УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАМБОВАНИЯ ГРУНТА
SOIL COMPACTOR

Изобретение относится к строительству, а именно к средствам механизации строительных работ, в частности, к области технических устройств, выполняющих ударное глубинное трамбование грунта, и может быть использовано для изготовления набивных свай, а также для уплотнения грунта и улучшения его структуры в промышленном и гражданском строительстве.
Известны различные устройства для вытрамбовывания котлованов, снабженные тяжелыми падающими трамбовками, например, по а.с. СССР №672287 (1979 г.) [1], а.с. СССР №1141161 (1985 г.) [2]. Кроме того, известно устройство для образования скважин в грунте по а.с. СССР №685764 (1979 г.) [3], включающее базовую машину с мачтой, ударным механизмом и забивным снарядом-штампом; штамп с помощью мачты устанавливается на ось скважины и ударным механизмом погружается в грунт на заданную глубину. Обладая рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными копрами, снабженными тяжелыми падающими трамбовками, оно имеет следующие недостатки.
Передача энергии ударного устройства в грунт происходит за счет жесткого соударения ударного механизма с корпусом штампа. Процесс соударения указанных элементов характеризуется весьма малой длительностью и, вследствие этого, сопровождается возникновением больших по величине динамических нагрузок. В результате, с одной стороны снижается эффективность деформирования грунта, а с другой стороны становится трудноразрешимой задача обеспечения достаточной прочности и надежности штампа. Удовлетворяющий условиям прочности штамп устройства отличается слишком большой собственной массой, что приводит к значительным потерям передаваемой грунту энергии ударного механизма.
Кроме того, рабочий ход бойка сопровождается явлением отдачи, когда корпус ударного механизма совершает ускоренное движение в противоположном рабочему ходу направлении. Это, с одной стороны, приводит к значительной потере накопленной энергии удара, с другой стороны вызывает динамическую нагрузку на базовую машину и нежелательную упругую разгрузку грунта в промежутки времени между ударами.
Известно также устройство ударного действия для вытрамбовывания котлованов под фундаменты по а.с. СССР №926153 (1982 г.) [4], содержащее трубчатый корпус со свободно установленным в нем и посредством автоматического захвата шарнирно связанным с гидравлическим приводом подъема тяжелым бойком, который через шабот ударно воздействует на ограниченно подвижный в корпусе штамп, погружаемый в грунт. Передача энергии бойка грунту здесь также осуществляется через жесткое соударение бойка со штампом, т.е. недостаток, указанный в [3], здесь тоже имеет место.
В качестве прототипа заявителем выбрано наиболее близкое к предлагаемому изобретению по технической сущности устройство, предназначенное для трамбования грунта, по патенту RU №2101491 (1998 г.) [5], в котором устранено жесткое соударение конструктивных элементов устройства. Известное устройство содержит формообразующий корпус, внутри которого с возможностью ограниченного продольного перемещения размещен ударный механизм с выступающим из его нижнего торца рабочим концом поршня-ударника, отличающееся тем, что в нижней части формообразующего корпуса выполнена открытая со стороны ударного механизма камера, заполненная жидкостью, диаметр горловины которой по существу равен диаметру нижнего конца поршня-ударника, периодически входящего в упомянутую камеру во время своего рабочего хода.
Таким образом, известное устройство для трамбования грунта включает формообразующий корпус в виде тонкостенной конической оболочки с заполненной жидкостью камерой в его нижней части, открытой в сторону внутреннего пространства корпуса через горловину заданного диаметра.
Недостаток известного устройства связан с использованием в его конструкции ударного механизма и неизбежного в таком случае явления отдачи, вызывающего дополнительную потерю энергии удара и динамические нагрузки на базовую машину. Т.е. известное устройство характеризуется недостаточной надежностью и эффективностью.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности и эффективности устройства.
Для решения поставленной задачи сущность изобретения состоит в том, что, в отличие от известного устройства, включающего формообразующий корпус в виде тонкостенной конической оболочки с заполненной жидкостью камерой в его нижней части, открытой в сторону внутреннего пространства корпуса через горловину заданного диаметра, согласно изобретению, оболочка формообразующего корпуса выполнена в виде замкнутого герметичного сосуда с неподвижно расположенной (закрепленной) вдоль его оси над упомянутой камерой полой цилиндрической гильзой. На боковой поверхности гильзы в нижней ее части выполнены радиальные отверстия, причем внутренний диаметр упомянутой нижней части больше диаметра горловины. В гильзе как в направляющих подвижно установлен тяжелый с поршневым выступом на верхнем конце цилиндрический боек. Боек совместно с упомянутой гильзой образует в верхней части формообразующего корпуса изолированную полость, снаружи охватывающую упомянутый поршневой выступ, постоянно по своей нижней торцевой поверхности контактирующий с концами входящих в упомянутую полость штоков по меньшей мере двух неподвижно закрепленных в корпусе симметричных и параллельных бойку штоковых гидравлических цилиндров. Изолированные от корпуса герметичные полости этих гидроцилиндров по каналам в их верхних днищах периодически через электрогидравлический распределитель сообщаются либо с напорной либо со сливной гидравлическими линиями, в соответствии с чем упомянутый боек либо перемещается посредством штоков до упора в верхнее днище формообразующего корпуса, либо под действием собственного веса совершает рабочий ход, изолируя в его конце пространство заполненной жидкостью камеры. Таким образом, обеспечивается возможность либо холостого хода бойка посредством штоков до упора в верхнее днище формообразующего корпуса, либо рабочего хода бойка под действием собственного веса, в конце которого пространство заполненной жидкостью камеры нижним концом бойка изолируется от остального пространства формообразующего корпуса.
