ВИБРАЦИОННЫЙ ПРИВОД
VIBRATION DRIVE

Настоящее изобретение относится к вибрационному приводу, в частности к вибрационному приводу, предназначенному для крепления к свае для ее погружения в грунт или извлечения из грунта и включающему, как минимум, два противовеса, синхронно вращающихся в противоположном направлении, при этом катящихся по соответствующей направляющей и приводимых в действие соответствующими валами.
Как известно, удлиненные профили, такие как шпунтовые сваи, трубы и т.д., погружают в грунт и извлекают из грунта методом вибрации. С этой целью используют вибрационные приводы, также называемые свайными вибропогружателями, или вибрационными агрегатами. Такие свайные вибропогружатели, или вибрационные агрегаты, могут быть нежестко прикреплены с помощью грейфера к шпунтовой свае или иному погружаемому объекту. Путем придания свае вибрации она может быть погружена в грунт или может быть извлечена из грунта при незначительном приложении усилия или даже под своим собственным весом. Во многих примерах осуществления, известных из технических решений в данной области, два дебаланса установлены, как минимум, на двух отдельных валах. Валы соединены друг с другом с помощью шестерен таким образом, чтобы обеспечивалось вращение противовесов в парах в противоположных направлениях.
При вибрационном погружении или вибрационном извлечении свай необходимо избегать тряски, которая способна повредить находящуюся рядом конструкцию. Риск повреждения исключительно высок в зоне резонансной частоты грунта.
Во избежание повреждения вибрационные агрегаты известного уровня техники работают при частоте, существенно превышающей резонансную частоту грунта, так называемые высокочастотные свайные вибропогружатели. Было продемонстрировано, что распространение вибрации в грунте, создаваемой сваей, снижается по мере увеличения частоты свайного вибропогружателя.
Кроме того, запуск в работу или останов вибрационного агрегата создает низкую резонансную частоту. Таким образом, в известных технических решениях нередко предлагалось, чтобы вибрационные приводы были отрегулированы таким образом, чтобы амплитуда вибрации устройства была существенно снижена или сведена к нулю при прохождении через определенные резонансные частоты.
Для этой цели в одном примере осуществления известного уровня техники предусматривается создание пары уравновешивающих валов, неуравновешенные вращающиеся массы которых могут быть отрегулированы на дополнительном валу относительно друг друга с помощью регулятора, такого как приводной двигатель. В одном фазном положении неуравновешенных масс по отношению друг к другу центробежные силы нейтрализуют друг друга. В другом фазовом положении, т.е. при смещении на 180 градусов, происходит сложение центробежных сил неуравновешенных масс в плоскости.
Амплитуда вибрационного агрегата определяется так называемым статическим моментом, деленным на вес вибрационной массы. Статический момент рассчитывают исходя из масс неуравновешенных вращающихся масс, умноженных на значение расстояния центра тяжести отдельных уравновешенных масс от оси вращения. Результаты показывают, что большой статический момент и(или) небольшая вибрационная общая масса необходимы для достижения большой амплитуды. Амплитуда, являясь характеристической переменной свайного вибропогружателя, зависит от скорости вращения или частоты вибрации свайного вибропогружателя.
Для высокочастотных вибрационных агрегатов требуются крупногабаритные подшипники, способные выдержать большие центробежные усилия, воздействующие на вал, в результате чего повышается динамический вес вибрационной массы и, следовательно, снижается амплитуда. Регулировочные устройства также увеличивают динамический вес свайных вибропогружателей, в результате чего происходит дополнительное уменьшение амплитуды. Повышение статического момента для более крупногабаритного и более тяжелого сваебойного оборудования технически возможно только при увеличении количества уравновешенных валов, что связано с пропорциональным увеличением физических размеров вибрационного агрегата. В связи с повышением веса исключается достижение требуемой амплитуды.
