Вибропогружатели и вибромолоты

Вибрационные машины для погружения в грунт свай, труб,, шпунта и других элементов и для извлечения этих элементов при­нято подразделять на безударные вибрационные, которые называют вибропогружателями, и ударно-вибрационные, которые называют вибромолотами. Следует, однако, иметь в виду, что во многих слу­чаях при работе вибропогружателей осуществляется ударный про­цесс — периодические удары торца сваи о расположенный под ним грунт. При работе вибромолотов такие удары не происходят* а имеют место удары вибромолота по наковальне наголовника, на­ходящегося в контакте со сваей.

Вибропогружатель жестко связан со сваей и сообщает ей коле­бательное движение. Обычно это прямолинейная вибрация вдоль линии погружения, но иногда при погружении элементов круглого сечения (труб, свай-оболочек) кроме прямолинейной вибрации эле­менту сообщается также угловая вибрация— колебательные пово­роты относительно оси круговой симметрии.

Силу, которую необходимо преодолевать при погружении, при­нято делить на боковое сопротивление, приложенное к боковой по­верхности погружаемого элемента, и лобовое сопротивление, прило­женное к нижней торцовой поверхности элемента. При извлечении надо преодолевать только боковое сопротивление. Доля лобового сопротивления мала при погружении шпунта и других элементов с малой площадью поперечного сечения, в том числе труб и оболо­чек, если по мере погружения из них извлекают грунт. При погру­жении недлинных свай с большой площадью поперечного сечения лобовое сопротивление преобладает над боковым. По мере погру­жения сила сопротивления грунта в общем случае возрастает, при­чем растет как боковое, так и лобовое сопротивление. Бывают ис­ключения, когда нижний конец сваи встречает слой грунта, оказы­вающего значительно меньшее сопротивление погружению сваи, чем? вышележащие слои.

Физическая картина вибрационного погружения сваи в грунт сложна и недостаточно изучена. Как отмечено в разделе 12, сила сопротивления грунта имеет упругую, инерционную и диссипатив­ную составляющие. Диссипативная составляющая сопротивления погружению обязательно включает значительную по своей доле пластическую составляющую (трение боковых поверхностей и соп­ротивление продавливанию грунта нижним торцом сваи). Для того» чтобы погружение осуществлялось, амплитуда вибрации сваи дол­жна быть больше предела упругих деформаций грунта, в результа­те чего возникнет колебательное проскальзывание боковой поверх­ности сваи относительно грунта и, возможно, взаимное проскаль­
зывание близлежащих частиц и слоев грунта. Такое же проскаль­зывание частиц и слоев грунта происходит под нижним торцом сваи.

Указанные скользящие движения приводят к рассмотренным в разделе 4 эффектам снижения сопротивления действию сравни­тельно небольшой постоянной силы. Этой постоянной силой явля­ется вес сваи вместе с вибропогружателем, а нередко и дополни­тельная пригрузка. При определенной интенсивности вибрации ука­занные эффекты оказываются достаточными для погружения сваи. По мере погружения сопротивления растут, а амплитуда вибрации снижается. Поэтому имеется предельный глубина погружения сваи, которая зависит от параметров вибровозбудителя, массы колеблющихся элементов, размера дополнительной пригрузки, величины и формы поперечного сечения сваи, свойств грунта.

Картина погруже­ния сложнее этой схе­мы, так как, во-первых, довольно часто торец сваи отрывается от грунта и периодически ударяет по нему, так что внедрение осу­ществляется не только действием небольшой постоянной силы, но более значительной ударной силой (однако постоянная сила обяза­тельно должна присут­ствовать) . Во-вторых, при погружении длин­ных свай или труб не­обходимо учитывать их деформации и волно­вые явления.

Вибропогружатели, работающие с частотой от 300 до 500 кол/мин, предназначены для погружения сравнительно тяжелых элементов со значительным поперечным сечением, а работающие с частотой от 700 до 1500 кол/мин — для погружения сравнительно легких эле­ментов с небольшим поперечным сечением.

