混凝土預制構件振動床研制與應用

張繼合 熊長軍 姚秀芝

（聊城安泰黃河養護公司，山東 聊城 252000）

0 概述

混凝土預制構件振動床是一種能代替傳統加工預制塊振搗工藝的設備，由它生產出來的預制塊表面光滑，硬度高，各項指標都符合質量要求。振動床由床面、振動彈簧、吸附式振動器、可組合式支架四部分組成。預制塊加工時，將塑料模具裝滿混凝土料，放在振動床上振動40秒左右后取下，再進行養護24小時后取下模板。用振動床生產小型預制塊，操作方法簡單，生產效率高，節約勞動力，一般女同志就能方便地操作。通過了解和網上查詢沒有發現類似或比此更先進的振動床。

1 研究背景

傳統工藝生產小型混凝土預制塊是把木制（或鋼制）模具固定在地面上，用平板振動器或插入式振動器進行振搗，模板易變形，容易出現跑漿、漏漿，成品表面多蜂窩麻面，密實度差，生產成本高，工作效率低，并且模板周轉次數也少。在黃河標準化堤防建設中，路沿石、擋土墻、斷面樁、百米樁、千米樁等為小型混凝土預制塊，其預制質量、埋設平順圓滑，是影響工程外觀質量的主要因素。各種預制構件的表面光滑、結構密實、堅硬，外表美觀,是標準化堤防工程的主要看點。同時也是給日后的工程管理工作帶來很多便利的有利條件，反之將帶來很多不必要的維修養護工作量，增加工程的維修養護成本。2008年，我們在淄博高青標準化堤防工程建設中，當地預制件廠生產的路沿石，表面粗糙，多麻面,成品密實度低，無法滿足工程需要。為此，我們經多方考查研究，進行市場調查，最后在振動篩的啟示下，進行了混凝土預制構件振動床的研制。

2 主要研究內容及研究方法

振動床從設想到設計制作加工、試驗應用，經歷了以下過程。機械設計→機械焊制加工→進行試驗→改進→成型的機械→編寫報告。

2.1 振動床的設想

2008年5月10日，研究小組開始收集混凝土預制構件振動床有關信息，考慮到傳統的模板振搗器制作預制塊速度慢，且表面易出現蜂窩麻面，棱角易損壞，成品也不夠密實等現象，如何讓預制塊結構密實，且表面光滑美觀呢？帶著這個問題，小組人員經多方咨詢，隨后又在建筑工地進行考查，看到了振動篩，底下篩子在動，上面的沙子在動，在這一現象啟示下，產生了焊制振動床的設想，把混凝土拌和料放在模具盒里，一起放到振動床面上，振搗效果可能會優于傳統的振搗方法，為此，我們繪制了振動床設計草圖。

2.2 振動床的結構原理

振動床由床面、振動彈簧、吸附式振動器、可組合式支架等組成。

2.2.1 振動床面大小及材料的選擇

首先振動床大小的選擇考慮了三個方面的因素：①考慮到人工從振動床面上把預制構件搬下來操作方便、順手、省力。②振動床面規格選擇主要是考慮到所加工預制構件的大小。③考慮振動床移動運輸方便等因素。最后根據預制路沿石尺寸(0.5m×0.3m×0.1m)，一次放置10塊，確定床面的大小定長*寬為2.2m*1.2m。其次，床面材料的選擇：因10塊路沿石的重量在360kg左右，360kg的重物在床面上振動，所以振動床面要承載達到500kg左右的強度，因此選用承載能力強的5cm×5cm角鋼。支架材料的選擇：支架必須在床面振動時保持十分牢固可靠，因此我們選用了直徑5cm的鋼管作為支架材料。

2.2.2 振動彈簧的選擇

根據放置預制塊的重量，來確定用什么樣的振動彈簧。彈簧的彈性系數k與彈簧的直徑，彈簧的線徑，彈簧的材料，彈簧的有效圈數有關。具體關系是：與彈簧圈的直徑成反比，與彈簧的線徑的4次方成正比，與彈簧的材料的彈性模量成正比，與彈簧的有效圈數成反比。

彈簧彈性系數計算公式：c=F/λ＝Gd4/8D23＝Gd/8C3n

上式中：c——彈簧的剛度，（即彈性系數，中學物理叫倔強系數k）；F——彈簧所受的載荷；λ——彈簧在受載荷F時所產生的變形量；G——彈簧材料的切變模量；（鋼為8×104MPa，青銅為4×104MPa）；d——彈簧絲直徑；D2——彈簧直徑；n——彈簧有效圈數；C——彈簧的旋繞比（又稱為彈簧指數 ）

為了使選用的彈簧與振動器配置最為合理，試驗小組進行了選用不同彈簧，不同振動器試驗，具體試驗數據如表1：

表1 選用不同彈簧、振動器實驗數據表

通過試驗實踐表明：第四組是最好的，振動器功率與彈簧可完全滿足10塊路沿石預制塊的預制，不浪費功率，生產的數量也最多。通過無數次的試驗及實際應用，我們最后確定該振動床，用0.75kW的振動器，與彈簧長度×直徑×線徑×圈數為17cm*7.5cm*1cm*9圈，相匹配是最為合理的。

