ВИБРОПОГРУЖАТЕЛЬ С ИЗМЕНЯЕМЫМ РАССТОЯНИЕМ МЕЖДУ ОСЯМИ ДЕБАЛАНСОВ
VIBRATORY PILE DRIVER WITH CHANGEABLE DISTANCE BETWEEN AXES OF MISBALANCES

Изобретение относится к строительной технике, а именно к устройству, предназначенному для крепления к забиваемому объекту, погружаемому в грунт легкой и средней твердости или извлекаемому из грунта путем создания вибрации. Вибропогружатели сообщают погружаемым (или извлекаемым) в грунт элементам (свае, шпунту, трубе) направленные вдоль их оси колебания, благодаря чему снижается коэффициент трения между грунтом и поверхностью внедряемого (извлекаемого) элемента.
Из уровня техники известна машина для погружения свай или свайных фундаментов под опоры контактной сети, содержащая рабочий орган, выполненный в виде сменного оборудования, закрепленный на подвижной каретке, размещенной на опорно-поворотном устройстве. Рабочий орган выполнен в виде вибропогружателя с устройством захвата, обеспечивающим боковое зажатие свай или свайных фундаментов. Вибропогружатель содержит вибратор с направляющей, устройство захвата, в котором установлены четыре гидроцилиндра, штоки которых жестко соединены с клиньями, взаимодействующими с зажимными сухарями. Кроме того, зажимные сухари выполнены со сменными губками (RU 39614, 10.08.2004).
Известен вибропогружатель, содержащий зажимной элемент для зажатия им погружного или извлекаемого элемента, причем зажимной элемент состоит из двух частей, выполненных с возможностью изменения расстояния между ними, соединенных между собой гидроцилиндром, создающим усилие зажима погружаемого или извлекаемого элемента (DE 2654995, 08.06.1978).
Наиболее близким аналогом является вибропогружатель для погружения свай, включающий вибровозбудитель с дебалансными валами, присоединенный к рабочему органу посредством шарнира, расположенного на равном расстоянии от дебалансных валов, с целью повышения надежности работы за счет обеспечения устойчивой самосинхронизации, шарнир расположен в центре тяжести вибровозбудителя параллельно дебалансным валам (RU 1150306, 15.04.1985).
В известных вибровозбудителях зажимное устройство для обрабатываемого элемента выполнено в виде отдельной от корпуса вибропогружателя детали. Недостатками известных устройств, в том числе и наиболее близкого аналога, является то, что известные устройства обладают высокой массой, причем при использовании таких вибропогружателей не обеспечивается высокая скорость извлечения или погружения элемента.
Задачей изобретения является разработка вибропогружателя, обеспечивающего эффективную вибрационную обработку погружаемого или извлекаемого элемента.
В настоящем изобретении предлагается исключить из традиционной конструкции вибропогружателя зажимное устройство, выполненное как отдельный элемент, передав функции зажимного устройства составному корпусу вибропогружателя. При этом в предлагаемой конструкции используется принцип самосинхронизации дебалансов вибропогружателя. Этот принцип самосинхронизации подразумевает наличие у каждого дебаланса отдельного приводного мотора и отсутствие механической связи между отдельными дебалансами через шестерни, цепи или ремни. Принцип самосинхронизации позволяет поместить каждый дебаланс в отдельную часть составного корпуса (виброблока) и использовать два виброблока в качестве опоры для зажима погружаемого элемента.
Техническим результатом заявленного решения является повышение скорости погружения или извлечения элемента, что достигается за счет повышения амплитуды колебаний, передаваемых погружаемому или извлекаемому элементу, при одновременном расширении функциональных возможностей, заключающихся в обеспечении возможности обработки элементов с различными габаритами.
Технический результат достигается за счет выполнения вибропогружателя, содержащего два виброблока, шарнирно соединенные с противоположными концами гидроцилиндра с возможностью изменения углового и/или линейного расстояния между виброблоками, причем каждый виброблок содержит закрепленный на нем вал с дебалансом, привод и гидромотор, соединенные с дебалансом, и зажимную губку, а дебалансы выполнены с возможностью их синхронного вращения в противоположные стороны.
При выполнении виброблоков с одинаковой массой обеспечивается равномерность вибрации, передаваемой на элемент, при эксплуатации вибропогружателя. Дебалансы могут быть установлены на валах симметрично относительно друг друга и выполнены с одинаковой массой.
Дебалансы могут быть симметрично закреплены на виброблоках друг относительно друга.
По меньшей мере части виброблоков дополнительно могут быть шарнирно соединены друг с другом.
Вибропогружатель может содержать дополнительный гидроцилиндр, шарнирно соединенный с двумя виброблоками.
