Строительные машины и основы автоматизации

СВАЙНЫЕ МОЛОТЫ

Свайные молоты состоят из массивной ударной части, движу­щейся возвратно-поступательно относительно направляющей кон­струкции в виде цилиндра (трубы), поршня со штоком, штанг и т. п. Ударная часть молота наносит чередующиеся удары по го­ловке сваи и погружает сваю в грунт. Направляющая часть моло­та снабжена устройством для закрепления и центрирования молота на свае.

Рабочий цикл молота включает два хода — холостой (подъем ударной части в крайнее верхнее положение) и рабочий (ускоренное движение ударной части вниз и удар по свае). По роду привода свайные молоты разделяются на механические (применяются ред­ко), паровоздушные, дизельные и гидравлические. Основными пара­метрами свайных молотов являются масса ударной части, наиболь­шая энергия одного удара, наибольшая высота подъема ударной части, частота ударов в минуту.

Паровоздушные молоты приводятся в действие энергией пара или сжатого до 0,5...0,7 МПа воздуха. Различают молоты простого одностороннего действия, у которых энергия привода используется только для подъема ударной части, совершающей затем рабочий ход под действием собственного веса, и молоты двустороннего дей­ствия, энергия привода которых сообщает ударной части также до­полнительное ускорение при рабочем ходе, в результате чего увели­чивается энергия удара и сокращается продолжительность рабочего цикла.

Ударной частью паровоздушных молотов простого дей­ствия служит чугунный корпус массой 1250—6000 кг, направляю­щей — поршень со штоком, опирающимся на головку сваи. Такие молоты несложны по конструкции, просты и надежны в эксплуата­ции, но вследствие малой производительности (не более 30 ударов в минуту) применяются сравнительно редко. Наиболее распростране­ны автоматически работающие паровоздушные молоты двусторон­него действия с частотой ударов по свае до 100—300 в минуту и массой ударной части до 2250 кг. К недостаткам молотов двусто­роннего действия относятся значительная масса неподвижных час­тей («мертвая» масса), составляющая 60—70 % (у молотов простого действия до 30 %) общей массы молота, возможность погружения только легких шпунтов, деревянных и железобетонных свай, боль­шой расход пара или сжатого воздуха.

Основными узлами паровоздушного молота двусторонне­го действия (рис. 5.2) являются неподвижный закрытый кор­пус, подвижный поршень со штоком 5 и массивным бойком 8 (ударная часть) и автоматическое парораспределительное устрой­ство 4. Корпус молота составлен из двух цилиндров: парового 2, в котором помещен поршень 1, и направляющего 6 для бойка 8. Сверху корпус закрыт крышкой с проушиной для подъема и удер­живания молота, а снизу — ударной плитой (наковальней) 7, укре­пляемой на головке сваи. Наковальня воспринимает удары ударной части и может перемещаться в незначительных пределах по вертикали. Возвратно-поступательное движение ударной части молота обеспечивается за счет попеременной подачи пара или сжатого воздуха в надпоршневую или подпоршневую полости па­рового цилиндра золотниковым распределительным устройством. Золотник 3 этого устройства поворачивается вокруг оси под дей­ствием поступающего пара (сжатого воздуха) автоматически. Из­меняя давление подаваемого пара (сжатого воздуха), можно регулировать энергию удара молота.

Паровоздушные молоты устанавливают на копре или подвеши­ваются к крюку стрелового самоходного крана. Их можно исполь­зовать для забивки как вертикальных, так и наклонных свай, а также для выполнения свайных работ под водой. Основным недос­татком паровоздушных молотов является их зависимость от ком­прессорных установок или парообразователей.

Для погружения свай на объектах городского строительства широко применяют энергетически автономные мобильные ди­зель-молоты, которые представляют собой прямодействующие двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу двух­тактного дизеля. Они получили преимущественное распростране­ние в строительстве благодаря энергетической автономности, мобильности, простой и надежной конструкции и высокой произ­водительности.

По типу направляющих для ударной части дизель-молоты делят­ся на трубчатые и штанговые. У трубчатого дизель-молота направ­ляющей ударной части в виде массивного подвижного поршня слу­жит неподвижная труба, у штангового — направляющими ударной части в виде массивного подвижного цилиндра служат две штанги. Распыление дизельного топлива в камере сгорания у штанговых мо­лотов — форсуночное, а у трубчатых — ударное. Дизель-молоты подвешиваются к копровой стреле с помощью захватов и подъем - но-сбрасывающего устройства («кошки»), предназначенного для подъема и пуска молота и прикрепленного к канату лебедки копро­вой установки.

