Вопросы теории и практики вибрационного уплотнения бетонных смесей до сих пор актуальны в производстве железобетонных изделий и конструкций [1-3]. Основными задачами при станковом формовании железобетонных изделий, особенно из жестких смесей, является выбор эффективных режимов вибрационных воздействий и рациональных параметров виброплощадок, обеспечивающих высокую степень и однородность уплотняемых бетонных смесей.К сожалению, при использовании стандартных режимов формования, существующие конструкции вибрационного оборудования не удовлетворяют современным требованиям в связи с их большим ресурсопотреблением и невысоким качеством изготавливаемых железобетонных изделий, малой эффективностью, низкой эксплуатационной надежностью, а также превышением допустимых норм по уровню шума и вибрации [4, 5].Для уплотнения как жестких бетонных смесей так и формования крупноразмерных изделий проф. Б.В.Гусевым [6, 7] были разработаны теоретические основы ударно-вибрационной технологии уплотнения, разработано и внедрено оборудование для реализации низкочастотных режимов формования железобетонных изделий. В других работах [8, 9], в качестве эффективных режимов для уплотнения жестких бетонных смесей предложено использовать так называемые асимметричные безударные колебания, в значительной степени имитирующие ударно-вибрационный режим, и отличающихся от последних отсутствием соударений колеблющегося вибростола с уравновешивающей рамой.В работах [10-12] на основе исследования взаимодействия бетонной смеси с рабочим органом вибростола предложено оптимизировать параметры ударно-вибрационных площадок, обеспечивающих эффективные режимы формования ЖБИ из жестких бетонных смесей.Представляет интерес рассмотреть процесс распространения волнового пакета при ударно-вибрационном воздействии на форму с бетонной смесью и исследовать спектр импульсов, распространяющихся в бетонной смеси.При взаимодействии формы с бетонной смесью, установленной на упругий элемент рабочего органа виброплощадки, форма и вибростол после соприкосновения продолжают двигаться навстречу друг другу. В случае опирания формы на вибростол без упругой прокладки, роль упругого элемента выполняет металл, из которого выполнен рабочий орган. При этом прокладка деформируется, зона их контакта увеличивается и возрастает сила отталкивания формы от рабочего органа. Под действием этой силы относительная скорость сближения формы и рабочего органа убывает до нуля, а затем силы упругости, вызванные их деформацией, возвращают форму и рабочий орган виброплощадки в исходное динамическое положение.Рассматривая ударно-вибрационные воздействия, возникающие при встречном движении формы со смесью и рабочего органа виброплощадки, исследуем форму импульса, его спектр и длительность процесса соударения.Известно [13], что величина деформации упругого элемента (прокладки или упругости материала вибростола) зависит от силы, ее сжимающей, и жесткости прокладки.Длительность соударения можно определить по формуле:        (1)где Р0 - сжимающая сила, возникающая между формой и рабочим органом при их упругом контакте, Н; δ – максимальное удаление (размах колебаний) формы от рабочего органа вибромашины в процессе их взаимного движения, м; с - жесткость упругого элемента (контакта) между формой и вибростолом, Н∙м-1; М - приведенная масса системы "рабочий орган – форма со смесью", определяемая формулой:                         (2)где M1  - масса рабочего органа – вибростола, кг; M2 – масса формы с бетонной смесью, кг.Из (1) следует, что τ мало зависит от величина зазора δ и силы Р0. В основном эта величина определяется массой формы с бетонной смесью и рабочего органа и жесткостью промежуточного упругого элемента.Сила, действующая в момент контакта формы с рабочим органом виброплощадки, нарастает по следующему закону [10]:,           (3)где  - момент максимального сближения вибростола и формы с бетоном: при .Сближение  формы с рабочим органом при их упругом контакте:         (4)при при .Известно [14], что спектр некоторой почти периодической функции  определяется по формуле:.            (5)Подставив (4) в (5) и проведя необходимые вычислительные операции, можно получить зависимость для вычисления амплитудно-частотного спектра: ,(6)где y - величина деформации элемента при упругом соударении формы с вибростолом, м; ωi - i –ая гармоническая составляющая спектра, с-1.По формуле (6) были проведены расчеты спектрального распределения амплитуд колебаний формы при формовании бетонного изделия длиной 5 м, шириной 2 м и высотой 0,5 м из умеренно жесткой бетонной смеси [10]. Расчетная плотность бетонной смеси ρ 2400 кг/м3, размах рабочего органа  - 1,5 мм, основная частота колебаний - 12,5 Гц. Результаты расчета представлены в табл. 1.Как видно из табл. 1, спектр волнового пакета при ударно-вибрационном воздействии на форму с бетонной смесью содержит большое число гармоник. Амплитуды гармоник, начиная со второй по отношению к несущей частоте воздействия изменяются по нелинейному закону в зависимости от параметров системы, основным из которых является жесткость упругого элемента (контакта) между формой с бетонной смесью и рабочим органом формующей машины.При вибрационном формовании железобетонных изделий на ударно-вибрационных площадках в реальных заводских условиях из-за несовершенства крепления формы с бетонной смесью к рабочей поверхности виброплощадки, рассогласования дебалансов в секционных блочных виброплощадках и других производственных факторов, нередко возникает неравномерность распределения амплитуд и ускорений колебаний вибростола и ударам формы с уплотняемой бетонной смесью о раму стола. При этом форма с бетонной смесью в общем случае совершает перемещения в трех координатах X, Y, Z и повороты относительно тех же осей.