Таким образом, корпус вибропогружателя выполнен составным, состоящим из двух частей (виброблоков), соединенных между собой посредством шарнирного соединения с гидроцилиндром (т.е. каждый из которых шарнирно соединен с противоположными концами одного гидроцилиндра) с возможностью зажатия между составными частями вибропогружателя обрабатываемого элемента, т.е. функцию зажимного устройства для обрабатываемого элемента выполняет корпус вибропогружателя. Такая конструкция позволяет отказаться от дополнительного отдельного элемента конструкции вибропогружателя - зажима - и использовать погружаемый элемент в качестве опоры для двух независимых частей корпуса (виброблоков) с независимыми дебалансами. Основное отличие конструкции от ранее известных - отсутствие единого жесткого корпуса с двумя дебалансами с закрепленными осями вращения. Вибропогружатель состоит из двух независимых корпусов, каждый из которых содержит закрепленный дебаланс. Обе части составного корпуса (виброблоки), соединенные между собой, фиксируют погружаемый элемент. За счет этого достигается уменьшение общей массы устройства, что обеспечивает увеличение амплитуды колебаний вибропогружателя при погружении или извлечении элемента, в результате чего скорость погружения или извлечения элемента увеличивается.
Дополнительным преимуществом является возможность устанавливать вибропогружатель на элементы различной формы с различными габаритами (плоские или объемные, например, труба, свая) за счет выполнения подвижного соединения между его частями (двумя виброблоками) с возможностью изменения углового и/или линейного расстояния между ними, что приводит к отсутствию необходимости для каждого типа обрабатываемых элементов использовать свой вибропогружатель, что обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства.
Амплитуда колебаний системы (А) является основной характеристикой, влияющей на процесс погружения или извлечения элемента. Это описывается формулой:
,
где mr - статический момент дебалансов;
1
M - масса вибровозбудителя;
2
M - масса зажимного устройства;
3
M - масса погружаемого элемента.
Из вышеприведенной формулы следует, что при постоянном статическом моменте дебалансов амплитуду можно увеличить при уменьшении общего веса колеблющейся системы.
Величина наименьшей амплитуды, при которой может происходить процесс вибропогружения (а), равна 3 мм. При меньшей амплитуде процесс вибропогружения не происходит, так как размах колебаний недостаточен для разрыва сцепления поверхности погружаемого элемента с грунтом.
При этом если сила трения будет меньше центробежной силы, создаваемой вибропогружателем, процесс передачи вибрации от вибропогружателя к элементу прекратится. Таким образом, скомпенсированная работа всех элементов вибропогружателя является необходимым условием работы по погружению или извлечению элементов вибрационным методом, что обеспечивается заявленной конструкцией.
За счет подвижного соединения между двумя виброблоками с зажимными губками, соединенными гидроцилиндром, обеспечивается возможность надежного зажатия погружаемого/извлекаемого элемента (т.е. его жесткой фиксации) при одновременном создании необходимого усилия зажима такого элемента. За счет выполнения вибропогружателя с двумя независимыми дебалансами, которые расположены с двух сторон от погружаемого/извлекаемого элемента, обеспечивается возможность равномерной передачи вибрации зажатому элементу с обеих сторон, что повышает эффективность обработки.
Далее решение поясняется ссылками на чертежи,, на которых изображено следующее.
Фиг. 1 - вибропогружатель, известный из наиболее близкого аналога RU 1150306;
Фиг. 2 - заявленный вибропогружатель с угловым расстоянием между осями дебалансов, погружаемый (извлекаемый) элемент не зажат, дебалансы не вращаются;
Фиг. 3 - заявленный вибропогружатель с наименьшим угловым расстоянием между осями дебалансов, погружаемый (извлекаемый) элемент зажат, дебалансы вращаются в противоположных направлениях;
Фиг. 4 - заявленный вибропогружатель с двумя гидроцилиндрами;
Фиг. 5 - частный пример 1 (сравнительный) выполнения вибропогружателя;
Фиг. 6 - частный пример 2 выполнения заявленного вибропогружателя;
Фиг. 7 - заявленный вибропогружатель с зажатым за верхний конец элементом;
Фиг. 8 - заявленный вибропогружатель с зажатым за боковую поверхность элементом.
Вибропогружатель, известный из наиболее близкого аналога (фиг. 1), состоит из вибровозбудителя (1), зажимного устройства (2) для зажатия погружаемого элемента (3) и двух дебалансов (4). При эксплуатации вибропогружателя (фиг. 1) возникает возмущающая сила, приводящая к возникновению колебаний. При эксплуатации устройства зажимное устройство (2) передает вибрации от вибровозбудителя (1) к погружаемому элементу (3) за счет силы трения, создаваемой зажимным устройством (2), и связывающим между собой вибровозбудитель (1) и погружаемый элемент (3).
Заявленный вибропогружатель, согласно настоящему изобретению (фиг. 2-8), выполнен в виде зажимного элемента, содержащего две части корпуса (два виброблока), соединенные между собой по меньшей мере одним гидроцилиндром (5), причем каждый виброблок содержит закрепленный на нем дебаланс (6) и (7), свой собственный привод (8) от своего гидромотора и зажимные губки (9) и (10) (устройства захвата) для бокового зажатия элемента (11) при изменении расстояния между виброблоками, а дебалансы (6) и (7) выполнены с возможностью их синхронного вращения в противоположные стороны. Причем оси вращения дебалансов выполнены с возможностью перемещения одна относительно другой.
