ВИБРОПРОБИВНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении фундаментных колодцев под набивные сваи, а также при изготовлении водяных колодцев, дренажных колодцев и т.п.
Известно устройство для вытрамбовывания скважин в грунте, содержащее привод и рабочий орган, включающий корпус, рабочий наконечник для разрушения грунта, расположенный у нижнего конца корпуса, направляющую, размещенную внутри корпуса в продольном его направлении, ударник, выполненный с возможностью его перемещения вдоль направляющей, причем привод выполнен в виде линейного импульсного двигателя, состоящего из реактора и якоря с многополюсными обмотками и импульсного источника питания, причем реактор с многополюсной обмоткой размещен на внутренней поверхности ударника, а якорь с многополюсной обмоткой на наружной поверхности направляющей (1).
Однако, данное техническое решение обладает низкой производительностью работ и весьма ограниченные технологические возможности.
Известно также вибропробивное устройство, взятое нами в качестве прототипа, содержащее рабочий орган, включающий корпус, направляющую, рабочий наконечник для пробивания грунта, и вибропривод с ударником, выполненным с возможностью его перемещения внутри направляющей, корпус выполнен полым и формообразующим в виде размерообразующей направляющей трубы со съемным фланцем на одном конце и формообразующего рабочего наконечника с внутренней ударной пятой - на другом, а вибропривод с ударником, выполнен в виде виброударновращающего механизма, при этом формообразующий корпус и виброударновращающий механизм выполнены с возможностью жесткой связи между собой посредством сцепной муфты, одна полумуфта которой закреплена на съемном фланце формообразующего корпуса, другая - на теле ударника виброударновращающего механизма, причем
виброударновращающий механизм выполнен в виде дебалансного вибратора с двусторонним электромеханическим приводом, обеспечивающим раздельные возвратно-поступательное в вертикальной и возвратно-вращательное в горизонтальной плоскостях движения жестко связанному с вибратором ударнику, расположенному внутри формообразующего корпуса, размещенному с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно его направляющей в вертикальной плоскости и возвратно-вращательного перемещения вместе с ним в горизонтальной плоскости и установленному соосно пяте формообразующего рабочего наконечника посредством роликовых опор, закрепленных на теле ударника по диаметру его сечений через 120град. с разворотом относительно друг друга на 60град. (2)
Однако, несмотря на существенные преимущества данного технического решения по отношению к аналогам, оно также содержит недостатки, сдерживающие дальнейшее расширение технологических возможностей вибропробивного устройства.
Недостатки заключаются в том, что:
- эффективность схемы двустороннего привода с одним электродвигателем уменьшается с увеличением диаметра колодца (более 400 мм) - требуется установка промежуточного вала, что при неизменных функциональных возможностях усложняет конструкцию и снижает ее надежность;
- механическое разделение двустороннего привода с одним электродвигателем, наряду с жесткой, размыкающейся муфтой, позволяет передавать вращательное движение формообразующему корпусу только на этапе подъема его из пробитого колодца;
- как следствие, невозможность применения вращательного движения на этапе погружения в грунт существенно ограничивает технологические возможности виброударновращающего механизма и вибропробивного устройства в целом в повышении производительности работ при изготовлении фундаментных колодцев;
- подшипниковые узлы двустороннего привода с одним электродвигателем, установленном на корпусе дебалансного вибратора, при работе на погружение вибропробивного устройства в грунт, подвержены воздействию значительных динамических нагрузок, что приводит к преждевременному выходу их из строя, т.е. к уменьшению срока службы всего привода;
- неопределенность в установлении длины формообразующей части рабочего наконечника также таит в себе ресурсы энергосбережения;
- наконец, динамика возвратно-вращательных движений неблагоприятно влияет на работу механизмов базовых машин (крана или копра), вызывая в элементах их кинематических связей напряжения крутильных колебаний,
Таким образом, задачей создания предлагаемого технического решения является дальнейшее повышение эффективности работы вибропробивного устройства путем устранения указанных недостатков, расширения технологических возможностей и энергоресурсосбережения.
