автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование конструкции и параметров гидравлических амортизаторов к виброоборудованию для устройства буронабивных свай

ЧЕРНЕНКО СЕРГЕЙ ИГОРЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ АМОРТИЗАТОРОВ К ВИБРООБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ УСТРОЙСТВА БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ

Специальность: 05.05.04 - «Дорожные, строительные

и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006 г.

ЧЕРНЕНКО СЕРГЕЙ ИГОРЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ АМОРТИЗАТОРОВ К ВИБРООБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ УСТРОЙСТВА БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ

г

Специальность: 05.05.04 - «Дорожные, строительные

и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

»

|

<

Москва - 2006 г.

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ОАО ЦНИИС)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Панин Игорь Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузин Эдуард Николаевич

Защита состоится 16 июня 2006г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д303.018.01 при ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу: 129329, Москва, Кольская ул., д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС. Автореферат разослан « 16 » мая 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

кандидат технических наук Марышев Борис Семенович

Ведущее предприятие: Филиал ОАО «Мостостройиндустрия»

«Люберецкий завод мостостроительного оборудования (ЛЗМО)»

Ж.А. Петрова

/////

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Технология сооружения буронабивных свай повышенной несущей способности предусматривает виброукладку бетонной смеси на глубину, в том числе под воду и виброуплотнение (виброштампование) 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 и т.д.) 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 этого оборудования является амортизатор, предназначенный для гашения колебаний виброснаряда, передаваемых на базовую машину - автомобильный или гусеничный стреловой кран. Существующие амортизаторы пружинного типа малоэффективны, т.к. 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.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ - изучение технологии сооружения буронабивных свайных фундаментов различной глубины и диаметра, литературных источников в области свайной вибротехники с гидроприводом, теоретические исследования процесса виброуплотнения материалов с применением регулируемого по упругости гидроамортизатора для гашения колебаний, приходящихся на стрелу крана с использованием методов программного математического моделирования, экспериментальных исследований на физических моделях и на натурных образцах оборудования в условиях реального строительства. 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. Установлены правила регулирования упругости с учетом режимов работы вибратора (разгон, торможение, установившееся движение) и приемлемые диапазоны степени гашения колебаний (полосы частот) для определенных типоразмеров РВД при их активной суммарной длине. Разработаны принципы регулирования параметров амортизатора, обеспечивающие виброизоляцию стрелы крана с поддержанием 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, принципы выбора типоразмеров и длины РВД в амортизаторе, обеспечивающие их надежность и долгий срок эксплуатации.

4. Составлена 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 ЗНАЧИМОСТЬ.

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, агрепггируемых 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 свай и щебеночных фундаментов, а также вибропогружения арматурных каркасов и других длинномерных металлоконструкций при сооружении столбчатых фундаментов большой длины по бурошнековой технологии.

Разработан типоразмерный ряд гидроамортизаторов для виброоборудования, с помощью которого осуществляется сооружение свайных фундаментов повышенной несущей способности. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработки внедрены путем изготовления головного серийного гидравлического амортизатора с регулируемыми параметрами для комплекта виброоборудования, с помощью которого специализированными строительными организациями при строительстве транспортных объектов в г. Москве сооружено около 100 свайных фундаментов повышенной несущей способности.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Достоверность и эффективность разработок подтверждена практикой использования комплектов нового гидравлического оборудования на объектах строительства многоуровневых транспортных развязок в различных геологических условиях.

Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях, проводимых Росавтодором и ОАО ЦНИИС в 2005г. и на секции «Механизация транспортного строительства,

строительные машины и оборудование» Ученого совета 1ДНИИС в 2006г.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи и подана заявка на изобретение (полезную модель).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, общих выводов и 3 приложений. Она содержит: общее количество страниц -180, таблиц - 5, рисунков - 30. Ссылки даны на 75 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе проведен анализ состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследований.

