УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
DEVICE FOR SOIL COMPACTION

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в трамбовочных машинах и устройствах для уплотнения грунта.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для погружения свай (Авт. св. СССР №1245656, М. кл. E02D 7/18. Опубл. 23.07.86. Бюл. №27).
Устройство содержит электродвигатель, на концах валов которого закреплены два ведущих кривошипа, шарнирно соединенные двумя шатунами с двумя ведомыми кривошипами с дебалансами на коренных шейках, при этом ось вращения вала электродвигателя перпендикулярна осям вращения ведомых кривошипов и расположены на расстоянии, равном длине шатуна. Оси шарниров кривошипов правой стороны расположены под углом α, а оси шарниров кривошипов левой стороны, под углом (180-α), при этом ведомые кривошипы закреплены в корпусе диаметрально противоположно.
Устройство снабжено двумя дополнительными ведомыми кривошипами с дебалансами, шарнирно смонтированными с основными ведомыми кривошипами и соединенными с ними через шатунные шейки, а их коренные шейки расположены в корпусе соосно.
Недостаток данного устройства заключается в сложности передаточного механизма, состоящего из двух ведущих кривошипов, двух шатунов и четырех ведомых кривошипов с дебалансами. Существенным основным недостатком является малое значение коэффициента неравномерности вращения ведомых кривошипов с дебалансами, следовательно, недостаточно сильным инерционным воздействием, чем и вызвано использование четырех кривошипов с дебалансами.
Устройство имеет одно положение осей вращения ведущих и ведомых кривошипов - перпендикулярное, что существенно ограничивает функциональный диапазон работы устройства и возможность регулирования инерционного воздействия на объект.
Силовые импульсы передаются только в вертикальном направлении, нет возможности использовать их под углом, что также снижает функциональность работы.
Цель изобретения - упрощение конструкции устройства и повышение эффективности работы при уплотнении грунта.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - график изменения инерционных усилий; на фиг. 3 - схема сил воздействия при наклоне корпуса с дебалансами; на фиг. 4 - фото опытного образца корпуса 6 с передаточными звеньями 2, 3, 4 и дебалансом 5.
Отличительными признаками предложенного устройства по сравнению с прототипом являются:
- существенное упрощение конструкции за счет сокращения количества подвижных звеньев - в предложенном их 3, а у прототипа 10;
2
- геометрические оси шарниров корпуса и шатуна скрещены под углом α, принимающие значения от 30 до 90°, в прототипе только под углом 90°;
2
2
- в разы больше коэффициент δ неравномерности вращения дебалансов: при α=30° диапазон от 2,59 до 27,71: при α=45° диапазон от 1,42 до 4,44; у прототипа диапазон от 0,59 до 1,15 (см. таблицу 1), следовательно, эффект воздействия у прототипа значительно и существенно меньше;
- корпус связан шарнирно с плитой с возможностью поворота на угол β вперед или назад, что дает самопередвижение устройства без усилий оператора, в прототипе корпус со сваей связан жестко;
- силовые импульсы передаются как вертикально, так и наклонно по отношению к плите, у прототипа только вертикально;
1
2
1
2
1
- значения углов скрещивания α и α, l и l и их соотношение , в прототипе l=lsinα;
Указанная цель достигается тем, что на валу электродвигателя 1 (фиг. 1) закреплен один кривошип 2, шарнирно связанный шатуном 3 с ведомым кривошипом 4, с которым жестко связан дебаланс 5.
2
Электродвигатель 1, вал 2' вращения ведущего кривошипа 2 и вал 4' ведомого кривошипа 4 расположены в корпусе 6 под углом скрещивания α.
Особенность кривошипов, шатуна и корпуса - в особом расположении геометрических осей их шарниров, совокупность которых существенно влияет на величину и регулировку в большом диапазоне силы инерции.
1
1
2
2
Так, оси шарниров кривошипов 2 и 4 скрещены (скрещены - значит нигде не пересекаются и не параллельны между собой) под углом α и отстоят на кратчайшем расстоянии l, а оси шарниров шатуна 3 и геометрические оси валов 2' и 4' кривошипов 2 и 4 скрещены под углом α и расположены на кратчайшем расстоянии l. При этом параметры связаны соотношением
1
2
Угол α может принимать значения от 10 до 50°, а угол α - от 30 до 90°. Следует отметить, что кратчайшие расстояния у шарниров кривошипов и корпуса измеряются не по материальному телу, а расположены вне тела.
Корпус 6 связан шарнирно с плитой 7 посредством пальца 8. Корпус 6 вместе с расположенным на нем кривошипом с дебалансом 5 может изменять угол наклона по отношению к плите 7 как вперед, так и назад. Изменение угла осуществляется посредством рычага 9 и тяги 10. Рычаг 9 шарнирно связан с плитой 7 и шарнирно с корпусом 6 тягой 10. Рычаг 9 фиксирует одно из положений корпуса 6 на зубчатом секторе 11 посредством защелки (на схеме не показана).
Для ручного перемещения устройства оно снабжено тягой 12, шарнирно связанной с плитой 7.
Устройство работает следующим образом.
