ВИБРОМАШИНА
VIBRATING MACHINE

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к эксцентриковым возбудителям механических колебаний для погружения строительных элементов или создания мощных регулируемых вибросейсмоисточников.
Известна машина [патент на полезную модель RU №60002. Опубл. 10.01.2007. Бюл. №1. Чичинин И.С., Малахов А.П., Кашун В.Н.], содержащая виброплатформу, центробежный генератор гармонических усилий с двумя дебалансными полумодулями, с приводными электродвигателями, системой питания и управления, и в вибромашину введены карданные валы, связывающие приводные электродвигатели с силовыми валами дебалансов полумодулей, основания для двигателей.
Но такая вибромашина не обеспечивает согласования создаваемых виброусилий с обрабатываемой средой-грунтом.
Известна также вибромашина (прототип) [патент на изобретение RU №2318611 C1 Малахов А.П., ГОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет (RU). Опубл. 10.03.2008. Бюл. №7], содержащая четное количество полумодулей с установленными на подшипниковых опорах приводными валами, связанными с ними дебалансами с механизмами радиального перемещения дебалансов. При этом каждый полумодуль вибромашины выполнен из двух идентичных дебалансов, сдвинутых на каждом валу полумодулей на 90°.
Но эта вибромашина из-за наличия двух синхронно и синфазно вращающихся силовых валов и двух пар дебалансов отличается сложностью и соответственно низкой надежностью.
Задачей изобретения является упрощение конструкции вибромашины, увеличение надежности ее работы.
Указанная задача достигается тем, что вибромашина, содержащая корпус с подшипниковыми узлами, эксцентриковый генератор гармонических колебаний, приводные электродвигатели и в вибромашину введено гидравлическое согласующее устройство между генератором гармонических колебаний и погружаемым элементом, а эксцентриковый генератор гармонических колебаний выполнен по крайней мере из двух эксцентриковых узлов с двумя парами инертных масс, эксцентрики которых помещены на одной оси и смещены на ±45° по отношению к направлению создаваемых усилий колебаний, каждый эксцентриковый узел имеет по крайней мере два подшипниковых узла, установленных в первом корпусе вибромашины, этот корпус подвижно установлен через амортизирующие устройства во втором корпусе, сверху через амортизатор связанном с пригрузочной массой, в нижней части этого второго корпуса установлен гидроцилиндр малого диаметра, поршень которого своим штоком связан с нижней площадкой первого корпуса вибромашины, а этот гидроцилиндр меньшего диаметра установлен на гидроцилиндр большего диаметра, поршень которого своим штоком жестко связан с корпусом шабота через свои амортизаторы, подвижно связанным со вторым корпусом вибромашины, а нижняя часть этого шабота установлена на погружаемый элемент, образованные верхняя полость гидроцилиндра меньшего диаметра и нижняя полость гидроцилиндра большего диаметра связаны между собой и гидрогазовым аккумулятором через обратный клапан гидропроводами, верхняя полость гидроцилиндра большего диаметра своим гидропроводом через обратный клапан связана с быстроразъемным штуцером.
На чертеже приведен общий вид вибромашины.
Вибромашина содержит первый силовой корпус 1 с подшипниковыми опорами 2, 3, 4 с силовым валом 5 с одной осью вращения 6 с двумя эксцентриками 7, 8 с осями вращения 9, 10 со смещением в пространстве на ±45° относительно направления создаваемого результирующего усилия и имеющих равные эксцентриситеты 11, 12 соответственно.
Эксцентрики 7, 8 со своими подшипниками 13, 14 через напрессованные на их внешние кольца обоймы 15, 16 подвижно своими толкателями (тягами) связаны с инертными массами 17, 18 и 19, 20 соответственно, подвижно установленными относительно силового корпуса 1. Силовой вал 5 через карданную передачу связан с обоих концов с приводными электродвигателями 21, 22, установленными на площадках второго корпуса 23 через амортизаторы 24, 25 связанного с верхней частью 26, 27 силового корпуса 1.
