4.17. Установки для формования железобетонных труб

Промышленность сборного железобетона выпускает значительное количество бетонных и железобетонных труб, ко­торые в некоторых случаях по технико-экономическим показателям оказываются предпочтительнее стальных. Выпускаются безна­порные бетонные и железобетонные малонапорные (до 0,3 МПа) и напорные (до 1,5 МПа) трубы. Безнапорные и малонапорные тру­бы изготовляют вибрационным методом, методами центрифуги­рования, радиального прессования и центробежного проката. Напорные трубы изготовляют в основном методом виброгидро-прессования.

Вибрационный метод формования труб осуществляется в фор­мах на виброплощадках. Формование труб осуществляют в верти­кальном положении, используют для этого ударно-вибрацион­ные площадки (см. п. 4.10) и площадки с пространственными колебаниями (см. п. 4.11). В этих случаях для улучшения каче­ства уплотнения бетонной смеси часто применяют вибросердеч­ники, которые устанавливают внутри формы по ее оси и обеспе­чивают дополнительные круговые колебания.

Иногда формуют трубы в горизонтальном положении на виб­роплощадках с гармоническими вертикально направленными колебаниями (см. п. 4.8). В этих слу­чаях (рис. 4.88) дебалансы левого и правого рядов виброблоков при монта­же устанавливают в противофазе и та­ким образом виброплощадка генери­рует вынуждающий момент, который обеспечивает угловые колебания фор­мы относительно ее оси.

Рис. 4.88. Схема виброплощадки для формования труб в горизонтальном положении

Существуют и специализированные вибрационные установки. В них уп­лотнение бетонной смеси осуществля­ется вибровозбудителями круговых колебаний, которые устанавливают соосно с формуемой трубой.

Метод центрифугирования основан на том, что при вращении формы относительно собственной оси на частицы бетонной смеси начинают действовать центробежные силы, которые и приводят к уплотнению бетонной смеси путем ее прессования. Центрифуги­рование труб осуществляется в горизонтальном положении. При этом результирующая сила, действующая на некоторую частицу бетонной смеси массой т (рис. 4.89):

Рис. 4.89. Схема сил, дей­ствующих на частицу бетон­ной смеси в центрифуге

_{___________________________________________}

Р = √(mRω²)² + (mg)² – 2m²ω²gRcosωt (4.81)

где R — радиус расположения частицы от оси вращения; ω — угловая скорость формы.

Когда рассматриваемая частица находится в точке А (рис. 4.89), угол ωt = 0, a cos ωt = 1. Следовательно,

Р_А = mRω² — mg.

Когда рассматриваемая частица находится в точке В, угол ωt = π, a cos ωt = -1. . Следовательно,

Р_В = mRω² + mg.

Из этого вытекает, что давление в точке А ниже, чем в точке В. Это обстоятельство заставляет бетонную смесь равномерно рас­пределяться по внутренней поверхности формы. Результирующая центробежная сила, действующая на кольцо бетонной смеси радиу­сом r₁,, толщиной стенки dr₁ и длиной l:

dP_ц = 2πlρω²r₁²dr₁,

где ρ – плотность бетонной смеси.

Интегрируя последнее выражение от R₁ до R, получим

Р_ц = 2 πlρω² _R1∫^R r₁dr₁ = 2 πlρω²(R³ – R₁³)/3,

где R_1, R — соответственно внутренний и наружный радиусы трубы.

