Обоснование конструкции и параметров гидравлических амортизаторов к виброоборудованию для устройства буронабивных свай

Развитие процессов фундаментостроения в России и за рубежом происходит с достаточно интенсивным увеличением доли свайных фундаментов, сооружаемых в транспортном и других видах строительства из железобетона буронабивным методом с погружением в образуемую скважину арматурного каркаса и заполнения ее бетонной смесью, доставляемой непосредственно на место строительстваДля данной технологии, получившей наименование ВПТ (метод вертикально перемещаемой бетонолитной трубы) промышленность ведущих стран освоила выпуск самоходных гидравлических бурильных агрегатов и других сопутствующих средств механизации. Исследования российских ученых показали, что характеристики буронабивных свайных фундаментов могут быть значительно улучшены, если применить бетонные смеси более высоких марок с обеспечением их подачи и укладки на глубину, в том числе под воду, и виброуплотнение смесей по всей высоте сваи. Кроме того, в большинстве случаев представляется целесообразным предварительное уплотнение основания свай путем втрамбовывания в грунт на определенную глубину сыпучих материалов (щебня, песка). Усовершенствованная технология сооружения буронабивных фундаментов получила наименование «Вибростолб». Для ее осуществления было признано необходимым создание мобильного отечественного вибрационного оборудования, построенного на принципе модульной компоновки узлов и агрегатов, потребляющего ограниченную мощность и обеспечивающего переменные скоростные и силовые параметры с оперативной их адаптацией к условиям производства. Работы по созданию нового виброоборудования были проведены в Филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Стройтехкомплексы». Оборудование полностью гидравлическоеего основой служит полый вибратор дебалансного типа, оснащенный виброблоками вращательного действия, лишенными жесткой механической связи их валов. Это обеспечивает свободу компоновки вибратора, вариантность расстановки и количества виброблоков на нем и технологичность подачи материалов для укладки и обработки на глубине и по всей высоте сооружаемой сваи.

Условия работы виброоборудования для сооружения железобетонных фундаментов повышенной несущей способности требуют наличия грузоподъемных мобильных средств (краны на автомобильном или гусеничном ходу) — при этом следует в максимально возможной степени обеспечить виброизоляцию базовой машины и оператора как в период направленного движения вибратора вниз (погружение в скважину, трамбование, уплотнение, штампование укладываемых материалов), так и во время принудительного подъема работающего вибратора (извлечение виброштампа из уплотненной смеси или слоя щебня).

С целью повышения эффективности виброизоляции и продления срока службы кранов, в НИЦ «Стройтехкомплексы» были проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса гашения колебаний, передаваемых от гидравлического дебалансного вибратора на крюковую подвеску крана. Использование гидропривода в современных видах вибротехники позволяет использовать в составе комплекта амортизатор, состоящий из силового и демпфирующего элементов, получающих питание от общего источника — насосной станции высокого давления и требуемой производительности.

На начальном этапе была проверена возможность использования в качестве демпфирующего элемента, заменяющего пружины или детали из эластомеров, серийно выпускаемых рукавов высокого давления (РВД), изучены их упругие свойства и определен модуль упругости. На основании полученных данных в НИЦ совместно с кафедрой С ДМ МИИТ разработана программа теоретического расчета показателей гидрообъемного амортизатора в зависимости от требуемых параметров вибраторов. Программа с помощью ЭВМ позволяет на основании известных параметров гидравлической системы (внутренний диаметр трубопроводов, их длина, приведенный модуль упругости, величина настройки предохранительного клапана, тип и марка гидромоторов) и технических характеристик виброоборудования (суммарный момент дебалансов, масса вибропогружателя с оборудованием, масса колеблющихся частей, сопротивляемость внешней среды) произвести расчет и выбор характеристик силового элемента гидрообъемного амортизатора и его демпфирующих элементов.

Для подтверждения теоретических расчетов, полученных с использованием программы для ЭВМ, разработана стендовая физическая модель, которая включает в себя серийный двухмоторный гидравлический вибратор дебалансного типа, кран с грузоподъемной кареткой и крюковой обоймой, четырехстропный захват и амортизатор, состоящий из силового демпфирующего элемента (гидроцилиндра), комплекта длинномерных РВД и пульта управления, регулирующего рабочий объем демпфирующих элементов в зависимости от условий колебаний вибросистемы. В набор РВД включены рукава, различаемые по внутреннему диаметру, количеству стальных армированных слоев оплетки и длине. Экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с разработанной методикой и матрицей экспериментов. Основным критерием оценки эффективности гашения колебаний признан коэффициент демпфирования Кд, который представляет собой отношение амплитуды колебаний вибратора Кв к амплитуде колебаний Кк крюковой подвески крана.