Схема вибропогружателя без пригрузки с вынесенным электро­двигателем 1 приведена на рис. 90, а. Двигатель приводит во вра­щение дебалансы вибровозбудителя 2 направленного действия, сое­диненного с наголовником 3, который жестко связан со сваей. Мо­гут предусматриваться дополнительные грузы 4, жестко связанные с корпусом вибровозбудителя. Конструкция таких машин довольно проста, но они имеют недостатки. Как было сказано, погружающая способность вибровозбудителя увеличивается как с ростом посто­янной силы давления на сваю, так и с ростом размаха вибрации

сваи. Здесь же при возрастании веса (а значит, и массы) системы падает размах вибрации сваи. Это следует, в частности, из форму­лы (27) раздела 2. *

Более совершенны в этом отношении вибропогружатели с без­ынерционной подрессоренной пригрузкой (рис. 90,6). Здесь, как и в предыдущем случае, вибровозбудитель 1 с наголовником 2 жест­ко соединен со сваей, но электродвигатель 4 с пригрузочными пли­тами 3 отделен от вибровозбудителя виброизолирующими пружи­нами малой жесткости. У таких машин увеличение массы пригру- зочных плит в гораздо меньшей степени сказывается на размахе вибрации сваи.

Преимущество второй конструктивной схемы перед первой практически исчезает в двух случаях: у тяжелых и мощных вибро­погружателей низкой частоты, не нуждающихся в пригружении и работающих в режиме сильных ударов торца погружаемого элемен­та о грунт, и в случае использования канатной пригрузки сваи от лебедки копровой установки. Масса тяжелых вибропогружателей
лежит в пределах от 2 до 15 т, статический момент массы дебалан­сов— от 40 до 1000 кг-м, частота —от 500 до 250 кол/мин, мощ­ность электродвигателя — от 20 до 150 кВт.

Общий вид вибропогружателя с подрессоренной пригрузкой при — зеден на рис. 91. Корпус вибровозбудителя 1 соединен со шпунто­вым наголовником 2. Пригрузочная плита 3 с электродвигателем 4 установлена на виброизолирующих пружинах 5. Вращение от дви­гателя сообщается дебалансным валам трансмиссией, состоящей из цепной 6 и конической зубчатой 7 передач. Шарнир коромысла под­вески расположен близко к центру тяжести машины. Поэтому маши­ну легко поворачивать в горизонтальное положение для присоедине-

Рис. 92

ния наголовника к шпунтине, подлежащей последующему погруже­нию. Масса таких вибропогружателей лежит в пределах от 0,15 до

2,2 т, статический момент массы дебалансов — от 0,6 до 10 кг-м, частота—от 1800 до 1200 кол/мин, мощность электродвигателя — от 4 до 40 кВт.

В отличие от рассмотренных машин вибропогружатель, приве­денный на рис. 92, имеет встроенные двигатели. В стальной корпус 1 запрессованы статоры 2 двух двухскоростных асинхронных элект­родвигателей. Короткозамкнутые роторы насажены на валы 3, а на консольных концах валов расположены дебалансы 4, к которым в случае необходимости прикрепляются дополнительные части 5. Дебалансные валы вращаются в подшипниках 6. Фланец 7 служит для прикрепления к наголовнику. Машина предназначена для по­гружения шпунта, труб и железобетонных свай. Ее масса около 4 т. Благодаря двухскоростным двигателям частота может составлять 485 и 970 кол/мин. Статический момент массы дебалансов в первом случае 62 кг-м, а во втором 38 кг-м, мощность двигателей соответ­ственно 25 и 40 кВт.

Рассмотренные вибропогружатели сообщают погружаемому элементу продольно направленную прямолинейную вибрацию. Как отмечено выше, известны машины, которые кроме такой вибрации сообщают погружаемым элементам круглого сечения угловую виб­рацию относительно оси круговой симметрии. Такое сочетание ко­лебаний может облегчать процесс погружения. Генерировать такие колебания можно, используя схемы на рис. 43, п, р, или схемы, при­веденные на рис. 93.

Рис. 93

На рис. 93, а дебалансы 1, находящиеся в разных плоскостях, вращаются синхронно (благодаря зубчатой передаче 2) в противо­положных направлениях. Привод осуществляется от вынесенного электродвигателя 3. На рис. 93,6 синхронно вращающиеся в про­тивоположные стороны дебалансы 1 расположены соосно. Они полу­чают вращение через коническую зубчатую передачу 2 от фланце­вого электродвигателя 3 с вертикальным валом. Для более мощных вибропогружателей можно применять схему с четырьмя дебалан­сами 1 (рис. 93, в) или большим их количеством. Имеется ряд электродвигателей 3 и синхронизирующая зубчатая передача 2. Каждая пара дебалансов, расположенных на параллельных валах, действует, как показано на рис. 93, а.