Для того чтобы определить прессующее давление на наружной поверхности трубы, достаточно правую и левую части последнего выражения отнести к наружной поверхности трубы

Р₀ = Р_ц/(2πRl) = [ρω²(R³ – R₁³)/3R] (4.82)

Это выражение характеризует связь давления на поверхности трубы с ее параметрами и угловой скоростью центрифуги. Экспе­риментально установлено, что при распределении бетонной смеси угловая скорость формы

ω_р = 1,5√g/R₁

При уплотнении бетонной смеси прессующее давление согласно экспериментальным данным должно быть Р₀ = Р_у = 0,1-0,15 МПа. Последнее на основании (4.82) дает возможность определить угловую скорость, необходимую для уплотнения бетонной смеси:

_{________________________}

ω_у = √(3Р_уR)/[ρ(R³ – R₁³)]

В зависимости от установки и закрепления форм центрифуги разделяют на осевые или шпиндельные, в которых торцы формы закрепляют на передний приводной и задней опорной бабках; свободнороликовые, в которых форма свободно опирается на опорные ролики, и ременные, в которых форма подвешивается на беско­нечных перекрещивающихся ремнях, огибающих приводные и холостые шкивы. Из-за сложности крепления форм и невозмож­ности формования длинномерных изделий осевые центрифуги применяют редко.

Форма 1 (рис. 4.90) одной из свободнороликовых центрифуг опирается на приводные ролики 2, которые связаны между собой валами с зубчатыми муфтами. Эти ролики, а следовательно, и лежащая на них фор­ма получают вращение от электродви­гателя через клиноременную передачу 3. Поддерживающие ролики 4 установлены на гидроцилиндрах 5. Такое расположение поддерживающих роликов позволяет ме­нять диаметр формуемых труб. Для сни­жения уровня шумов при работе центри­фуги в качестве опорных и поддержива­ющих роликов используют иногда авто­мобильные баллоны.

В ременных центрифугах вместо роликов используют беско­нечные ремни, на которых вывешивается форма. Схема запасовки ремней приведена на рис. 4.91.

Такие центрифуги различных конструктивных исполнений применяют для формования железобетонных труб длиной 5— 20 м и диаметром до 4'—5 м. При формовании изделий с диаметром до 800 мм формы заполняют бетонной смесью до их установки на центрифугу. При

формовании труб большего диаметра фирмы за­полняют непосредственно на центрифуге посредством специаль­ных питателей, например ложковых.

Центрифугированные трубы изготовляют из пластичных бетон­ных смесей. Однако в процессе их изготовления благодаря дейст­вию центробежных сил происходит отжим из бетонной смеси из­быточной воды, которая вытекает из формы в виде шлама. Это обеспечивает свежеотформованному изделию достаточную проч­ность для его транспортирования в форме к камерам тепловлажностной обработки.

Рис. 4.91. Схема запасовки ремней в ременной цен­трифуге

Как следует из выражений (4.83) и (4.84), угловая скорость центрифуги зависит от диаметра формуемой трубы. Кроме того, привод должен обеспечивать работу центрифуг с угловой скоро­стью ω_р, необходимой для распределения бетонной смеси, и угло­вой скоростью (ω_у, необходимой для ее уплотнения. Таким образом, приводы центрифуг должны обеспечивать в широком диапазоне регулирование угловой скорости форм. Это достигается установ­кой в системе привода коробок передач, вариаторов, многоскорост­ных асинхронных электродвигателей. В последние годы для этого широко применяют электродвигатели постоянного тока с тиристорными регуляторами скорости.

Центрифуги рассчитывают по заданным размерам формуемых труб R, R₁ и L в такой последовательности

1. По выражению (4.83) определяют необходимую угловую скорость ω_р распределения бетонной смеси, а по выражению (4.84) — угловую скорость ω_у уплотнения.

2. Находят мощность (Вт) приводного электродвигателя, не­ обходимую для работы центрифуги в режиме уплотнения:

N = ω_y(M_тр + М_в)/η

где М_тр — момент трения в опорах, Н∙м; М_В — момент трения формы о воздух, Н∙м; т) η— КПД привода.