Развитие фундаментостроения имеет тенденцию к сооружению буронабивных свай с применением обсадных труб и сменного грунторазрабатывающего оборудования. Эта технология наиболее универсальна и может применяться в любых геологических и гидрогеологических условиях. Исследования, выполненные в ОАО ЦНИИС позволили разработать технологию и комплект специального гидравлического виброоборудования «Вибростолб», обеспечивающую сооружение буронабивных фундаментов повышенной несущей способности в том числе в обводненных грунтах (рис. 1). В арматурный каркас краном опускают технологический снаряд - полый виброштамп соответствующего диаметра для бетона, соединенные секции вибростойких бетонолитиых труб с инвентарными вибропередающими бандажными зажимами и уплотнительными элементами, гидравлический вибратор. Бетонную смесь подают в загрузочную воронку вибратора или непосредственно в сухую скважину, при необходимости включая вибратор (поз.1). Размыкают наголовник и удаляют вибратор. Поднимают обсадную трубу и демонтируют ее освободившуюся секцию (поз.2). Вновь закрепляют вибратор на бетонолитной трубе. Включают вибратор и, постепенно поднимая и опуская снаряд, производят виброуплотнение уложенного объема бетонной смеси (поз.З). После этого фиксируют на обсадной трубе и размыкают нижний бандаж освободившихся секций бетонолитной трубы. Затем с помощью крана относят и укладывают их в накопитель (поз.4). Вибратор переносят и закрепляют на укороченной бетонолитной трубе (поз.5). Цикл работы повторяют до полного окончания сооружения буронабивной сваи. Исследования А.Ю. Смирнова, И.В. Ходорова позволили установить амплитудно-частотные характеристики, необходимые при технологических операциях: 10-15гц -вибротрамбование щебня в основание сваи;

а

ли

ЯЯт- яя

/

1

/ н

11

Л

т

Рис. 1. Схема процесса сооружения сваи по технологии «Вибростолб». Обозначения принятые на схеме: 1 - скважина в грунте; 2 - обсадная труба; 3 -арматурный каркас; 4 - виброштамп; 5 - вибратор с приемным бункером; б -бетонолитная труба; 7 - насосная станция; 8 - гибкие трубопроводы; 9 - кубло для бетонной смеси; 10 - крюк крана; 11 - освобождаемая секция обсадной трубы; 12 -освобождаемая секция бетонолитной трубы

20-35 Гц - подача (виброукладка) бетонной смеси на глубину. Для реализации технологии на основе работ И.А. Панина, Л.В. Крицберга, О.В. Виноградова создано специальное вибрационное гидрооборудование, аналога которому в нашей стране и за рубежом не выявлено.

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 (пофужение в скважину, трамбование, уплотнение, штампование укладываемых материалов), так и во время принудительного подъема работающего вибратора (извлечение свайных элементов и виброштампа из уплотненной смеси или слоя щебня).

Исследованиями строительного оборудования активного (вибрационного и ударного) действия с современными видами привода и систем амортизации занимались отечественные ученые Т.В.Алексеева, И.А. Недорезов, Э.Н.Кузин, Б.С.Марышев, В.Н.Баранов, Ю.Е.Захаров, И.А. Панин, Р.А.Коган, А.Н. Звягинцев, Ю.Е.Иванов, О.Н.Панчев и ряд других, а также специалисты ведущих зарубежных фирм Германии, Франции, Англии, Италии, США, Австрии, Швеции, Голландии. Над созданием свайных вибропогружателей работали Д.Д.Баркан, И.И. Блехман, Г.Г.Азбель, А.С.Головачев, А.Н.Тарасов, В.М.Иванов, А.Д. Прохоров, В.И. Черняев и ряд других отечественных и зарубежных ученых и специалистов. Однако их разработки могут быть использованы лишь частично, и для решения рассматриваемой проблемы необходимо проведение дополнительных целевых исследовательских работ.

Амортизатор нового типа должен обеспечивать надежную изоляцию стрелы и всего крана при сооружении свай диаметром 6002000мм и глубиной до 35м с гашением колебаний в полосах частот, указанных выше с коэффициентом демпфирования не менее 8-10. Поскольку условия работы по частоте, амплитуде и массе колеблющихся частей изменяется по мере сооружения свайного фундамента, параметры упругости амортизатора также должны принудительно регулироваться, обеспечивая предельно малые нагрузки на стрелу.

Исходя из цели выполнения работы определены следующие задачи исследований:

1. Выбрать наиболее рациональные упругие элементы на основе критериев оценки по компактности, надежности и экономичности в изготовлении и эксплуатации.

2. Скомпоновать схему виброгасителя и всего вибрационного снаряда на базе гидравлического объемного привода.

3. Изучить характеристики амортизаторов нового типа и их регулируемость, исходя из режимов вибросистемы, необходимых для совершения полезной работы.