2.2.3 吸附式振動器的選擇

通過市場調查，我們選擇了ZKF150、ZKF075、ZKF035三種型號振動器，通過實驗發現:

（1）ZKF075型振動器體積適中，激振頻率高、振幅小、輻射范圍大（1.5-2.0m），混凝土流動性高、可塑性增加，構件密實度提高。在模板形變上消耗的能量少，延長模板的使用壽命。

（2）ZKF150型振動器，體積大，振幅大，能把預制塊拋起，影響預制塊質量。

（3）ZKF035型振動器振動力小，不能把構件充分振動密實，達不到質量要求。

通過對比實驗，我們最終確定采用ZKF075型振動器用在該振動床上。具體參數見表2。

表2 振動器主要參數表

2.3 振動床的制作加工

2.3.1 振動床面的加工及振動器的安裝

首先用5cm×5cm的角鋼焊制一個長×寬為2.2m×1.2m振動床面框，角鐵向上，這樣預制塊放在上面振動時掉不下來，中間焊上鐵條或細鋼筋都行，在床面的中間安裝上振動器。在振動床面的四個角安裝上四個選好的彈簧。

2.3.2 組合式支架的加工

為了安裝、搬運方便，我們焊制可組裝式振動床支架，連接部分使用螺栓。

2.3.3 振動床面與支架的連接

把床面的四個彈簧安裝到支架上面的彈簧導管內，導管不要過長或過短，過長降低彈簧的有效彈性，過短不能起到支架與彈簧的導向作用，就象那種彈簧式的摩托車后減振器，達到那種效果，使振動床面在振動器的作用下，充分振動，但振動床面還要在床腿上牢固。

現在讓我們將目光轉向現象之“物”。形上之“物”在開出天然現象之“物”的過程中，使天然現象之“物”具有“德”。《五十一章》曰：“道生之，德畜之，物形之，勢成之……故道生之，德畜之：長之、育之、亭之、毒之、養之、覆之。”羅安憲說：“老子之所謂‘德’，其實就是后代之所謂‘性’。德者，得于道者也。”對于天地、萬物而言，“道”是外在的，但同時，“道”以“德”的形式內貫于天地、萬物，天地、萬物便以“德”體現著“道”。“德”是天地、萬物的本性，而“德畜”就是本性的發動。天地、萬物因不同的“德”呈現出不同的形態，具有了不同的質料，并在形勢、環境之下不斷展開自身。

2.4 焊制好振動床后的試驗

混凝土預制構件振動床的工作原理：把混凝土料放在讓專業廠家生產規定尺寸的塑鋼模板盒上，然后一塊把它放在振動的床上，接通吸附在床面上振動器的電源，振動床面開始振動，使放在上面的預制構件振動40秒左右后取下，放到工作場地上，24小時后取下塑鋼模板盒，進行下道工序養生。

2.4.1 塑料模具選擇

為什么要選用塑料模板呢，考慮到它有以下幾點優越性。

（1）塑料模板具有抗濕性、耐腐蝕性強、耐酸和耐堿性強點，使用壽命長等特，一般可從復使用4年左右。

（2）塑料模板強度高、韌性強，耐沖擊、彈性強，不易產生變形，從而大幅度提高模板的周轉使用次數。

（3）塑料模板可根據設計需要做成各種型號，其重量輕，施工操作及搬運安全可靠、勞動強度低、施工效率高。

（4）因制作預制構件與模板一起經常澆水養護生，所以木制的容易腐爛，而塑料模板卻不會腐爛，從而增加模板使用壽命，可大大降低施工成本，且使用后的廢舊模板還可收回，以舊換新，節約成本更加可觀。

（5）塑料模板在使用過程中可預制細小精美的花紋、棱角等各種圖案，可達到標準一致，且容易清潔和保養。

（7）塑料模板如遇損壞，可百分之百地回收、再生、減少廢棄物對環境的污染。

2.4.2 振動床的試驗

混凝土預制構件振動床焊制好后，2008年5月15日進行了試驗。首先根據C20路沿石的制作質量要求，計算好料的配合比例，用小型混凝土攪拌機進行攪拌好料，放在塑料模板上，進行振動，約40秒左右即可成型，把成型后的預制塊路沿石放到養護生的場地上，24小時后取下模板，進行下道工序養護。結果生產出的成品效果非常好。為了確定最佳振動時間，小組進行了實際操作實驗，把預制塊放在振動床面上，用秒表記時，每10秒作一次實驗結果記錄，通過實踐證明40秒為最佳振動時間。具體時間與振動效果見表3。

