УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ УДАРА В СВАЙНЫХ МОЛОТАХ И ДРУГИХ МЕХАНИЗМАХ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК E02D13/10 

Область применения изобретения сваебойные молоты и другие машины ударного действия. В частности предлагаемое устройство может быть применено в копровых молотах любых типов (дизельных, гидравлических, паровых и пр.) и в специальных молотах для забивки стальных трубчатых свай на морском шельфе, в том числе для подводной забивки свай.

Известны аналогичные устройства, представляющие собой совокупность упругого устройства и наголовника сваи, содержащие в качестве упругого элемента специальные деформируемые вставки из древесины (африканское дерево "бонгези", дуб), пластмасс, асбеста и других материалов. (Лубнин В.В. Заикина В.З. Машины и оборудование для погружения сваи" М. 1989).

Недостатком таких конструкций является то, что вставки работоспособны в течение считанных минут: они быстро разрушаются и требуют замены, что приводит к дополнительным издержкам и снижению производительности сваебойных работ.

Наиболее близким к изобретению устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для передачи ударов.

Устройство имеет массивную верхнюю часть (оголовок) со сферической ударной поверхностью, монолитно соединенную с противолежащим по отношению к ударной поверхности трубчатым участком, диаметр которого увеличивается по мере удаления от оголовка. В нижней части трубчатый участок монолитно переходит в опорный элемент, выполненный в виде массивного кольца, соприкасающийся с забиваемым элементом (сваей). Все элементы устройства расположены соосно (ДЕ, патент N 3006234, кл. E 02 D 13/10, 1984).

Достоинство прототипа состоит в том, что удар передается по принципу "сталь по стали", без использования смягчающих мягких вставок, чем достигается долговечность устройства. Необходимая упругость устройства достигается выбором нужной длины и размера поперечного сечения трубчатого участка.

Основным недостатком устройства является большой габаритный размер по длине. На практике длина устройства в 3 5 раз превышает длину традиционных аналогов с мягкими вставками. Это обстоятельство приводит к значительному увеличению габаритной длины молота, что во многих случаях недопустимо. По этой причине описываемое устройство используется, например в немецких морских гидромолотах типа MHU, выпускаемых корпорацией FERROSTAAL AG, где удлинение молота допустимо вследствие использования для сваебойных работ мощных плавкранов с большой высотой подъема крюка, и совершенно не используется в копровых молотах, где длина молота лимитируется длиной стрелы копра.

Кроме того, описываемое устройство изготавливается как единое целое из поковки больших размеров и массы, что удорожает стоимость изготовления.

Задачей изобретения является снижение габаритной длины и стоимости изготовления при сохранении упругих свойств.

Это достигается тем, что устройство для передачи энергии выполнено из трех частей, последовательно жестко соединенных друг с другом: верхнего массивного элемента оголовка, взаимодействующего с ударной массой; нижнего опорного элемента, выполненного в виде кольца или сплошной пластины, соосного и противолежащего по отношению к оголовку и взаимодействующего с забиваемым элементом непосредственно или через наголовник; пустотелого упругого элемента, расположенного между оголовком и опорным элементом и выполненного в виде концентрично расположенных, последовательно соединенных труб, число которых равно или более трех. Трубы упругого элемента имеют цилиндрическую форму и имеют площадки поперечного сечения одинакового размера. Соединения труб упругого элемента, а также упругого элемента с оголовком с одной стороны и с опорным кольцом с другой могут быть выполнены сварными швами, а в местах соединения имеются опорные площадки. Устройство для передачи энергии удара и наголовник забиваемого элемента могут быть выполнены как отдельные детали и расположены с возможностью поворота относительно друг друга с перекрещиванием осей, контакт между ними осуществляется по принципу "сталь по стали", а одна из контактирующих поверхностей устройства или наголовника выполнена сферической.

На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении; на фиг. 2 вариант устройства с соединением отдельных элементов устройства сварными швами; на фиг. 3, 4 в одинаковом масштабе предлагаемое устройство и прототип с одинаковыми упругими свойствами (размер поперечного сечения и суммарная длина пустотелых упругих элементов устройства равные); на фиг. 5, 6 -предлагаемое устройство и прототип в качестве иллюстрации к расчету габаритных длин; на фиг. 7 аналог в том же масштабе, что и устройства на фиг. 5, 6; на фиг. 8 - вариант выполнения устройства, когда сила удара передается от забиваемого элемента через наголовник.

