异形混凝土构件模具高频低噪振动装置

陆立东 闫志波

摘 要：在异形结构的混凝土构件生产时，由于模具结构复杂，通常在混凝土浇注至模具中时，给模具侧模模板上直接安装振动器，或者对模腔内使用插捣棒。但这种方式振动效果差，噪声巨大难以忍受，产品质量高低参差，生产劳动工况差。针对于此，研发出一种高频振动装置，用于异形构件模具混凝土密实，解决现有的振动器难以解决的混凝土密实、排气顺畅和振动降噪问题。

关键词：异形混凝土预制构件；模具；高频振动；降噪

中图分类号：TU528                              文献标识码：A                                   文章编号：2096-6903（2023）06-0105-03

0 引言

混凝土构件的生产是通过将混凝土浇注至相应的模具中，经过对混凝土进行振动，使混凝土流动填满模具内腔的所有空间并将空气排除，成型后形成所需结构形状的混凝土构件。在异形结构的混凝土构件生产时，由于成形模具结构复杂，混凝土密实难度大，气泡排出难，产品表面气孔、疏松多，产品质量高低参差不一。

目前混凝土异形构件生产时，通常在混凝土浇注至模具中时，给模具侧模模板上直接安装附着式振动器或者对模腔内使用插捣棒。由于插捣器采用软轴输送，基本需要人工操作并且无法进入弯折空间，导致在异形构件的生产中多安装使用附着式振动器。附着式振动器工作原理是利用高速旋转电机或压缩空气马达，带动偏心块产生不平衡离心力，产生振动得到激振力和冲击力。通过将其固定在模具模板或框架上，与模具产生共振达到振动模板的目的。而这样的结构不可避免会产生巨大噪声。

而前市场上有些用于异形混凝土构件生产用的整体振动装置，在模具到位后，直接使用液压缸夹紧装置将模具紧固，通过底部振动器对混凝土进行振动。振动力沿夹紧装置机构力臂传导激振力，硬接触导致振动力能够有效传递，在振动力作用下硬接触面产生微小高频碰撞和摩擦，加剧了模具夹紧装置和振动台面造成严重磨损，影响整个振动装置的使用寿命，且碰撞和摩擦加大工作噪声。有的设备厂家会在液压抓钩下铺设橡胶垫，这样做既无法有效降低振动器自身的噪声，又会降低振动力传导影响混凝土密实效果[1]。

本次设计的一种新结构设计的高频振动装置用于异形构件模具混凝土密实，解决了现有的振动器混凝土密实和难以解决的降噪问题，同时兼容不同结构、规格尺寸的异形混凝土构件生产。

1高频振动装置工作原理

高频振动装置配置到布料工作位上，在混凝土构件浇筑时用于对模具进行振动密实。现场使用布料斗用于混凝土浇筑，高频振动装置安装在地面以下，使模具能够方便移动到布料振动工位，同时配置对正装置对称布于振动台座两侧，对正装置工作时对模具底模接触。

设备为对称安装配置在模具两侧，模具摆放于振动台座的中心位置。装置通过振动台座与对正装置给模具提供均匀的竖直向上的振动力。

2高频振动装置结构设计

高频振动装置主要由模具设备底座、振动装置、液压锁紧装置以及气动升降装置组成。高频振动装置主要部件如图1所示。

振动器安装于振动台座下方底部。气动顶升装置既满足了输送线上和设备之间模具放置的水平高度差需求，也可利用橡胶空气弹簧缓冲振动力，将振动台座和装置底座分离，达到控制振动力分散的目的。同时也降低设备噪声，解决强振动对周边设备安装精度影响。配置锁紧装置使得模具不会偏移，并且使得模具受振动力均匀，保证模具内的混凝土布料有效振实。

2.1 设备底座

设备底座为整体包裹其余设备的模块式设计，可以直接整体安装。模块为长方形结构，将所有设备包裹其内，安装便捷，可以直接整体吊入基础坑内，只需要将电气、压缩空气、液压管路连接接口，与地基连接件锁紧，并进行尺寸校核即可。

整体模块外部采用钢板整体折弯而成，既可作为所有装置的整体支撑骨架也可作为外部保护壳，节约结构耗材也缩小尺寸，可以满足各种生产工况需求。维修时，可以部件拆卸维修，也可整體吊出单独维修，提升生产维保速度保证生产效率。

2.2 气动顶升组件

模具到位后，需要将底模和输送装置隔离开，避免振动力传导到输送装置上，同时也是为了将振动力集中。

使用空气弹簧，提供升降高度需求，使模具能够座在振动装置的上表面与周边地面无接触，又减弱了振动力向下与设备底座、地面基础传导的问题。空气弹簧其内部介质为压缩空气，空气可压缩性高于橡胶介质，在振动力传导能力小于密实橡胶。

设计制作气动顶升装置，结构简单，便于设备维护，并有效降低一线生产机电维保人员工作量。

2.3 液压锁紧机构

模具振动时，为保证振动力传导，必须保证模具同振动模块固定为整体，确保振动力传导到模具最边缘，最大程度密实混凝土。为此，设计模具锁紧装置将模具底模与振动底板凝固成一体。

设计液压锁紧装置，对称安装在底座左右两侧，同时伸出或回缩，将底模扣紧。为保证对称扣紧，配置对称安装的液压缸，其可以同时动作。

锁紧装置保证动作一致性是该设备有效工作的功能基础，同时液压压力能够调整系统压强，可以针对不同模具进行压力调整，达到液压系统节能降耗的目的。

2.4 高频振动部件

振动器主要常规选用振动电机或气动振动器两种型式。振动器安装在振动装置内部，振动底板底部，与模具为上下布局，在模具同振动底板紧固情况下，可以最短距离传递激振力。

设计选用4台振动器，每两台为一组，每组振动器左右布置，且旋转方向相反，所产生的激振力的方向向上。设计的左右对称布局，使两组振动器实现同步运动，振幅和振动频率一致，不会发生扭振现象，同时能够确保模具承受均匀的振动力。