4. Разработать методику расчета гидроамортизаторов.

5. Разработать рациональную конструкцию амортизаторов на базе унификации и модульной компоновки демпфирующих агрегатов.

6. Разработать рекомендации по типоразмерному ряду составных частей амортизатора, основанных на принципах модульного построения.

7. Разработать рекомендации по эксплуатации гидравлического вибрационного оборудования с амортизатором нового типа применительно к технологическим процессам сооружения фундаментов по технологии «Вибростолб».

Во второй главе приведены материалы теоретических исследований всего технологического виброснаряда и его составной части -амортизатора виброколебаний. Автором сформулированы следующие принципы конструктивных решений амортизатора с переменными параметрами

1. Структура амортизатора основана на элементах объемного гидравлического привода (отечественного производства) и на известных законах его действия в режимах статики, динамики и вибродинамики.

2. Амортизатор должен иметь переменные характеристики упругости, выбираемые в зависимости от режима нагружения и принудительно регулируемые в ручном, дистанционном и автоматическом режимах.

3. Система привода и управления амортизатором должна быть включена в общую систему гидравлического привода виброоборудования.

4. Гидравлические характеристики амортизатора должны координироваться с характеристиками гидропривода оборудования и обеспечивать надежность эксплуатации амортизирующих устройств.

5. В качестве основных амортизирующих элементов предложено использовать рукава высокого давления (РВД), серийно выпускаемые для гидросистем машин и оборудования.

Базовой машиной для применения виброоборудования «Вибростолб» является самоходный стреловой кран автомобильного или гусеничного типа. Использование вибропогружателей в качестве навесного оборудования для стреловых самоходных кранов регламентируется ГОСТ 22827—85 Жраны стреловые самоходные. Технические требования». Основной элемент системы виброизоляции - амортизатор, расположенный между вибратором и крюком крана (в том числе и для вибропогружателей с подрессоренной пригрузкой), проектируется по классической формуле теории колебаний:

ц=1/(1ЧО2//72Х

где ц — коэффициент виброизоляции;

о — частота вынужденных колебаний вибропогружателя; р — частота собственных колебания вибропогружателя, подвешенного на амортизаторе. Рекомендации по проектированию амортизатора сводятся к заданию значения ц, которое должно быть не более 0,1. У кранов, работающих со свободно навешиваемым на крюк вибропогружателем, жесткость стреловой системы имеет тот же порядок, что и у амортизатора. Поэтому в расчетах необходимо рассматривать многомассную систему, в которой учитывались бы жесткостные и инерционные характеристики базовой машины. Схема многомассной динамической системы показана на рис. 2. Исследования проведенные А.Н. Макаровым показали, что наиболее нагруженным элементом металлоконструкции является стрела.

Рис. 2 Динамическая модель вибросистемы «Базовая машина -Амортизатор - Вибропогружатель»

Технические средства виброизоляции крана в переходных режимах работы вибратора (торможение при выбеге, запас мощности при пуске) должны обеспечить возникновение в стреле напряжений не превышающих ограниченный предел выносливости; в установившемся и переходных режимах работы вибратора применение регулирования момента дебалансов, регулируемый амортизатор, насос переменной производительности, замкнутый тип гидросистемы также способствуют снижению уровня вибрации. Анализ показал, что для безопасной эксплуатации стрелового самоходного крана с вибратором в течение всего срока службы его система виброизоляции при наибольшем рабочем вылете стрелы в конце извлечения шпунтовой сваи должна отвечать следующим требованиям:

1. Амортизатор, демпфер и другие средства виброзащиты должны обеспечить амплитуды циклов динамических напряжений в наиболее нагруженном сечении стрелы крана, не вызывающих накопления усталостных повреждений;

2. Средства торможения и виброзащиты крана в переходных режимах работы вибратора должны обеспечить амплитуды и количество циклов напряжений, при которых достигался бы запас ограниченной усталостной прочности.

Для исследования процесса погружения и извлечения виброштампа навесными вибраторами вращательного действия, включая переходные режимы пуска и остановки привода вибратора совместно с кафедрой С ДМ «МИИТ» была разработана математическая модель. Имитационный характер модели дает возможность отразить структурные и параметрические особенности системы, как результат поэлементного описания динамических свойств и характеристик трех отдельных подсистем: базовой машины, амортизатора и виброоборудования. Соответственно, модель должна описывать движение:

• Виброштампа и жестко связанного с ним через секционную полую трубу корпуса вибратора.