Различают легкие (масса ударной части до 600 кг), средние (до 1800 кг) и тяжелые (свыше 2500 кг) дизель-молоты.

Штанговый дизель-молот (рис. 5.3) состоит из следующих основных узлов: поршневого блока с шарнирной опорой, ударной части — подвижного рабочего цилиндра, двух направляющих штанг с траверсой, механизма подачи топлива и захвата — «кош­ки». Поршневой блок включает поршень 12 с компрессионными кольцами, отлитый заодно с основанием 2. В центре днища поршня установлена распылительная форсунка 3, соединенная топливопро­водом 13 с плунжерным топливным насосом 14 высокого давления (до 50 МПа), питающимся из топливного резервуара. Основание поршневого блока опирается на шарнирную опору, состоящую из сферической пяты 1 и наголовника 15. В основании закреплены нижние концы направляющих штанг 4, верхние концы которых со­единены траверсой. По штангам перемещается массивный ударный цилиндр 10 со сферической камерой сгорания в донной части. На внешней поверхности цилиндра укреплен штырь (выступающий стержень) 11, приводящий в действие топливный насос 14 при паде­нии ударной части вниз. Для запуска молота в работу захват — «кошку» 7, подвешенный к канату 8 лебедки копра, опускают вниз для обеспечения автоматического зацепления крюка 6 за валик 5 ударного цилиндра, после чего «кошку» и сцепленную с ней удар­ную часть поднимают лебедкой в верхнее крайнее положение. Далее поворотом вручную (через канат) рычага сброса 9 освобождают от «кошки» ударный цилиндр и он под действием собственной силы тяжести скользит по направляющим штангам вниз. При надвиже - нии цилиндра на поршень 12 воздух, находящийся во внутренней полости цилиндра, сжимается (в 25—28 раз) и температура его резко повышается (до 600° С). При нажатии штыря 11 цилиндра на при­водной рычаг топливного насоса 14 дизельное топливо по топливо­проводу 13 подается к форсунке 3 и распыляется в камере сгорания, смешиваясь с горячим воздухом. При дальнейшем движении цилин­дра вниз горячая смесь самовоспламеняется, и в то же мгновение ци­линдр наносит удар по шарнирной опоре, наголовник 15 которой надет на головку сваи. Расширяющиеся продукты сгорания смеси (газы) выталкивают ударную часть вверх и выходят в атмосферу. Поднимающийся рабочий цилиндр быстро теряет скорость, под действием собственного веса начинает опять падать вниз, и цикл по­вторяется. Дизель-молот работает автоматически до выключения топливного насоса.

Штанговые дизель-молоты обладают малой энергией удара (25...35 % потенциальной энергии ударной части). Их применяют для забивки в слабые и средней плотности грунты легких железобе­тонных и деревянных свай, стальных труб и шпунта при сооруже­нии защитных шпунтовых стенок траншей, котлованов и каналов. Штанговые дизель-молоты выпускаются с массой ударной части 240 и 2500 кг, развивают энергию удара соответственно 3,2 и 20 кДж при частоте ударов 50...55 в минуту и степени сжатия 16 и 25.

Трубчатые дизел ь-мо лоты предназначены для забивки в грунт преимущественно железобетонных свай массой 1,2... 10 т и могут работать при температуре окружающего воздуха от +40 до -40° С. При температуре ниже -25° С молоты при запуске подогре­вают.

Промышленность выпускает пять моделей однотипных трубча­тых дизель-молотов, различающихся между собой массой ударной части, которая составляет 1250, 1800, 2500, 3500 и 5000 кг.

Конструктивными и технологическими особенностями трубча­тых дизель-молотов является применение водяной системы охлажде­ния, кольцевой камеры сгорания типа «Тор» и принудительной смазки.

Все трубчатые дизель-молоты выполнены по единой конструк­тивной схеме, максимально унифицированы и состоят из следую­щих основных узлов (рис. 5.4): ударной части — поршня 4 с компрессионными кольцами, сменного рабочего цилиндра 9 и на-