Конкретным примером осуществления вибрационных приводов, соответствующих устройствам известного уровня техники, является так называемый вертикальный вибрационный агрегат. В данном примере осуществления представлен узкий агрегат таким образом, чтобы между двумя еще непогруженными сваями обеспечивалась установка третьей сваи. Малые габариты агрегата по ширине достигаются за счет того, что отдельные уравновешенные валы расположены вертикально один над другим. В соответствии с техническими решениями известного уровня техники для этой цели четыре вала располагают один над другим с целью устранения каких-либо моментов, вызываемых горизонтальным усилием. В данной конкретной конфигурации снижение амплитуды до нулевого значения достигается за счет того, что обеспечивается вращение двух неуравновешенных масс относительно друг друга на одном валу. Предпочтительным расположением регулировочного механизма в соответствии с техническим решением известного уровня техники является расположение регулятора на оси между двумя парами валов. Такое расположение приводит к созданию относительно большой по высоте конструкции вибрационного агрегата. Ввиду того что указанные типы вибрационных агрегатов обычно устанавливают на выдвижной секции с возможностью передвижения с помощью каретки, максимальная длина устанавливаемых свай уменьшается в зависимости от их конструктивной высоты. Расположение неуравновешенных масс и валов известно из заявки на патент DE 19631991, в которой предусматривается уменьшение количества требуемых валов до трех валов с целью снижения конструктивной высоты.
В патенте США №2931353 предусматривается, например, высокомощный вибрационный агрегат, снабженный корпусом с двумя расположенными на расстоянии друг от друга отверстиями, при этом по стенкам отверстий скользят два противовеса. Каждый из противовесов установлен на штанге, и угол, образуемый штангами, и, следовательно, угол между противовесами может быть отрегулирован с помощью механизма таким образом, чтобы могли быть установлены различные уравновешенные моменты. Однако для этой цели не являются приемлемыми ни сложный регулировочный механизм, ни простое направление движения цилиндров в пазах для достижения вышеуказанной цели осуществления компактного высокомощного вибрационного агрегата при высокой вибрационной частоте. Целью настоящего изобретения является создание устройства вышеуказанного типа, обеспечивающего достижение существенно большей амплитуды высокочастотных свайных вибропогружателей при уменьшении физических размеров по сравнению с устройствами известного уровня техники и обеспечивающего регулируемость вибрационной амплитуды в раскрытом примере осуществления изобретения.
Также известно устройство из патента DE 4139798, в котором два вала, расположенных на расстоянии друг от друга и идущих параллельно друг другу, размещены в корпусе устройства. Отдельно регулируемый гидродвигатель, приводящий в движение валы, соединен с каждым из валов. На каждом валу расположен уравновешивающий груз в форме поршня, способного относительно свободно перемещаться в продольном направлении в каждом из пустотелых корпусов параллельно продольной оси. Пустотелый корпус выполнен как единое целое с соответствующим валом. Продольные оси различных пустотелых корпусов на различных валах параллельны друг другу и ортогональны осевой линии, на которой расположены центральные точки валов на расстоянии друг от друга. Противовесы, расположенные в пустотелых корпусах, регулируются в продольном направлении. С целью предотвращения кратковременного возникновения резонансных частот при больной амплитуде вибрационного привода ускорение валов происходит в холостом режиме до достижения требуемой скорости вращения, при этом противовесы находятся в нейтральном положении. Противовесы смещаются в эксцентрическое положение только после достижения требуемой скорости вращения.
Целью настоящего изобретения является создание устройства вышеупомянутого типа, в котором большая амплитуда может быть достигнута при высокой частоте. Другой целью настоящего изобретения является существенное снижение физических размеров известных вибрационных агрегатов, в частности так называемых вертикальных вибрационных агрегатов. Дополнительной целью настоящего изобретения является создание простого регулировочного механизма для снижения вибрационной амплитуды до нуля.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что в предпочтительном примере осуществления изобретения оба противовеса и направляющие выполнены из упрочненного материала, такого как роликоподшипниковая сталь, имеющая твердость по шкале С твердости по Роквеллу ≥50, и включает приемлемую смазку в зоне контакта цилиндровых пар. С целью предотвращения скольжения (проскальзывания) уравновешенных цилиндров при запуске важным является радиально направленное упругое смещение. Благодаря сочетанию упрочненных поверхностей качения и смазки обеспечивается достижение существенно большей амплитуды и усилия вибрации по сравнению с известными высокочастотными ротационными вибрационными агрегатами при той же самой частоте и существенное снижение физических размеров. Приемлемым материалом для дорожек качения и цилиндров является полностью закаленная сталь и цементированная сталь. Смазка обеспечивается с целью максимального снижения износа контактного участка цилиндров. Предпочтительно, чтобы смазка маслом обеспечивалась в виде системы смазки погружением в масляную ванну. С целью обеспечения эффективного рассеяния тепла также может быть предусмотрено устройство смазки с принудительной циркуляцией.
