【摘要】針對建筑行業鋼筋混凝土施工中混凝土振搗質量的關鍵問題, 提出了中頻振搗理論并介紹研制出的中頻振搗設備。
【關鍵詞】混凝土; 中頻振搗; 研制
【中圖分類號】TU528; TU755.6 【文獻標志碼】B
1 國內外振搗技術的現狀
目前國內鋼筋混凝土的預制或現場施工中普遍采用的是工頻（ 50Hz）振動平臺或普通電機帶動機械軟軸，由機械軟軸帶動振搗器工作，這種振搗器振搗效果差，質量低，噪聲大（ 高過110dB 以上），且工作電壓通常為380V 或220V，容易造成觸電事故。
近年來，國外開始出現中頻振搗技術的應用，其中德國、意大利已經有相應產品問世。德國Bor公司研制了以變頻發電機組為動力，配置高速微型電機，直接帶動振搗器工作的系統。但是價格很高，一般在1.2 萬元~1.6 萬元。意大利ovle 公司利用電子技術推出了以電子變頻電源為動力，配置微型高速電機，帶動振搗器工作的系統。動力形式不一樣，但末端輸出基本一致，驅動高速微型電機的電源均為42V/195Hz。
2 中頻振搗理論的提出
相同體積的混凝土振搗質量和效率是和作用在混凝土的振搗頻率有直接關系，混凝土振搗過程，實際上是使澆灌后的混凝土，骨料之間失去空隙，達到密實狀態，實際是混凝土的一種液化過程，當振搗棒的振動頻率與骨料固有的自振頻率相接近時，就能大大的促進混凝土的液化，獲得良好的振搗效果。
2. 1 振搗頻率的選擇
根據有關的試驗研究，骨料自振頻率n 與骨料粒徑的平方根成反比。即：
式中，K 為振波在骨料內的傳播速度,一般可以認為是某常數；d 為骨料直徑。
從式中可以看出，骨料顆粒直徑較大時宜用頻率較低的振搗棒。顆粒較小時，宜用頻率較高的振搗棒。
因液化過程往往取決于振動加速度，對于干硬性混凝土宜采用中頻振搗棒。而塑性混凝土為避免產生分層離析的現象宜采用低頻振搗棒。不過混凝土的骨料常是由各種粒徑的石、砂組成。選擇多大頻率的振搗棒合適，還要具體分析。
2. 2 振搗棒的振幅
實驗證明，當混凝土采用三級配置（最大骨料粒徑為80mm）坍落度為3cm～6cm 時，可選用振幅為1.0mm～1.5mm，頻率為100Hz～167Hz 的振搗棒。那么振搗棒的直徑應在80mm～130mm 為宜。
2. 3 振動加速度
混凝土的振動加速度是促使混凝土液化的決定因素。它與振搗頻率W和振幅A 的關系為：
a=A·W
實際應用中，振搗棒的振動加速度可按下式來
計算：
式中,Me 為偏心軸重；r 為偏心距；Mδ為振搗棒減去偏心軸重后的剩余重量；Mb 為排出的混凝土的重量。
2. 4 振搗棒的作用半徑
振搗棒的作用半徑，據詳細測定一般為如表1所示
據表1 分析：中小型混凝土斷面，可選用直徑為80mm 的振搗棒為宜。大型混凝土斷面可選用直徑為130mm～140mm 的振搗棒為宜。
2. 5 振搗棒的生產率計算
插入式振搗棒的生產率計算采用下式：
式中，r2 為振搗棒的作用半徑,mm；K 為振搗棒時間利用系數，可取K=0.8~0.85；h 為振動層厚度，M；t1 為每一位置振動時間，s；t2 為變動位置所需時間，s 。
由上式分析可知，加速度α與振搗棒頻率ω成正比，因此振搗頻率越高，對混凝土的液化越有利，但在實際生產中，當頻率高到一定程度，將使運行電機的轉速過高。一般軸承的運行速度上限，即極限轉數為11000r/min，在這個轉數以下，為使電機長期穩定運行，需提高加工質量，加強潤滑措施才能達到目的。如按此轉速或高于此轉速，在強度允許的情況下，就需要采用特殊的高速軸承，如高壓空氣懸浮或磁懸浮軸承結構等，這樣就必然會提高制造成本或造成施工現場運行的不可行性。