От электродвигателя 1 вращение передается ведущему кривошипу 2, который через шатун 3 вращает ведомый кривошип 4 с дебалансом 5. За счет особого расположения осей шарниров кривошипов 2 и 4, шатуна 3 и осей корпуса 6, ведомый кривошип 4 вместе с дебалансом 5 будут иметь переменную на одном обороте угловую скорость, коэффициент неравномерности вращения которой определяется выражением
max
min
Максимальное ω и минимальное ω значение угловой скорости ведомого кривошипа с дебалансом определяются выражениями
где ω - угловая скорость ведущего кривошипа 2.
При изменении угловой скорости появляется ускорение вращающегося дебаланса 5, равное
где r - расстояние от оси вращения дебаланса до центра его массы;
ω - угловая скорость вращения дебаланса;
γ - угловое ускорение вращения дебаланса.
В результате появляется сила инерции Р, равная Р=m·a (здесь m - масса дебаланса).
В моменты, когда угловая скорость ω вращения дебаланса принимает максимальное и минимальное значения, угловое ускорение равно нулю и максимальное и минимальное значение силы инерции соответственно равны
-1
1
Пример конструктивного воплощения устройства, при принятой массе дебаланса m=10 кг, r=0,1 м, ω=10 с, α=20°, минимальный и максимальный импульсы будут равны:
1
-1
При α=60° и тех же данных m=10 кг, r=0,1 м, ω=10 с импульсы равны
1
1
1
Как видно из примера, с увеличением угла α  значительно увеличивается величина силы инерции, при этом максимальное значение силы при угле α=20° будет в 4,2 раза больше минимального, а при угле α=60° максимальное значение в 192 раза больше минимального значения силы.
max
min
тр
На фиг. 2 обозначено: P, P, F - сила трения плиты о поверхность грунта. Площадь, ограниченная кривой P=f(t) и находящаяся над осью абсцисс (ось времени одного оборота), представляет собой импульс силы в направлении вниз перпендикулярно плоскости плиты, при этом корпус 6 устройства расположен вертикально, т.е. перпендикулярно плоскости плиты.
Площадь кривой P=f(t), находящаяся под осью абсцисс этого графика, представляет собой импульс силы Р в противоположном направлении.
В соответствии с законом сохранения количества движения величины этих импульсов равны, т.е. равны площади над осью и площадью под осью абсцисс. Однако вследствие неравномерности вращения дебаланса амплитуда силы Р вниз существенно превышает амплитуду силы Р в противоположном направлении, чем создается эффективность уплотнения. Это уплотнение будет осуществляться на одном месте под плитой.
вн
вп
Для перемещения устройства вперед необходимо рычаг 9 переместить назад, в результате тяга 10 повернет корпус 6 вместе с дебалансов на некоторый угол β и сила инерции будет направлена под углом β (фиг. 3а). Сила Р разложится на две силы: вниз - Р=Pcosβ и вперед - Р=Psinβ.
вн
вп
вп
тр
Сила Р будет уплотнять грунт, а сила Р будет перемещать устройство вперед без усилия оператора. Ход перемещения будет зависеть от угла β и соотношения сил Р и силы трения F=mgf (f - коэффициент трения).
min
вн
вп
На графике фиг. 2 показана сила трения, которая больше минимальной силы инерции P=Р, движение устройства назад не происходит. Так как сила Р превосходит силу трения, устройство будет перемещаться вперед, одновременно уплотняя грунт.
вп
Для движения назад необходимо рычаг 9 повернуть вперед, тяга 10 повернет корпус 6 вперед, составляющая Р силы инерции (фиг. 3б) будет направлена назад и, соответственно, движение устройства будет назад.
Таким образом, устройство одновременно выполняет уплотнение грунта и перемещение вперед или назад без силового участия оператора. Процесс уплотнения и перемещения устройства осуществляется от одного источника-электродвигателя.
2
На фиг. 4 показано фото опытного образца корпуса с подвижными звеньями 2, 3, 4 и 5, в устройстве угол α равен 45°.
1
2
1
1
2
2
2
Регулирование силового импульса в устройстве можно осуществлять еще на стадии проектирования, т.е. назначения углов скрещивания осей шарниров α и α, от которых зависит коэффициент неравномерности вращения дебалансов. Варианты параметров кривошипов (α, l), определенные по выражению (2), шатуна и корпуса (α, l=200 мм) приведены в таблице 1(l принято равным 200 мм).
2
1
Из таблицы видно, что наибольшее значение коэффициент δ неравномерности вращения дебаланса принимает при угле скрещивания α осей вращения кривошипов (осей корпуса 6) и шатуна, равном 30 и 45°, угол α целесообразен от 20 до 30°.
2
2
Углы скрещивания α=60° и особенно α=90° нежелательны из-за незначительного коэффициента неравномерности вращения и малой эффективности воздействия инерционной силы.
Это убедительное подтверждение существенного недостатка у прототипа, у которого использованы четыре дебаланса вместо одного у предложенного устройства.
Регулировать степень уплотнения можно частотой вращения дебалансов, т.е. изменением частоты вращения вала электродвигателя. Дополнительно можно увеличить эффект уплотнения добавлением сменных дебалансов, а также увеличением веса плиты или ее нагружением дополнительным грузом.