вибропогружатель

Формула изобретения

Вибропогружатель, содержащий корпус, жестко соединенный с захватывающим сваю устройством, смонтированные в корпусе валы с дебалансами, связанные друг с другом с возможностью синхронизации, и привод валов с дебалансами, состоящий из гидронасоса и гидромотора, отличающийся тем, что гидронасос снабжен регулятором мощности и предохранительным клапаном, а гидромотор согласующим редуктором, установленным между валом гидромотора и валами с дебалансами, при этом передаточное число согласующего редуктора, параметры погружаемой сваи, грунта, дебалансов, гидронасоса, гидромотора связаны следующей зависимостью



где F сопротивление погружению связи по боковой поверхности (определяется по известным зависимостям для наиболее тяжелого для погружения сваи грунта глины с консистенцией 0,2);

m масса вибропогружателя со сваей;

g ускорение силы тяжести;

N мощность гидронасоса (определяется установкой регулятора мощности);

_гн - скорость вращения вала гидронасоса;

q_гн номинальный рабочий объем гидронасоса;

q_гм номинальный рабочий объем гидромотора;

K статический момент масс дебалансов;

i передаточное число согласующего редуктора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а более конкретно, к вибрационным машинам для погружения свай, используемых при строительстве промышленно-гражданских, транспортных и других объектов.

Известен вибропогружатель, содержащий корпус, жестко соединенный с захватывающим сваю устройством, смонтированные в корпусе валы с дебалансами, связанные друг с другом с возможностью синхронизации, и привод дебалансов (см. например, SU N 1696644, кл. E 02 D 7/18, 1989). Привод вибропогружателя, состоящий из электродвигателя с зубчатыми шестернями, наличие в его конструкции механизма изменения статического момента, также включающего электродвигатель с зубчатыми шестернями, придают вибропогружателю громоздкость, увеличивают его вес и энергоемкость, усложняют его эксплуатацию.

Более близким к предлагаемому техническому решению является вибропогружатель с нерегулируемым статическим моментом, содержащий корпус, жестко соединенный с захватывающим сваю устройством, смонтированные в корпусе залы с дебалансами, связанные друг с другом с возможностью синхронизации, и привод валов с дебалансами, состоящий из гидронасоса и гидромотора (см. например, EP 0116164 B1, E 02 D 7/18, 1988). Вибропогружатель снабжен виброгасителем, посредством которого корпус вибропогружателя гибко соединен со стрелой подъемного крана (с базовою машиной). Конструкция виброгасителя обеспечивает виброизоляцию базовой машины, но за счет снижения и ограничения диапазона скоростей снижает технические возможности применения вибропогружателя. Кроме того, применение виброгасителя сложной конструкции является неоправданно дорогостоящим техническим решением.

Технический результат изобретения повышение предельной погружающей способности вибропогружателя с нерегулируемыми дебалансами в зависимости от характеристик участвующих в процессе погружения сваи всех звеньев динамической системы.

Это достигается тем, что в вибропогружателе, содержащем корпус, жестко соединенный с захватывающим сваю устройством, смонтированные в корпусе валы с дебалансами, связанные друг с другом с возможностью синхронизации, и привод валов с дебалансами, состоящий из гидронасоса и гидромотора, гидронасос снабжен регулятором мощности и предохранительным клапаном, а гидромотор - согласующим редуктором, установленным между валом гидромотора и валами с дебалансами, при этом передаточное число согласующего редуктора, параметры погружаемой сваи, грунта, дебалансов, гидронасоса, гидромотора связаны следующей зависимостью:



где:

F сопротивление погружению сваи по боковой поверхности (определяется по известным зависимостям для наиболее тяжелого для погружения сваи грунта - глины с консистенцией 0,2);

m масса вибропогружателя со сваей;

g ускорение силы тяжести;

N мощность гидронасоса (определяется установкой регулятора мощности);

_гн скорость вращения вала гидронасоса;

q_гн номинальный рабочий объем гидронасоса;

q_гм номинальный рабочий объем гидромотора;

K статический момент масс дебалансов;

i передаточное число согласующего редуктора.

В отличие от ближайшего аналога повышение предельной погружающей способности вибропогружателя достигается тем, что привод дебалансов осуществляется от регулируемого в режиме постоянной мощности гидронасоса при установке согласующего редуктора с передаточным числом i, обеспечивающего автоматическую адаптацию параметров вибропогружателя к изменяющимся грунтовым условиям и глубине погружения и снижение воздействия динамических усилий на базовую машину.

На фиг. 1 изображен вибропогружатель с погружаемой сваей; на фиг. 2 - вибропогружатель с захватывающим сваю устройством, в разрезе; на фиг. 3 - структурная схема системы вибропогружателя; на фиг. 4 графическое изображение режима работы гидропривода.

Вибропогружатель состоит из корпуса 1, жестко соединенного с захватывающим сваю устройством 2, в которое закрепляют сваю 3. В корпусе смонтированы залы 4 с дебалансами 5, привод которых осуществляется гидромотором 6 через согласующий редуктор 7 с передаточным числом i. Вращение вала гидромотора обеспечивается работающим от силовой установки гидронасосом 8 с регулятором мощности и предохранительным клапаном (на чертеже не показаны). Гидронасос и силовая установка расположены на базовой машине. В качестве силовой установки обычно используют дизельный, либо электрический двигатель.

