Разработка самосинхронизирующегося вибропогружателя и совершенствование наголовников и виброизоляторов сваепогружающих машин вибрационного действия

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми на ХХУ1 съезде КПСС, предусмотрено широко применять при создании новых машин, оборудования, аппаратуры и приборов модульный принцип их проектирования с использованием унифицированных узлов и агрегатов /81/.Все увеличивающиеся в нашей стране объемы промышленного, транспортного и гидротехнического строительства, требуют дальнейшего повышения эффективности и совершенствования методов сооружений свайных фундаментов. Решение этих задач тесно связано с поиском новых конструкций сваепогружающих (извлекающих) машин и усовершенствованием существующих дяя обеспечения роста производительности труда, снижая их металлоемкости и энергоемкости. Свайные элементы в виде труб, шпунта, балок, используемых для временных сооружений и других целей при выполнении земляных работ, являются оборотным материалом и подлежат многократному использованию. Процесс извлечения указанных элементов обладает некоторой спецификой по сравнению с их погружением. В настоящее время имеется развитой парк сваебойных машин, оснащенных копровыми установками, для извлечения же свайных элементов ощущается недостаток в эффективном оборудовании. Созданные для этих целей мощные вибромолоты и шпунтовыдергиватели наряду с положительными качествами обнаружили некоторые недостатки, связанные с передачей недопустимо высоких уровней вибраций грузоподъемной машине при извлечении свайных элементов. Пружинные — 6 виброизолирущие устройства в существующих конструкциях шпунтовыдергивателей обладают низкой надежностью, повышенной металлоемкостью, значительным уровнем шума и большими габаритными размерами. Эффективность работы погружающей (извлекающей) машины во многом зависит от надежного закрепления наголовником свайного элемента. Однако малоизученным остается вопрос определения необходимой силы зажима свайного элемента при ударно-вибрационном извлечении, которое является наиболее тяжелым режимом с точки зрения динамической нагруженности всего комплекса машины и наголовника в частности. Для развития современных вибрационных сваепсгружающих машин характерна тенденция модульного проектирования, позволяющая путем компоновки их из унифицированных центробежных виброблоков создавать мощные машины для погружения и извлечения из грунта практически все виды свайных элементов. Существенным недостатком центробежных вибровозбудителей являются шестеренчатые синхронизаторы, кинематически жестко связывающие дебалансные валы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Наличие подобного способа синхронизации снижает надежность, повышает металлоемкость и усложняет машину в целом. За рубежом ведущие машиностроительные фирмы «КбП56и5и. KlKal Chosa» (Япония), «MllLCer» (ФРГ), «M m a g «(ФРГ), «ИгпсК» (ФЕТ), «ICE» (США), «Foster •• (США) и другие освоили серийный выпуск вибропогружателей, отвечающих современным требованиям практики. В СССР поиском, созданием и исследованием вибропогружателей и вибромолотов занимаются Ш О ВНИИстройдормаш, ЦНИИС, — 7 ВНИИГС, НИИОСП, Люберецкий завод мостостроительного оборудования и другие организации. Таким образом, учитывая широкое распространение и дальнейшие перспективы развития ударно-вибрационных и вибрационных сваепогружащих машин, проблема совершенствования их конструкций является актуальной задачей и отражена в координационном плане НИР АН СССР на I98I-I985 гг. (проблема теории машин и систем машин — I.II.I).ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ работы является дальнейшее совершенствование вибрационных машин для погружения в грунт и извлечения из него свайных элементов широкой номенклатуры. НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в том, что предложен новый самосинхронизирующийся вибропогружатель, обоснована его математическая модель и составлены дифференциальные уравнения движения с учетом действия сопротивления грунта в виде силы cjxoго трения. Исследованием этих уравнений на ЭВМ выявлены необходимые условия для обеспечения синхронно-синфазных движений роторов вибропогружателя. Для снижения динамических нагрузок, передаваемых на грузоподъемную машину от шпунтовыдергивателей, разработана методика выбора упругих характеристик виброизоляторов с учетом характера изменения тягового усилия грузоподъемной машины в процессе извлечения свайного элемента. Разработана в рамках стереомеханической теории удара методика расчета силы зажима свайного элемента, развиваемой наголовником при ударно-вибрационном извлечении, обеспечивающей их надежное соединение. Новизна конструкторских разработок, выполненных на базе — 8 исследований, защищена авторским свидетельством и положительным решением ВНИИШЭ. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Результаты проведенных исследований позволшот на стадии проектирования определять необходимую силу зажима наголовником свайного элементаповысить эффективность работы виброизолятора за счет выбора рациональной нелинейной его характеристикиусовершенствовать вибропогружатель за счет исключения жесткой кинематической синхронизации роторов. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Б НПО ВНИИстройдормаш использованы результаты разработок при создании техпроектов вибропогружателей СВ-03, СВ-08 и СП-80. В тоннельном отряде № 4 управления «Киевметрострои» испытан и эксплуатируется наголовник для захвата двутавровых балок, шпунта и труб при ударно-вибрационном их извлечений. Технико-экономический эффект от внедрения разработок составляет 173 тыс. рублей в расчете от годового выпуска 100 машин СП-80, что предусмотрено приказом Министра строительного, дорожного и коммунального машиностроения № 740 от 30.12.83 г. Выпуск этих машин по упомянутому приказу включен в план новой техники Стерлитамакского завода «Строймаш» Минстройдормаша. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты исследования диссертационной работы докладывались и обсуждались на 43-й научно-технической конференции МИСИ им, В. В. Куйбышева .Москва, 1984 г.- на секции НТО НПО ВНИИстройдормаш в 1984 г. П У Е Ш Ш Щ Я РАБОТЫ. Научные положения и результаты диссертации опубликованы в трех печатных работах /3,30,31/, получено авторское свидетельство на изобретение /б/ и отражены в от- 9 чете по хоздоговорной теме /62/.НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: — расчетная динамическая модель самосинхронизирущегося вибропогружателя, предназначенного дтш извлечения и погружения в слабые грунты свайных элементов широкой номенклатуры, учитывающая сопротивление грунта в виде силы сухого трения- - результаты теоретических исследований уравнений динамики самосинхронизирущегося вибропогружателя на ЭВМ и экспериментальных исследований лабораторного стенда- - методика выбора рациональных упругих характеристик, необходимых для разработки новых конструкций виброизоляторов повышенной надежности и эффективности- - методика расчета силы зажима свайного элемента, развиваемой наголовником при ударно-вибрационном извлечении его из грунта. Работа выполнялась под руководством профессора, доктора технических наук Борщевского А. А. и является частью исследований, проводимых на кафедре «Механическое оборудование» МИСИ им. В, В. Куйбышева в соответствии с координационным планом АН СССР на I98I-I985 гг. (проблема теории машин и систем машин I.II.I). Экспериментальная часть работы выполнена на Центральном научно-испытательном полигоне ВПО ВНИИстройдорлаш и в производственных условиях в тоннельном отряде № 4 управления государственного строительства метрополитена «Киевметрострой». — 10.