Аналитический расчет вибрационного погружения даже при да­леко идущей схематизации процесса — дело достаточно трудное. Одна из простейших динамических моделей, отражающая основные особенности процесса вибрационного погружения, представлена на рис. 94, а. Свая 1, рассматриваемая как абсолютно твердое тело, зажата между колодками 2, которые подвешены на пружинах 3. Между сваей и колодками действует сила сухого трения, абсолют­ная величина которой равна QV Так моделируется боковое сопро­
тивление, а лобовое сопротивление моделируется пружиной 4, рас­положенной под торцом сваи и опирающейся на пробку 5, причем между пробкой и направляющими развивается сила трения, абсо­лютная величина которой равна Q°2.

На рис. 94,6 сверху изображена осциллограмма перемещения сваи под действием гармонической вынуждающей силы F(t). По­середине изображена зависимость бокового сопротивления Qt от перемещения сваи х, а внизу — зависимость лобового сопротивле­ния Qz от х. Пружина 4 работает только на сжатие. Ноэтому на ос­циллограмме следует отметить интервалы перемещения между мо­ментами времени ti и tz, а также между is и f4 и т. д., когда лобовое сопротивление равно нулю.

Поскольку даже при столь упрощенной схематизации аналити­ческое решение задачи погружения достаточно сложно, а надеж­ные значения необходимых параметров грунта, как правило, отсут­ствуют, можно пользоваться упрощенной методикой определения основных параметров вибропогружателя. Эта методика основана на линеаризации дифференциального уравнения колебаний вибропо­гружателя со сваей и использовании критерия максимальной мощ­ности, определяемого формулой (23) раздела 15.

Линеаризованное дифференциальное уравнение колебаний вибропогружателя со сваей можно записать следующим образом (см. разделы 2 и 5):

mdtxldt2 — f — bdxjdt — f — cx = іщгш’1 соз ші, (1)

где x — координата сваи, отсчитываемая от среднего положения при колебаниях, t — время, т — масса колеблющихся частей, при­веденная к свае, Ь — линеаризованный коэффициент диссипатив­ного сопротивления, с — линеаризованный коэффициент жесткости грунта, со — угловая частота вынужденных колебаний, т0г — стати­ческий момент массы дебалансов.

Воспользовавшись безразмерными переменными (41) раздела 2

TOC o "1-5" h z ■z—tyс! т, I — mx/m0r, (2)

приведем уравнение (1) к виду

5 + 2{Н + І = cos ут, (3)

где в соответствии с равенствами (7), (14) и (35) раздела 2

Р = Ы2Утс, у = со Уmjс. (4)

Амплитуда безразмерного перемещения в соответствии с фор­мулой (42) раздела 2

— т2/ yo^WTWf, (5)

а амплитуда безразмерной скорости

I = Т3/) (1 — Т2)2 "Г 432у2. (6)

Максимальная мощность, которая может быть развита вибро­возбудителем и представлена выражением (23) раздела 15, в дан­ном случае определяется равенством

Мтах = (т0г)2о>5/4 | с — тси2 | . (7)

Как отмечено в разделе 15, этот максимум достигается при зна­чении коэффициента сопротивления

bm = [ с — тшг | /ш. (8)

В начале погружения коэффициент сопротивления может быть значительно меньше определяемого равенством (8), а в конце по­гружения— значительно больше. Но в процессе погружения сваи велика вероятность достижения этого значения. Поэтому мощность двигателей следует устанавливать на основании формулы (7).

Учтя зависимость (4), можем вместо равенств (7) и (8) запи­сать:

Л’шах = (/л0г)2ш3у2/4т | 1 — у2 | , (9)

Чем ближе у к единице, тем больше максимальная мощность. По­скольку при вибрационном погружении у всегда больше двух, при­мем с некоторым запасом

Т = 2. (И>

Тогда из выражений (5), (6), (9) и (10) получаем:

3„ = 3/4, = 2 /2/3, ka = 4 у 2/3, (12)

Л/ах = (m0r)2o)3/3/n.