правляющей трубы 3, шабота 1, по которому наносит удар пор­шень, топливной и масляной систем, пускового устройства — «кошки» 5 с подъемно-сбрасывающим механизмом. В верхней час­ти направляющей трубы имеются две проушины для крепления ка­ната при установке молота на копер. Рабочий цилиндр герметично закрыт снизу шаботом с компрессионными кольцами, передающим энергию удара поршня на сваю. К фланцу шабота прикреплен свайный наголовник. Между фланцами рабочего цилиндра и ша­бота установлен кольцевой резиновый амортизатор, предотвра­щающий жесткое соударение корпуса цилиндра и шабота при больших осадках сваи. В нерабочем состоянии рабочий цилиндр и шабот соединяют планкой. Нижний торец поршня — сферический и по форме соответствует выемке в шаботе. При полном контакте сферических поверхностей поршня и шабота (з момент удара) кольцевая полость, образованная кольцевыми выточками в их сфе­рах, представляет собой камеру сгорания. Топливо в сферу шабота подается под давлением 0,3...0,5 МПа плунжерным насосом 8, ко­торым управляет падающий поршень, нажимающий на приводной рычаг 7. К насосу топливо поступает по гибким резиновым шлан­гам из топливного бака 11. Полость рабочего цилиндра 9 сообща­ется с атмосферой через четыре всасывающе-выхлопных патрубка 2, направленных вверх.

Смазка трущихся рабочих поверхностей цилиндра и поршня осуществляется принудительно. Отвод тепла от стенок рабочего цилиндра при повышенных температурах окружающего воздуха обеспечивается системой водяного охлаждения циркуляцион - но-испарительного типа, состоящей из расположенного в зоне камеры сгорания бака 10 для воды с заливной и сливной горло­винами.

В направляющей трубе со стороны, обращенной к копру, имеет­ся продольный паз, в котором перемещается подъемный рычаг кош­ки, входящий в зацепление с поршнем при его подъеме при запуске молота.

Работа трубчатого дизель-молота осуществляется в такой после­довательности. Перед пуском молота поршень 4 поднимается «кош­кой» 5, подвешенной на канате 6 лебедки копра в крайнее верхнее положение, после чего происходит автоматическое расцепление «кошки» и поршня (положение Г). При свободном падении вниз по направляющей трубе 3 поршень нажимает на приводной рычаг 7 то­пливного насоса 8, который подает дозу топлива в сферическую вы­точку шабота 1 (положение ІГ). При дальнейшем движении вниз поршень перекрывает отверстия всасывающе-выхлопных патрубков 2 и начинает сжимать воздух в рабочем цилиндре 9, значительно по­вышая его температуру. В конце процесса сжатия головка поршня наносит удар по шаботу, чем обеспечивается погружение сваи в грунт и распыление топлива в кольцевую камеру сгорания, где оно самовоспламеняется, перемешиваясь с горячим сжатым воздухом (положение III).

Часть энергии расширяющихся продуктов сгорания — газов (максимальное давление сгорания 7...8 МПа) передается на сваю, производя ее дополнительное (после механического удара) погруже­ние, а часть расходуется на подброс поршня вверх на высоту до 3 м. Вследствие воздействия на сваю последовательно двух ударов — ме­ханического и газодинамического — достигается высокая эффектив­ность трубчатых дизель-молотов. При движении поршня вверх (положение IV) расширяющиеся газы по мере открывания всасы - вающе-выхлопцых патрубков 2 выбрасываются в атмосферу. Через те же патрубки засасывается свежий воздух при дальнейшем движе­нии поршня вверх. Достигнув крайнего верхнего положения, пор­шень начинает свободно падать вниз, рабочий цикл повторяется, и в дальнейшем молот работает автоматически до полного погруже­ния сваи.

Таким образом, в течение первого такта цикла работы трубчато­го дизель-молота происходит продувка цилиндра, сжатие воздуха, впрыск и разбрызгивание топлива, а в течение второго — самовос­пламенение горячей смеси топлива с воздухом и расширение про­дуктов сгорания, выхлоп отработанных газов в атмосферу и засасы­вание в цилиндр свежего воздуха.

Высота подскока ударной части дизель-молотов регулируется путем изменения количества впрыскиваемого насосом топлива, что позволяет изменять величину энергии удара в зависимости от типа свай и плотности грунта.

Трубчатые молоты более эффективны, чем штанговые, так как при равной массе ударной части могут забивать более тяжелые (в 2...3 раза) сваи за один и тот же отрезок времени. Штанговые ди­зель-молоты имеют низкие энергетические показатели и невысокую долговечность (в 2 раза меньшая, чем у трубчатых), поэтому произ­водство их сокращается, и они будут полностью заменены более со­вершенными трубчатыми молотами.

Трубчатые дизель-молоты развивают энергию удара 40... 160 кДж при высоте подброса ударной части 3000 мм и степени сжа­тия 15. Число ударов в минуту — 42.

