5.4. Вибромолоты

Машины, передающие погружаемому элементу или какому-либо рабочему органу ударные импульсы (при ударе вибровозбудителя) и вибрацию (через упру-

гое соединение вибровозбудителя с погружаемым элементом), называются виброударными механизмами, а сваепогружющие машины ударного действия - вибромолотами.

Вибромолоты могут быть классифицированы: по наличию упругой связи между вибровозбудителем и погружаемым элементом - на беспружинные (свободные) и пружинные; по связи двигателя с вибровозбудителем – на трансмиссионные и бестрансмиссионные; по виду привода – на электрические, гидравлические, с двигателем внутреннего сгорания; по типу вибровозбудителя - на машины с двухвальным возбудителем и с одновальным. Виброударные машины выгодно отличаются от вибрационных способностью к самонастройке, т.е. возможностью в какой-то мере повышать энергию удара при увеличении сопротивления среды и, следовательно, уменьшении податливости, например, погружаемого элемента. Это объясняется тем, что на режим работы виброударной машины значительное влияние оказывает коэффициент восстановления скорости при ударе, являющийся отношением скорости вибровозбудителя после удара к скорости до удара и зависящий в свою очередь от соотношения масс соударяемых элементов; при погружении в грунт масса элемента растет с заглублением (в связи с ростом присоединяемой массы грунта); это влечет за собой увеличение коэффициента восстановления и, следовательно, энергии удара и в конечном итоге позволяет использовать виброударный механизм с большей эффективностью. Деление вибромолотов на трансмиссионные и бестрансмиссионные объясняется тем, что в некоторых случаях не представляется возможным встроить двигатель в вибровозбудитель. Двигатель устанавливается вне вибровозбудителя, и вращение на него передается при помощи трансмиссии. В настоящее время находят применение главным образом бестрансмиссионные машины, значительно более надежные в эксплуатации и простые по конструкции. Деление вибромолотов по виду привода является наиболее широким, поскольку вид привода существенно влияет на конструкцию и эксплуатационные качества машины, не влияя на остальные характеристики машины. Наиболее распространены электрические вибромолоты. Они отличаются надежностью запуска, удобством обслуживания, простотой конструкции, небольшой массой. Однако в некоторых отраслях народного хозяйства, например в горном деле, применяются также гидравлические виброударные механизмы. Обладая рядом достоинств по сравнению с электрическими вибромолотами (возможностью плавной регулировки частоты вынуждающей силы и т.д.), эти вибромолоты могут быть особенно пригодны для работы в комплекте с гидрофицированными сваебойными установками, способными обеспечить снабжение молота энергией. Вибромолоты могут быть как трансмиссионными, так и бестрансмиссионными с применением гидропоршневых или ротационных гидродвигателей. На рис. 5.3 показана принципиальная схема наиболее распространенного пружинного виброударного механизма. Двухвальный вибровозбудитель направленных колебаний (1), соединенный со сваей (4) пружинами (3), при вращении валов с дебалансами (2) в противоположных направлениях совершает колебания относительно некоторого положения равновесия. Частота вынужденных колебаний вибровозбудителя равна угловой частоте вращения дебалансных валов, а амплитуда колебаний определяется отношением статического момента дебалансов к массе вибровозбудителя. В том случае, когда зазор между сваей и вибровозбудителем по величине меньше амплитуды колебаний последнего, движение вибровозбудителя сопровождается периодическими ударами ударника (3) по наковальне (5), соединенной со сваей. Характеристика такого виброударного механизма, энергия удара и частота зависят от соотношения параметров механизма в целом (от массы вибровозбудителя, жесткости пружинной подвески, статического момента эксцентриков и т.д.). Все эти параметры связаны между собой и, будучи конструктивными, свойственны определенному типу виброударной машины.