На основании полученных результатов были построены зависимости коэффициента демпфирования Кд от времени протекания процесса при различной массе колеблющихся частей, длине амортизирующих элементов (РВД) и частоте колебаний вибратораразработаны рекомендации по применению гидроамортизатора нового типа на практике.

Приводятся результаты лабораторных исследований процессов гашения колебаний, передаваемых от вибратора к крану с использованием амортизатора гидрообъемного типа. Описана физическая модель системы. Дана сравнительная оценка данных, полученных на основании программы расчета амортизаторов, с практическими результатами. На основании полученных материалов запроектирован и изготовлен опытный образец гидравлического амортизатора, с успехом прошедшего испытания в составе серийного образца гидравлического виброоборудования в реальных условиях строительства.

Автором изучены материалы российских и зарубежных ученых в области вибротехники и гидравлического приводапроведен математический анализ действия технологической вибросистемы, включающей гидромоторный вибратор с амортизатором, вибропередающий ствол с рабочим органом (виброштампом) и обрабатываемую среду (бетон, щебень). Проведен анализ работы дебалансного вибратора без жесткой связи вибровалов с вывешиванием его на крюке крана через гидравлический амортизатор, имеющий ступенчатое регулирование упругости. В качестве упругих элементов используются рукава высокого давления, выпускаемые серийно.

Разработана масштабная физическая модель (М 1:2), на которой с высокой степенью приближения изучалась работа технологического снаряда (насосная станция — вибратор — амортизатор — кран), с возможностью регулирования параметров по частоте, массе колеблющихся частей и упругости подвески. На основании полученных аналитических данных и результатов стендовых экспериментов разработаны положения, принятые за основу при разработке типоразмерного ряда амортизаторов к оборудованию для технологии «Вибростолб».

Автор принял активное творческое участие в изготовлении серийного образца гидравлического амортизатора, его испытании и применении на объектах транспортного строительства в г. Москве. На основании накопленного практического опыта работы оборудования в реальных условиях проведено обоснование параметров средства гашения колебаний, передаваемых на крюковую подвеску от виброоборудования во время подачи и уплотнения бетона при сооружении буронабивных свай, разработана методика расчета основных конструктивных характеристик амортизирующего устройства в зависимости от диаметра сваи и ее высоты, определен типоразмерный ряд модульных амортизирующих конструкций. Установлена технико-экономическая эффективность использования гидравлического амортизатора, подтвержденная практическими результатами.

Работа проводилась по тематике НИЦ «Стройтехкомплексы», на имеющейся в его распоряжении экспериментальной базе и с участием предприятий и организаций «Угличдормаш», «Можайское экспериментально механическое предприятие (МЭМП)», «Люберецкий завод мостостроительного оборудования (ЛЗМО)», «Инсотранс» и «Спецтехнострой-4».

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Технология сооружения буронабивных свай повышенной несущей способности предусматривает виброукладку бетонной смеси на глубину, в том числе под воду и виброуплотнение смеси по всей высоте сооружаемой сваи. В ряде случаев требуется укрепление грунтового основания сваи путем вибровтрамбовывания в него сыпучих материалов. С этой целью необходимо применение специального вибрационного оборудования, обеспечивающего регулируемость характеристик процесса воздействия на обрабатываемый материал (бетонная смесь, щебень, песок, грунт) по амплитуде, частоте и возмущающей силе в режиме вибрации и виброудара. Эти условия наиболее эффективно обеспечиваются средствами механизации, снабженными гидравлическим приводом и системами дистанционного, ручного и автоматизированного управления. На сегодняшний день отечественные строители обеспечены комплектами оборудования, полностью отвечающего выдвигаемым требованиям, необходимым для соблюдения технологических регламентов по сооружению буронабивных свай методом виброуплотнения бетонной смеси. Однако слабым звеном в кинематической цепи составных частей оборудования является амортизатор, предназначенный для гашения колебаний виброснаряда, передаваемых на базовую машину — автомобильный или гусеничный стреловой кран. Существующие амортизаторы пружинного типа малоэффективны, так как они обладают постоянной упругостью и не обеспечивают надлежащего гашения колебаний при различных режимах работы вибратора от колебательного с высокой частотой (25 — 35гц) до виброударного с частотой (10 — 12гц) при постепенном изменении массы колеблющихся частей (подача бетонной смеси на глубину, виброштампование смеси, виброуплотнение щебня, вибропогружение арматурных каркасов в уложенную смесь). Чтобы обеспечить масштабность применения новой технологии, необходима разработка специализированного амортизатора, обладающего принудительной регулируемостью характеристик упругости, компактностью конструкции и возможностью автоматизации настройки системы подвески на кране. Такое решение дало бы возможность сооружать буронабивные сваи повышенной несущей способности при любом их диаметре и глубине заложения, принятых в отечественном фундаментостроении на сегодняшний день и на перспективу, а также повысить надежность базовых кранов и продлить сроки их безаварийной эксплуатации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной работы является разработка типоразмерного ряда гидравлических компактных амортизаторов к вибрационному оборудованию, обладающих возможностью модульной компоновки его составных частей и регулируемостью характеристик в ручном и автоматическом режимах при сооружении буронабивных свай. Амортизатор должен обеспечить снижение динамических нагрузок на базовую машину при виброуплотнении бетонной смеси на большой глубине и грунтовых оснований при сооружении буронабивных свай, и применение за счет этого базовых кранов меньшей грузоподъемности с более низкими эксплуатационными затратами. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Изучены упругие свойства серийных рукавов высокого давления (РВД), имеющих различные диаметр внутренней полости и число слоев наружной оплетки из стальной проволоки. Определены модули упругости типоразмеров РВД, характер приращения объема камер в зависимости от давления в них. Установлена практическая независимость приращения объема от конфигурации расположения РВД в подвешенном и уложенном состоянии. Выбраны наиболее рациональные типоразмеры РВД для решения поставленной задачи исследований.

