способ забивки свай гидромолотом и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ забивки свай гидромолотом, включающий операции взвода и разгона ударной части гидромолота путем подачи рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра при взводе и слива ее в процессе разгона, при этом слив рабочей жидкости из переливной камеры дополнительно производят при взводе ударной части гидромолота, отличающийся тем, что разгон ударной части гидромолота осуществляют при постоянном давлении газа, а рабочую жидкость из штоковой полости цилиндра сначала подают в переливную камеру, давление в которой повышается на величину, достаточную для последующего вытеснения рабочей жидкости на слив в период осуществления операции взвода.

2. Устройство для забивки свай, содержащее ударную часть, цилиндр с размещенными в нем поршнем и штоком, распределитель, переливную камеру, напорную и сливную гидролинии, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено газовой полостью постоянного давления, связанной с поршневой полостью цилиндра и направляющими для движения ударной части, ударная часть и переливная камера расположены вне цилиндра, а шток связан с ударной частью шарнирно.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направляющие для движения ударной части выполнены в виде штанг.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направляющие для движения ударной части выполнены в виде трубы.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что переливная камера выполнена в виде пневмогидроаккумулятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности к оборудованию для забивки свай, шпунта, элементов конструкции при устройстве фундаментов.

Известен способ забивки свай гидромолотом, реализованный в устройстве [1], по которому производят подъем (взвод) ударной части гидромолота вверх путем подачи рабочей жидкости в штоковую полость рабочего цилиндра. После подъема на заданную высоту осуществляют разгон ударной части путем свободного падения ее вниз под действием силы тяжести с постоянным ускорением g свободного падения.

Устройство для осуществления данного способа представляет собой свайный гидромолот, содержащий ударную часть, оголовок, рабочий цилиндр с размещенным в нем поршнем со штоком, распределитель, напорную и сливную гидролинии.

При падении подвижной части гидромолота штоковую полость рабочего гидроцилиндра соединяют со сливом. Скорость подвижной части молота в момент удара по свае зависит от высоты падения. Значениям скорости ударной массы V=6-8 м/с по формуле Галилея соответствует величина высоты падения Н=1,8-3,3 м.

Недостатком данного способа и устройства для его осуществления являются малая частота ударов молота и невысокая производительность, обусловленные большой протяженностью рабочего гидроцилиндра, необходимой для создания указанной выше скорости V ударной массы, зависящей от высоты его падения Н.

Известен способ забивки свай с помощью дизель-молота [2], по которому производят взвод ударной части за счет давления газов при сгорании топлива в рабочей камере. После подъема на требуемую высоту осуществляют разгон ударной части за счет свободного падения ее вниз. Конструкция, реализующая этот способ, громоздкая и металлоемкая.

Известен также способ забивки свай, реализуемый устройством [3], по которому осуществляют взвод ударной части молота путем подачи рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра и одновременного сжатия газа в поршневой полости. После окончания процесса взвода, т.е. подъема ударной части на заданную высоту и максимального сжатия газа в поршневой полости цилиндра, выполняют процесс разгона ударной части за счет расширения газа и соединения взводящей полости со сливом.

Разгон ударной части по данному способу осуществляют под действием постоянного ускорения g свободного падения и переменного ускорения, создаваемого переменной силой давления газа на поршне при его расширении.

Устройство, реализующее данный способ, содержит корпус, размещенный в нем шток, поршень, ударную часть, штоковую, поршневую и сливную полости, распределитель (в виде цилиндрического упругого запорно-регулирующего элемента), напорную и сливную магистрали.

Недостатком способа и устройства для его осуществления [3] является наличие операции сжатия, расширения газа в поршневой полости рабочего цилиндра. При расширении газа в процессе разгона ударной части ускорение, создаваемое силой давления газа на поршне, максимально только в начале разгона, а затем резко падает по мере движения поршня. Это приводит к снижению ударной скорости и полезной энергии удара гидромолота.