Как видно из структурной схемы на фиг. 3 вибропогружатель с приводом и свая образуют сложную систему, состоящую из отдельных динамических: звеньев, связанных прямым и обратным связями. На основании исследования различных режимов вибропогружения установлено, что наибольшей погружающею способности вибропогружателя в пределах ограничений по мощности и массе соответствуют режимы, при которых скорость вращения валов дебалансов не становится меньше критической, определяемой параметрами глубины погружения и самого грунта. Свойства системы при заданном функциональном назначении определяются выбором структурных звеньев, их параметрами и установленной между ними зависимостью, выраженной вышеприведенной на стр. 2 формулой. Структурная схема системы вибропогружателя включает следующие основные звенья и характеризующие их параметры:

гидронасос с приводом от силовой установки, у которого расход Q_гн функционально зависит от давления P в гидросистеме и скорости вращения вала _гн при _гн Const зависимость Q_ai f(P) выражена тремя участками:

Q_гн Q_{гн max} Const при P P₁;



Q_гн Q_{гн min} Const при P P₁;

где

[N] номинальная мощность гидронасоса с регулятором мощности при _гм Const,

P₁ и P₂ давления, соответствующие границам диапазона характеристик постоянной мощности насоса;

предохранительный клапан с расходом Q_кл, зависящим от давления P в гидросистеме;

Q_кл 0 при P P₀;

Q_кл (P P₀)S_кл при P > P₀,

где

P₀ давление открытия клапана;

S_кл параметр характеристики клапана, определяющий возрастание давления в системе при увеличении расхода;

гидромотор с номинальным рабочим объемом q_гм, вращающий через cогласующий редуктор с передаточным числом i валы дебалансов со скоростью определяемой зависимостью:



и давлением P, определяемым зависимостью:



где

J момент инерции масс дебалансов;

g ускорение силы тяжести;

a ускорение колебаний сваи;

K статический момент масс дебалансов;

C_г приведенная гидравлическая жесткость гидросистемы;

дебалансы, вращающиеся со скоростью и создающие возмущающую силу Z, передающуюся через корпус вибропогружателя на сваю и направленную вдоль оси ее:

Z = K²cos, где = _гм/i,

где

угол подъема дебалансов;

Z возмущающая сила дебалансов;

w скорость вращения валов с дебалансами;

w_гм скорость вращения вала гидромотора;

i передаточное число редуктора;

вибропогружатель со сваей массой m, двигающейся с ускорением a под действием силы Z в грунте, создающем сопротивление F по боковым поверхностям сваи и R по торцу сваи.

Работа вибропогружателя осуществляется следующим образом.

Силовая установка вращает вал гидронасоса с регулятором мощности, который обеспечивает подачу рабочей жидкости в гидросистему и далее в гидромотор. Вращение вала гидромотора через согласующий редуктор с передаточным числом i передается на валы дебалансов, вращающиеся со скоростью создающий дебалансами возмущающую силу Z, заставляющую колебаться сваю в грунте с ускорением a. В результате на дебалансах возникает момент сопротивления движению M_c K(g-a), преодолеваемый гидроприводом при давлении P. Вследствие взаимосвязи звеньев динамической системы по давлению P, скорости ускорению a и зависимости расхода гидронасоса Q_гн от давления P, ускорения a от скорости w последней от Q_н система является замкнутой и обладает свойством саморегулирования.

При изменении грунтовых условий и глубины погружения система переходит в новое равновесное устойчивое состояние с новым сочетанием параметров. При достижении предельной погружающей способности в результате возрастания F и R при заглублении сваи ускорение a резко снижается и уменьшается тормозящее действие ускорения a на вращение дебалансов, сопротивление вращению уменьшается и падает давление P в гидросистеме. В соответствии с принятой характеристикой гидронасоса при падении P увеличивается расход Q_гн, возрастает скорость w вращения дебалансов и возмущающая сила Z, что приводит к увеличению ускорения a, а, следовательно, и скорости и амплитуды колебаний сваи. В результате погружение сваи продолжается и устанавливается новое устойчивое состояние, характеризуемое иным сочетанием параметров режима ( P"", Z"", a"") при (F"", R""), но при соблюдении условия N" N в пределах характеристики постоянно, мощности насоса в диапазоне [P₁ P P₂]

При выходе за пределы регулировочной характеристики N Const в зону меньших давлений P <P дебалансы вращаются с наибольшей постоянной частотой ( = _max) при пропорциональном снижении мощности N P x[N]/P₁.

При возрастании давления в диапазоне P₂ < P < P₀ дебалансы вращаются с минимальной постоянной частотой = _min

При возрастании мощности до максимально допустимой (фиг. 4) N P x[N]/P₂ [N]_max.

В предельном случае при дальнейшем увеличении давления срабатывает предохранительный клапан и частота вращения дебалансов снимается до значения, определяемого условием P P₀ при Q_кл > 0 и N [N]_max. Это состояние системы также устойчиво и может иметь место, в частности, при запуске вибропогружателя. На фиг. 4 представлена идеализированная выходная характеристика системы. Таким образом, все возможные состояния системы являются устойчивыми и при работе достигается эффект вращения дебалансов с наибольшей возможной скоростью в пределах ограничения по мощности N и в диапазоне _{min max} при закрытом клапане и 0 при открытом клапане и, следовательно, достигается наибольшая возмущающая сила и амплитуда колебаний сваи. При прочих разных условиях в этом случае обеспечивается наибольшая погружающая способность вибропогружателя. При определенных параметрах звеньев системы в пределах установленной мощности согласование параметров режима (P, w Z, a) и характеристик сопротивления грунта (F, R, C_г) обеспечивается установкой согласующего редуктора с передаточным числом i, определяемых по предложенной формуле. Структурная схема показывает, что передаточное число i входит в любой замкнутый контур системы и определяет взаимосвязь давления и расходов, скорости и давления, ускорения и скорости, т.е. определяет основные характеристики системы.