СВАЕБОЙНЫЙ ДИЗЕЛЬ-МОЛОТ Российский патент 1997 года по МПК E02D7/02 

Изобретение относится к строительству свайных оснований фундаментов, в частности к молотам одиночного действия для забивки свай как в связные и плотные маловлажные грунты, так и в водонасыщенные малопрочные грунты.

Известен сваебойный дизель-молот, содержащий направляющий цилиндр, рабочий цилиндр, шабот, ударную массу соосную шаботу, пусковой механизм с захватами и двухтактный двигатель внутреннего сгорания, выполненный на взаимодействующих друг с другом частях ударной массы и шабота (Специальные машины и оборудование для устройства оснований и фундаментов. М.Машиностроение, 1972, с.173-175, рис.122).

Недостатки. Постоянная ударная масса и неизменяемая частота ударов в изменяющихся условиях погружения сваи.

Наиболее близким по технической сущности является сваебойный дизель-молот, содержащий соосно установленные корпус, шабот, ударную массу с равнодействующей от ее веса по оси шабота, пусковое устройство с захватами и аккумулятор энергии (авт. св. СССР N 949073, кл E 02 D 7/02, опублик. 7.08.82)
Недостатки. Частота ударов нерегулируема. Изменение ударной массы трудоемко и связано с остановкой работы. С ростом ударной массы уменьшается высота подскока.

Предлагаемым изобретением решается задача изменения энергии ударов, их частоты и чередования ударов с разной энергией в процессе погружения сваи в зависимости от взаимодействия ее с грунтом.

Поставленная задача достигается сваебойным дизель молотом, содержащим соосно установленные корпус, шабот, ударную массу с равнодействующей от веса по оси шабота, аккумулятор энергии и пусковое устройство с захватами, в котором имеется четное число ударных элементов с равнодействующей от их веса по оси шабота, устройство управления, выполненное с возможностью формирования ударных масс из различных сочетаний ударных элементов, а аккумулятор энергии включает пружину с траверсой, установленной на направляющих соосно шаботу, при этом для ориентации равнодействующей от динамических нагрузок по оси шабота она установлена с возможностью взаимодействия с ударными элементами в пределах верхней части их траекторий.

Устройство управления может быть выполнено в составе электромагнитных приводов для захватов пусковых устройств и переключателей, объединяющих приводы захватов соответственно сочетаниям ударных элементов.

Устройство управления может быть выполнено в составе электромагнитов по количеству ударных элементов, закрепленных на траверсе, и переключателей в количестве сочетаний ударных элементов, объединяющих электромагниты в соответствующие ударным элементам сочетания.

Аккумулятор энергии дизель-молота может включать тормозной пневмоцилиндр, установленный, например, во взаимодействии с пружиной.

Сваебойный дизель-молот может быть снабжен аккумулятором энергии, который содержит установочные пневмоцилиндры по количеству ударных элементов, при этом поршневые штоки пневмоцилиндров должны быть связаны с траверсой, а поршневые камеры диаметрально противолежащих пневмоцилиндров сообщены между собой.

На фиг.1 изображен сваебойный дизель-молот; на фиг.2 поперечное сечение дизель молота с четырьмя ударными элементами; на фиг.3 поперечное сечение дизель молота с шестью ударными элементами; на фиг.4 сваебойный дизель молот с измененной конструкцией аккумуляторного устройства; на фиг.5 схемы объединения в группы ударных элементов четырехцилиндрового дизель-молота; на фиг.6 схемы объединения в группы ударных элементов шестицилиндрового дизель-молота; на фиг. 7 схемы объединения в группы ударных элементов двенадцатицилиндрового дизель-молота; на фиг.8 возможные диаграммы энергии воздействия на свою за один цикл (Тц) движения ударной массы четырехцилиндрового дизель-молота; а) две ударные массы по два ударных элемента каждая, б) одна ударная масса из 4^х ударных элементов; на фиг.9 приведены возможные диаграммы энергии воздействия на свою за один цикл (Тц) движения ударной массы шестицилиндрового дизель-молота: а) три ударные массы по два ударных элемента каждая, б) две ударные массы по три ударных элемента, в) две ударные массы из 4^х и 2^х ударных элементов, г) одна ударная масса из 6^ти ударных элементов; на фиг.10 изображена принципиальная электросхема управления магнитными приводами захватов пусковых устройств четырехцилиндрового дизель-молота; на фиг.11 принципиальная электросхема управления электромагнитами, удерживающими ударные элементы на траверсе аккумуляторного устройства.

Дизель-молот содержит корпус, состоящий из несущего кольца 1, направляющих штанг 2, закрепленных в кольце 1, и оголовка 3 с амортизирующими устройствами 4, шабот 5, установленный соосно корпусу, ударную массу с равнодействующей по оси шабота 5, аккумулятор энергии и пусковое устройство.