用振動床生產的預制塊路沿石，試驗室試驗結果表明，各項指標均符合質量要求(具體見附件:聊城公路工程質量檢測中心做的抗壓強度試驗報告)。

2.4.3 混凝土預制構件振動床預制路沿石與傳統工藝對比試驗

2008年5月20日，試驗小組在淄博高青第一標段工地的預制塊加工廠進行了對比試驗，同樣生產100塊路沿石，拌料相同，傳統工藝5人操作，振動床3人操作。

傳統工藝：首先5個人都開始固定木制（鋼制）模板，模板較重，有人搬運模板，有人抹油，有人固定，100塊模板固定好后用時2小時；上料，2人用小推車運料，2人拉著振搗器開始振動，1人作振搗后抹平，該工序結束后用時2.5小時，養護生后5人同時工作去掉模板，用時1.5。整個過程共用6小時，結果出來的成品表面粗糙，很多蜂窩麻面，強度不夠，達不到質量要求。

用振動床：3人進行分工，1人把很輕的塑料模板放在振動床上，上料，上好料后并接通電源進行振動，一次可放置10塊模板（也就是一個循環生產10塊路沿石），振動好后，由1人用小車推到養生場地，放好后由另1人擺放，24小時后1人把塑料模板取下來，這樣一個循環程序用時15分鐘，100塊加工好后共用時2.5小時。結果制出的成品表面光滑，沒有麻面，強度很好，質量合格。

表3 預制構件振動時間與振動效果表

通過對比試驗我們可以得出這樣一個結論，同樣生產100塊路沿石混凝土預制塊，振動床生產要比傳統工藝生產節省3.5小時，并且用振動床加工路沿石預制塊，省時、省力、質量好、硬度高、外表美觀等優點。

3 主要研究成果

聊城安泰黃河養護公司研究制造的混凝土預制構件振動床由床面、振動彈簧、吸附式振動器、可組合式支架四個部分組成。床面長×寬為2.2m×1.2m的角鋼焊制而成，支架為了安裝方便由5cm×5cm的鋼管用螺栓連接而成；振動彈簧直徑7.5cm，線徑1cm，長度17cm，圈數9圈；振動器型號ZKF150-7.5，功率為0.75KW，安裝在床面中間位置的下方。該振動床最大振動重量約500kg，最佳振動重量約360kg，可生產各種小型預制構件。

4 應用轉化情況和應用前景

混凝土預制構件振動床研制完成后，在2008年淄博堤防道路工程中，第一標段所使用的路沿石、擋土墻全部是該機械生產的，2009年聊城河務局更換的險工斷面樁、百米樁、千米樁等也是該機械生產的，使用效果很好，生產的各種構件外觀沒有麻面，質地堅硬，所有檢測指標均符合要求。

圖1

使用混凝土預制構件振動床生產小型預制塊，具有很好的經濟效益和社會效益，他不但適應公路兩側路沿石的預制，而且應用很廣，只要是小型的預制塊加工都行，使用混凝土預制構件振動床生產預制塊，工作效率高、節約人力，成品美觀實用，前景十分廣闊。

5 效益分析

5.1 經濟效益分析

表4 用振動床生產預制塊與傳統工藝生產預制塊對比表

由表4可以看出：同樣生產100塊同規格的預制塊，可節約人工費37.5元-15.63元＝21.87元，由此可以得出，加工一塊可節約21.87元÷100塊＝0.22元/塊。每塊可節省模板費3元。2008年在山東淄博高青堤防道路路沿石及擋土墻埋設工程施工中，第一標段用路沿石及擋土墻9.95萬塊，每塊節約資金3.22元，共節約資金32.05萬元。該振動床推廣到該工程施工的二標、三標使用，共生產路沿石及擋土墻16.8萬塊,每塊節約資金3.22元,共節約資金54.09萬元。共計節約資金86.14萬元。

通過對比分析，我們可以得出這樣一個結論：經濟效益方面，使用振動床生產預制塊比傳統工藝生產預制塊，節約資金、提高生產效率，節約勞動力，經濟效益十分可觀。

5.2 社會效益

使用振動床生產預制構件比傳統工藝生產，成品美觀、沒有麻面，表面光滑，質地堅硬，符合各項質量要求。它在黃河防洪工程預制構件中，適應范圍廣，可很好的預制工程上很多預制構件。具體適用范圍見表5。

表5 振動床生產黃河工程各種預制構件表

聊城黃河共有堤防長度142.95km，險工26處、壩岸506段，每年更換損壞的百米樁、千米樁、警示樁、斷面樁、路沿石外側防護墩、界樁等等預制構件，數量很大，以往都是如果損壞了就讓預制件廠給加工，因加工的數量不是成批，所以要價很高，增加了養護成本，而有了預制構件振動床，這項資金就可節約30%以上，用它生產這些構件，成本低，省力省時，而且勞動強度也不大，養護職工自己就能夠生產。

6 結語

與傳統工藝生產預制塊相比，使用混凝土預制構件振動床加工各種小型預制塊，成品美觀，表面平滑無蜂窩麻面，密實度高，生產中可節約資金30%以上。混凝土預制構件振動床，通過實際生產大量的預制路沿石塊、斷面樁、百米樁等，技術十分成熟，可廣泛應用于各種小型預制塊的加工，具有很大的推廣應用價值。