Кроме того, в устройстве [3] массивная ударная часть и рабочий поршень выполнены в одном гидроцилиндре (корпусе), поэтому создание таких гидромолотов большой ударной массы, необходимой для забивки свай, не технологично. Многотонную ударную массу нерационально размещать внутри рабочего цилиндра.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и эффективности способа и устройства для его осуществления путем повышения ударной скорости и полезной энергии удара, а также повышение технологичности устройства.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе, включающем операции взвода и разгона ударной части гидромолота путем подачи рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра при взводе и слива ее в процессе разгона, при этом слив рабочей жидкости из переливной камеры дополнительно производят при взводе ударной части гидромолота согласно изобретению, разгон ударной части гидромолота осуществляют при постоянном давлении газа, а при сливе рабочую жидкость из штоковой полости цилиндра сначала подают в переливную камеру, давление в которой повышается на величину, достаточную для последующего вытеснения рабочей жидкости на слив в период осуществления операции взвода.

Поставленная задача в части устройства решена за счет того, что в известном устройстве, содержащем ударную часть, цилиндр с размещенным в нем поршнем и штоком, распределитель, переливную камеру, напорную и сливную гидролинии, согласно изобретению устройство дополнительно снабжено газовой полостью постоянного давления и направляющими для движения ударной части; ударная часть и переливная камера расположены вне цилиндра, а шток связан с ударной частью шарниром.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема заявляемого устройства, в которой направляющими для движения ударной части служат штанги; на фиг.2 изображена конструктивная схема устройства, в котором направляющими элементами для движения ударной части служит труба; на фиг.3 показана схема управления распределителем; на фиг.4 показано заявляемое устройство, смонтированное на копровом оборудовании.

Устройство для забивки свай содержит ударную часть 1, цилиндр 2, размещенный в нем поршень 3 и шток 4, распределитель 5, переливную камеру 6, напорную 7 и сливную 8 гидролинии, газовую полость постоянного давления 9, связанную с поршневой полостью 10 цилиндра 2. Шток 4 цилиндра соединен с ударной частью 1 шарниром 11. Направляющие для движения ударной части могут быть выполнены либо в виде штанг 12 (фиг.1), либо в виде трубы 13 (фиг.2). Шарнир 11 может быть выполнен цилиндрическим (фиг.1) либо шаровым (фиг.2). Направляющие 12, 13 для движения ударной части соединены с шаботом 14 с возможностью относительного перемещения. Напорная гидролиния 7 содержит насос 15 с предохранительным клапаном 16 и пневмо-гидроаккумулятором 17. Распределитель 5 соединен гидролинией 18 со штоковой полостью цилиндра 2. Шабот 14 опирается на оголовок сваи 19. Распределитель 5 на своем штоке имеет ролик 20 (фиг.3), фиксатор 21. Переключатель 22 закреплен на ударной части 1 и соединен с роликом 20. Базовая машина 23 (фиг.4) несет на себе стрелу 24, копровую мачту 25, гидролинии 26, 27, 28, соединенные шарнирами 29. На фиг.2 дополнительно показаны вентиляционные окна 30 в направляющей трубе, упругие элементы 31 и соединительные элементы 32.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что в поршневой полости 10 рабочего цилиндра создают постоянное давление газа p=const, в результате чего разгон ударной части молота производят под действием постоянной силы давления газа на поршне и с постоянным ускорением, многократно превышающим ускорение силы тяжести g свободного падения. Уравнение движения вниз ударной части молота имеет вид

где А_n - площадь поршня;

р - постоянное давление в газовой полости;

_м - КПД гидромолота;

m - масса движущейся части гидромолота.

Для постоянной правой части уравнения (1) определим ускорение груза при движении вниз

Согласно предлагаемому способу ускорение ударной части молота при разгоне состоит из двух составляющих: ускорения g свободного падения и ускорения от постоянной силы на поршне, которое равно второму слагаемому в формуле (2) и может быть многократным по сравнению с ускорением g свободного падения: =ng.

В случаях, когда кратность ускорения n имеет достаточно большие значения (n=5,10,...), роль первого слагаемого в формуле (2) становится незначительной. Такое ударное устройство может работать не только в вертикальном положении сверху вниз, но и под любым углом наклона, в том числе и при горизонтальной ориентации, а также осуществлять удары снизу вверх, т.е. выполнять операции выдергивания свай.

