УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ ВИНТОВЫХ СВАЙ

Полезная модель относится к строительству и может быть использована при возведении опор мостов, линий электропередач (ЛЭП), опор контактной сети электрифицированных железных дорог, вышек сотовой связи, надводных эстакад, причалов и других строений с помощью винтовых свай.
Применение винтовых свай и анкеров требует специальных установок и механизмов. Такие установки должны быть высокопроизводительными, надежными и маневренными, обеспечивающими снижение сроков и стоимости работ по сооружению фундаментов на винтовых сваях и различных анкерных закреплений.
Разработка рациональных конструкций фундаментов с использованием винтовых свай и различных анкерных закреплений для опор ЛЭП, радиолокационных сооружений, вышек сотовой связи и других объектов стимулирует разработку устройств, предназначенных для погружения винтовых свай и анкеров на базе автомобилей повышенной проходимости и вездеходов. Так, научно-исследовательскими институтами Внииземмаш, Вниистройдормаш разработаны и созданы опытные образцы таких машин, некоторые из них (МЗС-13, МЗС-19, «Анкер») выпущены небольшими опытными партиями. К сожалению, в настоящее время отечественная промышленность подобных машин не выпускает, что сдерживает внедрение в строительство надежных и экономически выгодных фундаментов, использующих винтовые сваи.
Известна машина МЗС-13 (см. В.Н.Железков. Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства. - СПб.: ПРАГМА, 2004, с.30-31), разработанная Ленинградским филиалом ВНИИстройдормаш на базе автомобиля КраЗ-214 и предназначенная для устройства фундаментов на винтовых сваях. На базовой машине установлена усиленная поперечными
балками рама, на которой смонтирована трансмиссия привода рабочего оборудования, гидропривод выносных опор и лебедки принудительного заглубления винтовой сваи, а также органы управления и вспомогательное оборудование. Главным рабочим органом машины является труба, в которой смонтирована подвижная каретка с гидравлической лебедкой. Вращение трубы осуществляется через трансмиссию от двигателя. Труба передает вращение каретке с закрепленной на ней сваей. В процессе завинчивания каретка с гидролебедкой и сваей по специальным направляющим опускается вниз. С помощью гидролебедки создается осевое нагружение сваи. Машина может развивать крутящий момент 13 тсм (130 кНм) и погружать как вертикальные, так и наклонные сваи.
Известна также машина МЗС-19 (см. там же, с.31), которая имеет аналогичную конструкцию, но отличается более высокими эксплуатационными характеристиками и большей величиной крутящего момента.
Более совершенной, по сравнению с МЗС-13 и МЗС-19, является установка «Анкер» (см. там же, с.31-32), разработанная «ВНИИземмаш» для комплексной механизации сооружения фундаментов из винтовых свай. Установка предназначена для завинчивания свай непосредственно в грунт и бурения лидерных скважин. Мощность установки «Анкер» позволяет создавать крутящий момент 23 тсм (230 кНм) и погружать сваи и анкера вертикально и наклонно в грунтах всех видов, включая твердомерзлые и некоторые скальные породы. Установка «Анкер» состоит из следующих основных узлов: рамы, рабочего органа (трубы), двух пультов управления, подъемника свай и выносных опор. В качестве базового автомобиля применен КраЗ-257. Установка «Анкер» имеет два самостоятельных привода рабочего органа: механический - на завинчивание свай и гидравлический - на бурение лидерных скважин. Производительность установки «Анкер» достигает 12 свай в смену. Наибольшая глубина, на которую может быть погружена свая без прерывания завинчивания, составляет 6 метров.
Следует отметить, что все описанные выше устройства могут завинчивать сваи только с дополнительной вертикальной пригрузкой с крутящим моментом 10-12 тсм, и имеют весьма сложные по конструкции механизмы пригрузки.
Существенным недостатком устройств является также то обстоятельство, что в случае неисправности механизма вращении, они становятся «прикованными» к свае, так как автомобиль не может отъехать от места завинчивания и погружаемую сваю необходимо срубить.
Известно также устройство для погружения рабочего органа в грунт (см. патент РФ №2045624, кл. МПК 6 Е 02 D 7/22, опубл. 1995.10.10), которое может быть использовано в строительстве, а также при прокладке магистральных трубопроводов для бурения скважин и завинчивания винтовых анкеров и свай. Устройство состоит из базовой машины со стрелой, рукояти и оголовка. Оголовок стрелы шарнирно с помощью рычагов соединен с вращателем, снабженным рабочим органом. Рукоять машины соединяется с рычагом с помощью гидроцилиндра. Особенность известного устройства заключается в том, что управление гидроцилиндром осуществляется стабилизатором, который закреплен на вращателе. Стабилизатор состоит из распределителя и отвеса, который шарнирно закреплен посредством ролика на оси. Стабилизация вертикального хода рабочего органа осуществляется упомянутым стабилизатором, который работает на принципе механизма притяжения Земли. При погружении рабочего органа в грунт оголовок со стрелой совершает кругообразное движение. Вследствие этого вращатель стремится отклониться от вертикали. Отвес, который всегда остается вертикальным, отклоняет ручку распределителя, вследствие чего гидравлическая жидкость направляется в гидроцилиндр, который, воздействуя на систему рычагов, приводит вращатель с рабочим органом в вертикальное положение.