Поставленная задача решается тем, что вибропробивное устройство, содержащее рабочий орган, включающий корпус, направляющую, рабочий наконечник и вибропривод с ударником, выполненным с возможностью его перемещения внутри направляющей, причем корпус выполнен полым и формообразующим в виде размерообразующей направляющей трубы со съемным фланцем на одном конце и формообразующего рабочего наконечника с внутренней ударной пятой - на другом, а вибропривод с ударником, выполнен в виде виброударновращающего механизма, при этом формообразующий корпус и виброударновращающий механизм выполнены с возможностью кинематической связи между собой, причем виброударновращающий механизм выполнен в виде дебалансного вибратора с двусторонним электромеханическим приводом, обеспечивающим раздельные возвратно-поступательное в вертикальной и возвратно-вращательное в горизонтальной плоскостях движения жестко связанному с вибратором ударнику, расположенному внутри формообразующего корпуса, размещенному с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно его направляющей в вертикальной плоскости и возвратно-вращательного перемещения вместе с ним в горизонтальной плоскости и установленному соосно пяте формообразующего рабочего наконечника, отличается тем, что кинематическая связь формообразующего корпуса и виброударновращающего механизма выполнена постоянной и осуществлена посредством разнесенных по длине ударника двух подвижных, направляющих, одновременно обеспечивающих соосность ударника и ударной пяты формообразующего рабочего наконечника, узловых элементов - шлицевой муфты и подшипника скольжения, неподвижные части которых закреплены: верхняя - внешняя шлицевая полумуфта - на съемном фланце, нижняя - внешняя обойма подшипника скольжения - на внутренней стороне формообразующего рабочего наконечника, а обе подвижные части направляющих элементов - на верхней и нижней частях тела ударника виброударновращающего механизма, соответственно, а двусторонний электромеханический привод дебалансного вибратора выполнен раздельным в виде двух независимых приводов возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движений виброударновращающего
механизма, в составе двух электродвигателей и двух клиноременных передач, смонтированных на одноименных тумбах съемного фланца формообразующего корпуса таким образом, что оси вращения одноименных ведущих и ведомых шкивов ременных передач находятся в одноименных горизонтальных плоскостях осей вращения ведущих валов дебалансного вибратора, при этом длина и диаметр формообразующей части рабочего наконечника соотносятся как 1 к 2, при чем его ударная пята выполнена съемной, а формообразующий корпус снабжен опорно-поворотным кругом, подвижная часть обоймы которого закреплена на его съемном фланце, а неподвижная - на подвеске грузоподъемной машины (или на направляющей каретке копровой установки).
Предлагаемое техническое решение имеет существенные преимущества перед прототипом и, обладая представленными конструктивными элементами и связями между ними, создает широкие перспективы дальнейшего расширения функциональных и технологических возможностей, при ощутимом энергоресурсосбережении, а именно:
успешно заменить такие методы устройства фундаментных колодцев как бурение, погружение молотами или вибраторами инвентарных обсадных труб, закрытых снизу теряемым железобетонным башмаком;
создать унифицированный ряд вибропробивных устройств для изготовления колодцев под набивные железобетонные сваи диаметром -400 мм, 500 мм, 600 мм, 800 мм, 1000 мм, 1200 мм и глубиной до 20 метров;
- на этой базе создать унифицированный ряд устройств для изготовления высококачественных виброинъекционных железобетонных свай с теми же параметрами;
- уменьшить удельные показатели энергоресурсопотребления за счет возможности:
а) осуществлять как раздельные, так и совмещенные возвратно-поступательные и возвратно-вращательные движения вибропробивного устройства, что дополнительно и существенно облегчит его работу и уменьшит энергозатраты на преодоление сопротивления грунта;