Для роликовых центрифуг

_{____________}

М_тр = [1,41(m_ф + m_б.с.)gD_б]/(D_б√1 + cos ) ∙ (μd_B + 2μ_К)

где D_б — диаметр бандажа, м; D_р — диаметр опорных роликов, м;  — угол между осями опорных роликов; μ — приведенный к валу коэффициент трения скольжения подшипника качения, (μ = 7∙10^-3; d_B — диаметр вала под подшип­никами качения, м; μ_к — коэффициент трения качения опорных роликов по бан­дажам, μ_к = 5∙10^-4 м;

Для осевых центрифуг

М_тр = [m_ф + m_б.с.)gd_Bμ]/2; М_В = kFω_y²R_p³,

где k — коэффициент сопротивления воздуха, k = 0,6-l,0; F — суммарная площадь продольных ребер и фланцев формы, м²; R_р — радиус центра тяжести площади ребер, м.

3. В центрифугах с предварительной загрузкой форм бетон­ной смесью проверяют пусковой момент (Н∙м) приводного электро­двигателя

M_пуск = М_тр + М_ст

где М_ст — статический момент массы бетонной смеси (Н-м) при ее подъеме на угол 45°;

М_ст = 0,47LρR³gsin³(β/2)

(β — центральный угол сегмента, в котором располагается после загрузки в форму бетонная смесь).

Значение β определяют по графику на рис. 4.92. На этом гра­фике по оси ординат отложено

∆S = R²/2(R² – R₁²)

Полученное значение М_пуск должно удовлетворять неравен­ству М_пуск < М_д, где М_д — пусковой момент электродвигателя. При приводе от асинхронных электродвигателей с короткозамкнутыми роторами М_д == 1,8М_Н, где М_н — номинальный момент электродвигателя.

Метод роликового прессования заключается в укатке рыхлой бетонной смеси роликами. Таким методом формуют плоские и особенно часто трубчатые железобетонные изделия. Устройство для формования трубчатых изделий часто называют установками радиального прессования. При таком формовании уплотнение бе­тонной смеси происходит под действием нормального контактного давления ролика на смесь, которое принято называть прессую­щим давлением.

Р ис. 4.92. Зависимость угла β от ∆S

Рис. 4.93. Схема установки радиального прессования ж/б труб

Изготовление железобетонных труб методом радиального прессования осу­ществляется в вертикальной форме, установленной соосно с приводным ва­лом формующей головки. Наибольшее распространение получили установки для формования труб растру­бом вниз (рис. 4. 93). Изготовление железобетонных труб методом радиального прессования осу­ществляется в вертикальной форме, установленной соосно с приводным ва­лом формующей головки. Такая установка работает следующим обра­зом. Сверху питателем 4 бетонная смесь подается в форму 1. Уплотнение раструбной части осуществляется в начальной стадии формования вибрационным способом с помощью вибростола 8. После уплотнения раструбной части вибростол выключается и начинается подъем прессующей головки, т. е. начинается процесс радиального прессования.

Формующая головка установлена на валу 3 и состоит из верх­него распределительного конуса или диска 5, снабженного пласти­нами-метателями 9, прессующих роликов 6, свободно вращающихся на вертикальных осях, и заглаживающего короткого цилиндра 7, выполняющего функции скользящей опалубки.

Стенки трубы формуются при вращении головки и одновре­менном ее подъеме вверх. Рыхлая бетонная смесь, попадая на вра­щающийся распределительный конус 5, отбрасывается метателя­ми 9 к стенкам формы 1 под набегающие ролики 6, которые и уп­лотняют ее. Сверху форма закрывается кольцом 2.

Установки радиального прессования по заданным наружному R и внутреннему R₁ радиусам формуемой трубы рассчитывают в такой последовательности.

1. Из условия захвата роликом при первом проходе необходи­мого количества рыхлой смеси для получения предельно уплот­ненной смеси в стенке трубы определяют радиус роликов форму­ющей головки

r = [2a₁ + b² – (₁²/cos²(₁/2)) – 2b]/[2(a₁ + 2sin²(₁/2) - b] ∙ R

_{___________________}

где а₁ = 1 - √1 – 2k_yb + k_yb²

(k_y — коэффициент уплотнения бетонной смеси, k_y = 1,60-1,62); b = (R – R₁)/R; ₁ — угол захвата, ₁ = 33-34°.