Устройство расположено в корпусе молота между ударной массой и забиваемым элементом и состоит из трех частей, последовательно соединенных друг с другом: верхнего массивного элемента оголовка 1, соприкасающегося с ударной массой 2; нижнего опорного элемента 3, выполненного в виде кольца или сплошной пластины, соосного и противолежащего по отношению к оголовку 1 и взаимодействующего с забиваемым элементом 4; пустотелого упругого элемента 5, расположенного между оголовком 1 и опорным элементом 3 и соосного с ними. Упругий элемент 5 выполнен в виде нескольких концентрично расположенных, последовательно соединенных труб. Трубы могут иметь в общем цилиндрическую форму и примерно одинаковый размер поперечного сечения. Размер поперечного сечения труб упругого элемента 5 назначается из условий обеспечения прочности. Минимально необходимая суммарная длина труб рассчитывается из условия обеспечения необходимой упругости (жесткости) устройства. Соединение труб упругого элемента 5 друг с другом, а также упругого элемента 5 с оголовком 1 с одной стороны и с опорным элементом 3 с другой могут быть выполнены сварными швами 6, а в местах соединения отдельных элементов устройства друг с другом могут быть предусмотрены опорные площадки 7 для передачи сжимающих напряжений от удара и таким образом для частичной разгрузки сварных швов. Соединения отдельных элементов друг с другом могут быть выполнены и по другой технологии, например с использованием горячей посадки.

К опорному элементу 3 устройства может крепиться направляющая забиваемого элемента наголовник 8, при этом усилие удара может передаваться от устройства забиваемому элементу 4 путем их непосредственного контакта ( см.фиг. 1). Устройство и наголовник 8 могут также располагаться подвижно относительно друг друга (см. фиг. 8), с возможностью относительно поворота с перекрещиванием осей, причем усилие удара от устройства к наголовнику 8 передается путем контакта "сталь по стали", при этом одна из поверхностей - нижняя поверхность опорного элемента 3 устройства или верхняя поверхность наголовника 8 может иметь сферическую форму.

Выполнение устройства для передачи энергии с упругим элементом в виде концентрично расположенных, последовательно соединенных труб приводит к тому, что при одинаковых упругих свойствах с прототипом габарит предлагаемой конструкции по длине уменьшает в несколько раз.

На фиг. 5, 6 изображены предлагаемое устройство и прототип в одинаковом масштабе. Размеры оголовка, опорных колец, поперечного сечения и суммарной длины пустотелых элементов принятые одинаковыми (т.е. устройства имеют одинаковые упругие свойства).

Применительно к молоту с максимальной энергией удара 100 кДж на фиг. 5, 6 приняты следующие размеры:
высота оголовка h₁ 325 мм;
длина упругого элемента прототипа (фиг. 6)
H_у h₂ + h₃ 695 мм;
длина упругого элемента предлагаемого устройства (фиг. 5) H_у 695 мм;
длина опоры под демпфер отскока на фиг. 6 h₄ 300 мм;
толщина опорного кольца на фиг. 5, 6 h₅ 120 мм;
длина соединения упругого элемента на фиг. 5 h₆ 80 мм;
Габаритная длина:
прототипа H₀ h₁ + h₂ + h₃ + h₄ + h₅ 1440 мм;
предлагаемого устройства
Отношение габаритных длин устройств:

Габаритная длина предлагаемого устройства практически одинакова с габаритом аналога с упругой вставкой (на фиг. 7 изображен для наглядности аналог в том же масштабе).

В том случае, если число труб, составляющих пустотелый элемент предлагаемого устройства, увеличить, например до 5 шт. указанное соотношение также увеличится примерно пропорционально. Применение предлагаемых устройств с числом труб более 3 целесообразно в молотах большой мощности, например морских молотах с энергией удара 400 3000 кДж.

Предлагаемое устройство технологичнее и следовательно дешевле прототипа в изготовлении. Прототип изготавливается как единое целое из крупной поковки, в то время как предлагаемое устройство состоит из отдельных соединяемых частей, из которых только та часть, которая содержит оголовок, изготавливается из гораздо меньшей по размерам поковки. Упругий элемент может свариваться из труб, изготовленных вальцеванием из листа. Именно поэтому из технологических соображений трубы упругого элемента целесообразно изготавливать цилиндрической формы. Площадь поперечного сечения труб упругого элемента должна быть примерно одинакова из соображения обеспечения одинаковой их напряженности, т. к. все они работают в процессе удара на растяжение или сжатие одной силой, передаваемой от ударной массы к свае.

Назначение опорных площадок в местах соединений отдельных элементов устройства обеспечить передачу силы удара от предыдущего элемента последующему и таким образом соответственно разгрузить сварные швы. При этом на опорных площадках развиваются сжимающие напряжения. Расчет площадей опорных площадок и сечений сварных швов элементарен.

Необходимость использования варианта наголовника, подвижно соединенного с заявляемым устройством, определяется условиями эксплуатации копровых молотов. При забивке железобетонных свай, например копровым молотом, наголовник надевается на верхний торец сваи и базируется полностью по свае. В связи с тем, что ось сваи может отклоняться от оси молота довольно значительно, ясно, что в этом случае совершенно необходимо, чтобы была обеспечена возможность взаимного поворота с перекрещиванием осей наголовника и заявляемого устройства. Это условие соблюдается в том случае, если наголовник не соединен с устройством жестко, а размещается в корпусе молота с зазорами, достаточными для свободного его наклона в пределах нескольких градусов.

Контакт между нижним торцем устройства и верхним торцом наголовника целесообразно осуществлять непосредственно, без каких-либо промежуточным деталей по принципу "сталь по стали". При этом для того, чтобы обеспечить контакт в центре деталей при всех возможных наклонах оси наголовника, по крайней мере одна из контактирующих поверхностей нижний торец заявляемого устройства или верхний торец наголовника должны иметь выпуклую (сферическую) форму.