Для прикидочного расчета основных параметров вибропогру­жателя следует задать приближенное значение массы вибрирующих частей т (вибропогружателя со сваей), минимальную амплитуду перемещения ха сваи, обеспечивающую проскальзывание сваи в данном грунте при данных условиях, и минимальную амплитуду скорости ха, обеспечивающую требуемое снижение сопротивления действию постоянной силы (силы тяжести mg и пригрузки). Под­лежащими определению параметрами являются статический мо­мент массы дебалансов тйг, угловая частота колебаний ю и тре­буемая мощность N. На основании равенств (12) эти значения лег­ко получаются из записанных ранее выражений:

TOC o "1-5" h z mQr = 1,06тха, (13)

m = xjxa, (14}

N = 0,ШтхІІха. (15}

Мощность двигателя назначается с учетом равенства (15) и всех потерь. После этого уточняется суммарная масса т и, если не­обходимо, производится пересчет по формулам (13) — (15).

Вибропогружатели оказываются эффективными только при по­гружении элементов в грунты, оказывающие слабое сопротивление. Вибромолоты могут обеспечивать погружение в несколько более сопротивляющиеся грунты. Для погружения в еще более крепкие грунты применяют ударные машины: дизельные и паровоздушные молоты.

Известен ряд схем вибромолотов. Некоторые из них изображе­ны на рис. 95. На рис. 95, а вибровозбудитель направленного дей­ствия 1 свободно лежит на верхнем торце сваи 2, подпрыгивает под действием вынуждающей силы и, падая, сообщает свае ударные импульсы. Эта схема аналогична трамбовке на рис. 87, а. Наибо­лее распространена схема, показанная на рис. 95, б, где вибровоз­будитель связан с наголовником 4 пружинами 3, жесткость которых подбирается из условий осуществления одного из резонансов, воз­можных в этой системе.

На рис. 95, в представлен вибровозбудитель кругового дейст­вия. При большой поперечной податливости пружин эта схема мало отличается от схемы на рис. 95,6. Схемы на рис. 95, г, д отличают­ся соответственно от схем на рис. 95, а, б наличием пригрузочных плит 5, расположенных на податливых пружинах 6. В схемах на Рис. 95, е, ж в отличие от предыдущих удары наносятся не вибро­

возбудителем, а дополнительной болванкой 7, причем вводятся до — | полнительные пружины 3′. Это освобождает вибровозбудитель от | ударных нагрузок, но осложняет конструкцию и утяжеляет машину. і

Рис. 95

На рис. 96 показан общий вид вибромолота, выполненного по схеме рис. 95т б. Двухвальный дебалансный вибровозбудитель 1 со встроенными асинхронными электродвигателями соединен с наго­ловником 2 пружинами 3. Путем завинчивания или отвинчивания гаек стяжных шпилек пружин можно уменьшать или увеличивать начальный зазор или натяг между бойком вибровозбудителя и на­ковальней наголовника, регулируя таким образом режим работы вибромолота. По своей конструкции вибровозбудитель подобен по­казанному на рис. 92, но отличается наличием односкоростного двигателя и отсутствием-добавочных элементов дебалансов. Справа на рисунке показан шкаф 4 с пусковым устройством, амперметром и пультом управления.

Масса вибромолотов лежит в пределах от 0,05 до 6 т, статиче­ский момент массы дебалансов — от 0,25 до 30 кг-м, частота вы — ; нуждающей силы — от 680 до 1500 кол/мин, частота ударов — от I

450 до 1500 уд/мин, энергия одного удара —от 0,12 до 17 кДж. Пределы массы машины и энергии одного удара различаются бо­лее чем в 100 раз. Самые малые машины предназначены для по­гружения на небольшую глубину иглофильтров, электродов зазем­ления и т. п. тонких и легких элементов, а самые большие — для погружения тяжелого стального шпунта и железобетонных свай.