Недостатком известного устройства для погружения рабочего органа в грунт является сложность и громоздкость системы управления
гидроцилиндром стабилизатора, что приводит к невысокой надежности всего устройства в процессе эксплуатации.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является установка для завинчивания свай УЗС (см. В.Н.Железков. Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства. - СПб.: ПРАГМА, 2004, с.32-33), в конструкции которой заложено техническое решение по авт. свид. СССР №767285, кл. МПК 3 Е 02 D 7/22, опубл. 30.09.80, выбранное в качестве прототипа.
Установка для погружения винтовых свай УЗС предназначена для возведения инвентарных фундаментов под опоры временных высоководных мостов и обеспечивает возможность проведения работ, как на суше, так и на воде с использованием парома. Установка содержит базовую машину, на платформе которой установлены подъемные подставки, одним концом прикрепленные к платформе шарнирно, а другим - с помощью фиксирующих стоек, установленных на краевых частях платформы. Подставки снабжены направляющими, в которых установлены с возможностью перемещения поворотные устройства с механизмами завинчивания. На платформе базовой машины и в подъемных подставках установлены втулки для направления свай. На платформе базовой машины установлена также стрела с крановыми устройствами, несущими механизмы завинчивания, представляющими собой гидрокабестаны, которые обеспечивают одновременное завинчивание двух свай вертикально или наклонно под углом от 15° до 30°. Каждый гидрокабестан развивает крутящий момент 5,0 тем (50 кНм).
Основная конструктивная особенность гидрокабестанов, выгодно отличающая их от других аналогичных механизмов, заключается в применении разрезных шарнирных муфт, которые позволяют быстро и удобно заводить сваи в муфты сбоку, обеспечивая значительное сокращение времени на подготовительные работы.
Однако известное устройство, выбранное в качестве прототипа, обеспечивает возможность погружения свай только одного диаметра, соответствующего внутреннему диаметру обоймы механизма завинчивания. Кроме того, существенным недостатком известного устройства является невозможность погружения сваи до поверхности грунта, что обусловлено особенностью конструкции установки, а именно - значительной высотой расположения механизмов завинчивания (гидрокабестанов) относительно платформы базовой машины. К недостаткам устройства следует также отнести сравнительно небольшую величину развиваемого крутящего момента, а также недостаточную грузоподъемность кранового оборудования.
Указанные недостатки существенно ограничивают функциональные и эксплуатационные возможности устройства - прототипа, а, кроме того, являются причиной его невысокой производительности.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение производительности устройства за счет увеличения скорости погружения свай при одновременном упрощении конструкции и снижении трудоемкости процесса завинчивания. Еще одной важной задачей, поставленной при разработке заявляемой полезной модели, является расширение эксплуатационных возможностей устройства, заключающееся в обеспечении возможности погружения винтовой сваи до поверхности грунта.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство для погружения винтовых свай, которое, как и наиболее близкое к нему, выбранное в качестве прототипа, содержит базовую машину, на платформе которой смонтированы кран-манипулятор с рабочим органом, несущим механизм завинчивания свай, и поворотное устройство для фиксации и направления винтовых свай в вертикальном или наклонном положении.
Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что механизм завинчивания свай включает в себя мощный редуктор, имеющий привод от гидромотора, и патрон, состоящий из втулки со сквозным
продольным пазом, в котором с возможностью перемещения вдоль паза установлена в горизонтальном положении ось с подшипниками. Патрон механизма завинчивания закреплен на валу редуктора через шестигранник, а редуктор установлен на рабочем органе крана-манипулятора вертикально с помощью двух кронштейнов, соединенных крестовиной. Для увеличения жесткости втулки патрона механизма завинчивания ее сквозной продольный паз усилен продольными пластинами.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.
В заявляемой полезной модели предложено устройство для погружения винтовых свай, содержащее принципиально новый механизм завинчивания. В отличие от прототипа, в котором в качестве механизма завинчивания применен гидрокабестан, заявляемый механизм завинчивания представляет собой гидромотор с мощным редуктором, имеющим большое передаточное отношение. Благодаря этому крутящий момент, передаваемый на винтовую сваю, увеличивается до 8-10 тсм. Результатом этого является увеличение скорости погружения винтовой сваи, а, следовательно, и производительности всего устройства, что являлось основной задачей, поставленной при создании полезной модели. Проведенные опытные испытания устройства для погружения винтовых свай, показали, что производительность, то есть скорость погружения возросла более чем в 10 раз по сравнению с установкой-прототипом, использующей в качестве механизма завинчивания гидрокабестан.
Важным существенным признаком полезной модели является также вновь разработанный патрон механизма завинчивания, элементы конструкции которого (втулка с продольным пазом, ось с подшипниками) обеспечивают надежное направление, вертикальное или наклонное, на точку завинчивания, а также довинчивание сваи до поверхности грунта. В прототипе это осуществить было невозможно.
