УНИВЕРСАЛЬНОЕ ВДАВЛИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
GENERAL-PURPOSE INDENTATION DEVICE

Изобретение относится к строительному оборудованию, а именно к вдавливающим устройствам, и направлено на расширение технологических возможностей и эффективности применения их для безударного и бесшумного погружения в грунт свай, свай-оболочек, шпунтов (любых существующих типоразмеров) и др. строительных элементов и может быть использовано в гражданском, промышленном, энергетическом и дорожном строительстве.
Для погружения вышеуказанных свайных элементов ныне известно значимое и широко применяемое до настоящего времени многообразие устройств зубчатых инерционных самобалансных вибраторов: ударного (вибромолоты), погружающего (вибропогружатели) и вдавливающего (комбинированные устройства) действия.
Наглядным свидетельством тому является опыт отечественной строительной индустрии, а также набор современного погружного строительного оборудования, представленный на международной выставке специализированной строительной техники BAUMA 2007, в городе Мюнхен (Германия).
Анализ приведенного многообразия различных погружающих устройств показывает, что удельный вес зубчатых инерционых самобалансных вибраторов направленного действия в общей компоновке ударных, вибропогружающих и комбинированных устройств составляет наибольшую долю, несет наибольшую функциональную нагрузку, и это обеспечивает наибольшую составляющую эффекта использования этого оборудования.
Следует отметить, что вибрационные устройства, основным исполнительным органом которых являются зубчатые инерционные самобалансные вибраторы направленного действия, производимые во многих странах мира, являются проверенным и отлично зарекомендовавшим себя оборудованием. Однако их естественные недостатки - динамическое воздействие на грунт и соответственно на находящиеся вблизи объекты, непригодность для погружения свай (шпунта) в связные грунты, вредное воздействие на подшипниковые узлы электродвигателей и значительная удельная материалоэнергоемкость - являются «тормозом» на пути расширения их технологических и функциональных возможностей. Подобные устройства на сегодняшний день относительно «незаменимы» при работе на открытых пространствах, при строительстве береговых укрепительных и портовых сооружений, однако их применение небезопасно в густо застроенных и заселенных районах.
Итак, известны различные по конструкции виброударные, вибропогружающие и комбинированные устройства, содержащие в своей компоновке зубчатые инерционные самобалансные разноразмерные вибраторы, включающие корпус с размещенными в нем одной, двумя, тремя и даже четырьмя парами равнозначных жестко связанных друг с другом дебалансных зубчатых колес и валов, создающих при вращении в противоположные стороны направленные инерционные силы, периодически и симметрично изменяющиеся по величине, предназначенные для возбуждения колебаний и широко применяемые во всем мире в различных вибрационных устройствах и установках.
Технические характеристики указанных устройств свидетельствуют об их возможностях создания значительных направленных инерционных сил при относительно небольших габаритах и собственном весе, а также о возможностях простыми средствами (изменением частоты вращения, радиуса инерции и массы дебалансов) получать различные изменения величины инерционных сил по гармоническому закону.
Однако естественная при этом симметричность и периодичность изменения этих сил по величине, пригодные для возмущения колебаний, делают данные устройства малоэффективными, например, в силовых устройствах вообще (вследствие «значительных» привесов, больших энергозатрат и динамических воздействий на окружающую среду) и совсем не пригодными в силовых вдавливающих устройствах, из-за «огромных» привесов, требующихся для создания односторонне направленных сил.
Широко известны также вибропогружатели типа ВП отечественного производства (взятые авторами в качестве прототипа в силу полной аналогичности конструкций), предназначенные (например, модели ВП-3, ВП-250) для погружения тяжелых железобетонных свай и оболочек, включающие зубчатые инерционные самобалансные вибраторы, содержащие целочисленных группы попарно-равнозначных, синхронно вращающихся в противоположные стороны (в определенных случаях с разными частотами) дебалансных зубчатых колес и валов, объединенных в едином корпусе и создающих суммарную инерционную силу, изменяющуюся по величине симметрично и периодически, предназначенную для возмущения колебаний.