Основные результаты исследований использованы также при создании техпроекта вибропогружателя СП-80. В соответствии с приказом Министра строительного, дорожного и коммунального машиностроения от 30 декабря 1983 г. № 740 предусмотрен выпуск вибропогружателя СП-80 в количестве 100 штук. Выпуск этих машин по упомянутому приказу включен в план новой техники Стер-литамакского завода «Строймаш» Минстройдормаша (приложение I),.

На строительных объектах управления «Киевметрострой» Мин-транстроя СССР испытан и эксплуатируется шпунтовыдергиватель В1−809, наголовник которого спроектирован с использованием методики расчета силы зажима свайного элемента разработанной в диссертации. Наголовник применяется для захвата двутавровых балок № 60 длиной до (15+17) м и других свайных элементов, применяемых для временного ограждения грунтового массива при разработке котлованов. Наголовник зарекомендовал себя удобным в эксплуатации, обеспечивает надежный зажим, быстрое соединение и освобождение свайного элемента (приложение I).

В соответствии с координационным планом НИР АН СССР на.

I98I-I985 гг. (проблема теории машин и систем машин — I.II.I), 1984 г. была закончена научно-исследовательская тема: «Исследовать возможность создания типового ряда вибропогружателей с гидравлическим наголовником» /62/. ВНИИстройдормашем, с использованием результатов этой работы создан опытный образец модульного вибропогружателя рис. 5.1.

Расчет экономической эффективности вибропогружателей выполнен в соответствии с действующей инструкцией по определению экономической эффективности создания новых строительных и дорожных машин Минстройдормаша /60/. При расчете экономической эффективности внедрения вибропогружателей в народное хозяйство в качестве базисного варианта приняты машины СП-42А, СП-47А, СП-48А, которые выполняют аналогичные свайные работы. Результаты технико-экономического эффекта отражены в приложении I.

5.2. Перспективы совершенствования вибропогружателей.

В практику свайных работ за рубежом прочно утвердились за последнее десятилетие вибропогружатели, созданные на основе модульного принципа проектирования, составленные из двух и более виброблоков (модулей). В качестве привода этих машин применяют электрические двигатели с фазным или короткозамкнутым ротором. В настоящее время у нас в стране Минэлектротехпромом выпускаются три типа асинхронных электродвигателей мощностью (13, 17, 22) кВт, предназначенных для привода машин, работающих в вибрационном и ударно-вибрационном режимах /31/. Электродвигатели рассчитаны на вибрационные нагрузки в диапазоне частот (1*50) Гц при ускорениях до 90 g и на многократные ударные нагрузки при ускорениях до 130 g.

Рис. 5.I Опытный образец модульного вибропогружателя.

СВ-03.

Такая номенклатура электродвигателей обеспечивает их использование для создания нескольких типов модулей. Модуль состоит из литого корпуса, в который встроены параллельно два вибростойких статора, роторов установленных в подшипниках и дебалансов, укрепленных на их концах. Как указывалось ранее, роторы модулей снабжены жесткой механической или электрической принудительной связью.

Исследование задачи о самосинхронизации четырех роторов были проведены в рамках пространственной динамической модели вибрационной установки в работе Лаврова Б. П. /69/, а для вибромолота в диссертации Зарецкого Л. Б. /53/, где показаны отсутствие эффекта самосинхронизации в этих случаях.

На основании проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований самосинхронйзирующегося одномодуль-ного вибропогружателя представляется возможным использовать полученные результаты для проектирования модульного ряда вибропогружателей, содержащих два и три модуля. В этой связи предлагается решить вопрос о устройстве частичной кинематической синхронизации между роторами следующим образом рис. 5.2. При жесткой двухярусной компоновке модулей требуется устройство кинематической связи не между всеми роторами, а достаточно связать принудительно только одну пару роторов в вертикальной плоскости. Шарнирное соединение, связывающее наголовник с корпусом двухмодульного вибровозбудителя располагается в центре масс последнего. Следовательно модульный ряд вибропогружателя из двух модулей вырождается в систему с пятью степенями свободы в конце процесса погружения свайного элемента рис. 5.26. Это подтверждается также теми выводами, что всю группу роторов, т, а I нн со оэ I.

Рис. 5.2 Схема модульных вибропогружателей а) одномо, пульный вибропогружательб) двухмодульный вибропогружательв) трехмодульный вибропогружатель вращающихся в одном направлении, можно привести к одному эквивалентному ротору, а группу роторов, вращающихся в противоположном направлении ко второму эквивалентному ротору /52/.

В случае трехярусной компановки модулей для достижения эффекта самосинхронизации необходимо и достаточно связать кинематически две пары роторов в вертикальной плоскости, как показано на рис. 5.2 В.