Коэффициент уплотнения бетонной смеси

K_y = V₀/V_т

где V₀ — объем единичного кольца с наружным радиусом R рыхлой смеси, необходимый для получения предельно уплотненной смеси в стенке трубы; V_T — объем единичного кольца смеси радиусами R и R₁.

2. Определяют число роликов формующей головки

_{___________________}

z_p <= [3πR₁(R₁ – r)]/[5r√R₁² - r² – rR₁]

Число роликов принимают равным ближайшему меньшему целому числу к полученному значению.

3. Определяют угловую скорость формующей головки

ω_p = 1/(R₁ – r) ∙ U_к

где U_к — окружная скорость качения роликов, при диаметре грубы D = 0,3-0,6 м U_k= 2-2,5 м/с, при D = 0,8-1 м U_к = 2,5-З м/с, при D = 1,0 - 1,5 м U_к = 3,2 - 3,5 м/с.

3. Находят скорость подъема формующей головки

U_F = (l_pz_pω_p)/(2πk_п)

где l_р — длина ролика, l_р = 0,18 - 0,3 м; k_n — число проходов ролика, k_n = 40 - 60.

3. Вычисляют производительность питателя, подающего бе­тонную смесь в форму:

П = π(2RH_m – H_m²)u₂ρ_p,

где ρ_р — объемная масса рыхлой бетонной смеси, р_р = 1500 - 1550 кг/м³;

_{_________________________________________}

H_m = R - √R² – R_yR(R – R₁) + R_y(R – R₁)²

6. Мощность приводного электродвигателя формующей го­ловки рассчитывают по эмпирической формуле

N_д = 2πRk_i

где k_i — удельная мощность, для армированных труб k_i = 15 кВт/м, для бетон­ных труб k_i = 17 кВт/м.

Метод центробежного проката по способу уплотнения бетонной смеси аналогичен методу роликового прессования. Изготовление труб на установках центробежного проката осуществляется в го­ризонтально установленной форме 3 (рис. 4.94). Форма 3 своими торцовыми кольцами 5 опирается на приводной прессующий ро­лик 6. Ролик 6 вращается в подшипниках качения и приводится через клиноременную передачу от электродвигателя. К формую­щему ролику 6 форма 3 прижата нажимными роликами 7. Бетон­ная смесь подается в форму 3 консольным ленточным питателем 2.

Рис. 4.94. Схема установки центробежного проката железобетонных труб

Последний установлен на подвижной каретке 1, которая пере­мещает питатель вдоль оси формы.

Так как форма 3 прижата к вращающемуся формующему ро­лику 6 нажимными роликами 7, она начинает вращаться в том же направлении, что и ролик 6 с некоторой угловой скоростью ω₁ Первоначально каретка питателя находится в одном из крайних положений и бетонная смесь поэтому подается в какой-либо из концов формы. Благодаря вращению формы бетонная смесь, упавшая в ее нижнюю часть, прижимается к стенкам центробеж­ной силой и поднимается в верхнюю часть формы, где попадает под прессующий ролик 6 и уплотняется. Из сказанного следует, что для нормальной работы установки центростремительное уско­рение формы должно быть больше ускорения свободного падения. Исходя из этого угловая скорость вращения формы

_{__________________}

ω₁ = √(1,2 – 1,5)g/R₁

После уплотнения одного из концов трубы каретка 1 с пита­телем 2 начинает перемещаться к другому концу трубы. Чтобы формовать трубы различного диаметра, питатель 2 перемещают по вертикали обычно с помощью винтового механизма, установ­ленного на каретке 1. Так формуются трубы на установках центро­бежного проката. Как следует из выражения (4.85), центробеж­ные силы, возникающие при вращении формы, достаточно малы и служат в основном лишь для подачи бетонной смеси под прес­сующий ролик.