б) освободить все подшипниковые узлы приводов дебалансного вибратора от значительных динамических нагрузок, что повысит их эксплуатационную надежность, продлит срок службы и, следовательно, уменьшит эксплуатационные материальные затраты;
в) исключить (в связи с исключением необходимости включений и выключении) преждевременный износ деталей системы кинематической связи формообразующего корпуса и виброударновращающего механизма, в том числе и деталей обслуживающих механизмов базовых машин, что также уменьшит эксплуатационные затраты;
г) улучшить условия работы клиноременных передач, что повысит эффективность их работы и уменьшит материальные затраты на их эксплуатацию;
д) ликвидации колебательных движений формообразующего корпуса в вертикальной плоскости при вдавливании корпуса в грунт, что исключает его утрамбовку, снижает лобовое сопротивления грунта, и, как следствие, уменьшает расход энергии на его преодоление, а также значительно уменьшает вредные динамические воздействия на близстоящие сооружения;
е) установления минимальной длины формообразующего рабочего наконечника, что уменьшает на его боковых стенках сопротивление погружению корпуса в грунт и делает эту величину расчетной;
ж) управления применением возвратно-вращательных движений при выемке формообразующего корпуса из пробитого колодца, что резко уменьшает сопротивление подъему,
- повысить производительность работ за счет:
а) увеличения скорости внедрения устройства в грунт, в свою очередь за счет:
б) отсутствия возвратного движения формообразующего корпуса при погружении;
в) возможность передачи возвратно-вращательного движения формообразующему корпусу при погружении;
д) быстрой замены износившейся ударной пяты рабочего наконечника.
В результате этого существенно снижаются время и затраты на изготовление колодцев. Расчеты показывают возможность пробивки фундаментного колодца в грунте 3-й категории глубиной 12 м и диаметром 630 мм за 4,5 минуты, что - соответствует такому критерию полезной модели как «новизна».
На фигуре 1 - изображено вибропробивное устройство.
Вибропробивное устройство состоит из формообразующего корпуса 1 (Фиг.1) и виброударновращающего механизма 2, выполненных с возможностью постоянной кинематической связи между собой посредством подвижных, направляющих неразъемной шлицевой муфты 3 и подшипника скольжения 3*, неподвижные (полумуфта и обойма) части которых закреплены на съемном фланце 4 формообразующего корпуса 1 и на внутренней стенке верхней формообразующей части 5* рабочего наконечника 5, соответственно, а подвижные - на теле ударника 10 виброударновращающего механизма 2.
Формообразующий корпус 1 состоит из раздвигающего грунт конусообразного полого формообразующего рабочего наконечника 5, образующего заданный диаметр колодца и полой (трубчатой) размерообразующей направляющей 6, обеспечивающей заданную глубину колодца и закрытой сверху фланцем 4 с проходным отверстием для ударника 10 виброударновращающего механизма 2.
Формообразующий рабочий наконечник 5 имеет разъем в горизонтальной плоскости, причем верхняя формообразующая часть 5* выполнена полой, с внутренней ударной пятой, выполненной сменной и заодно с нижней - пробивной частью 5** рабочего наконечника 5.
Виброударновращающий механизм 2 включает в себя дебалансный вибратор 7 с двумя раздельными приводами 8 и 9, обеспечивает как раздельные, так и совмещенные возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения кинематическижестко связанному с вибратором ударнику 10, снабженному износостойкой вставкой 11 и расположенному внутри формообразующего корпуса 1 с возможностью перемещения вместе с ним в горизонтальной плоскости и относительно его размерообразующей направляющей 6 в вертикальной плоскости соосно съемной пяте 5**, верхней формообразующей части 5*, рабочего наконечника 5.
Корпус вибратора 7 содержит установленные в подшипниковых опорных узлах два ведущих вала 12, 13 и два ведомых - 14, 15, на которых попарно смонтированы дебалансы 16 и 17, и которые кинематически связаны межу собой попарно в горизонтальной и вертикальной плоскостях зубчатыми колесами 18 и 19.
