Для придания рабочему органу машины колебательных движений устанавливается специальный возбудитель колебаний — вибратор. Колебания от вибратора через рабочую плиту, валец или корпус вибратора передаются уплотняемой среде.

Рис. 186. Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов: а — секторный дебаланс; б — дебаланс в виде эксцентричного диска; в — виброэлемент с раздвижными дебалансами; г и д — регулируемые стержневые виброэлементы; е — схема двухвального вибратора направленного действия; ж — схема одновального вибратора направленного действия

По принципу действия различают центробежные, инерционные и вибраторы ударного действия. В центробежных вибраторах возмущающая сила создается за счет вращения неуравновешенных масс. Возмущающая сила инерционных вибраторов развивается в результате возвратно-поступательного движения масс. В вибраторах ударного типа возмущающая сила возникает при соударении подвижных масс.

Все механические вибраторы можно разделить на регулируемые и нерегулируемые, одночастотпые и поличастотные, направленного и ненаправленного действия.

Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов показаны на рис. 186. Сечение неуравновешенных частей — дебалансов — чаще всего имеет форму кольцевого сектора, круга или прямоугольника. Оптимальная форма и размеры дебалансов выбираются из условия минимума веса дебаланса и его момента инерции при заданной величине возмущающей силы.

Кинетический момент вибратора, выполненного в виде уравновешенного диска с дебалансными массами, установленными с постоянным шагом а (рис. 186, г и д), равен геометрической сумме кинетических моментов отдельных дебалансных масс.

Различают регулируемые вибраторы с плавным и ступенчатым изменением центробежной силы. Наиболее совершенными являются регулируемые вибраторы с плавным изменением, осуществляемым на ходу машины.

В вибраторах направленного действия возмущающая сила имеет определенное направление и изменяет только свою величину. Направленные колебания можно получить установкой двух дебалансных валов, вращающихся в противоположные стороны с равным числом оборотов. При этом горизонтальные составляющие центробежных сил взаимно уравновешиваются (рис. 186, е).

Направленные колебания можно осуществить и при одновальном вибраторе, установив его на специальной маятниковой подвеске (рис. 187). На вибромашину в этом случае передается только составляющая центробежной силы, действующая по оси подвески у. По оси х центробежная сила уравновешивается силами инерции маятниковой подвески и на вибромашину не передается.

Рис. 187. Схема вибратора с маятниковой подвеской

Одновальный вибратор направленного действия показан на рис. 186, ж. Здесь два дебаланса вращаются в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью. Суммарная возмущающая сила равна геометрической сумме вертикальных составляющих центробежных сил. По сравнению с двухвальными такие вибраторы более компактны и имеют меньшие габариты, однако они более сложны по конструкции.

Рис. 188. Схемы бегунковых (поводковых) вибраторов: а — одно-частотного; б — поличастотного

В дебалансных вибраторах центробежная сила дебалансов полностью передается на подшипники вала вибратора. С целью разгрузки подшипников предложена конструкция бегункового вибратора (рис. 188, с). Здесь дебаланс, выполненный в виде цилиндрического ролика, катится по внутренней поверхности беговой дорожки. Движение к ролику от водила передается через специальный поводок. Центробежная сила, возникающая при вращении водила, передается непосредственно на корпус виброэлемента. Подшипники ролика нагружены только тем усилием, которое необходимо для преодоления сопротивления перекатыванию его по беговой дорожке.

В случае применения дебалансных роликов (рис. 188, б) возникают две центробежные силы различной частоты. Одна возмущающая сила развивается вследствие вращения ц. т. ролика относительно оси О, а вторая — ввиду вращения ролика относительно своей оси 0V Движение ролика в этом случае можно представить состоящим из поступательного вместе с центром ролика и вращательного относительно этого центра.

При установке нескольких дебалансных роликов различного диаметра результативная возмущающая сила равна геометрической сумме составляющих возмущающих сил. Большое значение при этом имеют начальные углы установки дебалансных роликов.

В существующих конструкциях поличастотных бегунковых (поводковых) вибраторов дебалансные ролики свободно перекатываются по беговой дорожке только за счет сил трения. Уменьшение сил трения при вибрации, чему способствует наличие масла в корпусе вибратора, силы инерции при пуске, а также противодействующий момент дебалансной части создают условия для проскальзывания ролика относительно беговой дорожки. Это вызывает уменьшение частоты вращения ролика и в некоторых случаях — его остановку. Наличие скольжения изменяет характер результативной возмущающей силы, делает ее переменной и не позволяет иметь стабильный режим вибрации. Параметры бегунковых поличастотных вибраторов необходимо выбирать с учетом отсутствия отрыва и скольжения ролика. При заданных параметрах необходимо создавать условия, при которых коэффициент трения ролика по беговой дорожке корпуса вибратора будет больше минимального.