Нижняя часть 27 силового корпуса 1, установленная подвижно относительно второго корпуса 23 также через амортизаторы 28, 29, связана со средней площадкой 30 этого второго корпуса 23. Эта средняя площадка 30 в своей средней части имеет гидроцилиндр 31 меньшего диаметра с поршнем 32 и штоком 33, в верхней части жестко связанным с наголовником 39, подвижно установленным относительно гидроцилиндра большего диаметра 36. Наголовник в своей верхней части имеет площадку 40, которая с помощью амортизаторов 24, 25 развязана с нижней частью второго корпуса, в свою очередь через амортизатор 41 развязанного от пригрузочной массы 42. Нижняя часть наголовника 43 имеет гидрозажим 44 со сваей 45.
Образованные верхняя полость 46 гидроцилиндра меньшего диаметра 31 и нижняя полость 47 гидроцилиндра большего диаметра 36 связаны между собой гидропроводом 48 и через обратный клапан 49 с гидрогазовым аккумулятором 50.
Верхняя полость 51 гидроцилиндра большего диаметра снабжена гидропроводом со штуцером и обратным клапаном 52.
Приводные электродвигатели 21, 22 подключены к частотнорегулируемым электроприводам, которые могут получать питание непосредственно от электросети переменного тока или от соответствующей аккумуляторной батареи необходимого напряжения с зарядным устройством (не показаны).
Вибромашина работает следующим образом.
В исходном положении с помощью необходимого копра вибромашина устанавливается нижней частью 43 наголовника 39 на сваю 45. Свая гидрозажимом 44 жестко связывается с наголовником 39. От заряженного гидрогазового аккумулятора 50 через обратный клапан 49 и гидропривод 48 подается под необходимым давлением рабочая жидкость в верхнюю полость 46 гидроцилиндра меньшего диаметра 31 и в нижнюю полость 47 гидроцилиндра большего диаметра 36. Полость 51 между поршнями малого диаметра 32 и большего диаметра 37 также заполняется жидкостью с помощью гидропровода с обратным клапаном 52.
При этом поршни 32 и 37 должны занимать средние положения в своих гидроцилиндрах 31, 36, соответствующие расчетам и подбору амортизаторов 24, 25, 28, 29.
При подаче электропитания на электродвигатели 21, 22 с необходимым законом изменения частоты и напряжения от частотнорегулируемого электропривода приводной вал 5 с осью вращения 6 в подшипниковых опорах 2, 3, 4 начинает вращаться. Вместе с валом начинают вращаться и эксцентрики 7, 8 с осями их вращения 9, 10, имеющими эксцентриситеты 11 и 12 соответственно. Каждый эксцентрик смещен относительно создаваемого усилия (обычно вертикального) на +45° и -45° соответственно.
Каждый эксцентриковый узел с инертными массами 17, 18 и 19, 20 соответственно создает усилие в соответствии с соотношениями
1
где m - суммарная масса инертных масс 17, 18 (кг);
2
m - суммарная масса инертных масс 19, 20 (кг);
δ - величины эксцентриситетов 11, 12 эксцентриков 7, 8 (м).
1
2
1
2
Массы m, m и δ, δ выбираются одинаковыми.
1
2
Одинаковы и скорости вращения ω, ω, так как эксцентрики находятся на одном валу и вращаются синхронно и синфазно обоими двигателями 21, 22.
Обоими эксцентриковыми узлами создается амплитудное расчетное вибрационное гармоническое усилие в соответствии с соотношением
Σ
1,2
F=2Fsin45°.
В случае выполнения эксцентрикового генератора силовых колебаний с одним эксцентриком в нем кинетическая энергия колеблется в соответствии с законом
и эта величина при создании частот колебаний 25-50 Гц и амплитуд усилий 500-1000 кН имеет очень большие значения. При этом угол между создаваемым усилием и виброскоростью практически равен 90°, а соответственно отдаваемая вибратором активная мощность в соответствии с выражением
P=FVcosφ
при угле φ=90° cosφ=0, то и активная мощность, отдаваемая вибратором, крайне мала.
