ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА КЕРАМЗИТОБЕТОНА ОТ ЭЛЕКТРОПАРАМЕТРОВ ВИБРОПРЕССА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается влияние скорости вибрации качество керамзитобетона. Приведены зависимости амплитуды и частоты вибрации на прочность и плотность смеси. А также выведена зависимость энергозатрат вибростола на прочность образцов. Был проведен аналитический обзор научных работ по смежным темам и из них приведены примеры использования частотных преобразователей в промышленности, что улучшает стабильность приводов. Результаты обработанной информации подчеркивают важность электротехнической части и качество электрооборудования.

ABSTRACT

This article examines the influence of vibration parameters and electric drives on the quality of lightweight concrete, including expanded clay concrete. The dependences of vibration amplitude and frequency on the strength, density and workability of the mixture are given. Examples of the use of frequency converters in industry, which improves the stability of drives. The results of the processed information emphasize the importance of the electrical part and the quality of electrical equipment.

Ключевые слова: электротехнические параметры, керамзитобетон, качество, частотные преобразователи, амплитуда, вибрация, частота.

Keywords: electrical parameters, expanded clay concrete, quality, frequency converters, amplitude, vibration, frequency.

Введение

В современном производстве очень остро стоит вопрос о модернизации линий производства, повышение их производительности и экономических параметров. При этом, уделяется недостаточное внимание источникам энергоснабжения оборудования, начиная от плохих контактов и заканчивая общими потерями на линии. Следствием является нестабильная работа электродвигателей, несоответствующая частота и некорректные работы приводов и снижение эффективности работы механизмов, ухудшенные выходные характеристики изделий и финансовые потери. В исследовании изучалось каким образом скорость вибрирования может повлиять на прочностные характеристики керамзитобетона. Кроме того, важно построить зависимость отдаваемой энергии изделию при вибрировании и конечной прочности.

Методология исследования

Испытания проводились на лабораторной установке виброуплотнения керамзитобетона. Размер образцов — кубы 150×150×150 мм. Состав материала соответствует классу М100 (ориентировочная прочность 28 сут. ≈ 10 МПа); крупный пористый заполнитель — керамзит традиционной фракции, портланд цемент М500, песок речной высушенный.

Из оборудования использовались вибростенд с электроприводом и частотным преобразователем (ПЧ) 3×400 В, 1.1 кВт, cosφ ≈ 0.8, η ≈ 0.85.

Диапазоны ускорений выбраны для лабораторных установок лёгких бетонов (≈ 1.5g на 500 rpm до ≈ 10g на 1500 rpm). Формы 150×150×150 мм, камера нормального твердения и пресс для испытаний образцов на 28 сутки. Вместе с многофункциональным анализатором сети для измерения тока, напряжения, мощности, акселерометр с осью, перпендикулярной плите, датчик температуры двигателя и термометр для смеси.

План экспериментов заключался в измерении изменений параметров при разной скорости и времени вибрации, в частности 500, 750, 1000, 1250, 1500 об/мин и 30, 60, 90 секунд.

Замес смеси согласно рецептуре М100 (фиксировать водоцементное отношение и влажность исходных материалов). Заполнение форм в два приёма с лёгким штыкованием для выравнивания поверхности (без вибрации). Контроль массы заполненной формы (для дальнейшего расчёта плотности).

Проведение испытаний:

1. Установка формы на вибростол, фиксация прижимом.

2. Установка режима ПЧ: целевая скорость η (по частоте ν ≈ η /60)

3. Включение регистрации: ток, напряжение, активная/реактивная/полная мощность, cos φ, температура двигателя/смеси, сигнал акселерометра.

4. Запуск вибрации на заданное время t (30/60/90 с) — хронометраж с точностью ±0.5 с.

5. Остановка вибрации, снятие формы, первичный осмотр (раковины, расслоение).

6. Формы — под плёнку/в камеру, стандартный режим твердения до 28 суток.

При обработке данных электропараметры усредняются за время режима и рассчитываются дополнительные показатели:

                                    (1)

Энергия за цикл:

                                                (2)

По акселерометру rms-ускорение a_rms и оценка пиковой амплитуды:

                                                           (3)

Электротехническая часть

Электроприводы используются в смесителях, конвейерах, насосах, дозирующих системах и другом оборудовании бетонпроизводящих заводов. Современные системы взвешивания и подачи компонентов (цемент, заполнители, вода) нуждаются в стабильной работе приводов для соблюдения пропорций. Отклонения в скорости из-за нестабильной частоты приводят к нарушению рецептуры [6]. Приводы смесителей (например, двухвальных или планетарных) должны поддерживать постоянную скорость чтобы производить однородный бетон. Скорость начинает колебаться при изменениях частоты, что снижает качество смеси. Важно поддерживать стабильность частоты, потому что отклонение частоты от номинала (50 Гц) приводит к изменению скорости вращения двигателей. Это нарушает циклы смешивания, дозирования и транспортировки, увеличивает риск брака. Снижение частоты на 1% [3] уменьшает мощность асинхронных двигателей на ~3%, что приводит к перегреву и преждевременной поломке.  Из-за снижения частоты теряется мощность в сети и нарушает работу всего завода, что особенно критично для процессов с жёсткими временными рамками такие как транспортировка бетона, который начинает схватываться через 90 минут; долговременная нестабильность увеличивает электромагнитные потери и снижает КПД оборудования.