Однако простое наращивание суммарной инерционной силы вибропривода не дает значимых преимуществ в повышении технологических возможностей вибраторов, так как при этом сохраняются все присущие им недостатки.
Отсюда следует, что дальнейшее совершенствование технических решений вибропогружателей и создание на основе этих совершенствований безударных и бесшумных специальных и универсальных вдавливающих устройств является актуальной задачей. Прежде всего требуется такое техническое решение зубчатого инерционного самобалансного вибратора, являющегося исполнительным для большинства вибропогружателей направленного действия, которое не создает вынужденных колебаний или минимизирует их и позволяет при меньших габаритах и весе, и меньших энергозатратах, создавать значительно большие направленные квазистатические усилия, и, сохраняя функции виброударных и вибропогружающих устройств, обрести функции вдавливающих.
Техническим результатом изобретения является расширение технологических возможностей и повышение эффективности вибропогружающих устройств за счет придания им функций безударного и бесшумного вдавливания путем увеличения односторонне направленной инерционной силы.
Этот технический результат достигается тем, что в универсальном вдавливающем устройстве, содержащем грузовую траверсу, направляющие, сменный свайный наголовник и зубчатый инерционный самобалансный вибратор, включающий корпус, подшипниковые опоры, попарно-равнозначные жестко связанные между собой дебалансные зубчатые колеса и валы, объединенные в отдельные группы, связанные с приводом, зубчатый инерционный самобалансный вибратор выполнен полигармоническим, попарно-равнозначные дебалансные зубчатые колеса и валы последовательно в мультиплицирующем порядке соединены друг с другом посредством зацепления своих зубчатых колес в два равнозначных вертикальных ряда и смонтированы в подшипниковых опорах несущих стенок единого корпуса, причем зубчатые колеса начальной пары рядовых соединений кинематически также связаны друг с другом, при этом количество дополнительных равнозначных пар дебалансных зубчатых колес и валов, присоединенных к начальной паре, выбрано из диапазона 2÷6, порядок частоты вращения каждой из них по отношению к начальной паре выбран кратным и целочисленным из диапазона 1÷7, углы сдвига фаз каждой дополнительной пары относительно начальной установлены равными нулю, дебалансные валы конечной (верхней) пары кинематически связаны с приводом вращательного движения, связанного с пультом управления и выполненного в виде блока из двух равнозначных механических передач и двух равнозначных двигателей, управляемых в режиме «ведущий-ведомый», статические моменты дебалансов каждой дополнительной пары выбраны из условия необходимой несимметрии суммарной направленной инерционной силы из диапазона 3÷7, грузовая траверса и направляющие жестко смонтированы на боковых стенках корпуса, на днище которого жестко закреплен сменный свайный наголовник, таким образом, что оси их лежат строго в одной вертикальной плоскости с центром тяжести всего устройства, при этом собственный вес универсального вдавливающего устройства выбран с учетом величины вышеуказанной несимметрии суммарной инерционной силы и величины наименьшего критического сопротивления срыву погружаемого элемента.
Предусмотрено, что в приводе вращательного движения в качестве равнозначных двигателей применены асинхронные двигатели, управляемые блоком из двух равнозначных частотных преобразователей, связь между которыми осуществлена посредством оптоволоконного кабеля и выведена на пульт управления.
Предусмотрено, что в приводе вращательного движения в качестве равнозначных двигателей могут быть применены серводвигатели, управляемые при распределении связных нагрузок блоком из двух равнозначных сервоприводов.