Ведущие валы 12 и 13 посредством ременных передач 22 и 23 получают вращение от электродвигателей 8 и 9, смонтированных на тумбах 24 и 25 съемного фланца 4, соответственно, таким образом, что оси ведущих валов 12 и 13 и оси выходных валов электродвигателей 8 и 9 находятся в одноименных параллельных горизонтальных плоскостях.
При этом ведущие шкивы 26 и 27 ременных передач 22 и 23 смонтированы на выходных концах валов электродвигателей 8 и 9, а ведомые 28 и 29 - на концах ведущих валов 12 и 13 вибратора 7, соответственно.
Верхняя подвижная 20 и нижняя неподвижная 21 части обоймы опорно-поворотного круга 30, связывающего все устройство с механизмами подъема копровой установки или грузоподъемной машины (на рисунке не показаны), закреплены на съемном фланце 4 формообразующего корпуса 1 и в корпусе направляющей каретки копровой установки или специальной подвески ГПМ, соответственно.
Рым - болты 31 связывают все устройство с механизмом подъема грузоподъемной машины или копровой установки (на рисунке не показанных).
Вибропробивное устройство работает следующим образом.
Посредством грузоподъемной машины или копровой установки устройство выводится на ось будущего колодца. В этом положении при запуске электродвигателя двустороннего привода 8 крутящий момент через ременную передачу 22, передается ведущему валу 12 и далее кинематически связанному в горизонтальной плоскости через зубчатые колеса 18, ведомому валу 13. Получающие таким образом вращение дебалансы 16 создают возмущающую силу, приводящую в возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости весь механизм 2, который через ударник 10, направляемый шлицами муфты 3 и подшипником скольжения 3*,
воздействует ударом на пяту съемной пробивной части 5** рабочего наконечника 5 корпуса 1, погружая последний в окружающий грунт, концентрично раздвигая и уплотняя его. При этом электродвигатель 9 и, соответственно, ременная передача 23, ведущий 14 и ведомый 15 валы, а также смонтированные на них дебалансы 17, создающие всему механизму 2 возвратно-вращательное движение в горизонтальной плоскости, остаются неподвижными.
Привод этого движения включают при необходимости преодолеть возростающее сопротивление грунта при погружении устройства. В этом случае, при запуске двигателя 9, крутящий момент через, ременную передачу 23, передается ведущему валу 14 и далее кинематически связанному в вертикальной плоскости через зубчатые колеса 19 ведомому валу 15. Получающие таким образом вращение дебалансы 17 создают возмущающую силу, приводящую в возвратно-вращательное движение в горизонтальной плоскости весь виброударновращающий механизм 2, который через шлицевую муфту 3 передает это движение формообразующему корпусу 1. Таким образом реализуется возможность как раздельного, так и совмещенного возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движений устройства при погружении, что существенно ускоряет этот процесс.
При достижении заданной глубины электродвигатель 8 выключают и, посредством механизма подъема начинают извлечение устройства из пробитого колодца. В этом случае при работе электродвигателя 9 продолжается возвратно-вращательное движение формообразующего корпуса 1, который на протяжении подъема всего устройства выглаживает уплотненные стенки образованного колодца.
Положительный эффект от использования данного технического решения выражается в повышении эффективности работы за счет: вышеперечисленного расширения технологических возможностей, повышения производительности изготовления фундаментных колодцев без выемки земли в полном диапазоне применяемых набивных свай в соответствии со СНиП 2. 02. 03.-85 при значительном снижении энергетических и материальных затрат; обеспечения уплотнения окружающих грунтов и, как следствие, повышения несущей способности свай; снижения объемов и стоимости земляных работ, и свайных фундаментов в целом.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1818415, МПК Е 02 D 7/20.
2. РФ, Патент на полезную модель №40332, МПК Е 02 D 7/18 (прототип).