為了降低制造成本，保證建筑施工設備的長壽命運行，進一步提高混凝土振搗效率和質量，在綜合經濟技術指標分析的基礎上，筆者認為最佳的振動頻率應為150Hz ~190Hz。
3 中頻發電機組及插入式振搗棒的研制
為了實現振搗系統的高效、環保、安全、節能的目標，我們依據中頻振搗棒理論，研制了中頻低壓發電機組和插入式振搗棒，并實現了操作者對機組的遠距離遙控。
中頻振搗用電源，國際目前有兩種形式的產品，一種為中頻發電機組，另一種為電子變頻電源。其中電子變頻電源成本較低，生產工藝較簡單。它是利用電子技術獲得了42V/195Hz 的中頻電源，但是它的外部能量是由工頻50 Hz 、380V 市電提供的，一旦有關電子器件損壞，380V 的市電就會直接作用在操作者所撐握的振搗棒上，對現場操作人員構成極大的潛在威脅。而中頻發電機組，尤其是本文所論述的交流激磁發電機結構稍顯復雜，制造成本略高，但外施380V 市電與42V 輸出電源之間雙層絕緣，除同一機械軸外，沒有必然的聯系，故安全性能好。由于該機組的工作原理是由一臺380V 的異步電機同軸拖動一臺42V/195 Hz 的發電機。因此，本機組適應惡劣環境能力及過載能力高。同時
在機組控制上，我們采取了手動和遠距離遙控兩種并存的方式，大大方便了操作者。在振搗棒的設計中，我們依然本著高效、環保、節能、安全的原則，將高速電機與振子設計為一體，
由42V/195 Hz 電源直接驅動高速電機帶動振子工作，相對目前老式軟軸傳動的振搗棒動力性能高出幾十倍，由于采用的是低電壓中頻電源手持震感大大減輕。噪聲大大的降低，操作者的安全得到了有效的保障。產品各項性能指標有了極大的提升。
在設備研制過程中，我們分別解決了多項技術課題，使該產品很快達到了產業化規模。
1）為實現低壓（ 交流36V~42V） 中頻（ 150Hz~195Hz）大電流的要求，在發電機定子繞組的設計中，采用多繞組、多并聯支路，多回路的設計。結果，造成了一臺定子繞組出來252 個接頭，給生產工藝和工人操作帶來了巨大困難，2 個工人接兩天才能制造一臺定子，稍有疏忽，接錯了一根線，查找起來非常困難。為此，我們進行優化設計，改變了繞制工藝，從252 個接頭縮減到42 個。從而解決了批量生產的關鍵問題。
2）就多輪系統運轉振動的撓度計算和研究，我們解決了同一殼體內雙軸承、多轉子結構條件下，在氣隙允許值內，改變了轉軸臺階結構，加大了軸徑，減少振動撓度，保證了發電機組運行性能。
3）就薄壁殼過盈配合公差的計算方面，我們保證了機組和高速電機的裝配工藝，保證了同軸度和接合力的方案設計。
4）在機組控制方面，我們采用了更人性化的方案，即操作者和機組之間采用了遠距離遙控，既減輕了工人的勞動強度，又使機組控制性能得到了提升。
4 結論
1）為了提高振搗技術和質量，實現振搗設備在現代施工現場的高效、環保、安全、節能運行，本文提出了中頻振搗理論，介紹了新研制的中頻振搗設備。低電壓（ 36V~42V）中頻（ 150HZ~195HZ）為運行最佳參數。
2）選用交流勵磁發電機組為穩定高效、安全運行的最佳電源配置。
3）選用高速電機與振子一體化設計是安全、節能、降噪的最佳方案。
【參考文獻】
【1】錢偉長.電機設計強度計算的理論基礎[M].合肥：安徽科學技術出版社，1992.
【2】王慰椿.機械基礎與建筑機械[M].南京：東南大學出版社，1989.
【3】《中小型電機設計手冊》編寫組.中小型電機設計手冊[K].北京：機械工業出版社，1994.
【4】李隆年，王寶鈴，周汝潢.電機設計[M].北京：清華大學出版社，1992.
【5】朱國梁，顧曾龍.簡明混凝土工程施工手冊[K].北京：中國環境科學出版社，2003.
【6】吉明.建筑機械手冊[K].北京：冶金工業出版社，1959