Устройство работает следующим образом.

После установки молота на свае 4 устройство для передачи энергии плотно устанавливается на верхнем торце сваи 4. После включения молота ударная масса 2 через предлагаемое устройство передает энергию свае. В связи с тем, что устройство для передачи энергии имеет упругий элемент 5, время удара увеличивается, что предотвращает жесткий удар по свае.

Наибольшую силу удара, развиваемую молотом и передающуюся свае, можно определить, используя понятие "отказа" сваи. "Отказ" сваи выражается в мм погружения сваи за один удар молота и означает, что при наступлении такой проходки сваи на удар работа молота должна быть прекращена. Для различных молотов и свай эта величина равна обычно 2 5 мм.

Максимальная сила удара молота равна P_max E h_min,
где E максимальная энергия удара молота;
h_min "отказ" сваи.

При этом в свае с поперечным сечением f_св развиваются напряжения сжатия.

σ = P_max : f_св
Примерный характер изменения напряжений в свае показан на фиг. 9. В соответствии с графиком, изображенным сплошной линией, напряжения в свае будут изменяться только в том случае, если время t₁ нарастания напряжения от нуля до номинального значения будет достаточно велико. Величина же t₁ пропорциональна деформации устройства, расположенного между ударной массой и сваей (заявляемое устройство). Если же деформация устройства в процессе удара мала, то происходит "жесткий" удар, при котором в начальной фазе удара в свае развиваются напряжения, значительно превышающие номинальное значение, что приводит к расклепыванию и деформации сваи (этот процесс изображен на фиг. 9 пунктиром). Сминаемые вставки в традиционных конструкциях устройств аналогов имеют как раз цель устранить пик напряжения в свае, возникающий при жестком ударе.

В прототипе та же цель достигается без использования сминаемых вставок: пустотелый элемент устройства рассчитывается таким образом, что его упругая деформация в процессе удара имеет примерно ту же величину, что и в устройствах с упругими вставками.

При этом величина поперечного сечения упругого элемента прототипа и заявляемого устройства выбирается из условия:
f = P_max :[σ]
где [σ] допускаемые напряжения на сжатие и растяжение материала устройства.

Длина упругого элемента прототипа (или суммарная длина труб, составляющих упругий элемент заявляемого устройства) выбирается из необходимости достижения требуемой величины упругой деформации:

где ΔL упругая деформация упругого элемента в осевом направлении;
E модуль упругости материала.

Габаритная длина устройства-прототипа, имеющего ту же деформацию ΔL что и аналог традиционной конструкции с упругой вставкой, в 3 5 раз превышает габарит аналога. Предлагаемое устройство, имеющее упругий элемент из 3 5 труб, при той же упругой деформации ΔL в 3 5 раз короче прототипа, т.е. имеет габаритную длину, не превышающую длину традиционного аналога, чем и достигается поставленная цель.

С использованием предлагаемого устройства РОПАТ изготовил головной образец гидромолота МГП100 для сваебойных работ на морском шельфе. Молот испытан на забивке стальных трубчатых свай диаметром 620 мм с заглушенным нижним торцом. Испытания подтвердили расчетные упругие характеристики устройства: сжимающие напряжения в деталях от удара не превышали допустимых, расклепывание верхнего торца свай отсутствовало.

Использование: в сваебойных молотах и других механизмах ударного действия. Сущность изобретения: устройство расположено в корпусе молота между ударной массой и забиваемым элементом и состоит из трех частей, последовательно жестко соединенных друг с другом: верхнего массивного элемента - оголовка, соприкасающегося с ударной массой; нижнего опорного элемента, выполненного в виде кольца или сплошной пластины, взаимодействующего с забиваемым элементом непосредственно или через наголовник; и пустотелого упругого элемента, расположенного между оголовком и нижним опорным элементом. Упругий элемент выполнен в виде нескольких концентрично расположенных, последовательно соединенных труб. Трубы имеют цилиндрическую форму и примерно одинаковый размер поперечного сечения. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для передачи энергии удара в свайных молотах и других механизмах ударного действия, размещенное между ударной массой и забиваемым элементом, включающее последовательно соединенные между собой и соосно расположенные оголовок, контактирующий с ударной массой, пустотелый упругий элемент и опорный элемент, взаимодействующий с забиваемым элементом, отличающееся тем, что пустотелый упругий элемент выполнен в виде концентрично расположенных и последовательно соединенных между собой труб. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пустотелый упругий элемент выполнен в виде трех и более труб. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что трубы упругого элемента имеют цилиндрическую форму. 4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что трубы упругого элемента имеют площади поперечного сечения одинакового размера. 5. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что трубы между собой, оголовком и опорным элементом соединены сваркой. 6. Устройство по пп. 1 5, отличающееся тем, что места соединения труб выполнены с опорными площадками. 7. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что поверхность опорного элемента, контактирующая с забивным элементом, выполнена сферической.