2. Исследованы процессы гашения колебаний, передаваемых через амортизатор от вибратора к базовой машине при различных частотах вибрации, массе колеблющихся частей, амплитудах колебаний и характеристиках упругости набора РВД. Определены режимы регулирования упругости с учетом режимов работы вибратора (разгон, торможение, установившееся движение) и приемлемых диапазонов степени гашения колебаний (полосы частот) для определенных типоразмеров РВД и их активной суммарной длины.

Разработаны принципы регулирования параметров амортизатора, обеспечивающие виброизоляцию стрелы крана с поддержаним заданных режимов работы виброштампов на переменных глубинах при выполнении технологических операций виброштампования подвижных сред.

3. Определены граничные условия использования РВД для гашения виброколебаний в зависимости от диапазона их амплитуд. Установлены принципы выбора типоразмеров и длины РВД в амортизаторе, обеспечивающие их надежность и долгий срок эксплуатации.

4. Разработана программа к ЭВМ для расчета параметров вибросистемы с гидравлическим амортизатором, с введением в нее корректирующих данных, полученных экспериментальным путем. Программа дает возможность проведения многофакторного анализа параметров вибропроцесса с их варьированием в широких пределах.

5. Разработана математическая модель расчета гидрообъемного амортизатора описывающая поведение амортизатора, вибропогружателя, а также виброштампа в уплотняемых грунтах различной структуры.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Обоснована применимость рукавов высокого давления в качестве упругих элементов амортизаторов и уточнены их типоразмеры для практического использования.

Разработан компонуемый на унифицированной основе типоразмерный ряд регулируемых гидравлических амортизаторов, агрегатируемых с насосной станцией виброоборудования и обеспечивающий гашение колебаний оголовка стрелы крана в периоды виброуплотнения бетонной смеси, щебня, песка и других сыпучих материалов при сооружении буронабивных сваи и щебеночных фундаментов, а также вибропогружения арматурных каркасов и других длинномерных металлоконстркуций при сооружении столбчатых фундаментов большой длины по бурошнековой технологии.

Разработан и изготовлен серийный образец гидроамортизатора для специализированного виброоборудования ВО-32, с помощью которого осуществлено сооружение около 100 свайных фундаментов повышенной несущей способности на объектах транспортного строительства с использованием базового стрелового крана пониженной грузоподъемности. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Методика расчета параметров и выбора составных частей (агрегатов и комплектующих изделий) гидравлического амортизатора с регулируемыми характеристиками упругости к вибрационному оборудованию для виброуплотнения бетонной смеси, учитывающая динамику запуска и остановки инерционных масс, переменную частоту и амплитуду колебаний, изменяемую массу колеблющихся частей, большую длину ствола технологического снаряда и возможность выбега гидромоторов виброблоков.

2. Программа расчета на ЭВМ и сопоставительного анализа работы гидравлических многомоторных вибрационных машин, снабженных гидроамортизатором с переменными параметрами, обеспечивающих выполнение процесса виброуплотнения бетоннной смеси, слоев щебня на глубине и погружения в них арматурных конструкций значительной протяженности.

