах.

Обычный стандарт на.

SR2 1 торговых и промышленных объектах 5.

SR3 Для остальных объектов 10.

Сравнивая количество различной, отечественной и зарубежной, нормативно-технической литературы по данному виду покрытий и принимая во внимание полноту представляемой там информации, можно сделать следующие выводы.

Виды бетонных полов по ACI 302. Табл. 1.5.

Категория Нагрузка Место применения Реком. сопротивление сжатию, МПа Высота неровн., мм.

1 Небольшое движение пешеходов Жилищное строительство 21 4.

2 Интенсивное движение пешеходов Общее строительство 24 ' 4.

3 Как выше Склады, коммуникации 25 4.

4 Как выше + движение легких машин Как выше 28 5.

5 Движение тяжелых машин Промышленные помещения 28 5.

6 То же Как выше 31 10.

7 То же Как выше 35.55 10.

8 То же В морозильных камерах и.т.д. 35.55 10.

Для получения качественного покрытия целесообразно пользоваться зарубежными нормативными документами. Однако делать это надо не бездумно, а соотнося полученную информацию с существующими данными наших документов, делая поправку на разность климатических условий и особенности содержания и ремонта бетонных покрытий в нашей стране.

Отсутствие отечественных данных связанно в, первую очередь, с непопулярностью цементобетонных покрытий для устройства вышеперечисленных объектов, причем, совершенно незаслуженной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведенный анализ существующих на сегодняшний день в нашей стране СРЗМ для устройства монолитных цементобетонных покрытий, позволяет нам сделать вывод об отсутствии методики их проектирования и расчета. Учитывая все возрастающий интерес к монолитнобетонным покрытиям большой площади в нашей стране, явственно проявляется возможность появления на рынке СРЗМ, техники отечественного производства, что само по себе требует разработки теории движения СРЗМ и создания на ее основе методики проектирования и расчета основных параметров.

2. Проведенные исследования показали, что в подавляющем большинстве всех работ связанных с определением характеристик бетонной смеси, ее рассматривали как объект воздействия. В то время как для решения поставленных в данной работе задач более подходящим является подход к рассмотрению бетонной смеси как, среды, которая влияет на характер движения перемещающихся по ней технологических машин. Однако, всвязи с отсутствием подобных исследований, из всех характеристик бетонной смеси, для решения поставленной задачи, предложено использовать:

— предельное напряжение сдвига бетонной смеси;

— коэффициент внешнего трения бетонной смеси по металлической поверхности;

— структурную вязкость смеси;

Кроме того, для описания состояния бетонной смеси во времени предложено использовать модуль упругости бетонной смеси.

3. Установлено, что наиболее приемлемыми способами управления машиной являются изменение характера распределения давления под рабочими органами СРЗМ и изменение скоростей вращения роторов, причем первый вариант принят основным.

4. Предложено все случаи взаимодействия дисковых рабочих органов СРЗМ с обрабатываемой бетонной смесью разделить на три расчетные категории и расчет силового взаимодействия рабочих органов со средой, 0 в пределах каждой категории, производить по своей методике. Установлено, что более 85% всех случаев относятся к третьей расчетной категории, 10% - ко второй расчетной категории, 5% - к первой расчетной категории. В качестве критерия, согласно которому производится определение принадлежности дискового рабочего органа к той или иной категории, предложено использовать т.н. показатель гибкости плиты S.

5. В качестве критерия характеризующего неравномерность распределения контактных давлений под рабочим органом заглаживающей машины, для всех расчетных категорий, предложен коэффициент е учитывающий величину смещения, в горизонтальном направлении, вертикальной равнодействующей силы при приложении к рабочему органу момента в вертикальной плоскости.

6. Для рабочих органов первой и третьей расчетных категорий установлены характер распределения давлений под диском, и, исходя из этого, получена зависимость величины движущей силы от коэффициента е, величиной которого управляет оператор, находящийся на СРЗМ.

7. Построены дифференциальные уравнения движения СРЗМ с двумя рабочими органами, тремя рабочими органами, четырьмя рабочими органами, а так же СРЗМ с линейным расположением рабочих органов.

8. Установлены наиболее рациональные схемы управления рабочими органами трехроторных и четырехроторных СРЗМ, для обеспечения движения и поворота машины в основных направлениях.

9. Установлена наиболее рациональная схема расположения рабочих органов трехроторной СРЗМ.

Ю.Исходя из существующих на сегодняшний день требований к скорости устройства бетонных поверхностей предложено три основных.