Стабильность напряжения необходима при производстве, особенно таком масштабном как производство бетона или блоков, ведь отклонения в вольтаже сулят риски для оборудования: повышенное напряжение вызывает перегрев кабелей, старение изоляции и риск пробоя, что останавливает производство. Пониженное напряжение приводит к падению момента на валу двигателей, нарушая работу смесителей и насосов [4]. Современные бетонные заводы, например «SCHWING Stetter India» используют ПЛК и дорогостоящие системы управления, которые чувствительны к качеству электропитания.

Использование частотных преобразователей в производстве бетонов

Очень важно внедрять частотные преобразователи (ЧП) в производство для модернизации и повышения конкурентоспособности предприятий. Частотные преобразователи обеспечивают плавный пуск и остановку приводов конвейеров, исключая рывки и удары, которые характерны для прямого запуска. Это существенно снижает механические нагрузки [1] на подшипники, редукторы и саму конвейерную ленту, что приводит к увеличению межремонтного интервала и продлению срока службы механических узлов. Способность ЧП точно настраивать частоту вибрации открывает возможность для предприятий оптимизировать использование дорогостоящих добавок, таких как суперпластификаторы. Одним из наиболее значимых преимуществ использования частотных преобразователей является экономия электроэнергии. Для механизмов с переменной нагрузкой, таких как насосы и вентиляторы, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения (P∼n3). Это означает, что даже небольшое снижение скорости вращения двигателя приводит к резкому сокращению энергопотребления. Например, снижение скорости до 70% от номинальной позволяет сократить потребление энергии до 34%. Кроме того, ЧП обеспечивают плавный пуск двигателя, что исключает высокие пусковые токи.

Влияние частоты вибрации на прочность на сжатие

Китайские ученые проводили эксперименты с бетоном при разной частоте вибрирования от 6000 об/мин до 10000 об/мин. Чем выше частота вибрации, тем значительнее изменение прочности бетона и тем короче время, необходимое для достижения предела прочности на сжатие [8].

Рисунок 1. Прочность на сжатие бетона при различных параметрах вибрации

Также была определена зависимость степени расслоения бетона от частоты вибрации. В своей магистерской диссертации я изучал сегрегацию керамзитобетона в зависимости от времени вибрирования на вибростоле при заданной частоте, результатом которой было выявлено, что оптимальное время вибрации составляет 60 секунд. В данной работе было подробно изучено и доказано, что при частоте в 10000 оборотов степень расслоения (SC) выше практически на треть. Результаты исследований показали, что недостаточная вибрация также плоха, как и чрезмерная. При недостаточной, оставалось много пустот, в то время как при чрезмерной начиналось расслоение и снижение прочности [7].

Отсюда видна прямая связь с электропоказателями:

1. Частота вибрации связана с угловой скоростью вращающегося неуравновешенного вала:

                                        (3)

2. Для вибратора с эксцентричной массой максимальная центробежная сила:

                                                            (4)

Отсюда максимальное ускорение, которое «видит» смесь:

                                                            (5)

3. Механическая мощность, расходуемая на преодоление демпфирования, для модели с вязким демпфером:

                                                         (6)

 D - эффективный коэффициент демпфирования

Подставляя все это в формулу, получаем при прочих равных мощность, требуемая для поддержания вибрации и для выполнения уплотняющей работы, растёт как примерно квадрат угловой скорости

                                  (7)

4. Электрическая активная мощность привода:

                                                  (8)

Следовательно, ожидаемая приближённая зависимость:

                                                       (9)

5. Связь качество ↔ энергия: качество (плотность и прочность коррелируют с энергией, отданной смеси «уплотнения»

                         (10)

До оптимального значения, далее расслоение. Была выведена экспериментальная формула энергии на единицу массы:

                                           (11)

Экспериментальные результаты

На графике активной мощности видна линейная зависимость от угловой скорости, что и следовало ожидать, поэтому можно сделать вывод о том, что рост виброускорений будет тоже линейным относительно оборотов (RPM) двигателя, и его можно привязать к режиму работы двигателя. Необходимо доказать, что чем выше энергия уплотнения, тем выше прочность изделия. Данные исследования помогут прогнозировать, какие фильтры и параметры ЧРП следует учитывать на определенных приводах/двигателях.