Дополнительные преимущества и примеры осуществления настоящего изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения.
В первом примере осуществления настоящего изобретения кольцо подшипника является съемным и заменяемым. Преимущество заключается в том, что в случае износа на направляющей оно может быть легко заменено.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением в предпочтительном примере осуществления отличается тем, что один или несколько цилиндрических противовесов катятся по внутренним стенкам двух стационарных наружных колец, в центральной оси которых они соединены с приводным валом с помощью рычага таким образом, чтобы обеспечивалось существенное увеличение статического момента.
Конкретное преимущество устройства заключается в том, что обеспечивается существенное увеличение создаваемых статических моментов при использовании закаленной стали в качестве материала для наружных колец подшипника и противовесов. Кроме того, центробежные силы, образующиеся в процессе вращения, могут быть поглощены без существенных изгибающих нагрузок приводного вала.
В первом примере осуществления настоящего изобретения два противовеса установлены в каждом наружном кольце подшипника, при этом они жестко соединены друг с другом таким образом, чтобы предотвратить изменение расстояния относительно друг друга. Грузы действуют кинематически как один целый груз, катящийся по дуге окружности, образуемой наружным кольцом подшипника.
В соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения два противовеса установлены в наружном кольце подшипника с помощью рычагов с возможностью поворота и вращения, но при этом обеспечивается изменение углового расстояния рычагов. Таким образом, при такой компоновке также имеется возможность устанавливать вращающиеся противовесы при угловом интервале, составляющем, например 180 градусов, таким образом, чтобы - при одинаковых неуравновешенных вращающихся массах и одинаковых радиальных интервалах от приводного вала - неуравновешенные вращающиеся массы противовесов уравновешивали друг друга (при условии, что центробежные силы рычагов и остальных соединительных устройств являются пренебрежимо малыми). Преимущество заключается в том, что угловой интервал рычагов может регулироваться с помощью регулятора, способного вращаться с соответствующим приводным валом. После проведения регулировки благодаря перемещению дополнительных валов не возникают дополнительные потери на трение.
Исключительно компактная физическая конструкция достигается за счет того, что два вала, вращающиеся в противоположных направлениях, находятся на одной и той же оси, благодаря чему конструктивная ширина вибрационного агрегата уменьшена наполовину. Благодаря этому достигается исключительно компактная конфигурация для так называемых вертикальных вибрационных агрегатов. Изменение вращения на обратное направление на оси может быть достигнуто с помощью привода под прямым углом - в данном случае коническое зубчатое колесо - с использованием простых устройств. Существенное увеличение полезной длины направляемого копром вибрационного агрегата может быть достигнуто за счет конфигурации при одновременном повышении рабочих характеристик вибрационного агрегата.
Регулируемый угловой интервал рычагов также предпочтительно ограничен минимальным значением с помощью фиксирующего устройства, образованного в соответствии с дополнительным примером осуществления настоящего изобретения свободными плечами L-образного рычага, примыкающими друг к другу на минимальном расстоянии. Фиксирующее устройство обеспечивает свободное вращение цилиндрических или сферических противовесов в наружном кольце подшипника.
Предпочтительно, чтобы сумма диаметра противовеса и радиуса приводного вала равнялась радиусу наружного кольца подшипника, в котором обеспечивается вращение противовесов.
С целью предотвращения износа, вызываемого посторонними предметами, попадающими в направляющую, в настоящем изобретении предпочтительно предусматривается создание защитного устройства направляющей перед и(или) позади противовесов, предпочтительно в виде скребка, счищающего посторонние предметы с противовесов. В результате этого предотвращается износ как противовесов, так и кольца подшипника и существенно увеличивается срок службы компонентов.
Обладающий преимуществами пример осуществления настоящего изобретения предусматривает прижатие противовесов к кольцу подшипника, в частности, при низкой скорости с помощью нажимной пружины при минимальном давлении. Благодаря этому во время запуска устройства, например, при низкой скорости предотвращается скольжение противовесов по кольцу подшипника. Это также позволяет снизить до минимума износ, который во всех случаях возникает при скольжении двух твердых тел относительно друг друга.
Противовесы в различных наружных кольцах подшипника вращаются синхронно в противоположном направлении. Синхронизация может быть достигнута - как в основном в известных конструкциях предшествующего уровня техники - с помощью шестеренчатого привода либо, например, с помощью ременного привода.