Ударная скорость вибромолотов не превышает 2 м/с. При более высокой ударной скорости резко снижается долговечность встроен­ных электродвигателей, а также подшипников дебалансных валов. Несмотря на ряд специально принимаемых мер (см. раздел 15), эти узлы остаются наиболее слабыми. Жесткие пределы эффек­тивности вибромолотов обусловлены также ограниченной удель­ной мощностью электродвигателей (мощностью, приходящейся на единицу их массы) и ограниченной выносливостью стальных пру­жин. При увеличении размеров машины эти ограничения становятся

все более значительными.

а)

Рис. 97

Как указано в разделе 3, удар­но-вибрационные системы могут иметь качественно различимые ре­жимы движения. Наибольший прак­тический интерес представляют од­ноударные периодические движения с периодом, равным или кратным периоду вынуждающей силы. При расчете параметров пружинных вибромолотов, представляющих со­бой ударно-вибрационные системы с линейной восстанавливающей си­лой, можно пользоваться зависимо­стями (57) — (74) раздела 3. При расчете параметров беспружинных вибромолотов, которые представля­ют собой ударно-вибрационные си­стемы с постоянной восстанавливаю­щей силой, можно пользоваться за­висимостями (75)—(88) раздела 3.

Расчеты и практика примене­ния вибромолотов свидетельству­ют, что предельная глубина и скорость погружения возрастают с увеличением импульса, получаемого сваей при ударе, жесткости грунта (т. е. с уменьшением упругой деформации грунта) и при­грузки. Увеличением последней можно значительно повысить по­гружающую способность вибромолота. На рис. 97, а приведены за­висимости предельной глубины погружения Нпр от пригрузки Рп, полученные для одного из вибромолотов. Сплошная кривая отно­сится к погружению в песчаный грунт, а штриховая — в суглинок. Большой выигрыш можно получить и в продолжительности забив­ки t. На рис. 97, б изображены кривые зависимости t от глубины
погружения Н для того же вибромолота. Здесь пригрузки

Рі:Р2:Р3:Рі:Рь=0: 1 : 2 : 3 : 4.

Обратив внимание на то, что вибромолот способен погружать сваю при нулевом значении пригружающей силы, отметим принци­пиальное различие между безударным вибрационным и ударно­вибрационным погружениями (или извлечениями). Безударное виб­рационное погружение возможно только при наличии достаточной постоянной составляющей приложенных к свае сил, направленной в сторону погружения. Эта постоянная составляющая и является погружающей (или извлекающей) силой. Вибрация же снижает со­противление грунта действию этой силы.

Ударно-вибрационное погружение возможно при отсутствии упомянутой постоянной составляющей и может даже осуществлять­ся в направлении, противоположном постоянной составляющей (ес­ли она не слишком велика). Необходимым условием ударно-вибра­ционного погружения вибромолотом, который связан пружинами со сваей, является наличие достаточных сил трения сваи о грунт; эти силы в известном смысле являются погружающими.

В ударно-вибрационных машинах с центробежным виброприво­дом наблюдается примечательное явление: во время удара проис­ходит быстрое изменение угловой скорости дебалансов. Если удар считать мгновенным, то указанное изменение превращается в мгно­венный скачок угловой скорости. Этот скачок объясняется тем, что дебалансы получают внецентренный удар через подшипники. Вели­чина скачка угловой скорости дебалансов определяется формулой

(16)

Аф = m0rv — (1 -f R’) sin ф</Л

(17)

где фо — угол, под которым находятся дебалансы в момент удара к направлению забивки, J — момент инерции дебалансов относи­тельно осей их вращения;

R’ = — v+jv-.

Коэффициент R’, определяемый по абсолютным скоростям удар­ной части и лежащий в пределах —выражается через ньютонов коэффициент восстановления R, лежащий в пределах по формуле (т — масса ударной части, тс — масса сваи)

(18)

R’ = [1 —т/(т + шс)] R — ml(m — f — mc),

Максимальная ударная скорость вибромолота при мгновенном ударе

(19)

2m0ra

2(w0r)2u>(l + R’)

(20)

шах Аф =

имеет место при фо = я/2. Отсюда

Приведенные зависимости необходимо учитывать при рассмот­рении режима вращения и нагрева электродвигателей ударно-виб­рационных машин и при уточненном исследовании динамики этих машин.

Для обеспечения устойчивости режимов работы вибромолота его параметры следует назначать в соответствии с условиями (71) — (74) раздела 3.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *