Строительные машины и оборудование

Вибропогружатели

Вибропогружатели представляют собой механизмы, передающие погружаемым (или извлекаемым) элементам колебания определен­ной частоты, амплитуды и направления, в результате которых обес­печивается их погружение (извлечение). Работа вибропогружате­лей основана на резком снижении коэффициента трения между грунтом и поверхностью погружаемого (извлекаемого) элемента под действием возникающих колебаний.

Вибропогружатель (рис. 19.17) состоит из приводного электро­двигателя 1, вибровозбудителя 3 и наголовника 4 с механическими или гидравлическими зажимами для жесткого соединения механиз­ма с погружаемым (извлекаемым) элементом. Вибровозбудитель представляет собой вибратор направленного действия с четным (два, четыре или шесть) количеством горизонтально расположен­ных валов с дебалансами, получающих вращение от электродвига­теля через ременную (цепную, шестеренчатую) передачу 2. При вращении дебалансных валов возникает суммарная центробежная сила, развиваемая дебалансами (возмущающая сила), достигаю­щая наибольшего значения в вертикальной плоскости. В этом слу­чае она направлена вдоль оси погружаемого (извлекаемого) эле­мента и передается на него через наголовник.

Главным параметром погружателей является мощность установ­ленных электродвигателей. Кроме того, погружатели характеризу­ются вынуждающей силой, статическим моментом дебалансов, ам­плитудой и частотой колебаний. Величина вынуждающей силы (кН)

Р = тпеи>2, (19.9)

Где тя — суммарная масса дебалансов, т; е — эксцентриситет де­балансов, м; со — угловая частота вращения дебалансных валов (с"1)-

Амплитуда колебаний вибросистемы «погружатель — свая» после начала рабо­ты погружателя определяется зависи­мостью а=К/ (Мр,), где /<С — кинетический момент дебалансов (К— тАе) М — сум­марная масса колеблющейся конструкции (система «погружатель — наголовник— і свая»); р, — коэффициент пропорциональ - / J ности (в начале погружения р,= 1 ... 1,15, (-I в конце погружения сваи р.=0,4 ... 0,7). V 1

Классификация вибропогружателей про - I изводится по назначению и области приме­нения, по типу привода и по виду переда­ваемых колебаний. По первому признаку различают низкочастотные (300 ... 500 кол/мин) и высокочастотные (700 ... 1500 рИс. 19.17. Вибропогру - кол/мин) погружатели. Низкочастотные жатель

Погружатели применяются для погруже­ния элементов значительной массы и габаритов с большим лобовым сопротивлением (железобетонные оболочки); высокочас­тотные — для погружения элементов небольшой массы с малым лобовым сопротивлением (металлический шпунт, трубы, балки). По типу привода вибропогружатели классифицируются на транс­миссионные, когда между двигателем и дебалансными валами име­ется передаточный механизм, и бестрансмиссионные, когда валы электродвигателей являются дебалансными. Наиболее удобными, надежными и долговечными являются бестрансмиссионные маши­ны, в которых используются электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Они работают без ремонта более 600 машиночасов, в то время как трансмиссионные только 100 машиночасов.

По виду передаваемых колебаний различают вибропогружатели с колебаниями, направленными вдоль оси погружаемого элемента, и вибропогружатели комбинированного действия, т. е. с винтовыми колебаниями, представляющими собой сочетание круговых колеба­ний в горизонтальной плоскости и вертикальных колебаний. Ком­бинированные вибропогружатели могут быть использованы только для погружения элементов цилиндрической формы.

Процесс погружения в грунт элементов с помощью низкочастот­
ных погружателеи можно представить в виде периодического от­рыва торца погружаемого элемента от грунта под влиянием боль^ шой амплитуды колебаний (20 ... 35 мм) и последующего удара торца элемента по грунту, величина которого значительно выше развиваемой машиной вынуждающей силы. Высокочастотные по - гружатели обеспечивают погружение элементов под действием мас­сы погружателя и сваи в результате снижения от действия вибра­ции коэффициента трения между грунтом и поверхностью элемен­та. Преимуществами вибропогружателей перед свайными молота­ми являются повышенные скорости погружения, простота кон­струкции, удобство в управлении, бесшумность. Материал погружаемого под действием вибра­ции элемента не подвергается ударным нагруз­кам и испытывает незначительные перенапря­жения, что позволяет погружать в грунт тонко­стенные железобетонные оболочки на большую глубину. Вибропогружателями можно заглуб­лять сваи вблизи существующих сооружений, не опасаясь нарушить их целостность, так как ок­ружающий грунт колеблется при этом незначи­тельно. Главным недостатком вибропогружате­лей является невозможность применения их в связных и плотных маловлажных грунтах. Использование вибропогружателей в благопри­ятных грунтовых условиях позволяет повысить производительность труда в 2,5 ... 3 раза и сни­зить стоимость свайных работ в 1,5 ... 2 раза по сравнению с вариантами применения паровоз­душных и дизельных молотов.