• Уплотняемого материала, моделирующего сопротивление погружению виброштампа в обрабатываемый материал или его извлечения из уложенного на глубину материала.

• Привода вращения дебалансных валов от индивидуальных гидромоторов, лишенных жесткой механической связи.

• Кранового подвеса амортизатора.

Перемещение рабочего элемента под действием продольной силы, создаваемой вращающимися дебалансами, вызывает соответствующие перемещения осей дебалансных валов. Это перемещение создает динамическое воздействие на вращающуюся массу дебаланса и изменяет

характер его движения, что должно учитываться при записи уравнений движения привода вибратора.

Амортизатор пружинного типа можно рассматривать в простейшем случае как односторонний упругий элемент, усилие которого пропорционально деформации. Амортизатор с гидроцилиндром и гидропневматическим аккумулятором в качестве накопителя потенциальной энергии является нелинейным элементом. Движение жидкости в системе «цилиндр-аккумулятор» определяется в результате решения уравнения расхода, повышающего на единицу порядок системы уравнений математической модели. Предлагаемый амортизатор в пределах линейного участка деформационной характеристики рукава РВД может интерпретироваться по любому из названных вариантов: как упругий линейный элемент или через уравнение расходов.

Вариант 1. Параметры модели условно разбиты на три группы:

1. Исходные параметры, определяемые предварительно, исходя из параметров вибратора, рабочего элемента, объемного гидравлического привода и амортизатора. К ним же отнесены параметры, управляющие процессом численного интегрирования системы уравнений математической модели: порядок системы, время интегрирования, шаг интегрирования, шаг записи в таблицу результатов расчета, начальные значения параметров интегрирования.

2. Расчетные параметры, в том числе соответствующие коэффициентам математической модели, в системе единиц СИ, автоматически определяются на основании исходных данных по заданным формулам для вычисления расчетных коэффициентов. Для удобства записи ячейкам с параметрами, непосредственно используемыми при записи уравнений математической модели, присвоены свои имена.

3. Результирующие параметры, вычисляемые при численном интегрировании системы дифференциальных уравнений математической модели, которые выводятся пошагово в результирующую таблицу.

Вариант 2. Программа расчета отличается от варианта 1 введением уравнения расходов для амортизатора, включающего набор рукавов высокого давления. В модели не учитывается рассеивание энергии в амортизаторе, т.к. оно практически не влияет на процесс сглаживания колебаний из-за малости амплитуды колебаний. Математическая модель для этого варианта включает семь дифференциальных уравнений первого порядка:

Для щебня (условие наиболее нагруженной работы вибратора):

■ Продольная сила, создаваемая вращающимися дебалансами: Р = К(ш2со8ф + свтф)

■ Усилие на штоке гидроамортизатора: Т = раА.

■ Движение рабочего элемента:

если X < у и и > 0 (движение вниз), то

т— = в + тд + Р-Р-Т; Л

если х < у и и < 0 (движение вверх), то

с!и _ _ _

т— = С + тд + Р + Р-Т; Л

если х > у и и > 0, то

т—= 0 + тд + Р-Р-Р?-Рк -Т; Л

если х > у и и < 0, то

т— = С + тд + Р + Р-К-Т. (А

■ Перемещение виброштампа: — = и.

Л

■ Погружение уплотненной пробки:

ду (1у

если х>у и и > 0,то — = и иначе — = 0.

Л Л

■ Расход через предохранительный клапан: если р >Рк,то =(Р-Рк)/К|{,иначе =0.

■ Геометрический расход насоса: О; = УцП;.

■ Изменение давления в гидросистеме:

* Момент сопротивления вращению дебалансов:

■ Вращение дебалансов: 1е = |'р - - Мс.

■ Поворот дебалансов: ^ = со.

СП

■ Скорость подъема крюка крана: если ! < ^, то V = 0, иначе V = V

■ Гидравлическая податливость объемного амортизатора:

если ра > р0, то Еа = ет + иначе Еа = ет.

Ра

■ Изменение давления в рабочей полости амортизатора:

at

■ Эффективная мгновенная мощность привода:

N = (v^ip-f©i2)o.