Выполнение же вибромашины с двумя эксцентриками, сдвинутыми в пространстве на 90° по отношению друг к другу, приводит к тому, что кинетическая энергия одного эксцентрика изменяется по закону
а второго - по закону
т.е. кинетические энергии в эксцентриковых узлах циркулирует между собой с двойной частотой и уничтожают друг друга.
При этом от приводных электродвигателей потребляется только активная мощность, и коэффициент мощности (cosφ) в вибромашине с нулевого значения повышается до 0,707.
Последнее при упрощении конструкции дает повышение надежности и эффективности ее работы.
Но для еще большего увеличения эффективности работы вибромашины, особенно работающей на частотах 25-50 Гц, необходимо согласовать режим колебаний эксцентрикового возбудителя усилий с режимом погружения строительного элемента.
При усилиях на свае до 500-2000 кН и при частотах 25-50 Гц грунт приобретает так называемое «разжиженное» состояние. При ударном погружении это состояние возникает в момент удара и к следующему удару такое состояние нарушается, что приводит к крайне низкому коэффициенту полезного действия ударного процесса погружения.
Но при ударном погружении за один удар строительная конструкция погружается на 0,1-0,2 м при частоте ударов 1 Гц и менее.
2
При переходе на высокочастотное погружение с частотой 25-50 Гц такую скорость погружения за каждый период колебаний невозможно выполнить, так как при ударном погружении в момент удара ударная мощность может достигать крайне больших значений 10÷20 МВт. Поэтому при вибрационном погружении (вдавливании) при сохранении усилия на свае с давлениями в 100-150 кгс/см необходимо уменьшить амплитуды колебаний практически пропорционально частоте работы вибромашины. То есть необходимо создать так же как и в силовой электроэнергетике устройство для согласования возбудителя колебаний с устройством погружения - трансформатор хода и усилий колебаний.
В вибромашине таким трансформатором и могут являться одновременно возбудитель колебаний - эксцентриковый возбудитель колебаний и объемный гидропривод, подчиняющийся закону Паскаля в соответствии с выражением
1
1
2
2
hS=hS,
1
1
где h, S - перемещение и площадь поршня меньшего диаметра;
2
2
h, S - перемещение и площадь поршня большего диаметра, что соответствует выражению
1
где d - диаметр поршня меньшего диаметра;
2
d - диаметр поршня большего диаметра.
То есть при одинаковых давлениях в гидроцилиндрах перемещения их поршней обратно пропорциональны квадратам их диаметров.
Этот принцип и используется в предлагаемой вибромашине. В этой конструкции вибровозбудителем можно создавать усилия колебаний в 10-20 раз меньшие при одних и тех же амплитудах колебаний эксцентриков. Эти колебания штоком 33 и поршнем 32 в гидроцилиндре малого диаметра 31 через полость 51 в гидроцилиндре большого диаметра 36 через его поршень 37 и шток 38 с большим в 10-20 раз усилием и меньшей амплитудой колебаний передаются на торец сваи 45 гидрозажимом 44, связанной с низом 43 наголовника 39. Чтобы создавать знакопеременные колебания на сваю образованные верхняя полость 46 гидроцилиндра малого диаметра 31 и нижняя полость 47 гидроцилиндра большого диаметра 36 связаны между собой гидропроводом 48 и через обратный клапан 49 с гидрогазовым аккумулятором 50. Первый силовой корпус 1, второй корпус 23 и корпус наголовника подвижные между собой и связаны амортизаторами 24, 25, 28, 29, а второй корпус 23 кроме того снабжен еще одним амортизатором 41 и пригрузочной массой 42.
Предложенная конструкция вибромашины имеет наивысшие энергетические показатели и имеет в 10 раз меньшее энергопотребление, не обладает сейсмичностью из-за работы в зоне «разжижения грунта», имеет упрощенную конструкцию и увеличивает надежность ее работы.