Вибропогружатели выполняют по двум ос­новным конструктивным схемам: с жесткой и упругой связью электродвигателя с виброорга­ном. В первом случае (рис. 19.18) погружатель состоит из четырехвального вибратора направ­ленного действия, приводного электродвигате­ля 1 с фазовым ротором и наголовника 5 со сваей 6, жестко соединенных между собой. Движение от электродвигателя передается через промежуточную шестерню 2 и си­стему синхронизирующих цилиндрических шестерен 3 на де - балансные валы 4, вращающиеся синхронно и синфазно. На валах установлены дебалансы (неуравновешенные массы), при вращении которых возникает возмущающая сила, направленная вдоль оси погружаемого элемента. В комплект погружателя вхо­дит пульт управления, предназначенный для пуска и остановки электродвигателя, регулирования частоты вращения дебалансных валов (частоты колебаний) и величины возмущающей силы виб - 262
рооргана. В конструкции могут быть предусмотрены пригрузоч - ные плиты, жестко связанные с корпусом виброоргана. Рассмот­ренная конструкция проста, но имеет ряд недостатков: с увеличе­нием массы погружателя снижается амплитуда колебаний сваи; жесткая связь между виброорганом и электродвигателем снижает долговечность работы последнего или требует изготовления его виброустойчивым.

При упругой связи между виброорганом и электродвигателем последний установлен на подрессорной пригрузочной плите, ока­зывающей необходимое давление на погружаемый элемент. На­личие между двигателем и виброорганом амортизирующих пру­жин малой жесткости позволяет существенно уменьшить вредное влияние вибрации на электродвигатель: в процессе погружения колебания совершают только свая и виброорган. При такой кон­струкции увеличение массы пригрузочных плит практически не влияет на амплитуду колебаний сваи. Меняя массу пригрузочных плит, можно получить оптимальный вибрационный режим для наиболее эффективного погружения сваи (шпунта).

Преимущество этой конструктивной схемы перед ранее рас­смотренной теряется в двух случаях: у тяжелых и мощных низ­кочастотных вибраторов, не нуждающихся в пригружении и ра­ботающих в режиме сильных ударов торца сваи о грунт, и при использовании канатной пригрузки сваи от лебедки копровой^ установки.

Общий вид и схема вибропогружателя с подрессоренным при - грузом даны на рис. 19.19,а, б. Приводной электродвигатель 1 установлен на пригрузочной плите 2 и через амортизирующие пружины 4 связан с виброорганом 3. Корпус виброоргана жестко соединен с наголовником 5. Привод четырехвального вибратора осуществляется через вертикальную цепную передачу 7, кониче­

Ский редуктор 6 и систему синхронизирующих шестерен, установ­ленных на дебалансных валах. Шарнир 8 коромысла подвески 9 расположен вблизи от центра тяжести погружателя, что позво­ляет легко поворачивать его в горизонтальное положение для присоединения к погружаемому элементу.

Бестрансмиссионный вибропогружатель приведен на рис. 119.20. В стальной корпус 1 запрессованы статоры 3 пары двухскорост - ных асинхронных виброустойчивых электродвигателей. Коротко- замкнутые роторы насажены на валы 2, а на консольных концах валов расположены основные дебалансы 4. При необходимости увеличения амплитуды колебаний к ним крепятся дополнитель­ные один-два дебаланса 6. Дебалансные валы вращаются в под­шипниках 7. К наголовнику вибропогружатель крепится с по­мощью фланца 5. Благодаря двухскоростным двигателям погру - жатель может работать в низкочастотном (485 кол/мин) и высо­кочастотном (975 кол/мин) режимах, что расширяет область при­менения машины.

Схемы вибропогружателей, возбуждающих комбинированные (прямолинейные и угловые) колебания, приведены на рис. 19.21. В первом случае (рис. 19.21,а) угловые колебания возникают за счет смещения вращающихся синхронно-синфазно дебалансов 2, которые получают вращение от вынесенного электродвигателя 1 через зубчатую передачу 3. На рис. 19.21,6 смешанные колеба­ния возникают от синхронного вращения в разные стороны де-

Балансов 2, расположенных соосно. Вращение дебалансов проис­ходит от фланцевого электродвигателя 1 с вертикальным валом через коническую зубчатую передачу. Для мощных вибропогру­жателей применяется схема с четырьмя или большим количест­вом дебалансов 3 (рис. 19.21,в). Вращение дебалансов происхо­дит от электродвигателей 1 и синхронизирующих зубчатых кони­ческих передач 2.

В настоящее время получают широкое распространение мо­дульные вибропогружатели, вибровозбудитель которых собирает­ся из отдельных двухвальных блоков (модулей). Количество мо­дулей в вибровозбудителе зависит от условий и вида выпол­няемых свайных работ. Такие погружатели способны заменить несколько различных по конструкции обычных погружателей, ра­бота которых ограничена в зависимости от вида погружаемого элемента и плотности грунта. Схема такого вибропогружателя приведена на рис. [19.22,а. Он состоит из амортизатора 3, вибро­возбудителя 4, блоков горизонтальной 5 и вертикальной 6 син­хронизации, гидравлического наголовника 7, насосной станции 2 и пульта управления 1.