Ударная масса составляется из ударных элементов 6, снабженных поршневыми головками 7. Отвесная часть под каждую поршневую головку 7 блок 8 закреплена на шаботе 5 и, в то же время, свободно расположена в соответствующем рабочем цилиндре 9. Каждый рабочий цилиндр 9 закреплен в кольце 1 корпуса. Камера сгорания 10 предусмотрена в пространстве, ограниченном блоком 8, поршневой головкой 7 и рабочим цилиндром 9. В рабочем цилиндре выполнено отверстие для всасывающе-выхлопного патрубка 11 и к цилиндру 9 прикреплен направляющий цилиндр 12. Ударные элементы 6 с соответствующими им блоками 8 размещены по периферии шабота 5 так, что равнодействующая от их весов совпадает с осью шабота: в общем случае по окружности от оси шабота.

Для подъема и запуска дизель-молота имеется пусковое устройство-кошка 13 с захватами 14 (фиг.2, 3), например, с электромагнитными приводами. Ответная часть под захват 14 выполнена на теле ударного элемента в виде проточки 15. На боковой поверхности направляющего цилиндра 12 выполнена продольная прорезь ( не показано), в которой перемещается захват при подъеме ударного элемента.

На корпусе установлен один для всех ударных элементов топливный бак 16, сообщенный трубопроводами 17 с топливными насосами 18 для камер сгорания 10 каждого ударного элемента. Камеры сгорания 10 сообщены с форсунками насосов, которые приводятся в действие рычагами 19, установленными с возможностью взаимодействия с ударными элементами 6 для периодической подачи топлива (в камеры сгорания).

Работа каждого ударного элемента и конструкция его предполагаются по принципу известных трубчатых дизель-молотов (Специальные машины и оборудование для устройства оснований и фундаментов, М.Машиностроение, 1972, с.173-189).

У дизель-молота ударная масса величина переменная и формируется из ударных элементов 6 различного сочетания, но уравновешенных относительно центра шабота 5, т.е. равнодействующая от веса каждой ударной массы направлена по оси 0 0 (фиг.1). При четырех ударных элементах ударные массы это две группы по два ударных элемента 6 (фиг.5,а) или одна группа из четырех элементов (фиг.5,б). У шестицилиндрового дизель-молота ударные массы представлены тремя группами по два ударных элемента (фиг.6,а) или двумя группами по три ударных элемента (фиг.6,б), или одной группой из 4^х ударных элементов и одной группы из двух ударных элементов (фиг.6,в), или одной группы из шести ударных элементов (фиг.6,г) и так далее в зависимости от количества ударных элементов в конструкции (см.фиг.7 а, б, в, б, в, г, д).

Формирование ударных масс из множества ударных элементов осуществляют с помощью устройства управления. Устройство управления дизель-молота, состоящее из четырех ударных, элементов 6, включает три переключателя 20, 21 и 22. От каждого переключателя 20 и 21 контакты 23 и 24 соединены с электромагнитными приводами захватов 14 двух ударных элементов, равнодействующая от веса которых совпадает с осью 0-0 корпуса (см.фиг.10). От переключателя 22 все контакты 23 и 24 соединены с электромагнитными приводами захватов 14 всех четырех ударных элементов.

Устройство управления может быть выполнено на основе электромагнитов 25 (фиг.4 и 11), удерживающих ударные элементы на траверсе 26 (фиг.4). В остальном управление осуществляется аналогично управлению захватами 14 с электромагнитными приводами. Например, для дизель-молота с четырьмя ударными элементами имеются также три переключателя 27, 28 и 29. От каждого переключателя 27 и 28 контакты 30 и 31 сообщены с парами электромагнитов 25, установленными над теми ударными элементами, равнодействующая от веса которых совпадает с осью 0-0 шабота. От переключателя 29 все контакты 30 и 31 сообщены с электромагнитами 25, обслуживающими все четыре ударные элемента.

Аккумулятор энергии выполнен с возможностью выравнивания перед ударом стартовых энергий ударных элементов в группе, что обеспечивает перед каждым ударом положение равнодействующей от динамической части нагрузки по оси 0-0 корпуса дизель-молота и, следовательно, центра шабота. Для четырехцилиндрового дизель-молота аккумулятор может быть выполнен в виде пружины 32 с траверсой 26 для взаимодействия с ударными элементами 6. Траверса 26 установлена в пределах верхней части траектории движения ударных элементов 6 на направляющих 2. Аккумулятор может быть дополнен тормозными пневмоцилиндрами 4 (см.фиг.1, 4). Аккумулятор энергии дизель-молота с большим числом ударных элементов целесообразно выполнить в составе траверсы 26, установленной на направляющих 2 в пределах верхней части траектории движения ударных элементов, пружины 32, установленной между оголовком 3 и траверсой, а также установочных пневмоцилиндров 33, соответственно количеству ударных элементов. Противоположные поршневые камеры 34 и 35 диаметрально противолежащих установочных пневмоцилиндров 33 сообщены между собой. Траверса 26 шарнирно подвешена на поршневых штоках 36 пневмоцилиндров 33 и ограничена в движении в сторону ударных элементов упором 37.

