【摘要】针对建筑行业钢筋混凝土施工中混凝土振捣质量的关键问题, 提出了中频振捣理论并介绍研制出的中频振捣设备。
【关键词】混凝土; 中频振捣; 研制
【中图分类号】TU528; TU755.6 【文献标志码】B
1 国内外振捣技术的现状
目前国内钢筋混凝土的预制或现场施工中普遍采用的是工频（ 50Hz）振动平台或普通电机带动机械软轴，由机械软轴带动振捣器工作，这种振捣器振捣效果差，质量低，噪声大（ 高过110dB 以上），且工作电压通常为380V 或220V，容易造成触电事故。
近年来，国外开始出现中频振捣技术的应用，其中德国、意大利已经有相应产品问世。德国Bor公司研制了以变频发电机组为动力，配置高速微型电机，直接带动振捣器工作的系统。但是价格很高，一般在1.2 万元~1.6 万元。意大利ovle 公司利用电子技术推出了以电子变频电源为动力，配置微型高速电机，带动振捣器工作的系统。动力形式不一样，但末端输出基本一致，驱动高速微型电机的电源均为42V/195Hz。
2 中频振捣理论的提出
相同体积的混凝土振捣质量和效率是和作用在混凝土的振捣频率有直接关系，混凝土振捣过程，实际上是使浇灌后的混凝土，骨料之间失去空隙，达到密实状态，实际是混凝土的一种液化过程，当振捣棒的振动频率与骨料固有的自振频率相接近时，就能大大的促进混凝土的液化，获得良好的振捣效果。
2. 1 振捣频率的选择
根据有关的试验研究，骨料自振频率n 与骨料粒径的平方根成反比。即：
式中，K 为振波在骨料内的传播速度,一般可以认为是某常数；d 为骨料直径。
从式中可以看出，骨料颗粒直径较大时宜用频率较低的振捣棒。颗粒较小时，宜用频率较高的振捣棒。
因液化过程往往取决于振动加速度，对于干硬性混凝土宜采用中频振捣棒。而塑性混凝土为避免产生分层离析的现象宜采用低频振捣棒。不过混凝土的骨料常是由各种粒径的石、砂组成。选择多大频率的振捣棒合适，还要具体分析。
2. 2 振捣棒的振幅
实验证明，当混凝土采用三级配置（最大骨料粒径为80mm）坍落度为3cm～6cm 时，可选用振幅为1.0mm～1.5mm，频率为100Hz～167Hz 的振捣棒。那么振捣棒的直径应在80mm～130mm 为宜。
2. 3 振动加速度
混凝土的振动加速度是促使混凝土液化的决定因素。它与振捣频率W和振幅A 的关系为：
a=A·W
实际应用中，振捣棒的振动加速度可按下式来
计算：
式中,Me 为偏心轴重；r 为偏心距；Mδ为振捣棒减去偏心轴重后的剩余重量；Mb 为排出的混凝土的重量。
2. 4 振捣棒的作用半径
振捣棒的作用半径，据详细测定一般为如表1所示
据表1 分析：中小型混凝土断面，可选用直径为80mm 的振捣棒为宜。大型混凝土断面可选用直径为130mm～140mm 的振捣棒为宜。
2. 5 振捣棒的生产率计算
插入式振捣棒的生产率计算采用下式：
式中，r2 为振捣棒的作用半径,mm；K 为振捣棒时间利用系数，可取K=0.8~0.85；h 为振动层厚度，M；t1 为每一位置振动时间，s；t2 为变动位置所需时间，s 。
由上式分析可知，加速度α与振捣棒频率ω成正比，因此振捣频率越高，对混凝土的液化越有利，但在实际生产中，当频率高到一定程度，将使运行电机的转速过高。一般轴承的运行速度上限，即极限转数为11000r/min，在这个转数以下，为使电机长期稳定运行，需提高加工质量，加强润滑措施才能达到目的。如按此转速或高于此转速，在强度允许的情况下，就需要采用特殊的高速轴承，如高压空气悬浮或磁悬浮轴承结构等，这样就必然会提高制造成本或造成施工现场运行的不可行性。