Исследования движения формы при ее свободной установке на рабочем органе вибромашины и изучение процессов распространения спектра упругих волн в бетонной смеси, выполненные в работе [10], показали, что спектральный состав частот, распространяющихся в бетонной смеси, априорно шире, чем при одноосных и периодических колебаниях формы, жестко крепящейся к виброплощадке с вертикально-направленными колебаниями. Многокомпонентные колебания формы, реализуемые при ее свободной установке на вибростоле через упругий контакт, генерируют широкий и практически непрерывный спектр частот, передающийся в бетонную смесь. Таблица 1Результаты расчета спектра распределения амплитуд колебаний формы№ гармоникиЧастота рабочего органаАi, мм ωi, c-1fi, Гц178,512,57,642157250,013235,537,50,84314500,6539262,50,26471750,0057549,587,50,1586281000,169706,5112,50,08107851250,00311863,5137,50,06129421500,08131020162,50,041410991750,002151177,5187,50,031612562000,0005 Для определения параметров оптимальных воздействий со стороны рабочего органа формующей машины на систему «форма-бетонная смесь», проанализируем формулу (6). После соответствующих преобразований ее можно представить в следующем виде:,                  (7)где            (8)             (9)                      (10)Оценив вклад отдельных составляющих и проведя некоторые упрощения, выражение (6) можно записать в виде:         (11)Очевидно, что амплитуды спектральных составляющих будут минимальны при значении |Cosωi  A2| = 1, откуда                   (12)где n = 1, 2, 3,…                          (13)При переходе от одной спектральной составляющей к другой (от ωi  - ωit1 = ωt) амплитуды их будут максимальны при условии:                         (14)После преобразования выражения (9) A2   можно представить в следующем виде:         (15)где  – частота собственных колебаний на упругом элементе.Подставив выражение (15) в (14) получим:(16)В табл. 2 приведены некоторые результаты расчетов значений ωt  при фиксированных значениях δ = 7∙10-3 м,  y = 0,1∙10-3 м и различных величинах  жесткости упругой прокладки c и приведенной массы M.Из табл. 2. следует, что жесткость упругого контакта, установленного между формой с бетоном и вибростолом, существенно влияет на спектр колебаний, передаваемый в бетонную смесь. Таблица 2Расчетные значения максимальных амплитуд спектральных составляющихЖесткость упругойпрокладки c, Н/мПриведенная масса M, кгЧастота ωt , Гц8∙10788,527,96∙10776,724,55∙10749,514,14∙10736,111,63∙10727,19,32∙10719,85,21∙10712,80,5  Для подтверждения теоретических результатов были проведены экспериментальные исследования по изучению спектра волнового пакета в бетонной смеси с гарантированными качественными показателями и с применением метода голографической интерферометрии [10, 15, 16]. В экспериментах изменялась упругость контакта, амплитуда колебаний рабочего органа, соотношения масс формы с бетонной смесью и вибростола, а также частота вибропривода, которая варьировалась в пределах 12,5…350 Гц. В качестве упругих элементов использовались материалы с жесткостью в диапазоне от 0,7∙107 до 1,66∙1011 Н/м.Программа исследований включала в себя определение частоты и амплитуды гармонических составляющих спектра волнового пакета, распространяющегося в бетонной смеси, эффективного ускорения частиц смеси, вычисляемого по формуле                    (17)где a и n – амплитуда и порядок взятой гармоники.Некоторые результаты экспериментов представлены на рисунке.Анализ результатов исследований показал, что амплитудно-частотный спектр колебаний, распространяющихся в бетонной смеси, изменяется по сложному закону. При больших жесткостях контакта между формой и рабочим органом формующей машины распределение амплитуд гармоник просматривается четко. Из анализ выражения (7) видно, что при больших жесткостях с, высокочастотные гармоники, определяемые Cosωi  ,  изменяются мало.При упругом контакте формы с вибростолом через резиновую прокладку с меньшей жесткостью, спектры импульса при соударении имеют более сложное распределение, близкое к закону (CosX)/X. При этом имеет место практическое исчезновение одних гармонических составляющих с возрастанием амплитуды других. Тем самым возникают возможности управлять спектром путем замены одной упругой прокладки на другую или использовать элементы с регулируемой жесткостью [10, 17].Таким образом, при использовании упругих прокладок с нелинейными характеристиками в системе "рабочий орган – упругий элемент – форма с бетонной смесью" создаются предпосылки для расширения спектра частот, генерируемых в смесь в очень широких пределах. С энергетической точки зрения, при воздействии на формуемую смесь спектра импульсов, содержащих большое количество составляющих, несущих энергию выше пороговой, процессы виброуплотнения бетонной смеси будут протекать более интенсивно.Как показано в работах [3, 10], для оценки спектра волнового пакета, распространяющегося в бетонной смеси с успехом можно использовать такой параметр, характеризующий эффективность уплотнения бетонных смесей, как ускорение. Рис.1. Спектры импульсов в бетонной смесипри соударении формы с вибростоломчерез резиновые прокладки различной жесткости c: а) c = 3,53∙107 Н/м; б) c = 2,08∙107 Н/мПредставленные теоретические и экспериментальные исследования хорошо согласуются с результатами работ по созданию виброплощадок с управляемыми упругими элементами, позволяющими в широких пределах изменять параметры колебательного режима (амплитуду, ускорение колебаний и частоту вибраций) [10, 17] и виброплощадок со свободно устанавливаемой на вибростоле формой [18, 19].