Уплотнение трубы обычно контролируют визуально. Если какой-либо из участков трубы недоуплотнен, то в это место пи­тателем дополнительно подается бетонная смесь до тех пор, пока участок не достигает нужной степени уплотнения. Формуют трубы методом центробежного проката из особо жестких бетонных смесей. Поэтому, как и при формовании мето­дом радиального прессования, обеспечивается высокая первоначальная прочность свежеотформованной бетонной смеси, которая позволяет осуществлять немедленную распалубку изделий.

К недостаткам метода центробежного проката следует отнести следующее.

1. Невозможность формования труб длиной более 3 м из-за прогиба длинного прессующего ролика, что приводит к уменьшению внутреннего диаметра трубы в средней ее части и к недоуплотнейию бетонной смеси.

2. Трудности формования раструбных труб.

3. Низкая производительность этого метода, связанная со сложностью и трудоемкостью установки формы на длинный прессующий ролик и снятия ее после окончания процесса уплотнения.

Метод виброгидропрессования применяют для изготовления напорных железобетонных труб, предназначенных для работы под давлением до 1,5 МПа. Изготовляют трубы в формах, которые состоят из наружного кожуха и внутреннего сердечника. Наруж­ный цилиндрический кожух имеет разъем по диаметральному сечению. Наружные кожухи форм для труб диаметром до 800 мм I состоят из двух обечаек, а для труб диаметром 1000 мм и более состоят обычно из четырех обечаек. Каждая из обечаек кожуха снабжена ребрами жесткости и продольными фланцами, которые соединяют при сборке кожуха болтами с тарированными тарель­чатыми пружинами. Стыки наружного кожуха уплотняют клей­кой лентой. Внутренний сердечник состоит из сплошного и дыр­чатого цилиндров. На дырчатый цилиндр надет герметичный гиб­кий резиновый цилиндр. Пространство между резиновым цилинд­ром и наружным кожухом, в котором монтируют арматурный каркас трубы, заполняется бетонной смесью. Арматурный каркас состоит из продольных предварительно напряженных стержней и спиральной арматуры.

Раструбная часть формы снабжена резиновым раструбообразователем и раструбным упорным кольцом, в котором через муфты закрепляются анкерные головки продольных арматурных стерж­ней. Второй конец этих стержней проходит сквозь отверстия в верхнем упорном кольце и закрепляется после натяжки стерж­ней гидродомкратами.

Наружный кожух с смонтированным в нем арматурным кар­касом посредством крана надевается на вертикально установлен­ный внутренний сердечник и опускается до тех пор, пока не вста­нет на центрирующее донное кольцо сердечника. Собранную таким образом форму переносят на пост бетонирования. В верхний вту­лочный конец формы устанавливают центрирующее кольцо, кото­рое обеспечивает совместно с донным кольцом соосное положение наружного кожуха относительно сердечника. Устанавливают также загрузочный конус для подачи бетонной смеси в форму с вибропобудителем, исключающим ее зависание. На наружном кожухе размещают три—пять пневматических вибровозбудителей общего назначения.

Бетонная смесь обычно шнековым питателем подается через загрузочный конус в форму при включенных пневматических виибровозбудителях, которые обеспечивают необходимую степень ее заполнения путем облегчения прохода бетонной смеси между стенками формы и элементами арматурного каркаса. Кроме того, происходит предварительное уплотнение бетонной смеси. Запол­ненную форму краном переносят на пост опрессовки и термовлаж-ностной обработки и устанавливают в вертикальном положении. Далее сердечник своим патрубком подключается к водопроводной магистрали и заполняется водой, после чего подключается к установке высокого давления, которая равномерно в течение 0,5 ч доводит давление воды в сердечнике до заданного. При этом вода через стенки резинового цилиндра производит опрессовку (уп­лотнение) бетонной смеси. Давление воды в сердечнике прини­мается в 3—3,5 раза больше рабочего давления, на которое рас­считана формуемая труба. Например, для труб, предназначенных для работы под давлением жидкости 1,0—1,2 МПа, давление воды в сердечнике (давление опрессовки) р₀ = 3,0-З,6 МПа.