3. Характеристики упругости (объемной податливости) серийных рукавов высокого давления с одинарной и двойной оплеткой под действием статического нагружения и вибрации с передачей импульсов возмущения вдоль оси внутренней камеры рукава.

4. Принципы расчета и компоновки составных частей гидроамортизатора и их агрегатируемости с гидросистемой остального оборудования (вибратор, наголовник), обеспечивающие исходную настройку амортизирующего устройства, принудительную регулировку характеристик упругости и периодическую компенсацию внутренних и внешних утечек рабочей жидкости в системе.

5. Рекомендации по увеличению моторесурса и повышению надежности в работе всего комплекта гидравлического оборудования и базового стрелового крана автомобильного или гусеничного типа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Выбранный в качестве упругого элемента амортизатора набор серийных рукавов высокого давления, обладает линейной характеристикой маневрового объема — постоянным модулем упругости, зависящем от внутреннего диаметра РВД и числа слоев оплетки из стальной проволоки. Применительно к гидроамортизатору работоспособными и функциональными признаны РВД, имеющие Ду 20 и 25 мм с числом слоев оплетки равным 1 и 2. Модуль упругости этих рукавов постоянен в рабочей зоне давления от 15 до 30 МПа, ограничен предельной возможностью расширения камеры РВД и колеблется от 2 до 10 см³ на один погонный метр рукава.

2. Возможна принудительная регулируемость демпфирующих свойств амортизатора во время разгона и остановки вибратора и в период установившихся режимов виброобработки материалов в сооружаемой скважине, что наиболее просто и практично достигается ступенчатой регулировкой модуля упругости амортизирующих элементов и их суммарным маневровым объемом.

3. Каждая ступень набора амортизирующих элементов обеспечивает в допустимом диапазоне виброизоляцию со взаимным перекрытием пониженных частот колебаний стрелы грузового кранаЭто упрощает структуру ступенчатого управления амортизирующими элементами, приемлемую на практике с учетом перекрытия частотных полос.

4. В качестве силового элемента гидрообъемного амортизатора рекомендуется использовать гидравлический цилиндр, диаметр поршня и штока которого зависит от мощности вибратора, его динамической силы и диапазона рабочих частот при условии соблюдения определенных размерных соотношений взаимоподвижных частей гидроцилиндра. Максимальное давление в его полостях не должно превышать 15 МПа, что позволяет обеспечить долгий срок эксплуатации демпфирующих звеньев.

5. Выявлена целесообразность использования в качестве демпфирующих элементов гидрообъемного амортизатора серийных РВД, обеспечивающих высокоэффективное гашение колебаний со средним значением коэффициента демпфирования равным Кд 8—10 до 12—15с изменением режима по частоте 8−35Гцпо массе колеблющихся частей от 500 до 5000 кг.

6. Разработанная программа с учетом введения в нее данных, полученных экспериментальным путем, обеспечивает расчет параметров амортизатора и прогнозируемый режим вибрации с точностью до 10−15%.

7. Коэффициент коррекции суммарной длины РВД в зависимости от типа используемого кранового оборудования составляет 0,35−0,7 от расчетных данных полученных при использовании программы расчета гидрообъемного амортизатора.

8. Регулирование параметров гидрообъемного амортизатора рекомендуется производить путем подключения различньгх групп РВД, исходя из режимов работы вибратора (разгон, установившийся режим и торможение).

9. Рекомендуется использование комбинированного амортизатора, состоящего из гидрообъемного амортизатора и пружинного блока, который обеспечивает гашение колебаний с непредвиденными амплитудами.

10. Гидросистему амортизатора следует объединить с гидросистемой наголовника, используя его насосную установку и блок аппаратуры для выполнения необходимых функций управления комплектом оборудования.

11. Модульное построение гидроамортизатора необходимо производить исходя из типоразмерных рядов гидроцилиндров, рукавов высокого давления, аппаратуры регулирования и насосных станций.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

Черненко С. И. Разработка регулируемого гидравлического амортизатора к оборудованию для виброукладки бетона на глубину свай. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 228. Юбилейный. М., ОАО ЦНИИС, 2005, с. 82−89.

Черненко С. И. Моделирование процессов работы вибропогружателей с изоляцией базовой машины от колебаний. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 228. Юбилейный. Часть 2. М., ОАО ЦНИИС, 2005, с. 30−39.

Черненко С.И., Виноградов О. В. Результаты экспериментальных исследований работы гидрообъемных амортизаторов с вибраторами дебалансного типа. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 230. М., ОАО ЦНИИС, 2006, с. 86−95.

Гидравлический амортизатор с регулируемыми характеристиками. Заявка на полезную модель № 2006 115 492 от 6.05.2006г.