Где К - статический момент дебалансов, V - скорость подъема крюка, ti

- время задержки извлечения ( погружения), m - масса вибросистемы, G

- сила пригруза, F - сила взаимного трения уплотняемого материала и сила трения боковой поверхности виброштампа, R - лобовое сопротивление погружению, р^ - давление открытия предохранительного клапана, Кк- характеристики клапана, V0'-рабочий объем насоса, п„ - частота вращения вала насоса, Е - податливость напорной магистрали, г0'~ коэффициент утечек мотора, i - передаточное отношение редуктора погружателя, I - динамический момент инерции * дебаланса, с - жесткость фунта, еш - гидравлическая податливость амортизатора, А - площадь поршня гидроцилиндра, FR - пороговое сопротивление грунта, f - коэффициент вязкого демпфирования, и -скорость погружения (извлечения) виброштампа, х - перемещение виброштампа, у - погружение уплотненного фунта, р - давление гидропривода.

Профамма расчета является составной частью файла EXCEL «ВиброИзвлечение A. xls». Постоянные параметры вводятся в столбец. Формулы для расчета постоянных коэффициентов модели сведены на лист. Профамма содержит подпрограмму математической модели: Private Sub Sub_global()

Dim QH1, Y2, Dif_x5, Qkll, Dif_xl, el, Zkl As Double Y1 = Debal * (X(5) * X(5) * Cos(X(6)) + Dif_x5 * Sin(X(6))) F_ = X(7) * A_

If X(2) <= X(3) And X(l) > 0 Then F(l) = (PRI + G1 + Y1 - F_bok - FJ / Massa

If X(2) <= X(3) And X(l) <= 0 Then F(l) = (PRI + G1 + Y1 + F_bok -F_)/ Massa

If X(2) > X(3) And X(l) > 0 Then F(I) = (PRI + G1 + Y1 - F_bok -Rtorz - FR - F J / Massa

If X(2) > X(3) And X(l) <= 0 Then F(l) = (PRI + G1 + Y1 + F_bok -Rtorz - F J / Massa Difxl = F(l) F(2) = X(1)

If X(2) > X(3) And X(l)> 0 Then F(3) = X(l) Else F(3) = 0 QH1 = V nasos * n nasos

If X(4) > Pkll Then Qkll = (X(4) - Pkll) / Kpll Else Qkll = 0

F(4) = (QH1 - Qkll - (Ro nasos - Ro_motor) * X(4) - V_motor * ired * X(5)) / E_sys

Y2 = Debal * (9.8 - Dif_xl) * Sin(X(6))

F(5) = (Vmotor * i red * X(4) - fin * X(5) * i_red * i_red - Y2) / I_M Dif_x5 = F(5) F(6) = X(5)

If t <= t 1 Then Zkl=0 Else Zkl=Zk

If X(7) > Po Then el = em + Po * Vo / X(7) л 2 Else el = em

F(7) = (Zkl + X(l)) * A_/ el

N_m = (V motor • i_red * X(4) - fin * X(5) * i_red * i_red) * X(5) End Sub

Базовая часть программы не отличается от варианта 1. Проведенные на основании программы расчеты вибрационных режимов систем, оборудованных гидравлическими и комбинированными амортизаторами представлены в виде виброграмм (рис.3). Обоснованность расчетов и степень их сходимости с практическими результатами подтверждена экспериментами, освещенными в главе 3. Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям на физических моделях.

Экспериментальные исследования методом физического моделирования преследовали цель:

1. Уточнить упругие свойства серийных рукавов высокого давления с различными условными диаметрами и имеющими один или несколько слоев стальной проволочной оплетки, установить их статический модуль упругости и закономерность его изменения.

2. Определить работоспособность амортизатора, оснащенного силовым агрегатом (гидроцилиндр) и упругими элементами (набор РВД) в вибрационном режиме с подвеской на крюковой обойме крана.

3. Установить граничные условия работоспособности гидроамортизатора при переменных параметрах (частота колебаний, масса колеблющихся частей, тип и длина упругих элементов), подтвердить допустимость изменения упругости подвески вибратора, оснащенного модульными гидравлическими виброблоками дебалансного типа и экспериментально отработать принципы регулирования параметров гидроамортизатора и их рациональный диапазон.