为了降低制造成本，保证建筑施工设备的长寿命运行，进一步提高混凝土振捣效率和质量，在综合经济技术指标分析的基础上，笔者认为最佳的振动频率应为150Hz ~190Hz。
3 中频发电机组及插入式振捣棒的研制
为了实现振捣系统的高效、环保、安全、节能的目标，我们依据中频振捣棒理论，研制了中频低压发电机组和插入式振捣棒，并实现了操作者对机组的远距离遥控。
中频振捣用电源，国际目前有两种形式的产品，一种为中频发电机组，另一种为电子变频电源。其中电子变频电源成本较低，生产工艺较简单。它是利用电子技术获得了42V/195Hz 的中频电源，但是它的外部能量是由工频50 Hz 、380V 市电提供的，一旦有关电子器件损坏，380V 的市电就会直接作用在操作者所撑握的振捣棒上，对现场操作人员构成极大的潜在威胁。而中频发电机组，尤其是本文所论述的交流激磁发电机结构稍显复杂，制造成本略高，但外施380V 市电与42V 输出电源之间双层绝缘，除同一机械轴外，没有必然的联系，故安全性能好。由于该机组的工作原理是由一台380V 的异步电机同轴拖动一台42V/195 Hz 的发电机。因此，本机组适应恶劣环境能力及过载能力高。同时
在机组控制上，我们采取了手动和远距离遥控两种并存的方式，大大方便了操作者。在振捣棒的设计中，我们依然本着高效、环保、节能、安全的原则，将高速电机与振子设计为一体，
由42V/195 Hz 电源直接驱动高速电机带动振子工作，相对目前老式软轴传动的振捣棒动力性能高出几十倍，由于采用的是低电压中频电源手持震感大大减轻。噪声大大的降低，操作者的安全得到了有效的保障。产品各项性能指标有了极大的提升。
在设备研制过程中，我们分别解决了多项技术课题，使该产品很快达到了产业化规模。
1）为实现低压（ 交流36V~42V） 中频（ 150Hz~195Hz）大电流的要求，在发电机定子绕组的设计中，采用多绕组、多并联支路，多回路的设计。结果，造成了一台定子绕组出来252 个接头，给生产工艺和工人操作带来了巨大困难，2 个工人接两天才能制造一台定子，稍有疏忽，接错了一根线，查找起来非常困难。为此，我们进行优化设计，改变了绕制工艺，从252 个接头缩减到42 个。从而解决了批量生产的关键问题。
2）就多轮系统运转振动的挠度计算和研究，我们解决了同一壳体内双轴承、多转子结构条件下，在气隙允许值内，改变了转轴台阶结构，加大了轴径，减少振动挠度，保证了发电机组运行性能。
3）就薄壁壳过盈配合公差的计算方面，我们保证了机组和高速电机的装配工艺，保证了同轴度和接合力的方案设计。
4）在机组控制方面，我们采用了更人性化的方案，即操作者和机组之间采用了远距离遥控，既减轻了工人的劳动强度，又使机组控制性能得到了提升。
4 结论
1）为了提高振捣技术和质量，实现振捣设备在现代施工现场的高效、环保、安全、节能运行，本文提出了中频振捣理论，介绍了新研制的中频振捣设备。低电压（ 36V~42V）中频（ 150HZ~195HZ）为运行最佳参数。
2）选用交流励磁发电机组为稳定高效、安全运行的最佳电源配置。
3）选用高速电机与振子一体化设计是安全、节能、降噪的最佳方案。
【参考文献】
【1】钱伟长.电机设计强度计算的理论基础[M].合肥：安徽科学技术出版社，1992.
【2】王慰椿.机械基础与建筑机械[M].南京：东南大学出版社，1989.
【3】《中小型电机设计手册》编写组.中小型电机设计手册[K].北京：机械工业出版社，1994.
【4】李隆年，王宝铃，周汝潢.电机设计[M].北京：清华大学出版社，1992.
【5】朱国梁，顾曾龙.简明混凝土工程施工手册[K].北京：中国环境科学出版社，2003.
【6】吉明.建筑机械手册[K].北京：冶金工业出版社，1959