3 振动噪声控制设计

振动装置的噪声由振动器提供振动源，振动装置同模具形成共振产生，选用电机或压缩空气驱动的不同形式的振动器。

振动装置的噪声分两种传导方式：通过地面传递和空气传递。地面传递为振动噪声通过设备底座和设备基础在混凝土中传递。空气传递分别为噪声空气传播和噪声沿振动力传递方向传播。对于不同的噪声的振动源型式采用针对性的降噪方法。

3.1 设备降噪

3.1.1 噪声振动源降噪

一方面，对振动装置上以轻载为主模具，优先选用电机驱动振动器作为振动源。振动电机所产生的激振力相对较小，为强阻型振动，能够提供稳定的振幅。同时振动频率范围大，振动频率可通过调整转速的办法进行大范围的调整，并且能按照不同的通途任意选择振动频率，在激振力调节上只须调整偏心块的夹角，就可无级调整激振力和振幅。

另一方面，对振动装置是以重载为主模具，则选用压缩空气驱动混凝土专用振动器作为振动源。气动振动器所产生的激振力大，能够满足重载模具振动密实效果，而且不会出现发热现象。即使压缩空气发动机发生超负荷现象，工具仅仅是停止转动，一旦超负荷现象解除则重新恢复正常运转，安全性高。同时速度调节和输出功率调节简单，通过自动或手动控制对压力以及流量进行调节，可以实现进行激振力、振动频率等参数的调整。

选择合理的振动器型式，通过调整同模具适配的激振力、振动频率等参数，从振动源上能够有效实现振动装置的降噪。

3.1.2 噪声传导方式降噪

一方面，为阻断噪声地面传导，使用了空气弹簧作为降噪减振装置。空气弹簧减振器本身也不产生噪声，其橡胶囊中的压缩空气作为顶升介质，隔绝了振动部件和底座固定部件之间的硬连接，且没有传统螺旋弹簧的颤振问题。压缩空气在气压的作用下，对振动力进行交变变形，形成增大阻尼，消除振动能量，达到了减振降噪的功能。同时所采用的空气弹簧能够有效降低振动力向下传导，降低了对周边设备的振动，提升周边设备的可靠性[2]。

另一方面，为消除振动器的噪声在空气传播，在设备底座内腔填充降噪材料。本设备为模块化结构，整体装置均为设备底座包裹为封闭整体，填充降噪材料能够有效隔绝振动噪音空气传播路径，可对设备降振降噪。

通过空气弹簧进行隔阻减振，并在设备内腔填充降噪材料，从噪声传导上能够有效的实现振动装置的降噪。

3.2 程序控制

根据现场实际生产操作可知，振动器工作产生噪声同工作振动频率相关。当振动频率在160 Hz时，噪声约95 dB，当振动频率在200 Hz时，噪声约100 dB。频率的递升是激振力的增加，对不同混凝土量进行振动密实。

为有效解决多规格产品振动，对振动程序设计为不同频率等级，做到一键启动。在设定频率下，可以从100 Hz开始，完成频率递升，实现软启动，最大程度保证振动器工作平稳性，激振力有效均匀传递。

操作面板显示各机构运行状态及各传感器的状态。振动器启停控制：按下“振动器运行”按钮，振动器开始运行，初始频率为100 Hz，按下“振动器停止”按钮，振动器停止运行。当振动器运行时，可根据需要按下所需对应频率值按钮，则振动器即按照相应的频率进行振动，实时的频率会在触摸屏上显示。

对设备进行工作状态下振动幅度模拟（如图2），在140～260 Hz的工作频率模拟出振动设备的振动幅度值。根据模拟情况发现，高频振动设备振动幅度并非随着频率的上升而线性上升，在200 Hz达到一个较高的振幅后，再继续振幅上升。

通过模拟可知，在振动频率200 Hz时整个设备会有一个较高振幅（如图3）。该振幅应为设备共振频率，程序中应设定规避该频率。根据折线图，可将振动器设计140～190 Hz频率可调，并根据所需振动混凝土密实情况将其设定为230～260 Hz。

通过程序控制振动频率，可将生产中振动工艺的振动频率控制140～190 Hz频率。在该频率区域内可将噪声控制在90 dB以下，使现场生产作业环境达到较为良好的状态。

4结束语

该装置满足了异形构件模具内的混凝土构件密实需求，也能有效控制噪声，在设备未使用降噪措施时，正常工作噪声长时间达到110 dB，工人难以长时间正常工作，通过设计整改后，常规作业中短时间最大噪声控制在95 dB。

本高频振动装置通过振动台座与对正装置给模具提供均匀的竖直向上的振动力，锁紧模具不偏移，不让模具与振动台座分离，并且使激振力最大程度用于模具内的布料有效振实，同时可以避免模具和振动台座的磨损。空气顶升装置是既用于模具顶升又用于緩冲振动力，可避免振动力对周边设备设施影响，达到降噪降力的目的。

参考文献

[1] 曹国巍，张声军，周磊，等.混凝土预制构件线性振动台设计研究[J].建筑机械化，2020，41（10）：17-20.

[2] 左言言，魏明涛，曾宪任，等.管桩离心机振动噪声控制研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2015，34（6）：186-190.