Ниже приведено описание изобретения со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
Фиг.1 - блок-схема двух наружных колец подшипника вибрационного устройства, каждое из которых снабжено двумя противовесами в различных угловых положениях;
Фиг.2, 3 и 4 - блок-схемы предпочтительного примера осуществления уравновешенного регулировочного устройства и различных смазывающих устройств;
Фиг.5 - дополнительный пример осуществления со скребком в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.1 показаны два наружных кольца 13 и 14 подшипника, при этом каждое кольцо включает пару цилиндрических противовесов 4 и 5, при этом противовесы одной пары жестко соединены друг с другом с помощью звеньев 3 таким образом, чтобы каждая пара действовала кинетически как целый постоянный противовес и могла катиться в наружном кольце подшипника в направлении, указанном стрелками. Привод осуществляется с помощью вала 1 или 2. В соответствии с настоящим изобретением оба противовеса 4 и 5 и направляющие, образованные наружными кольцами подшипников, выполнены из упрочненного материала, такого как роликоподшипниковая сталь, имеющая твердость по шкале С твердости по Роквеллу ≥50.
Уравновешенное устройство 10, проиллюстрированное на Фиг.5, снабжено двумя наружными кольцами 13 и 14 подшипника, центрированными на соответствующих осях 11 или 12, при этом каждая из них включает подшипниковое кольцо 32. Два (или несколько) противовеса 15 и 16, выполненные в виде цилиндров, способны катиться по внутренней поверхности колец 32 подшипников. Указанные поверхности подшипников колец 32 подшипников и(или) противовесов 15 и 16 могут смазываться устройством, при этом для этой цели предпочтительно используют масляно-иммерсионное устройство 31. Соответствующие направления качения, показанные стрелками 17 и 18 уравновешенных тел в пустотелых валах, являются противоположными. Устройство снабжено двумя скребками 33, выступающими в качестве защитных устройств направляющих. С целью предотвращения скольжения (проскальзывания) противовесов по кольцам 32 (31) подшипников при низкой частоте устройство снабжено прижимным устройством (не показано), которое отжимает противовесы 15 и 16 в направлении наружу и прижимает их к соответствующим кольцам 32 подшипников. Обеспечивается синхронизированное перемещение противовесов в противоположном направлении, например, с помощью шестеренчатого привода, ременного привода или аналогичного привода.
Каждый цилиндрический противовес 15 или 16 установлен на соответствующей оси 19 на соответствующем L-образном рычаге 21 или 22. Одним своим звеном каждый L-образный рычаг, в свою очередь, прикреплен к соответствующему вращающемуся валу 23. Другие звенья 24 и 25 рычагов соприкасаются под углом в положении, при котором два цилиндрических противовеса 15 и 16 отделены минимальным угловым интервалом друг от друга. Электрический, гидравлический или пневматический регулятор (не показан) обеспечивает плавное регулирование углового интервала угловых рычагов 21 и 22 до 180 градусов. В таком положении, составляющем 180 градусов, цилиндрические противовесы 15 и 16 расходятся в соответствующем пустотелом валу диаметрально противоположно таким образом, чтобы обеспечивалась нейтрализация их статических моментов. В таком положении требуемая рабочая частота вибрационного привода может быть повышена без вибрации. Амплитуда вибрации может быть изменена таким образом, чтобы обеспечивалось регулирование относительных углов противовесов. С целью очистки направляющей от грязи или мусора перед противовесами или позади них установлен скребок (не показан) для удаления грязи или частиц пыли с противовесов.
На Фиг.2 и Фиг.3 схематически показаны регулировочные элементы 26, соединенные с рычагами 27 и 28. Обеспечивается установка любых требуемых угловых положений путем линейного перемещения привода 29. На Фиг.2 установлен минимальный угол, составляющий приблизительно 70 градусов, и на Фиг.3 - угол, составляющий приблизительно 180 градусов, при этом противовесы 15 и 16 и элементы, соединенные с ними и вращающиеся вместе с противовесами, находятся в статическом равновесии. Кроме того, на Фиг.2 проиллюстрирован маслораспылитель 30, на Фиг.3 проиллюстрирована иммерсионная ванна 31 и на Фиг.4 показан напорный распылитель 34 в качестве альтернативного смазывающего устройства.