В частном случае реализации изобретения вибропогружатель содержит один гидроцилиндр, при этом может изменяться угловое расстояние между осями вращения дебалансов (фиг. 2-3).
В другом частном случае реализации изобретения заявленный вибропогружатель содержит два гидроцилиндра (5) и (12), при этом может изменяться линейное расстояние между осями вращения дебалансов (фиг. 4).
Вибропогружатель с изменяемым расстоянием между осями дебалансов позволяет при помощи одного гидроцилиндра осуществлять зажим элемента как за верхнюю поверхность (Фиг. 7), так и за боковую поверхность (фиг.8).
Вибропогружатель используют следующим образом.
Погружаемый/извлекаемый элемент зажимают между губками (9), (10) виброблоков. При этом при размещении элемента между губками изменяют угловое расстояние A3, А4 между осями дебалансов (6) и (7) за счет перемещения виброблоков линейно (фиг. 4) или по дуге окружности (фиг. 2-3).
Когда элемент не зажат между губками (расстояние между губками и элементом В3>0), угловые скорости дебалансов w3 равны нулю, линейные скорости дебалансов при этом v3 больше нуля (фиг. 2).
При установке элемента между губками (расстояние между губками и элементом В4=0) и при осуществлении его обработки угловые скорости дебалансов w4 больше нуля, линейные скорости дебалансов v4 равны нулю (фиг. 3). Суммарное усилие гидроцилиндров должно быть больше максимальной центробежной силы, развиваемой дебалансами (6) и (7), что обеспечивает передачу вибрации от дебалансов к элементу и взаимную компенсацию горизонтальной составляющей центробежной сил дебаланса (6) и дебаланса (7). Дебалансы приводят во вращение двумя электродвигателями через ременную, цепную или зубчатую передачи.
Вибрационное усилие от каждого из двух частей корпуса (виброблоков) передается погружаемому элементу. Горизонтальные составляющие возмущающей силы взаимно компенсируются. Оставшаяся вертикальная составляющая возмущающей силы обеспечивает создание направленных колебаний. Заставляя удерживаемый между виброблоками элемент совершать направленные колебания, такая конструкция позволяет использовать погружаемый элемент в качестве опоры для двух независимых корпусов (виброблоков) с дебалансами.
Пример 1
В качестве примеров рассмотрим два вибропогружателя с одинаковыми основными характеристиками.
Вибропогружатель 1 (фиг. 5, конструкция совпадает с вибропогружателем из наиболее близкого аналога RU 1150306) с фиксированными осями вращения дебалансов, установленными в жестком корпусе, и гидравлическим зажимом с перемещаемой гидроцилиндром зажимной губкой). Вибропогружатель содержит вилку (13) амортизатор (14), вибратор (15), боковой зажим (16) и нижний зажим (17).
Заявленный вибропогружатель 2 выполнен с изменяемым расстоянием между осями вращения дебалансов (фиг. 6).
Основные характеристики исследуемых вибропогружателей 1 и 2 представлены в таблице 1.
При работе вибропогружатель 1 с зажатым погружаемым элементом развивает амплитуду колебаний, равную 6,45 мм.
При работе вибропогружатель 2 с зажатым погружаемым элементом развивает амплитуду колебаний, равную 7,15 мм.
За счет разницы амплитуды максимальная глубина погружения элемента в один и тот же грунт с показателем текучести 0,5 для вибропогружателя 1 составит 10 метров, а для вибропогружателя 2-12 метров.
Таким образом, конструкция предлагаемого вибропогружателя 2 с изменяемым расстоянием между осями вращения дебалансов обладает более высокими основными характеристиками, а именно существенно большей амплитудой и, как следствие, существенно большей глубиной погружения или извлечения элементов. При этом именно глубина погружения или извлечения элементов является самым основным назначением таких строительных машин, как вибропогружатель.
Важным следствием увеличения амплитуды колебаний системы является увеличение скорости погружения и извлечения элемента.
На основании проведенных исследований была предложена следующая формула скорости погружения элемента вибропогружателем:
,
где V - скорость погружения элемента, м/мин;
А - амплитуда (размах) колебаний вибросистемы, мм;
k1 - показатель степени, равный 1,1;
a - постоянная величина (наименьшая амплитуда), принятая равной 3 мм;
n - число оборотов дебалансов в минуту;
k2 - показатель степени, равный 1;
I - показатель текучести грунта;
k3-показатель степени, равный 1,2;
Н - глубина погружения, м;
k4 - показатель степени, равный -0,95.
Например, для показателя текучести грунта I=0,5, и количества оборотов дебалансов n=1920 были получены следующие величины (см. таблицу 2).
Как видно из приведенной таблицы 2, вибропогружатель 2 с большей амплитудой погружает быстрее в 1,22 раза.
Таким образом, предложенная конструкция вибропогружателя с независимыми дебалансами обеспечивает более эффективное и быстрое погружение элемента в грунты и извлечение из них.