Сваебойный дизель-молот устанавливают на мачте копра (не показан) и лебедку копра соединяют с пусковыми устройствами 13. При подъеме пусковых устройств захваты 14 движутся в прорезях направляющих цилиндров 12 и за проточки 15 вытягивают ударные элементы вверх. Ударные элементы вверху фиксируются на захватах 14 или на электромагнитах 25. При движении ударных элементов вверх открываются всасывающе-выхлопные патрубки 11, через которые в цилиндры 9 поступает воздух. Заданную группу ударных элементов сбрасывают, обесточивая электромагнитные приводы захватов 14 или обесточивая соответствующую группу электромагнитов 25. Ударная масса из нескольких ударных элементов под действием собственного веса начинает двигаться вниз. Не доходя до всасывающе-выхлопных патрубков 11 поршневые головки нажимают на рычаги 19 топливных насосов, которые подают топливо в камеры сгорания 10 сферические углубления в блоках 8. Двигаясь далее вниз, каждая поршневая головка 7 перекрывает соответствующие всасывающе-выхлопные патрубки 11, сжимает воздух, заполняющий камеры сгорания 10.

Вследствие сжатия воздух нагревается до температуры достаточной для воспламенения топлива. В момент удара поршневой головки ударного элемента по блоку 8 топливо распыляется с нагретым воздухом. Газы, образовавшиеся от сгорания топлива, подбрасывают ударный элемент вверх для повторения цикла. Топливо сгорает после удара, который усиливается взрывом газов, образующихся в камере сгорания. Блоки 8 установлены в соответствующих цилиндрах 9 снизу свободно, т.е. могут перемещаться, но вместе с шаботом 5. Поэтому при нанесении ударными элементами 6 по блокам 8 ударов, последние не передаются цилиндрам 9.

Ударная масса формируется из нескольких ударных элементов 6 с помощью устройства управления и аккумулятора энергии. Например, если дизель-молот четырехцилиндровый, то посредством переключателя 20 (или 21) подают электроэнергию на электромагнитный привод захватов 14 одной группы, состоящей из 2^х ударных элементов, и те наносят удар по шаботу, горючее воспламеняется и ударные элементы этой группы движутся вверх. При движении вверх одной группы ударных элементов она воздействует на переключатель 21 (или 20) другой группы ударных элементов и последние устремляются вниз.

Ударные элементы группы подходят к аккумулятору не одновременно. Отдавая кинетическую энергию, первый ударный элемент резко уменьшает скорость перемещения, и его догоняют отставшие ударные элементы той же группы. Ударные элементы группы выравнивают свои энергии и аккумулятора, а затем под действием собственного веса и энергии аккумулятора стартуют с одинаковой потенциальной энергией в сторону шабота и одновременно наносят удары одинаковой силы.

Если устройство управления выполнено на основе электромагнитов 25 (фиг. 4, 11), то каждая группа ударных элементов при работе молота фиксируется в верхней части траектории на траверсе 26 электромагнитами 25 так, что временной интервал между ней и последующей группой равен заданному. А заданный интервал времени устанавливается положением переключателя относительно траверсы 26: один из ударных элементов последующей группы, взаимодействуя с переключателем 27 (или 28), обесточивает электромагниты, с которыми взаимодействует предыдущая группа ударных элементов, и последние устремляются в сторону шабота одновременно.

В общем случае сваи погружают одиночными ударами расчетной энергии, обеспечиваемой ударной массой, состоящей из 2^х, 3^х, 4^х 6 и т.д. ударных элементов. При наличии упругого отпора грунта основной удар наносится достаточно большой ударной массой и добивается последующим дополнительным ударом большей или меньшей энергии. Дополнительный удар наносится в продолжении основного удара. Тогда обусловленный упругим отпором грунт перемещается вверх относительно сваи. Свая в зависимости от энергии дополнительного удара может остаться на месте, обусловленном основным ударом, или же погрузиться несколько ниже. В промежутке времени между основными ударами дополнительный удар наносится в любой момент. Это обусловлено тем, что тот и другой удары наносятся ударными массами, состоящими из групп различных ударных элементов, входящих в конструкцию дизель-молота ( см. диаграммы на фиг.8, 9). Алгоритм воздействия на сваю задается в общем случае по программе в зависимости от характера взаимодействия сваи с той или иной породой при ее погружении. Параметрами алгоритма являются величина энергии удара по налогонику сваи, время между ударами и чередование ударов различных энергий.