Правомерность этих заключений вытекает из условий, что динамическая система стремится принять такие фазовые соотношения, при котором несущее тело и оси роторов будут совершать минимальные колебания из всех возможных их движений или вообще оставаться в покое /69/. То есть в рассматриваемых системах роторы будут принимать синхронно-синфазный режим вращения, что необходимо для вибрационного погружения свайного элемента. Указанные положения строго доказываются математически при получении решений дифференциальных уравнений движений и подстановки их в выражение кинетической энергии системы /25, 69, 70/.

Таким образом, для двухмодульного и трехмодульного вибропогружателей о частичной принудительной синхронизации роторов остается справедливой та же схема расчета самосинхронизации, выполненной в главе 4. Поэтому их рассмотрение здесь не приводится.

ОНЦИЕ вывода ПО РАБОТЕ.

1. Разработана методика выбора упругой характеристики виброизолятора шпунтовыдергивателя с учетом характера изменения тягового усилия грузоподъемной машины и силы сопротивления грунта в виде сухого трения, позволившая провести исследование и анализ нелинейной упругой характеристики виброизолятора с помощью АВМ.

2. Экспериментальными исследованиями установлена зависимость тягового усилия грузоподъемной машины одновременно от высоты и времени извлечения свайных элементов. Определено, что величина тягового усилия изменяется в диапазоне (100 * 180) кН. Это позволило предварительно рекомендовать рациональную форму упругой характеристики виброизолятора. Выявлена возможность работы виброизолятора на участке характеристики с минимальной жесткостью при рекомендованном ходе 0,30 м выходного звена.

На основании исследований разработана новая конструкция виброизолятора, реализующая рациональную форму упругой характеристики.

3. Разработана в рамках стереомеханической теории удара методика расчета силы зажима свайного элемента развиваемой наголовником при ударно-вибрационном извлечении, обеспечивающей их надежное соединение и позволяющей оценить эту силу на стадии его проектирования. Выявлено, что сила зажима развиваемая наголовником в основном определяется массой свайного элемента и скоростью ударной части шпунтовыдергивателя. Экспериментально в производственных условиях проверена работоспособность наголовника, основные параметры которого выбраны по разработанной методике расчета.

4. Описана динамика расчетной математической модели самосинхронизирующегося вибропогружателя, как автономной колебательной системы с существенной диссипацией энергии в виде силы сухого трения действующей на свайный элемент.

5. Показано, что условия необходимые для устойчивого режима синхронно-синфазных движений роторов выполняются на всех стадиях погружения при шарнирном соединении, жестко связанного со свайным элементом, наголовника с корпусом двухвального центробежного вибровозбудителя. При этом время установления этих движений не превосходит 0,5 с.

6. Определено, что режим устойчивых синхронно-синфазных движений роторов вибропогружателя нечувствителен к величине силы сухого трения в области параметров, изменяющихся в процессе погружения свайного элемента. Несмотря на то, что предложенный вибропогружатель представляет систему со значительной диссипацией энергии, для определения областей его устойчивых синхронно-синфазных движений роторов можно пользоваться интегральным критерием устойчивости общей теории синхронизации.

7. Экспериментальные исследования, проведенные на лабораторном стенде вибропогружателя в реальных грунтовых условиях, согласуются с теоретическими выводами. Подтверждено, что при шарнирном соединении вибровозбудителя с наголовником устанавливается необходимое синфазное соотношение роторов в широких областях параметров, изменяющихся в процессе погружения свайного элемента, позволивших выявить работоспособность вибропогружателя.

8. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке техпроектов модульного вибропогружателя СВ-03- шпунтовыдергивателя СВ-08- вибропогружателя СП-80, виброизоляторов и наголовников к ним. Выпуск вибропогружателя СП-80 включен в план новой техники Стерлитамакского завода «Строймаш» Минстройдормаша. Технико-экономический эффект от внедрения в народное хозяйство только от вибропогружателя СП-80 составляет 173 тыс. рублей от годового выпуска 100 машин.