Общим недостатком дизель-молотов является большой расход энергии на сжатие воздуха (50...60%) и поэтому сравнительно не­большая мощность, расходуемая на забивку сваи. Массу ударной части дизель-молота подбирают в зависимости от массы погружае­мой сваи и типа применяемого молота. Так, масса ударной части штангового дизель-молота должна быть не менее 100...125%, а труб­чатого — 40...70% от массы сваи, погружаемой в грунт средней плотности.

Гидравлические свайные молоты по конструкции и принципу действия аналогичны навесным гидропневматическим молотам (см. гл. 4), но обладают значительно большими массой ударной части и энергией единичного удара. Серийно гидравлические свайные моло­ты в настоящее время не выпускаются. В соответствии с перспектив­ным типоразмерным рядом свайных гидромолотов предусмотрен выпуск молотов с массой ударной части 500...7500 кг и энергией единичного удара 15...75 кДж.

Гидравлические свайные молоты просты в эксплуатации, имеют высокий КПД (0,55...0,6), экологически безопасны, а их пусковые качества не зависят от условий забивки свай. Энергию удара для эф­фективной забивки свай в различных грунтовых условиях можно ре­

На рис. 5.5 показана принци­пиальная схема гидравлическо­го свайного молота легкого типа с массой ударной части 500 кг.

Работа гидромолота осуще­ствляется следующим образом. Боек 9 и золотник гидрораспре­делителя 8 находятся в крайнем нижнем положении. Рабочая жидкость насосом 6 подается в гидропневмоаккумулятор 7 и че­рез полость а гидрораспредели­теля 5 в полость А свайного гидромолота 4. Полость В гид­ромолота 4 соединена полостя­ми г и в гидрораспределителя со сливом. Гидропневмоаккумуля­тор заряжается, и боек под дей­ствием давления в полости А поднимается вверх одновремен­но с массой ударной части 10. Золотник гидрораспределителя 8 удерживается в нижнем поло­жении давлением в полости б, которая через полость Б гидро­молота соединена с напорной магистралью. Боек 9 поднимает­ся до момента, когда полость б через полости Б и в соединится со сливом. В этот момент нару­шается баланс сил в полостях а
и о и золотник 8 давлением в полости а поднимется вверх. Полость В отсекается от сливной магистрали и соединяется через полость г, осевое отверстие в золотнике 8 и полость а с гидропневмоаккумуля­тором 7 и насосом 6. В полости В создается давление за счет подачи рабочей жидкости от насоса 6 и гидропневмоаккумулятора 7. так как рабочая поверхность бойка в полости В больше, чем в полости А, боек вместе с ударной массой движется вниз и наносит удар по свае 13 через наголовник 11с демпфером 12. В нижнем положении бойка полость б золотника 8 через полости Б и а соединяется с на­порной магистралью, золотник опускается вниз, так как рабочая поверхность золотника в полости б больше, чем в полости а. По­лость В соединяется со сливом, гидропневмоаккумулятор 7 заряжа­ется, боек начинает движение вместе с ударной массой вверх. Затем цикл повторяется.

Свайные гидромолоты с массой ударной части 500 и 1800 кг раз­вивают энергию единичного удара в пределах 15...25 кДж у молота легкого типа и в пределах 35...40 кДж у молота среднего типа. Час­тота ударов молотов 1,1...1,2 Гц, рабочее давление 16 МПа.

Энергия удара (Дж) свайных молотов механических и односто­роннего действия (паровоздушных, гидравлических и дизель-моло­тов)

Е - GHr, (5.1)

а молотов двустороннего действия

Е = (G + pS)Hr, (5.2)

где G — вес ударной части, Н; Н— величина рабочего хода ударной части, м; р — давление рабочей жидкости, сжатого воздуха или пара, Па; S — рабочая площадь поршня, м2; г| — КПД молота (для паровоз­душных молотов г| = 0,85...0,9, для штанговых дизель-молотов 0,35...0,4, • для трубчатых 0,6...0,65, для гидравлических молотов 0,55...0,65).

Эффективность погружения сваи в грунт зависит от соотноше­ния масс сваи тс и ударной части молота тм, частоты ударов моло­та «м и скорости соударения vc ударной части молота с шаботом. Практически установлена необходимость соблюдения следующих условий: 0,5 < mjmм < 2,5(при mjniu > 2,5) эффективность погруже­ния сваи резко снижается; vc < 6 м/с (при vc > 6 м/с большая часть энергии удара затрачивается на разрушение наголовника и головки сваи); «м ^ 30 мин-1 (при пм < 30 мин-1 свая успевает полностью оста­новиться, и молоту приходится дополнительно преодолевать инер­цию неподвижной сваи).