Кроме того, по образующей линии на боковой поверхности верхней части корпуса устройства расположены по меньшей мере два взаимодействующих с боковой поверхностью поршневого выступа бесконтактных выключателя, по сигналу нижнего из которых при крайнем нижнем положении бойка гидроцилиндры устройства сообщаются с напорной, а по сигналам любого выше расположенного выключателя - со сливной линией гидросистемы.
Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в повышении его надежности и эффективности.
Изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 представлен схематический чертеж устройства по изобретению в продольном размере.
Заявляемое устройство содержит замкнутый герметичный корпус 1, в нижней части которого расположена заполненная жидкостью 2 сферическая камера 3, которая через горловину 4 и радиальные отверстия 5, выполненные в нижней части расположенной по оси корпуса 1 и неподвижно закрепленной в ней полой цилиндрической гильзы 6, сообщается с внутренним пространством корпуса. В гильзе 6 как в направляющих подвижно установлен тяжелый боек 7 с поршневым выступом 8 на верхнем конце. Боек 7 совместно с гильзой 6 в верхней части корпуса 1 образует изолированную полость 9, в которой постоянно размещен поршневой выступ 8 бойка 7.
Нижняя торцевая поверхность поршневого выступа 8 постоянно контактирует с концами входящих в полость 9 штоков 10, которые размещены в гильзах по меньшей мере двух закрепленных в корпусе 1 гидравлических цилиндров 11, расположенных параллельно и симметрично оси гильзы 6. Внутренние полости гидроцилиндров 11 по каналам 12 и гидравлическим линиям 13 через электрогидравлический распределитель 14 сообщаются с напорной 15 или сливной 16 линиями, снабженными гидропневматическими аккумуляторами 17 и 18.
На боковой поверхности изолированной полости 9 размещены бесконтактные выключатели 19, включенные в электрическую сеть (на чертеже не показана) управления электромагнитами 20 и, следовательно, положением золотника в электрогидравлическом распределителе 14. Активные поверхности выключателей взаимодействуют с боковой поверхностью поршневого выступа 8 бойка 7. В нижнем по положению выключателе вырабатывается сигнал, по которому рабочие полости гидроцилиндров сообщаются с напорной линией 15, в результате чего происходит холостой ход или взвод бойка под давлением рабочей жидкости. При взаимодействии с бойком 7 любого из выше расположенных выключателей вырабатывается сигнал, по которому рабочие полости гидроцилиндров 11 соединяются со сливной линией 16, при этом боек 7 совершает рабочий ход под действием собственного веса. Длина рабочего хода и, следовательно, энергия ударного воздействия на грунт зависят от того, какой из выше расположенных выключателей в данный момент включен в электрическую сеть. Таким образом, регулируется энергия трамбования.
Для герметизации изолированных полостей гидроцилиндров 11 и формообразующего корпуса 1 служат пластичные уплотнительные элементы 21.
Устройство работает следующим образом:
В исходном положении формообразующий корпус 1 опирается на поверхность грунтового массива. Боек 7 занимает в гильзе 6 корпуса крайнее нижнее положение, своим буртом упираясь в поперечную диафрагму 22 корпуса. Нижний конец бойка 7 через горловину 4 входит в заполненную жидкостью 2 камеру 3, изолируя ее внутреннее пространство. Электрогидравлический распределитель 14 занимает нейтральное положение «0», гидравлические линии 13, 15 и 16 находятся под давлением слива. Бесконтактные выключатели 19 обесточены. При включении в работу силовой установки базовой машины в напорную линию 15 поступает рабочая жидкость под давлением. При одновременной подаче напряжения на нижний и на любой из выше расположенных выключателей 19, золотник гидрораспределителя 14 по сигналу нижнего выключателя, взаимодействующего в данный момент с поршневым выступом 8, перемещается в положение «1», в результате чего рабочая жидкость из напорной линии 15 через гидрораспределитель 14 по линиям 13 поступает в гидроцилиндры 11. Верхние концы штоков 10 под давлением рабочей жидкости упираются в нижнюю торцевую поверхность поршневого выступа 8 и, преодолевая вес бойка 7, перемещают его в направлении верхнего днища корпуса 1. Происходит холостой ход бойка. При этом объем воздушного пространства в изолированной полости 9 уменьшается и давление воздуха в ней повышается. В то же время объем остального пространства внутри корпуса 1 увеличивается и там наблюдается некоторое снижение давления воздуха. Кроме того, при холостом ходе бойка поступающая в гидроцилиндры 11 жидкость оказывает силовое воздействие на корпус 1, вызывая статическое сжатие находящегося под корпусом грунта, что улучшает условия ударного трамбования. При холостом ходе бойка горловина 4 сферической камеры 3 открыта, и жидкость из корпуса 1 по отверстиям 5 перетекает в освобождающийся под нижним торцем бойка 7 объем, обеспечивая заполнение камеры 3.