Рассмотрим работу предлагаемого способа, используя фиг.1.

Рабочий процесс гидромолота состоит из двух основных операций подъема и опускания ударной части 1, которые будем называть соответственно операциями взвода и разгона ударной части. Для осуществления операции взвода подают рабочую жидкость в штоковую полость цилиндра 2. Операция взвода обеспечивается при постоянной скорости движения поршня 3 путем подачи рабочей жидкости от гидронасоса 15 и пневмогидроаккумулятора 17. В связи с тем, что объем газовой полости 9 более чем в десять раз превышает рабочий объем цилиндра 2, давление газа в полостях 9, 10 при взводе остается практически постоянным рconst. После окончания взвода штоковую полость цилиндра 2 соединяют со сливом 8 и переливной камерой 6, происходит разгон ударной части 1 под действием ее силы тяжести и постоянной силы давления газа на поршне 3, при этом рабочую жидкость из штоковой полости цилиндра сначала подают в переливную камеру 6, давление в которой повышается на величину, достаточную для последующего вытеснения рабочей жидкости на слив в период осуществления операции взвода.

Согласно формуле (2) постоянное ускорение зависит от давления газа р, площади поршня А_n и массы ударной части m.

Реальным является получение ускорения ударной части молота, в десятки раз превышающее ускорение свободного падения тел вблизи поверхности Земли. При достаточных ускорениях поршня ударная часть 1 приобретает заданную скорость перед ударом при малом перемещении поршня 3. В настоящее время достаточными для обеспечения нормального процесса забивки свай считают максимальные скорости перед ударом V=6-8 м/с. Процесс разгона поршня 3 завершается ударом ударной части 1 по свае 19, в результате которого кинетическая энергия передается от ударной части свае, обеспечивая ее перемещение в грунт. Далее рабочие циклы гидромолота повторяются, обеспечивая последовательные погружения сваи в грунт при каждом ударе. После погружения сваи на заданную глубину рабочий процесс заканчивается.

Представленные на фиг.1, 2 конструкции функционально идентичны, поэтому рассмотрим некоторые особенности каждой из них.

Штанговая конструкция гидромолота (фиг.1) работает следующим образом.

В исходном положении ударная часть 1 гидромолота находится внизу и контактирует с шаботом 14. Для начала операции взвода распределитель 5 на фиг.1 включают вправо. Рабочая жидкость от насоса 15 по гидролинии 7 подается в пневмогидроаккумулятор 17, осуществляя его зарядку, и далее через распределитель 5 по гидролинии 18 поступает в штоковую полость цилиндра 2. Процесс взвода ударной части 1 происходит практически при постоянной скорости за счет одновременной подачи рабочей жидкости от насоса 15 и пневмогидроаккумулятора 17. После завершения процесса взвода ударная часть 1 останавливается при упоре в верхнюю траверсу и происходит перемещение распределителя 5 влево в положение, изображенное на фиг.1. Штоковая полость цилиндра 2 соединяется со сливом гидролиниями 18, 8 и переливной камерой 6. В этот момент начинается процесс разгона ударной части 1 гидромолота.

В связи с тем, что сливная гидролиния 8 является достаточно протяженной и выполнена согласно фиг.4 из участков труб 26, 27, 28, соединенных шарнирными устройствами 29, масса жидкости в трубе обладает значительной инерционностью. Процесс разгона ударной части является более кратковременным по сравнению с процессом взвода. Поэтому при разгоне ударной части рабочая жидкость из штоковой полости цилиндра 2 по гидролинии 18 и через распределитель 5 поступает сначала в переливную камеру 6, объем которой соответствует нескольким объемам рабочей полости цилиндра 2. При этом давление газа в переливной камере возрастает на соответствующую величину, достаточную для последующего вытеснения рабочей жидкости в течение времени взвода из переливной камеры 6 по гидролинии 8 в гидробак, установленный на платформе базовой машины 23 копровой установки (фиг.4). Процесс разгона ударной части гидромолота завершается ударом подвижной части 1 по шаботу 14 и свае 19, которая погружается на соответствующую глубину. Далее циклы работы гидромолота повторяются.