В ряде вибромашин широко распространено применение выдвижных дебалансов. Последние рекомендуются для вибромашин, подвергающихся частому включению, особенно тех, где приводом служит двигатель внутреннего сгорания. При этом выдвижные дебалансы значительно уменьшают пусковой момент двигателя. Принципиальная схема их устройства приведена на рис. 189.

Для возбуждения колебаний вибромашин применяются также планетарные бесподшипниковые одночастотные и поличастотные вибраторы. Различают вибраторы с наружной и внутренней обкаткой. В виброэлементе с наружной обкаткой дебаланс, приводимый во вращение двигателем, обкатывается своей наружной поверхностью внутри втулки, закрепленной в корпусе вибратора.

Рис. 189. Конструкции вибратора с выдвижным дебалансом

Наличие дебалансного ролика позволяет получить поличастотный режим вибрации. Низкая частота равна частоте вращения вала привода, высокая — частоте обкатываний бегунка.

В некоторых вибрационных машинах находят применение виброударные механизмы. Во время работы вибромашины подвижная часть сообщает плите вибрационные колебания (через опорные пружины) и ударные импульсы (через шабот). Таким образом, виброударный механизм оказывает одновременно как ударное, так и вибрационное воздействия. Устойчивый режим работы имеет место в тех случаях, когда отношение числа оборотов виброэлемента к числу ударов представляет собой целое число. Устойчивость работы ударного механизма зависит от соотношения масс подвижной части и плиты, жесткости опорных пружин и начального зазора.

Ударный режим работы оказывает более интенсивное воздействие на уплотняемую среду и значительно повышает эффективность уплотнения до ожно-строительных материалов по сравнению с обычным вибрационным режимом. Виброударные механизмы применяются в машинах для изготовления железобетонных изделий, в вибромолотах для погружения свай и шпунта, а также в ручном инструменте.

Кроме механических нашли распространение гидравлические, пневматические, электромагнитные и электродинамические вибраторы.

Все уплотняемые материалы представляют собой упруго-вязко-пластичные системы, свойства которых в настоящее время недостаточно изучены. Нет также и обоснованной теории деформирования таких сред. Поэтому при выборе мощности двигателя, определении амплитуд колебаний и т. п. лучше всего руководствоваться опытными данными. Вместе с тем в настоящее время разработаны методы расчета, основанные на предположении, что уплотняемый материал обладает только упругим или только вязким сопротивлением, а иногда учитываются как упругие, так и вязкие свойства. Однако во всех случаях исходные зависимости упрощаются, так как в противном случае задача становится неразрешимой. Результатами решения таких задач можно пользоваться главным образом для относительного сопоставления различных вариантов при проектировании вибрационных машин.

Предполагая колебания гармоническими, а уплотняемую среду — абсолютно упругой и имеющей вязкое сопротивление, находят ту мощность двигателя, которая необходима для работы вибратора. Эта мощность расходуется на сообщение колебательного движения уплотняемой среде, а также на преодоление трения в подшипниках виброэлементов.

Коэффициент вязкого сопротивления зависит от площади рабочей плиты вибромашины.

Общий расчет деталей и узлов вибромашины на прочность производится с учетом динамических нагрузок. При расчетах необходимо учесть, что в случае резонанса отдельных деталей, т. е. при совпадении их собственных частот колебаний с вынужденными, в них возникают большие дополнительные напряжения. Поэтому при проектировании следует определять собственные частоты колебаний основных деталей машины. При этом в первом приближении все детали и узлы вибромашины можно представить в виде балок, пластин или мембран с определенным характером распределения масс.

При уплотнении гравийных, щебеночных и асфальтобетонных покрытий широкое применение нашли самоходные вибрационные катки. Виброкатки имеют меньшую металлоемкость и энергоемкость, большую маневренность и транспортабельность по сравнению с невибрационными катками и в то же время обеспечивают требуемую степень уплотнения и необходимую ровность покрытия.

Асфальтобетон, уплотненный виброкатками, при правильном подборе параметров катка и режимов вибрации имеет большую плотность и механическую прочность, а следовательно, меньшую водонасыщаемость, чем при уплотнении обычными катками. Важным является и то, что при виброуплотнении не происходит дробления скелетного материала, что позволяет использовать местные слабые горные породы.

Однако при уплотнении виброкатками верхнего слоя асфальтобетонного покрытия происходит выдавливание битума на поверхность, что недопустимо при устройстве шероховатых покрытий. Для самоходных катков наблюдается явление потери тяговой способности или управляемости, что налагает определенные ограничения на выбор параметров. Значительный шум, возникающий при работе катка, и передача вибраций окружающим сооружениям и коммуникациям ограничивают применение вибрационных катков в городских условиях и на промышленных площадках. Важную роль играет также амортизация механизмов катка и рабочего места оператора. Все эти причины ограничивают использование вибрационных катков.