Рис.5.3. Принципиальная схема вибромолота

Оптимальный режим работы такого виброударного механизма зависит не только от соотношения этих параметров, но и от величины зазора между вибровозбудителем и ограничителем (сваей), регулировка которого может осуществляться путем изменения натяжения пружинной подвески или каким-либо другим способом. Поскольку при этом обеспечивается возможность получения не только зазора, но и натяга (прижатия с определенной силой вибровозбудителя к свае), появляется понятие отрицательного зазора (отрицательный зазор - величина, на которую переместился бы вибровозбудитель в сторону ограничителя при подтяжке пружин, если бы ограничитель был удален). Обычно регулировка зазора для максимального упрощения работы с вибромолотом в производственных условиях производится на заводе-изготовителе. Частота ударов виброударного механизма может быть или равной частоте вынуждающей силы (скорости вращения дебалансных валов), или меньше ее в 2,3,4 и т.д. раза, т.е. виброударный механизм может работать в режиме, когда один удар приходится на 1,2,3 и т.д. оборота дебалансных валов. Принято говорить, что виброударная машина работает в режиме соответственно i = 1, i = 2 или i = 3. Теоретически и практически возможно получение режимов с , равным даже 6, однако в машинах используются режимы с i = 1, 2 или 3. Объясняется это как возникающими при больших трудностями конструктивного характера, так и большой нестабильностью работы виброударной машины при изменении внешних условий (сопротивления среды, параметров системы и т.д.). Опыт показывает, что более высокочастотные вибромолоты имеют более узкую область применения, поскольку обеспечивают эффективное погружение шпунтов и других элементов с малым лобовым сопротивлением лишь в слабых грунтах. В плотных грунтах более эффективными являются машины, развивающие значительную энергию удара. На рис.5.4 представлен ряд известных схем вибромолотов.

Рис. 5.4. Принципиальные конструктивные схемы вибромолотов

Изображенный на рис. 5.4,а вибромолот является бестрансмиссионным беспружинным с двухвальным вибровозбудителем (1) направленного действия, свободно устанавливаемым на сваю (2). Двухсторонней связи между вибратором и сваей нет, при этом вибратор свободен также от внешних связей. Практически он состоит из двух электродвигателей, встроенных в общий жесткий корпус. На концах валов закрепляются дебалансы. По характеру воздействия на погружаемый элемент рассматриваемый ударно-вибрационный погружатель представляет собой высокочастотный молот. Основное преимущество таких вибромолотов − простота конструкции и, что особенно важно, легкая и удобная настройка, которая в основном обеспечивается установлением правильного соотношения между силой тяжести вибратора и амплитудой возмущающей силы . Для наиболее эффективного и устойчивого режима работы погружателя вполне достаточным является то, чтобы отношение было равно . Недостатком является невозможность самостоятельно управлять массой погружаемой системы. Погружатель не имеет амортизатора, который мог бы служить опорой для пригрузки, жесткое же соединение последней со сваей или с вибратором нецелесообразно. К недостаткам также относится отсутствие возможности обеспечить нормальные условия для работы электродвигателей, которые приходится встраивать в вибратор. В этих условиях добиться долговечной работы двигателей очень трудно.

На рис. 5.4,б представлена схема бестрансмиссионного пружинного вибромолота с одновальным вибровозбудителем кругового действия, имеющим по сравнению с двухвальными вибро-молотами меньшую массу и более простую конструкцию. Характер колебаний вибровозбудителя в таком вибромолоте − круговой, и поэтому удары, наносимые по погружаемому элементу, не направлены строго вертикально.

При одинаковой массе вибровозбудителя и мощности вибромолота эффективность одновального вибромолота меньше, чем двухвального. Для одновальной схемы вибромолота пружинную подвеску (4) следует устанавливать в нулевой точке вибровозбудителя, являющегося вибратором кругового действия. Однако отыскание нулевой точки затруднительно и практически при работе такого вибромолота движение ударника будет происходить не по прямой линии, а по эллипсу и поэтому эффективность работы вибромолота будет снижаться. Схема рис. 5.4,в отличается от схем на рис. 5.3 и рис. 5.4,а,б тем, что в ней предусмотрены пружинные амортизаторы (4) для присоединения пригрузки, обеспечивающей возможность независимого управления массой системы. Пригрузка (3) позволяет значительно повысить погружающую способность вибромолота. Ударная скорость вибромолотов не превышает 2 м/с.

При более высокой ударной скорости резко снижается долговечность встроенных электродвигателей, а также подшипников дебалансных валов. Жесткие пределы эффективности вибромолотов обусловлены также ограниченной удельной мощностью электродвигателей (мощностью, приходящейся на единицу их массы) и ограниченной выносливостью стальных пружин. При увеличении размеров машины эти ограничения становятся все более значительными. Основное применение в настоящее время имеют вибромолоты пружинные, особенность которых по сравнению с беспружинными состоит в том, что они дают возможность за счет регулирования степени натяжения пружин получать более широкую область устойчивой работы, а также изменять режим работы - менять частоту ударов и величину ударной скорости. Однако для определенных видов работ, например для инженерно-геологического бурения, где нет необходимости получения больших энергий удара, но зато возникают специфические требования к самому процессу погружения (сохранение керна грунта, возможность перехода на вибрационное извлечение и т.д.), применяются свободные вибромолоты.