Эффективность работы гидромолота согласно теории удара в значительной мере зависит от соотношения масс ударной части и массы сваи с закрепленными на ней элементами молота.

С целью улучшения указанного соотношения масс на фиг.1 связь шабота 14 со штангами 12 выполнена внизу с возможностью их относительного вертикального перемещения.

Вследствие этого в момент удара подвижной части 1 молота по шаботу 14 и свае 19 названные детали перемещаются вниз, а штанги 12 и связанные с ними элементы остаются неподвижными. Помимо указанной причины улучшения соотношения масс этим достигается положительный эффект снижения числа деталей, подвергающихся воздействию громадных ударных ускорений, так как после удара штанги и связанные с ними детали более спокойно опускаются под действием ускорения g свободного падения.

При работе гидромолота процессы переключения распределителя 5 происходят автоматически при помощи устройства, изображенного на фиг.3, где сплошными линиями показан момент начала операции разгона ударной части 1, на которой закреплен кронштейн 22 с профилированными упорами внизу и вверху, когда ролик 20 на штоке распределителя 5 находится в нижнем желобе кронштейна 22 и перемещен в левую позицию. При разгоне ударной части 1 с ней вместе движется вниз кронштейн 22. При этом ролик 20 и распределитель 5 остаются включенными, так как удерживаются в неподвижном состоянии фиксатором 21. В конце процесса разгона опускающийся кронштейн 22 своим верхним упором воздействует на ролик 20 и перемещает распределитель 5 в правую позицию для совершения операции взвода ударной части 1 и остается включенным этой позиции в течение всего периода взвода (это положение изображено пунктиром на фиг.3).

Рассмотрим некоторые конструктивные особенности и особенности работы трубчатого гидромолота. На фиг.1 шарнир 11 выполнен цилиндрическим, а на фиг.2 в виде шаровой опоры. Контактные поверхности соударяемых тел 1 и 14 на фиг.1 выполнены в виде выпуклых поверхностей вращения, а на фиг.2 одна из контактных поверхностей выполнена вогнутой. Для исключения потерь энергии при движении ударной части 1 в трубе 13 выполнены вентиляционные окна 30. Соединение трубы 13 с шаботом 14 на фиг.2 выполнено с возможностью относительного перемещения, благодаря соединительным элементам 31, по причинам, уже рассмотренным для фиг.1. Величина относительного перемещения трубы и шабота ограничивается соединительными элементами 32, длина которых обусловлена перемещением сваи при первом ударе. Упругие элементы 31 служат для смягчения удара цилиндра при падении после погружении сваи.

Таким образом, в предложенной конструкции гидромолота выполнено полное разделение функций рабочего цилиндра и направляющей трубы с целью предельной минимизации размеров рабочего цилиндра.

На фиг.4 показана установка гидромолота на копровое оборудование. Использование предлагаемого способа и конструкции гидромолота позволяют по сравнению с применяемыми дизель-молотами уменьшить габаритный размер молота на величину, равную высоте падения ударной части дизель-молота (Н>3 м). На фиг.4 видно, что величина Н является резервом, позволяющим уменьшить высоту мачты 25 копровой установки или при сохранении этой высоты получить дополнительную возможность забивать сваи большей длины.

Предлагаемый гидромолот не имеет ограничений по величине ударной массы, энергии и мощности единичного удара вследствие разделения функции направляющей трубы большого размера и рабочего цилиндра с минимальными габаритами.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1767089 А1, кл. Е 02 D 7/10, БИ №37, 1992.

2. Строительные машины: Справочник: В 2-х Т. T.1: Машины для строительства промышленных, гражданских сооружений и дорог/ Под общ. ред. Э.Н.Кузина. - 5-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1991. – 496 с.

3. Авторское свидетельство №863854, кл. Е 21 С 3/20, Е 02 F 9/22, БИ №34, 1981.