新型机械式铝合金模板振动除渣设备结构设计

刘 辉,汪世益,2,王子威

(1.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山 243032;2.安徽工业大学宣城工程研究院,安徽 宣城 242000)

0 引言

铝合金模板是指按一定模数制作设计，经专用设备挤压后制造而成的型材，并根据建筑结构图纸尺寸配模生成后形成的模板系统。由于铝合金模板在使用过程中优势显著且应用范围较广，因此被广泛应用于建筑工程领域。铝合金模板系统1962年由美国专家学者发明，是新型的绿色、高效且可重复使用的混凝土建筑模板系统，已经使用了50多年，在欧美、日韩等发达国家以及泰国、印度等新兴工业国家的建筑工程领域得到了普遍使用[1-4]。我国大陆地区从20世纪80年代开始使用金属混凝土模板，港澳地区也已经使用了十多年。随着铝合金模板的大规模使用，暴露出了一些棘手的问题：铝合金模板表面粘着砂未及时清理，待砂浆凝固再清理比较困难，清理时间过长，也会影响工期；粘着砂浆的铝合金模板难以再次施加脱模剂，这很容易在地板或墙壁的混凝土表面上产生点蚀；多时不使用的粘结砂浆模板经过清洁后会出现少量变形，从而使地板模具的安装可能产生横向位移，导致模板平直度、垂直度和其他偏差[5]。某些企业尝试解决铝合金模板现阶段面临的回收再利用问题，各企业清理铝合金模板表面砂浆的方法各不相同，据不完全统计有人工清理、抛丸(砂)清理、药剂浸泡清理(化学清理)和高压水清理等。

本文根据振动除渣原理，提出一种新型机械式铝合金模板振动除渣设备，该设备通过利用机械共振的技术来清除铝合金模板表面的水泥砂浆，为金属混凝土模板的表面除渣和使其能够快速重复使用提供可靠的技术支持。

1 铝合金混凝土模板振动除渣可行性分析

1.1 铝合金混凝土模板振动除渣的理论依据

表面粘附有混凝土残渣的铝合金混凝土模板在振动设备中被激振后，由于材质不同，铝合金混凝土模板与附着的混凝土残渣层产生的变形不一致，导致混凝土残渣层从铝合金混凝土模板的附着面分离剥落。根据机械共振原理，铝合金混凝土模板放置在振动框内，跟随振动框上下振动，在振动框的振动过程中不断地趋于铝合金混凝土模板的固有频率，模板振动剧烈，产生相较于表面附着混凝土残渣不同的形变，使得水泥残渣从铝合金混凝土模板表面剥离[6]。

1.2 铝合金混凝土模板共振的工作原理

图1为单自由度系统在简谐激励作用下的强迫振动理论模型，受到简谐激励力F=F0sinωt的扰动(F0为激励力幅，ω为激励力角频率，也称激振频率[7，8])。振动系统的运动微分方程式为：

图1 简谐振动系统模型

(1)

其中：m为系统质量；k为系统弹簧刚度；c为系统阻尼；x为系统位移。

式(1)的特解即强迫振动为：

x=Xsin(ωt-φ).

其中：X为强迫振动振幅；φ为初相位。

图2 幅频特性曲线

图2中，A0、B0分别为铝合金混凝土模板和混凝土残渣的初始位置，Amax、Bmax分别为铝合金混凝土模板和混凝土残渣的振幅，ωn1、ωn2分别为铝合金混凝土模板和混凝土残渣的固有频率，即共振频率。

当ω=ωn1时，振动系统的外激励频率等于铝合金混凝土模板的固有频率，铝合金混凝土模板发生共振，其变形较大。此时振动系统的外激励频率未达到混凝土残渣共振频率，其未产生变形，铝合金混凝土模板的变形远大于混凝土残渣的变形，因此混凝土残渣从铝合金模板的表面剥离。

当ω=ωn2时，振动系统的外激励频率等于混凝土残渣的固有频率，混凝土残渣发生共振，其变形较大。此时振动系统的外激励频率远大于铝合金混凝土模板的共振频率，其未产生变形，混凝土残渣的变形远大于铝合金混凝土模板的变形，因此混凝土残渣从铝合金模板的表面剥离。

2 铝合金模板振动除渣设备整体结构设计

根据对振动除渣的原理分析，设计了振动除渣设备整体结构，主要由整体机架、激振系统、电机等组成，其三维模型如图3所示。该设备的激振系统主要采用曲柄连杆式振动方式，可实现铝合金模板的上下往复振动。激振系统的曲轴由电机通过联轴器驱动旋转，连杆的末端装有振动框，铝合金模板在振动框内上下往复振动，完成整个振动除渣的过程。

振动除渣工艺过程如下：将待处理的铝合金模板放入机架舱的模板放置处，然后关闭舱门，通过振动源电机带动曲轴及连杆运动，将曲轴的旋转运动转化为振动框及其组件的上下往复运动而压缩弹簧，振动框抛起在机架舱中的铝合金模板，使铝合金模板获得一定的能量，在振动框往复运动以及下落的过程中对模板放置处产生冲击，从而达到清除水泥残渣的目的。

1-电机；2-联轴器；3-曲轴；4-轴承座；5-连杆；6-弹簧；7-机架舱；8-附着混凝土残渣的铝合金模板；9-舱门；10-模板放置处；11-振动框及组件

3 结语

新型铝合金模板振动除渣设备是一种创新工艺，该设备在提高铝合金模板的除渣效率与效果的同时结构更加简单，符合目前铝合金模板的除渣要求和铝合金模板产业的发展趋势。该设备极大地降低了工人劳动强度，可更好地实现铝合金模板除渣的自动化，解决了铝合金模板附着水泥残渣影响循环使用的问题，减少了人工、高压水、喷丸，化学等除渣方式的高额成本，为铝合金模板在建筑领域的快速发展提供了保障。