4. Уточнить принципы модульного построения, методики расчета и проектирования гидроамортизатора нового типа для вибрационного оборудования «Вибростолб», определить показатели, повышающие надежность работы гидропривода в вибрационных режимах.

5. Определить характер динамических нагрузок на кран в периоды разгона и торможения дебалансных валов с использованием упругих свойств гидравлического амортизатора с переменными параметрами.

Для осуществления поставленных задач использовался имеющийся в филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Стройтехкомплексы» лабораторный испытательный комплекс, оборудованный силовым полом, насосными установками различной мощности, комплектом гидравлической аппаратуры контроля и управления, средствами коммуникаций и измерений, имитаторами внешних нагрузок поступательного и вращательного действия и силовыми рамами-манипуляторами.

Работоспособность амортизатора вязкого трения (гидравлического) определяется сечением отверстий в нем, вязкостью жидкости, ее качеством и объемом, характером изменения внешних нагрузок и цикличностью работы. Вязкое трение позволяет уменьшить амплитуду колебаний при прохождении через полосу резонанса, но при этом несколько снижается коэффициент виброизоляции в рабочем режиме, так как динамическое возмущение передается на поддерживающую конструкцию не только через упругий элемент, но и через демпфер вязкого трения. При решении проблемы предлагается использовать эффект податливости рукавов высокого давления (РВД) заложенный в их конструкцию. Так как ранее с этих позиций упругие свойства РВД не изучались, возникла потребность в проведении экспериментальных исследований и определения на практике их модуля упругости, для чего использовался разработанный лабораторный стенд.

Стенд включал в себя насосную станцию высокого давления, реверсивный распределитель, предохранительный клапан, манометр и вентиль для дозированной подачи рабочей жидкости (гидравлического минерального масла) в испытуемый РВД. Вентилем осуществляли перекрывание подачи рабочей жидкости в испытуемый рукав по достижении в его камере необходимого давления. Затем масло через другой (тупиковый) вентиль сливалось в проградуированную мерную посуду, с помощью которой производился контроль объема рабочей жидкости накопленного в камере рукава под давлением.

Испытания проводились с рукавами внутренним диаметром 12,16, 20, 25 мм с последовательным повышением давления от 0 до 30 МПа. Для каждого типа РВД были получены значения модуля упругости. Установлено, что в определенном диапазоне повышения давления происходит приращение внутреннего объема в камере рукава, которое в зависимости от его типа составляет от 3 до 10% начального объема (маневровый объем). Полученные данные представлены в виде графика (рис.4). Наиболее подходящими рукавами для предполагаемой конструкции гидравлического амортизатора признаны рукава внутренним диаметром 20 и 25мм с однооплеточным и двухоплеточным армированием при диапазоне давления от 2 до 16 МПа.

Рис. 4. Зависимость внутреннего объема РВД от давления

Полученные практические значения модуля упругости РВД дали возможность внести необходимую уточняющую информацию в математическую модель системы «Виброоборудование-Амортизатор-Базовая машина» для более корректного отражения многофакторного процесса ее работы при сооружении буронабивных свайных фундаментов.

С целью экспериментального подтверждения теоретических результатов и уточнения методики расчетов параметров гидравлического амортизатора, была запроектирована и изготовлена физическая модель, установленная на лабораторном комплексе НИЦ «Стройтехкомплексы». Модель включает в себя: (рис. 5)

6ахйа> найма

гидравлический вибратор, кран со стропами и гидравлический амортизатор состоящий из гидроцилиндра, нескольких групп РВД и распределительной гидроаппаратуры, регулирующей рабочий объем РВД в зависимости от условий колебаний вибросистемы. Комплектом сменных длинномерных РВД и пульта управления имеется возможность ступенчато регулировать рабочий объем демпфирующих элементов в зависимости от условий колебаний вибросистемы.

Исследования выполнялись в соответствии с разработанной методикой и согласно матрицы экспериментов. Производились контроль и измерение следующих параметров модели:

- Частота вращения дебалансных валов;

- Амплитуда колебаний корпуса вибратора, силового элемента гидрообъемного амортизатора и крюковой обоймы крановой балки;

- Давление рабочей жидкости в силовом и демпфирующих элементах;

- Давление в рабочих полостях гидравлических моторов вибратора;

- Расход жидкости в гидромоторах вибратора;

- Давление в главной линии насоса питания гидромоторов;

- Полезная производительность регулируемого насоса;

- Температура рабочей жидкости;

- Время протекания процессов.

