ВИБРОМАШИНА
VIBRATING MACHINE

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к электромеханическим устройствам возбудителей механических колебаний, и может быть использовано в качестве мощного источника вибросейсмических колебаний или машины для погружения и извлечения железобетонных и металлических свай и оболочек, шпунта, трамбования грунта, для работ в вечномерзлых грунтах и в подводных условиях на шельфах морей и океанов.
Известна вибромашина с регулируемой величиной статического момента дебаланса и соответственно амплитуды и усилия колебаний, содержащая корпус и дебаланс, снабженный каналом, в котором размещена пружина, взаимодействующая с упором и втулкой, оснащенными регулировочными винтами (Авторское свидетельство №232075, кл. В06В 1/16, 1967).
В этой вибромашине при вращении дебаланса между ними и приводным электродвигателем циркулирует большая величина кинетической энергии, сложна работа регулировочных винтов и пружин, что усложняет работу вибромашины.
Известна также вибромашина (Патент на полезную модель №31113. Вибросейсмоисточник. Малахов А.П., Аносов В.Н., Чичинин И.С. Бюл. №20. 20.07.2003), являющаяся прототипом и содержащая корпус, установленную на грунт излучающую плиту с направляющими, пригрузочную массу и пружины, вибровозбудитель, выполненный в виде приводного вала с подшипниковыми опорами, инертной массы с подшипниками и направляющими.
В этой вибромашине из-за возвратно-поступательного движения инертной массы с частотой создаваемых вибраций между этой массой и приводным двигателем циркулирует значительная по величине некомпенсированная кинетическая энергия с двойной частотой, требуется двойное количество силовых подшипников, возникают нескомпенсированные боковые усилия в направляющих, что усложняет конструкцию вибромашины и снижает надежность ее работы.
Задачей (техническим результатом) изобретения является упрощение конструкции, повышение коэффициента мощности, увеличение надежности, увеличение частоты вибраций.
Указанный технический результат достигается тем, что вибромашина содержит корпус с пригрузочной массой, инертную массу с подшипниками и приводимым валом, при этом вибровозбудитель выполнен в виде массивного цилиндра, помещенного внутрь цилиндрического корпуса вибромашины, причем массивный цилиндр вибровозбудителя в верхней и нижней своих торцевых поверхностях выполнен в виде N синусообразных с амплитудой «δ» и полюсными делениями «τ» рельсовых дорожек, на которые уложены подшипниковые узлы с осями, скрепленными с верхним и нижним торцами внутренней части цилиндрического корпуса вибромашины, мотор-редуктор которой подключен к частотно-регулируемому электроприводу, массивный цилиндр вибровозбудителя с рельсовыми дорожками установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальном направлении внутри цилиндрического корпуса на величину амплитуды «δ» синусоидальных рельсовых дорожек или вибромашина выполнена в виде инертной массы, служащей короткозамкнутым якорем асинхронной машины, со статором по внешней боковой поверхности упомянутой инертной массы.
На фиг. 1 приведена предлагаемая вибромашина; на фиг. 2 показано поперечное сечение по А-A вибромашины; на фиг. 3 приведена развертка инертной массы; на фиг. 4 приведен общий вид конструкции вибромашины с пустотелой инертной массой.
Вибромашина (фиг. 1) содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 силовые виброплатформы, цилиндрический корпус 3, цилиндрическую инертную массу 4, верхние 5 и нижние 6 силовые площадки с верхними 7 и нижними 8 рельсовыми дорожками, на которые опираются верхние 9 и нижние 10 подшипники, оси которых опираются на опоры 11, 12 соответственно, опоры 11, 12 установлены в верхний 13 и нижний 14 торцы цилиндрического корпуса 3, 15, инертная масса 4 с силовыми площадками 5, 6 жестко связана с силовым валом 16, свободно вращающимся в верхнем 13 и нижнем 14 торцах корпуса 3, 15, силовой вал 16 подвижно связан с валом 17 приводного мотор-редуктора 18, двигатель которого подключен силовым кабелем 20 к частотно-регулируемому электроприводу (на фиг. 1 не показан), на верхний торец 13 через амортизатор 19 уложена дополнительная пригрузочная масса 21, нижний торец цилиндрического корпуса 3 установлен через излучающую плиту на грунт или через оголовок на погружаемую сваю (на чертеже не показано).
На фиг. 2 показано поперечное сечение по А-А (фиг. 1) инертной массы 4 с верхней 5 и нижней 6 силовыми площадками с верхней 7 и нижней 8 рельсовыми дорожками, которые подвижно опираются на верхние 9 и нижние 10 подшипники, оси которых жестко связаны через опоры 11, 12 с верхним 13 и нижним 14 торцами цилиндрического корпуса 15. Верхняя 5 и нижняя 6 силовые площадки выполнены в виде верхней 21 и нижней 22 идентичных дорожек в виде синусоид с амплитудами перемещений «δ» - 23 и полюсным делением «τ» - 24 - фиг. 3.