При этом же давлении производят термовлажностную обра­ботку трубы. Снятие давления и извлечение готовой трубы из формы производится после того, как бетонная смесь наберет необходимую прочность для восприятия усилий от предваритель­но напряженной арматуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Расскажите о значении сборного железобетона в индустриализации строи­тельства, об основных преимуществах применения сборного железобетона.

2. Назовите основные технологические процессы и виды производств, используемые при изготовлении сборных железобетонных изделий.

3. Перечислите конструктивные и технологические принципы, определяю­щие выбор оборудования для использования арматуры и армирования.

4. Расскажите об основных видах арматурных элементов и марках стали, применяемых в железобетонных изделиях.

5. Перечислите машины и оборудование, применяемые для изготовления элементов ненапряженной арматуры (сеток, каркасов), а также закладных дета­лей.

6. Расскажите о принципах работы правильно-отрезных станков. Как рассчитать производительность и мощность электропривода правильно-отрезных станков?

7. Как выполняется гибка арматурных стержней? Как рассчитать крутя­щий момент на валу гибочного диска станка для гибки?

8. Как работает одноточечная сварочная машина?

9. Расскажите о принципах натяжения арматурных элементов, исполь­зуемых в машинах и оборудовании для напряженного армирования.

10. Как рассчитать тяговое усилие, создаваемое гидродомкратами при натя­жении арматуры?

11. Как рассчитать длину арматурной заготовки, подлежащей электриче­скому натяжению?

12. Расскажите о классификационных признаках и конструктивных испол­нениях бетоноукладчиков и бетонораздатчиков.

13. Перечислите принципиальные схемы рабочих органов машин для раз­дачи бетонной смеси и ее распределения.

14. Расскажите о рабочих органах заглаживающих механизмов, монтируемых на бетоноукладчиках.

15. Какое оборудование применяют для транспортирования бетонной смеси из БСУ к формовочным постам?

16. Расскажите о принципах работы бетоноукладчика с поворотной воронкой.

17. Какие функции выполняет вибронасадок?

18. Как рассчитать производительность бетоноукладочных машин цикличного действия?

19. Объясните повышенную уплотняющую способность виброплощадок с вертикальными асимметричными колебаниями по сравнению с виброплощад­ками с гармоническими колебаниями.

20. Какие существуют типы центробежных вибровозбудителей и каковы их взаимные достоинства и недостатки?

21. Какие условия необходимо соблюсти, чтобы двухвальный дебалансный вибровозбудитель генерировал направленные колебания, и как эти условия могут быть выдержаны?

22. Как обеспечиваются санитарные нормы вибраций фундаментов зарезонансных виброплощадок с гармоническими вертикально направленными коле­баниями?

23. Как влияет на динамику резонансных машин масса упругих элементов?

24. Каковы основные взаимные достоинства и недостатки резонансных и зарезонансных виброплощадок?

25. Как может быть достигнута стабилизация режима работы линейных и ударно-вибрационных виброплощадок?

26. Чем обеспечивается снижение до санитарных норм уровня вибраций, передаваемых на руки бетонщика при работе с глубинными вибровозбудителями?

27. В чем состоят преимущества дебалансно-планетарных виброприводов активных пустотообразователей перед дебалансными?

28. Расскажите об основных схемах конвейерных линий, применяемых при производстве железобетонных панелей.

29. Расскажите об устройстве кассетно-формовочных установок и принципе расчета распорного усилия, возникающего при заполнении кассет бетонной смесью.

30. Какие способы формования применяют при изготовлении безнапор­ных, малонапорных и напорных железобетонных труб?