Для фиксации быстротекущих процессов в вибросистеме модели был использован разработанный при участии автора электронный блок измерительной аппаратуры с накоплением данных в ПЭВМ.

Основным критерием оценки эффективности гашения колебаний признан коэффициент демпфирования Кд, который представляет собой отношение амплитуды колебаний вибратора к амплитуде колебаний крюковой подвески крана.

На основании полученных результатов были построены зависимости коэффициента демпфирования Кд от времени протекания процесса при различной массе колеблющихся частей, изменяющейся длине амортизирующих элементов и частоте колебаний вибросистемы. В качестве примера на рис.6 представлены кривые изменения коэффициента Кд при вибрировании массы от 500 до 2500кг с использованием в качестве демпфирующих элементов рукавов высокого давления длиной от 10 до 20м. Из графика видно, что для эффективного гашения колебаний по мере увеличения массы вибросистемы, необходимо также увеличивать длину амортизирующего элемента РВД.

Процесс работы виброоборудования, а значит и модели, состоит из трех этапов, включающих в себя разгон гидромоторов, установившийся режим и стопорение (остановку вибратора). Характер полученных данных свидетельствует об удовлетворительном гашении колебаний в период запуска вибратора и при установившемся режиме, но значительно снижающим этот показатель в период остановки

оборудования. В диссертационной работе приведены рекомендации по снижению амплитуды колебаний в эти периоды работы виброоборудования путем переключения РВД в ручном режиме.

Исходя из сопоставления полученных в ходе экспериментов графических зависимостей, автором предлагаются следующие рекомендации по выбору наиболее подходящей группы РВД:

• Для гашения колебаний в процессе разгона проходящих с частотой вращения дебалансных валов от 0 до 900 об/мин (0-15 Гц) эффективнее применять группу РВД, состоящую из рукавов внутренним диаметром 20 и 25 мм с однооплеточным армированием;

• Для установившегося режима работы дебалансных валов вибратора 900 - 2100 об/мин (15 - 35 Гц) рекомендуется использовать РВД внутренним диаметром 20 мм с однооплеточным армированием;

• Процесс остановки (торможения) вибратора с рабочим органом предусматривает неизбежный инерционный выбег его дебалансных валов, что влечет за собой их рассинхронизацию и возникновение хаотических (негармоничных) колебаний, приводящих систему в сложный затухающий режим с повышенными динамическими нагрузками на оборудование. Поэтому для гашения таких колебаний предлагается использование комбинированной группы упругих элементов, состоящей из РВД с внутренним диаметром 20 и 25 мм и различным количеством армированных слоев, исходя из конкретных условий работы оборудования;

• Рекомендуемая длина комплекта РВД определяется массой и амплитудой колеблющихся частей вибросистемы.

Предложенные рекомендации позволили скорректировать исходные данные, заносимые в программу, касающиеся выбора необходимого типа РВД а также провести сравнение рассчитанных теоретически и полученных экспериментальным путем характеристик работы вибросистемы. Сравнение теоретических и практических результатов работы амортизатора показало различие расчетной и полученной амплитуды колебаний на 10 - 15%.

В четвертой главе приведены результаты испытаний работы в натурных условиях гидравлического виброоборудования, оснащенного гидравлическим амортизатором. Испытания проводились с целью подтверждения результатов теоретических исследований, расчетов и экспериментов на моделях. В дополнение к этому фиксировались данные, получение которых при моделировании сложно, в частности изучение практических параметров гашения вибрации при ее передачи на глубину скважины при различной консистентности обрабатываемого материала, уточнение принципов регулирования параметров и управления оборудованием, его диагностирования на стройплощадке. Натурные испытания базировались на применяемом в строительной практике оборудовании с использованием серийно изготовленных комплектов «ВО-32». Положительные результаты испытаний проиллюстрированы виброграммой на рис. 7.