Предлагаемое техническое решение имеет существенные преимущества перед прототипом и, обладая представленными конструктивными элементами и связями между ними, создает широкие перспективы использования расширенных функциональных и технологических возможностей инерционных полигармонических самобалансных универсальных вдаливающих устройств (в т.ч. вибропогружателей и вибромолотов), в силу присущих им способностей, а именно:
- формирования любых, в том числе и необходимых, односторонне направленных инерционных сил, как предназначенных для возбуждения несимметричных колебаний, так и квазистатических, не предназначенных для возбуждения колебаний вовсе;
- комбинированного использования в качестве (раздельного или универсального) устройства вдавливающего, вибропогружающего и виброударного действия;
- позволяет разработать унифицированные ряды новых высоконадежных зубчатых инерционных полигармонических самобалансных вибраторов, для решения различных технологических задач;
- позволяет разработать унифицированные ряды новых высокопроизводительных вибромолотов, вибропогружающих и вдавливающих устройств, с одновременным значимым уменьшением удельных показателей энергоресурсопотребления.
Предварительные расчеты показывают, что использование возможностей зубчатого инерционного полигармонического самобалансного вибратора для увеличения несимметрии направленной инерционной силы, при решении силовых задач, например, создания вдавливающего устройства, позволит получить более чем семикратное увеличение квазистатического рабочего усилия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема универсального вдавливающего устройства, на фиг.2 представлена диаграмма изменения суммарной инерционной квазистатической силы зубчатого инерционного полигармонического самобалансного вибратора, выполненного по семиступенчатой схеме устройства, показанного на фиг.1.
Универсальное вдавливающее устройство содержит грузовую траверсу - 1, направляющие - 2, сменный свайный наголовник - 3 и зубчатый инерционный самобалансный вибратор - 4, включающий единый корпус - 5, подшипниковые опоры - 6, 6', 7, 7', 8, 8', 9, 9', 10, 10', 11, 11', 12, 12' попарно-равнозначные жестко связанные между собой дебалансные зубчатые колеса 13, 13', 14, 14', 15, 15', 16, 16', 17, 17', 18, 18', 19, 19' и валы 20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 23', 24, 24', 25, 25', 26, 26', объединенные в отдельные группы, связанные с приводом вращательного движения (ПВД). В едином корпусе 5 указанные попарно-равнозначные дебалансные зубчатые колеса 13, 13', 14, 14', 15, 15', 16, 16', 17, 17', 18, 18', 19, 19' и валы 20, 20', 21, 21', 22, 22', 23, 23', 24, 24', 25, 25', 26, 26' с определенными расчетными параметрами и определенными расчетными статическими моментами дебалансов: начальные - 13 и 13', 20 и 20', и дополнительные - 14 и 14', 21 и 21', 15 и 15', 22 и 22', …, 19 и 19', 26 и 26' размещены в два семиступенчатых равнозначных вертикальных ряда. При этом названные дебалансные пары последовательно в мультиплицирующем порядке кинематически, с помощью зацепления своих соответствующих зубчатых колесных пар: 13 и 13', 14 и 14', 15 и 15', …, 19 и 19' связаны между собой и смонтированы в соответствующих подшипниковых опорах 6 и 6', 7 и 7', …, 12 и 12' несущих стенок корпуса - 5 с возможностью попарно синхронно и синфазно вращаться в противоположных направлениях, для чего равнозначные ряды кинематически также связаны между собой зацеплением зубчатых колес 13 и 13' своих начальных дебалансных валов 20 и 20'.
Количество дополнительных равнозначных пар дебалансных зубчатых колес и валов, присоединенных к начальной паре, принято равным шести из диапазона 2÷6. Порядок частоты вращения каждой дополнительной пары по отношению к начальной паре выбран кратным единице и целочисленным из диапазона 1÷7.
Углы сдвига фаз каждой дополнительной пары относительно начальной приняты равными нулю. Дебалансные валы конечной (верхней) пары кинематически связаны с ПВД, выполненным в виде блока 27 из двух парно-равнозначных механических передач и двух парно-равнозначных асинхронных двигателей, управляемых в режиме «ведущий-ведомый» блоком 28 из двух частотных преобразователей, связь между которыми для обеспечения равномерного распределения связных нагрузок между двигателями осуществлена посредством оптоволоконного кабеля 29 и выведена на пульт управления 30.