Михаил Кофанов в своей диссертации [5] тщательно изучает влияние вибрации на конечную прочность плитки. Несмотря на различие в материале, результаты, полученные для плитки, могут быть экстраполированы на лёгкие бетоны. Ученые доказали опытным путем, что длительность вибрации и особенно частота оказывают существенное влияние.

Таблица 1.

Результаты измерений электропараметров вибростола.

Заметны некоторые «ненормальности» в том, что сила тока и мощности меняются на одних оборотах при разном времени вибрирования. Это связано с тем, что за 30 с двигатель почти холодный — момент сопротивления меньше. Через 60–75 секунд температура обмоток и смеси поднимается, следовательно вязкость смеси может меняться и нагрузка на вал чуть растёт. В результате мотор начинает потреблять на несколько процентов больше тока. Также при длительном вибрировании смесь уплотняется, становится более жёсткой и это немного повышает момент, который должен развивать вибратор, поэтому растёт потребляемая активная мощность.

Таблица 2.

 Результаты измерений энергетических затрат, и изменения температуры

При анализе токов и мощности отмечено небольшое (2–4 %) увеличение средних значений при увеличении времени вибрации с 30 до 90 с. Это объясняется ростом температуры обмоток двигателя и изменением сопротивления смеси в процессе уплотнения, что ведёт к повышению момента на валу и, соответственно, потребляемой активной мощности.

Таблица 3.

 Результаты испытаний плотности и прочности

Относительную вариацию прочности необходимо считать, потому что средняя прочность не всегда даёт полную картину. Можно получить высокую среднюю, но один образец будет сильно хуже и это риск нестабильности технологии. Чем меньше коэффициент вариации, тем более повторяемый и контролируемый процесс уплотнения. По таблице видно, что минимальный коэффициент вариации достигается при 1000-1250 об/мин при 60 секундах вибрирования. Также видно, что в зоне оптимальных скоростей cosφ немного выше, значит нагрузка более активная, меньше реактивной составляющей. Это значит, что сеть нагружается “качественнее” и меньше потерь.

Рисунок 3. Зависимость прочности Мпа, от скорости вибрации

По данному графику видно, что пиковая прочность достигается при 1000-1250 об/мин, это является оптимальной скоростью, все что выше или ниже приводит к недостаточному вибрированию и образованию пустот, все, что выше – к расслоению и потери прочности.

Выводы. Таким образом, среднеквадратичное ускорение и потребляемая мощность линейно растут с увеличением скорости вращения вибратора, что позволяет прогнозировать энергию уплотнения по угловой скорости. Оптимальные режимы виброуплотнения для керамзитобетона М100 находятся в диапазоне 1000–1250 об/мин и 60 с, где достигается максимальная прочность на сжатие, максимальная плотность и минимальный коэффициент вариации, обеспечивающий стабильное качество. В зоне оптимальных скоростей коэффициент мощности cosφ повышается, что снижает реактивную нагрузку на сеть. Итак, можно сделать вывод, что удельная прочность на 1 кВт·ч энергии максимальна именно при 1000–1250 об/мин, что делает эти режимы энергоэффективными. При скоростях выше 1500 об/мин наблюдается начало сегрегации смеси и падение прочности, что подтверждает опасность чрезмерного вибрирования. В то время, как при низких скоростях (500-750 об/мин) уходит недостаточный объем воздуха, образуя множественные пустоты, которые сильно снижают конечную прочность.

Cписок литературы:

1. Благовещенская М.М., Веселов М.В. Сравнительное исследование частотных преобразователей трехфазного электродвигателя в автоматическом управлении технологическим параметром // Health, Food & Biotechnology. – № 2 (3). – 2020. – С. 48–56.
2. ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200100908 (дата обращения: 04.09.2025)
3. ГОСТ 32144—2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://meganorm.ru/Data2/1/4293776/4293776477.pdf (дата обращения: 09.09.2025)
4. Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В., Саттаров Р.Р., Гареев А.Ш. Негативное влияние провалов напряжения на потребителей и способы его уменьшения // Вестник УГАТУ. – 2014. – № 3 (64).
5. Кофанов М.Т. Технология и свойства объемновакуумного вибропресованного бетона на пористом заполнителе : дис. … канд. техн. наук, спец. 05.23.05. Москва, 1984. – 92 с.
6. Сатторов Тошпулот Ахмад Угли, Чориев Маъруф Бахтиёрович, Курбонова Дилноза Нуриддин Қизи. Стабилизация работы устройства регулирования скорости на устройствах с универсальными двигателями // Universum: технические науки. –  № 2–3 (83). – 2021. – С. 86–89.
7. Chai M., Hu C., Cheng M. Study on the Effect of Vibrating Process on the Compactness of Slipform Concrete // Applied Science. – 2023. – Vol. 13.  – Pp. 8421.
8. Erno Widayanto, Agoes Soehardjono, Achfas Zacoeb. The effect of vibropressing compaction process on the compressive strength based concrete paving blocks // AIMS Materials Science. – 2020. – Vol. 7(3). – Pp. 203–216.