Холостой ход бойка продолжается до тех пор, пока боковая поверхность его поршневого выступа не перекроет активную поверхность включенного в данный момент в сеть одного из бесконтактных выключателей 19. При этом формируется управляющий сигнал, вызывающий перемещение золотника гидрораспределителя 14 из позиции «1» в позицию «2». В результате полости гидроцилиндров 11 изолируются от напорной линии 15 и по гидравлическим линиям 13 через гидрораспределитель 14 соединяются со сливной линией 16. Давление жидкости в гидроцилиндрах 11 резко уменьшается, и боек 7 под действием собственного веса, а также за счет силы, вызванной перепадом давления воздуха, на его нижнем и верхнем торцах, совместно со штоками 10 совершает ускоренное движение к поверхности грунта. Происходит рабочий ход. При этом потенциальная энергия поднятой на заданную высоту массы и энергия упругосжатого газа преобразуются в кинетическую энергию движения бойка 7.
В конце рабочего хода нижний конец бойка с заданной скоростью входит в горловину 4 и изолирует внутренне пространство камеры 3. Заполняющая камеру 3 жидкость упруго сжимается, за счет чего в камере резко повышается гидростатическое давление. При этом как на корпус 1, так и на боек 7 действует весьма значительная по величине осевая сила, под действием которой корпус 1 приходит в движение, внедряясь в трамбуемый грунт, а боек 7 замедляется и его скорость относительно корпуса 1 становится равной нулю. Одновременно штоки 10 в конце рабочего хода входят в расположенные в нижней части гидроцилиндров 11 тормозные камеры и останавливаются.
Энергия совместного движения бойка и корпуса в последующем расходуется на преодоление сил сопротивления и на пластическую деформацию грунта. Поэтому на определенном пути скорость их движения снижается до нуля. На этом рабочий ход прекращается. В этот момент боек 7 занимает крайнее нижнее положение в корпусе и боковая поверхность его поршневого выступа 8 перекрывает активную поверхность включенного в электрическую сеть нижнего по положению бесконтактного выключателя. Вследствие этого вырабатывается управляющий сигнал, переключающий гидрораспределитель 14 из положения «2» в положение «1». В результате жидкость под давлением снова поступает в штоковые гидроцилиндры 11 и начинается очередной холостой ход. Далее работа устройства повторяется вышеописанным образом.
Степень внедрения формообразующего корпуса 1 в грунт при заданной энергии удара зависит от физико-механических свойств грунта и сил трения, распределенных по поверхности формообразующего корпуса, 8 начальный момент сопротивление грунта трамбованию сравнительно невелико, но по мере углубления непрерывно возрастает. Чтобы обеспечить стабильность параметров технологического процесса трамбования, предусмотрено ступенчатое регулирование энергии ударов в зависимости от глубины внедрения корпуса в грунт. Регулирование осуществляется путем изменения высоты подъема бойка при холостом ходе. Это достигается благодаря установке на разных высотах нескольких выборочно включаемых в электрическую сеть управления бесконтактных выключателей, по сигналу которых гидравлическая система устройства переключается с холостого на рабочий ход.
После погружения формообразующего корпуса в грунт на полную глубину с помощью специального манипулятора посредством проушин (на чертеже не показаны), закрепленных на боковой поверхности в верхней части корпуса, упомянутый корпус извлекается на дневную поверхность.
При замене ударного механизма тяжелым бойком, подвижно размещенным по оси формообразующего корпуса, по существу устраняется явление отдачи, сопровождающее рабочий ход ударного механизма. Благодаря этому отсутствует приложенная к корпусу направленная в сторону от грунта осевая динамическая нагрузка, вызывающая непроизводительные потери накопленной при холостом ходе энергии.
При размещении гидравлических цилиндров подъема бойка внутри формообразующего корпуса на корпус устройства при холостом ходе действует значительная по величине осевая сила, статически сжимающая трамбуемый грунт. Благодаря этому предотвращается возможность упругой разгрузки грунта в промежутки времени между ударами, что способствует более полному использованию энергии удара.
Наличие герметичной полости, охватывающей верхний конец бойка, и герметичность остального объема формообразующего корпуса способствует тому, что при холостом ходе в упомянутой полости происходит сжатие, а в остальном пространстве - разряжение воздуха. Возникающий вследствие этого перепад давления воздуха между концами бойка способствует накоплению дополнительной энергии удара.
Кроме того, благодаря применению нескольких выборочно включаемых в электрическую сеть и расположенных на разных высотах бесконтактных выключателей, взаимодействующих с поршневым выступом бойка, достигается более экономичное использование энергии силовой установки базовой машины.
Таким образом, применение изобретения позволит существенно повысить надежность и эффективность работы устройства для трамбования грунта, увеличить производительность, а также улучшить условия труда и техники безопасности.