Устройство работает следующим образом. Универсальное вдавливающее устройство, закрепленное посредством грузовой траверсы на крюковой обойме грузоподъемного крана и установленное в направляющих его копровой стойки (допускается в ее отсутствие и простой подвес к крюковой обойме), подводится машинистом крана к специальному стеллажу с уложенными на нем под уклоном
6-7° к горизонту сваями и надевает на голову сваи свайный наголовник 3. Помощник машиниста с помощью выносного пульта управления 30 зажимным механизмом свайного наголовника 3 зажимает голову сваи 31. Машинист крана по команде помощника поднимает сваю 31 в вертикальное положение, выводит ее на точку погружения и переводит грузовую лебедку в режим растормаживания. Помощник машиниста посредством пульта управления 30 включает ПВД, плавно погружает сваю 31 на заданную глубину и освобождает ее от зажима в свайном наголовнике 3. Машинист крана по команде помощника поднимает устройство и ... далее цикл повторяется.
Представленная на фиг.2 несимметрия суммарной инерционной квазистатической силы, формируемой зубчатым инерционным полигармоническим самобалансным вибратором предлагаемого универсального вдавливающего устройства, по определению равна
∑нaиб
∑наим
Kн=Fи/Fи,
где:
Кн - коэффициент несимметрии;
∑нaиб
Fи - наибольшее значение суммарной инерционной квазистатической силы;
∑наим
Fи - наименьшее значение суммарной инерционной квазистатической силы.
Для обеспечения безударного режима погружения необходимо выполнения условия:
вy
пэ
выд
G+G≥F,
где:
вy
G- суммарный вес вдавливающего устройства;
пэ
G - вес погружаемого свайного элемента;
выд
∑наим
F - выдергивающее усилие, равное Fи.
Безударный режим погружения (фиг.2) обеспечивается также при условии выполнения соотношения:
вy
пэ
ср
выд
G+G+F≥F,
где:
ср
F - величина наименьшего критического сопротивления срыву погружаемого свайного элемента (сваи, шпунта, трубы и т.п.) при его выдергивании.
Таким образом собственный вес универсального вдавливающего устройства, в целях прямой экономии материалоэнергоресурсов, может и должен определятся с учетом величины (как минимум) наименьшего критического сопротивления срыву погружаемого свайного элемента из грунта соответствующего свайного поля.
Предлагаемое универсальное вдавливающее устройство по представленной схеме (фиг.1) позволяет при семикратной несимметрии формировать направленную инерционную силу величиной от 10 тн до 1000 тн и одновременно, в плавном режиме, получить из этого диапазона с помощью ПВД необходимую рабочую величину квазистатической силы для вдавливания любого типоразмера свай и обеспечить, при безударном погружении всех типоразмеров ж/б свай в крупный песок, производительность не менее 60 шт. в смену.
Проведены испытания экспериментальной модели универсального вдавливающего устройства, изготовленного как полное геометрическое и функциональное подобие реального промышленного образца, доказана возможность получения расчетной несимметрии суммарной инерционной квазистатической силы. Модель испытана как вдавливающее устройство и как вибромолот.
Технико-экономический эффект от использования предлагаемого технического решения выражается в получении технического результата и на его основе создании новых высокопроизводительных энергоресурсосберегающих технологий и устройств в первую очередь для строительной отрасли (безударных и бесшумных универсальных вдавливающих устройств, вибропогружающих и виброударных устройств, вибропробивных инъекционных устройств для изготовления колодцев без выемки грунта и высококачественных набивных свай повышенной несущей способности, и мн. др.), а также в значимом повышении производительности труда и энергоресурсосбережения.