Например, практикой установлено, что при значительном числе свай в фундаменте и небольших расстояниях между ними значительно возрастает сопротивление погружению их. В этом случае наращивание энергии удара идет за счет увеличения количества ударных элементов в ударной массе.

Другой пример. В слабых и пластичных глинистых грунтах свая погружается легко. Поэтому высота подбрасывания тяжелых ударных элементов может быть настолько малой, что его падение не обеспечит сжатия воздуха в камере сгорания, необходимого для вспышки горючего при запуске. В таких условиях целесообразно применять дизель-молот, ударная масса которого состоит из легких ударных элементов, которые работоспособны при погружении свай в слабые грунты.

Для погружения свай в полутвердые и тугопластичные глинистые грунты большая ударная масса набирается из нескольких легких ударных элементов.

При достаточно большом количестве ударных элементов, например двенадцати, частота ударов ударных масс, состоящих из 2^х ударных элементов может достигать 360 уд/мин, что приближает дизель-молот по работе к вибропогружателям и делает целесообразным применение его для погружения свай в песчаные грунты.

В настоящее время не выпускаются дизель-молоты для погружения свай-оболочек большого диаметра. Такие дизель-молоты экономически целесообразно выполнять на основе предлагаемой конструкции.

Работа аккумулятора энергии.

Динамические нагрузки на сваю зависят от потенциальной энергии у каждого ударного элемента в группе. Аккумулятор поглощает часть энергии от ударных элементов свыше некой средней величины путем выравнивания высоты подскока ударных элементов и синхронного старта в следующем цикле. Ударные элементы с равной потенциональной энергией воздействуют с одинаковой динамической нагрузкой на шабот. Ввиду того, что положение ударных элементов в группе относительно оси шабота обеспечивает расположение равнодействующей от их веса по оси шабота, то и равнодействующая от равных по величине динамических нагрузок также проходит через ось шабота. Наличие установочных пневмоцилиндров 34, в которых сообщаются противолежащие поршневые камеры, обуславливает уменьшение трения, равномерность хода траверсы и, следовательно, повышение реактивности на воздействие групп ударных элементов с ростом их числа.

Сваебойный дизель-молот может быть использован в строительстве оснований фундаментов. Решаемой задачей является изменение энергии ударов, их частоты и чередование ударов с разной энергией в процессе погружения сваи в зависимости от ее взаимодействия с грунтом. Сущность изобретения состоит в том, что дизель-молот снабжен четным числом ударных элементов 6, устройством управления, выполненным с возможностью формирования ударных масс из ударных элементов различного сочетания, но с равнодействующей от их веса по оси шабота 5 дизель-молота и аккумулятором энергии в виде пружины 32 с траверсой 26 для ориентации равнодействующей от динамических нагрузок по оси шабота. Устройство управления включает электромагниты, обуславливающие возможность фиксации каждого ударного элемента и переключатели в количестве сочетаний ударных элементов, объединяющие электромагниты соответственно сочетаниям ударных элементов. 4 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Сваебойный дизель-молот, содержащий соосно установленные корпус, шабот и ударную массу, отличающийся тем, что он снабжен устройством управления, аккумулятором энергии и пусковым устройством с захватами, причем ударная масса выполнена в виде четкого числа ударных элементов с равнодействующей от их веса по оси шабота, устройство управления выполнено с возможностью формирования ударной массы из различных сочетаний ударных элементов, а аккумулятор энергии выполнен в виде пружины с траверсой, установленной на направляющих соосно шаботу с возможностью взаимодействия с ударными элементами в пределах верхней части их траекторий. 2. Дизель-молот по п.1, отличающийся тем, что устройство управления выполнено с электромагнитными приводами для захватов пусковых устройств, которые объединены соответственно сочетаниям ударных элементов переключателями. 3. Дизель-молот по п.1, отличающийся тем, что устройство управления выполнено с электромагнитами по количеству ударных элементов, закрепленными на траверсе, и переключателями в количестве сочетаний ударных элементов, объединяющими электромагниты в соответствующие сочетания. 4. Дизель-молот по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор энергии снабжен тормозным пневмоцилиндром, установленным, например, с возможностью взаимодействия с пружиной. 5. Дизель-молот по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор энергии снабжен установочными пневмоцилиндрами по количеству ударных элементов, при этом поршневые штоки пневмоцилиндров шарнирно связаны с траверсой, а противоположные поршневые камеры диаметрально противолежащих тормозных пневмоцилиндров сообщены между собой.