Следует также отметить, что признаки, относящиеся к конструкции крепления двигателя с редуктором к рабочему органу крана-манипулятора, а
именно: два кронштейна, соединенные с помощью крестовины, обеспечивают механизму завинчивания сваи четыре степени подвижности. Благодаря этому повышается точность и быстрота манипулирования рабочего органа в процессе захвата сваи, ее наведения на пикет и др., а, следовательно, происходит снижение трудоемкости и повышение производительности процесса погружения сваи в грунт.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Ниже описан один из конкретных примеров реализации предлагаемой полезной модели.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - устройство для погружения винтовых свай (общий вид);
на фиг.2 - вид А на фиг.1 с дополнительным изображением винтовой сваи, погружаемой под углом к вертикали;
на фиг.3 - механизм завинчивания сваи;
на фиг.4 - вид Б на фиг.3;
на фиг.5 - поворотное устройство для фиксации и направления винтовой сваи в вертикальном или наклонном положении;
на фиг.6 - вид В на фиг.5.
Устройство для погружения винтовых свай состоит из базовой машины (автомобиль, трактор, вездеход и т.д.) (см. фиг.1, 2), на платформе 1 которой смонтирован манипулятор 2 (или другое устройство, имеющее не менее четырех степеней подвижности рабочего органа) с рабочим органом 3 и механизмом завинчивания свай. Механизм завинчивания свай (см. фиг.3, 4) состоит из гидромотора 4 с мощным редуктором 5 и патрона, закрепленного на валу редуктора 5 через шестигранник 6. Патрон механизма завинчивания состоит из втулки 7, в которой выполнен сквозной продольный паз 8. В пазу 8 в горизонтальном положении установлена ось 9 с подшипниками 10, 11. Через ось 9, имеющую возможность перемещаться вдоль паза 8, крутящий момент от мощного редуктора 5 передается к винтовой свае. Продольный паз 8 втулки 7
патрона усилен продольными пластинами 12. Гидромотор 4 с редуктором 5 установлены на рабочем органе 3 крана-манипулятора 2 в вертикальном положении с помощью двух кронштейнов 13 и 14, соединенных крестовиной 15. Такое соединение обеспечивает не менее четырех степеней подвижности рабочего органа 3. На платформе 1 базовой машины смонтировано также поворотное устройство 16 (фиг.5, 6), предназначенное для фиксации и направления винтовых свай в вертикальном или наклонном положении. Поворотное устройство 16 состоит из направляющей трубы 17 с отверстиями, снабженной опорным фланцем 18, который с помощью болтового соединения крепится к платформе 1 базовой машины. В направляющую трубу 17 входит внутренняя труба 19 с отверстиями, служащая для перемещения сваи по вертикали и ее наклона под углом от 15° до 30°. К внутренней трубе 19 приварена раскрывающаяся втулка 20, с помощью которой осуществляется установка и фиксация сваи в вертикальном или наклонном положении.
Заявляемое устройство для погружения винтовых свай может быть реализовано на базе машин высокой проходимости (экскаваторов тракторов, вездеходов и др.), выпускаемых отечественной промышленностью. Гидромотор и редуктор, а также кран-манипулятор со стрелами серийно выпускаются ОАО «Завод «Стройдормаш» (РФ, Свердловская обл., г.Алапаевск).
Устройство для погружения винтовых свай работает следующим образом.
Перед началом цикла винтовая свая 21 с помощью крана-манипулятора 2 снимается с платформы 1 и для обеспечения устойчивого положения устанавливается в раскрывающуюся втулку 20 поворотного устройства 16, смонтированного на платформе 1. Затем на сваю одевается патрон механизма завинчивания, в котором свая 21 через продольный паз 8 закрепляется с помощью оси 9 с подшипниками 10, 11. Цикл начинается с наведения винтовой сваи 21 на точку завинчивания (пикет). С помощью манипуляций рабочим
органом 3 винтовая свая 21 устанавливается в вертикальное или наклонное положение. Включается вращение гидромотора 4 и винтовая свая 21 начинает погружаться, при этом редуктор 5 должен находиться в одном положении (расстояние до земли не должно изменяться), а ось 9 с подшипниками 10, 11 перемещается по пазу 8, передавая крутящий момент на винтовую сваю 21. Винтовая свая 21 вращается до тех пор, пока ось 9 с подшипниками 10, 11 не упрется в нижнюю кромку продольного паза 8. Вращение прекращается и путем манипуляций рабочим органом 3 редуктор 5 с патроном опускается вдоль винтовой сваи 21 до тех пор, пока ось 9 с подшипниками 10, 11 не коснется верхней кромки паза 8, после чего снова включается вращение патрона. Цикл повторяется до тех пор, пока винтовая свая 21 не будет полностью завинчена до проектной отметки.
Описанное выше устройство для погружения винтовых свай может быть также эффективно использовано для завинчивания буров.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели за счет увеличения скорости погружения свай удалось существенно снизить трудоемкость процесса завинчивания и повысить производительность устройства более чем в 10 раз по сравнению с прототипом. Кроме того, использование устройства позволяет осуществлять погружение винтовой сваи до самой поверхности грунта.