На фиг. 3 показана развертка инертной массы 4 с силовыми площадками 5, 6 с дорожками с полюсным делением «τ» - 24 и амплитудой перемещений этой массы «δ»-23.
На фиг. 4 приведен общий вид конструкции предлагаемой вибромашины в виде пустотелого вибропогружателя с цилиндрической оболочкой 15 и оголовком 30, на который установлены вибровозбудитель своим нижним торцом 14, на верхний торец 13 которого через амортизатор 19 уложена пригрузочная масса 21, в боковых стенках цилиндрического корпуса 15 установлены приводные электродвигатели 31, 32 с приводными шестернями 33, 34, 35, 36, через которые вращательные моменты электродвигателей 31, 32 передаются на массивную инертную массу 4, которая своими дорожками синусоидальной формы (фиг. 3) уложена в подшипниковые узлы с подшипниками 9, 10 и опорами 11, 12 (фиг. 2), создавая механические усилия 37, 38, 39, 40 (фиг. 3), которые, складываясь по амплитуде, прикладываются к торцам 13, 14 (фиг. 2, фиг. 4) цилиндрического корпуса 15 и через него к оголовку 30 и далее к погружаемому цилиндрическому элементу 29.
Вибромашина работает следующим образом.
При подаче электропитания к электродвигателю 18 через кабель 20 от преобразователя частоты (на чертеже не показано) через валы 16 и 17 инертная масса 4 в виде маховика раскручивается до данной частоты вращения «ω». Эта частота вращения в соответствии с количеством полюсных делений «τ» (24) обычно не менее 4-х создает частоту виброколебаний инертной массы 4 с силовыми площадками 5, 6, в которых выполнены синусообразные дорожки 7, 8 (фиг. 1). Эти дорожки, перемещаясь по подшипникам 9, 10 с опорами 11, 12, установленными в торцах 13, 14 цилиндрического корпуса 3, создают усилия в соответствии с соотношением:
u
где: m - величина инертной массы 4 (кг);
δ - амплитуда 23 перемещения инертной массы 4 дорожками 7, 8;
дв
ω - ω·р - эквивалентная частота колебаний инертной массы в соответствии с количеством полюсов Р, определяемых полюсным делением «τ» (обычно Р не менее 4).
-3
-3
Так, например, для погружения железобетонных свай массой 2÷2,5 т для лучшего согласования требуется величина инертной массы не менее 5 т, что при эквивалентной частоте вращения определит оптимальную частоту погружения 35÷50 Гц, при которой грунт под торцом сваи и с ее боковой поверхности приходит в «разжиженное» состояние и она эффективно погружается с минимальной требуемой мощностью двигателя и оптимальной скоростью погружения, которая даже при погружении за один цикл, равный 1·10 м, дает скорость до 2÷3 м/мин. При этом величина размаха колебаний инертной массы может быть принятой в (5÷6)·10 м, что является оптимальным в режиме погружения практически любых строительных конструкций.
При погружении пустотелых строительных элементов (труб, оболочек) применяется конструктивная схема вибропогружателя по фиг. 4.
В этой схеме инертная масса 4 большой величины и большого диаметра вращается внутри цилиндрического корпуса 15 на подшипниковых опорах 9, 10 и подшипниках 11, 12 по синусоидальным дорожкам 7, 8 (фиг. 1, 2) приводными электродвигателями 31, 32 (фиг. 4) с фрикционным или с зубчатым зацеплением с шестернями 33, 34, 35, 36. Количество двигателей не менее 2-х (обычно 4 штуки). На цилиндрический корпус 15 вибромашины через амортизатор 19 укладывается пригрузочная масса 21 обычно величиной, равной массе погружаемого элемента.
Цилиндрический корпус 15 вибромашины своим нижним торцом 2 укладывается на пустотелый оголовок 30, который устанавливается на торец погружаемой строительной конструкции 29 (фиг. 4). Вибромашина может быть выполнена со специальным приводным электродвигателем, когда инертная масса 4 одновременно является якорем асинхронного электродвигателя, а внутренний диаметр статора приводного электродвигателя равен внешнему диаметру инертной массы, на которой в торцах расположены рельсовые дорожки. Такая конструктивная схема позволяет создавать вибропогружатели для погружения строительных элементов любых габаритов и масс с минимальными мощностями потребления электроэнергии.
Возможно построение вибропогружателей для погружения в вечно мерзлые грунты и в морское дно (глубоководное исполнение).
Вибрационное погружение дает многократное удешевление работ по сравнению к ударным методам, когда принципиально невозможно получить результирующего коэффициента полезного действия выше (0,5÷1)%.
Вместо электродвигателей могут быть использованы вращательные гидродвигатели, подключенные к маслостанции с приводным электродвигателем, через кабель связанным с частотно-регулируемым электроприводом.
То есть поставленная задача упрощения конструкции, повышения коэффициента мощности, увеличения надежности, увеличения частоты вибраций полностью выполняется.