Виброкатки для уплотнения дорожных покрытий выполняются самоходными одновальцовыми, двухвальцовыми и трехвальцовыми. В последнем случае третий валец является дополнительным (прицепным или навесным). Наибольшее распространение получили двухвальцовые самоходные вибрационные катки. Вибрационным может быть как ведущий, так и управляемый валец.

Рис. 191. Принципиальная схема вибрационного двухвальцового самоходного катка:
1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — рама катка; 3 — вибровалец; 4 — механизм привода; 5 — управляемый валец; 6 — механизм управления

В нашей стране предусматривается выпуск самоходных виброкатков весом 125, 400, 1500 и 4000 кг.

Самоходный вибрационный каток показан на рис. 191. Вибрационный каток отличается от обычного моторного катка наличием дебалансного вибратора ненаправленного действия, установленного в заднем приводном вальце, упругой подвески вибровальца и механизма привода вибратора, выполняемого обычно в виде клиноременной передачи.

В настоящее время теория уплотнения дорожных покрытий виброкатками еще не разработана, поэтому выбор основных параметров следует производить, исходя из опытных данных.

При проектировании катков следует обеспечивать возможность регулирования частоты колебаний и величины возмущающей силы в более или менее широких пределах. Это позволит применять каток для уплотнения различных материалов и каждый раз выбирать наиболее выгодный режим работы.

За последнее время имеет место тенденция к повышению частот колебаний. Для самоходных виброкатков рекомендуется частота 50—70 гц.

Дальнейшее увеличение частоты ограничивается техническими возможностями создания надежной и долговечной конструкции вибратора катка.

Характер колебаний не оказывает существенного влияния на степень уплотнения. Поэтому в виброкатках, за редким исключением, используются вибраторы с круговыми колебаниями.

При излишне больших амплитудах колебаний наблюдается потеря тяговой способности и боковой устойчивости.

Рекомендуемые рабочие скорости перемещения находятся в пределах 1,2 — 2,2 км/ч. В некоторых случаях рабочая скорость движения катка достигает 6 км/ч. При этом необходимое число проходов по одной полосе несколько повышается. Предварительная подкатка уплотняемого материала производится обычным катком или виброкатком с выключенным вибратором.

Выбор геометрических параметров, тяговый и прочностные расчеты, определение мощности и т. д. производится теми же методами, что и для обычных прицепных и самоходных катков.

Глубинные вибраторы применяются для уплотнения бетонных смесей при строительстве дорожных и аэродромных покрытий повышенной толщины, а также при изготовлении железобетонных изделий и массивных бетонных строительных конструкций.

По частоте различают вибраторы нормальной (50 гц) и повышенной (150—300 гц) частоты.

В качестве привода используются асинхронные двигатели нормальной и повышенной частоты, портативные двигатели внутреннего сгорания, пневматические и гидравлические двигатели. По передаче мощности от двигателя к вибромеханизму различают вибраторы со встроенным двигателем и вибраторы с гибким валом. По характеру перемещения глубинные вибраторы можно разделить на ручные и перемещаемые в пакетах с помощью кранов или других транспортных средств.

В СССР производятся электромеханические и пневматические вибраторы. Конструкция электромеханического вибратора представлена на рис. 192, а. Внутри круглого корпуса на подшипниках качения установлен дебалансный вал. Привод вала вибратора осуществляется от асинхронного двигателя, вмонтированного в тот же самый корпус. Мощные подвесные глубинные вибраторы со встроенным двигателем имеют планетарный бесподшипниковый вибромеханизм с внутренней обкаткой.

Вибраторы с гибким валом (рис. 192, б) применяются при уплотнении бетонной смеси в густоармированных конструкциях. В этих вибраторах двигатель соединяется с вибромеханизмом гибким валом длиной около 3,6 м. В качестве возбудителя колебаний используются дебалансные и планетарные вибромеханизмы с внешней и внутренней обкаткой. Конструкция рабочей части (наконечника) с внутренней обкаткой приведена на рис. 192, в.

Планетарный пневматический вибратор показан на рис. 192,г. Он состоит из цилиндрического наконечника, внутри которого смонтирован планетарный возбудитель с внутренней обкаткой. Сжатый воздух поступает к двигателю по внутреннему шлангу. Изменением давления воздуха производится регулирование частоты колебаний. Применение дебалансного бегунка позволяет получать поличастотный режим вибрирования с частотой до 350 гц.

Рис. 192. Основные типы глубинных ручных вибраторов: а — электромеханический вибратор со встроенным двигателем; б — внешний вид вибратора с гибким валом; в — рабочий наконечник вибратора с гибким валом; г — пневматический планетарный вибратор с внутренней обкаткой

Радиус действия вибратора определяется опытным путем или на основе закона распространения кольцевых волн в среде с вязким сопротивлением.