Модуль (рис. 19.22,6) состоит из двух электродвигателей 1С>, смонтированных в стальном корпусе 8. Вращение электродвигате­лей происходит в противоположные стороны и синхронизируется горизонтально расположенной зубчатой передачей 9. На валах 12 электродвигателей установлены дебалансы 11, вращающиеся синхронно-синфазно. Погружатели состоят из двух, трех или че­тырех модулей, смонтированных один под другим или попарно, соединенных промежуточной рамой. Верхний и нижний модули

Синхронизируются с помощью вертикально рас­положенной регулируемой цепной передачи. Амортизатор обеспечивает гашение передавае­мых на грузоподъемный механизм (лебедка, ко­пер) колебаний. При изменении числа модулей в вибровозбудителе погружателя необходимо изменять число амортизационных пружин (или их параметры).

Расчет вибропогружателей. Аналитический расчет вибрационного погружения весьма сло­жен. На рис. 19.23 представлена простейшая динамическая модель процесса. Свая 5, рассма­триваемая как абсолютно твердое тело, разме­щена между колодками 3, подвешенными на пружинах 4. Между сваей и колодками действу­ет сила сухого трения, абсолютная величина которой равна Сь Этой силой моделируется бо-

Ковое сопротивление. Лобовое сопротивление погружению сваи мо­делируется пружиной 2, расположенной под торцом сваи и опи­рающейся на пробку 1. Между пробкой и направляющими дейст­вует сила трения С2. Пружина 2 работает только на сжатие.

Определение основных параметров вибропогружателя ведется по упрощенной методике, основанной на линеаризации дифферен­циального уравнения колебаний вибропогружателя со сваей и использования критерия максимальной мощности. Линеаризован­ное дифференциальное уравнение колебаний вибропогружателя со сваей можно записать следующим образом:

Т d&L-l-b -^—{-сх = т„eco2cosarf, (19.10)

Dt* 1 dt 1 д у '

Где тл — масса колеблющихся частей, приведенная к свае; х — координата сваи, отсчитываемая от среднего положения при ко­лебаниях; t — время; b —- линеаризованный коэффициент дисси - пативного сопротивления; с — линеаризованный коэффициент же­сткости грунта; © — угловая частота вынужденных колебаний вибратора; тяе — статический момент дебалансов.

При центробежном возбуждении колебаний для удобства рас­чета следует принять безразмерные переменные т= ty^c/rn и е= — тх/тде. Тогда уравнение (19.10) запишется так:

S_|_ грі 4- S = cos ух, (19.11)

Где р = (Ь/2) Ymc — относительное демпфирование; у = —от

Носительная угловая частота вибровозбудителя. Амплитуда без­размерного перемещения

= - T7 + 4PY. (19.12)

А амплитуда безразмерной скорости

K^tiVW^W+Wf' (19.13) Мощность, развиваемая вибровозбудителем,

Nmax= (тле) 2ш V (41 с—та2 |). (19.114) Это максимальное значение достигается при коэффициенте сопро­тивления

Ьт— |с—тої2 |/<Й. (19.15)

Однако в начале погружения сваи Ьт может быть значительно меньше, а в конце погружения — значительно больше. Но в про­цессе погружения сваи велика вероятность достижения этого зна­чения. Поэтому мощность двигателей следует рассчитывать по

Формуле (19.14) _____________

L учетом P=(ft/2) Vmc и y=wYm/c равенства (19.14) и (19.15) записываются в следующем виде:

Nmax= (тле)2а>3у21 (4т 11—у2|); (19.16)

Pm=|l-Y2|/2Y). (19.17)

При вибрационном погружении всегда у>2, поэтому можем при? нять Тогда из выражений (19.12), (19.113), (19.16) и (19.17)

Получаем ______________

Sa = 2/2/3 ; ;а = 4/2/3 ; Nmax =, (m^)V/(3m); pm = 3/4. (19.18) При расчете основных параметров вибропогружателя следует задать приближенное значение массы вибрируемых частей т (вибропогружателя со сваей), минимальную амплитуду переме­щения сваи Х&, обеспечивающую проскальзывание сваи в данном грунте при данных условиях, и минимальную амплитуду скорости Х&, обеспечивающую требуемое снижение сопротивления дейст­вию постоянной силы (силы тяжести mg и пригруза). Тогда на основании (ІІ9.18) определим статический момент дебалансов (іОТдЄ), угловую частоту колебаний © и мощность N:

Тяе=1,06тХа; (19.19)

А = (19.20)

Tf=0,374m*a/*a. (19.21)

Полученное значение мощности двигателя назначается с уче­том всех потерь. После этого уточняют массу т и производят пе­рерасчет по формулам (119.19) ... (19.21).