\

8 2 ю » „ е

Рис. 7 Эффективность влияния гидроамортизатора на гашение

колебаний передаваемых вибропогружателем на стрелу гусеничного крана РДК-25 при сооружении буронабивных свай (при сохранении частоты колебаний)

В соответствии с разработанными технологическими регламентами, комплекты были применены при строительстве одиночных и групповых фундаментных свай диаметром 0,6-1,2м. глубиной от 15 до 31 метра. При строительстве транспортных эстакад и «стен в грунте» из буросекущихся свай на транспортных развязках в г. Москве. На основе испытаний даны рекомендации по повышению надежности (добротности) гидроамортизатора виброоборудования и определены нормы его ТО и диагностирования. Разработаны практические рекомендации по запуску оборудования, обеспечению установившегося режима вибрации с отслеживанием по изменению нагрузки на рабочий орган (виброштамп), остановке вибратора.

В пятой главе изложена трехуровневая структура компоновки модульных составляющих комплектов оборудования применительно к гидравлическому амортизатору. Первый уровень включает в себя основные агрегаты оборудования. Второй уровень состоит из блоков и сборок, на основе которых компонуются модули первого уровня; третий уровень содержит покупные комплектующие изделия.

Разработанная методика предусматривает выбор составных частей амортизатора и расчета его параметров (диаметр поршня и ход штока гидроцилиндра, тип РВД и их длина, принципиальная схема регулирования упругостью, соединение с общей системой гидропривода всего оборудования).

Технико-экономическая эффективность применения комплекта виброоборудования с гидравлическим амортизатором может быть оценена на основе следующих показателей:

- дополнительные затраты на изготовление гидравлического амортизатора (гидроцилиндр, такелаж, рукава высокого давления, гидроаппаратура);

- выгода от продления срока службы базового крана или применения стрелового крана меньшей грузоподъемности с учетом снижения динамических нагрузок на его стрелу вследствие лучшей изоляции машины от вибровоздействий.

Рекомендации по применению нового гидроамортизатора:

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

2. В случае возникновения условий работы виброоборудования с предельными нагрузками рекомендуется использование комбинированного амортизатора, состоящего из гидрообъемного амортизатора и стандартного пружинного амортизатора, который обеспечивает гашение максимальных колебаний.

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

4. Построение амортизатора предлагается основывать на модульном принципе с взаимозаменяемыми гидроцилиндрами, рукавами высокого давления, насосными станциями исходя из параметров необходимого вибропогружателя.

5. В программу расчета гидрообъемного амортизатора данные о мощности вибропогружателя, длине рукавов высокого давления, диаметре гидроцилиндра необходимо вкладывать с допущениями учитывающими упругие свойства базовой машины.

6. При расчете необходимого типа РВД следует учитывать статическое и динамическое давление создаваемое вибропогружателем в штоковой полости гидроцилиндра.

7. Рекомендуется использовать РВД в составе групп состоящих из 2 или более типов рукавов позволяющих гасить колебания на разных режимах работы виброоборудования с возможность самонастройки амортизирующей системы.

В качестве рекомендательных документов, обеспечивающих разработку перспективных комплектов гидравлического оборудования для работы по технологии «Вибростолб» в работе приведены методика расчета конструктивных параметров гидравлического амортизатора, типоразмерный ряд модульных составляющих гидравлического амортизатора на базе отечественных комплектующих элементов, схемы компоновки составных частей амортизатора на модульной основе с учетом мощности вибратора.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные первичные (предварительные) эксперименты на лабораторном стенде позволили уточнить характеристики объемной деформации серийно выпускаемых рукавов высокого давления (РВД) с целью определения возможности их использования в качестве упругих элементов гидравлического амортизатора. Установлено, что РВД обладают линейной характеристикой приращения внутреннего объема при нарастании давления - постоянным модулем упругости, зависящем от внутреннего диаметра РВД и числа слоев оплетки из стальной проволоки. Применительно к гидроамортизаторам признаны функциональными РВД, имеющие Ду 20 и 25 мм с одним и двумя слоями оплетки. Модуль упругости этих рукавов постоянен в рабочей зоне давления от 0,2 до 30 МПа, ограничен предельной возможностью расширения камеры РВД и колеблется от 2 до 10 см3 на один погонный метр рукава.

2. На основе полученных результатов предложен к реализации основной принцип конструкции гидроамортизатора, который включает в себя гидравлический однопггоковый гидроцилиндр, рабочая полость которого соединена через гидроаппаратуру управления с набором РВД различной длины и внутренним диаметром, а также с гидросистемой остального виброоборудования.

3. Разработана математическая модель технологического снаряда, состоящая из крюковой подвески, гидроамортизатора, дебалансного вибратора, наголовника и бетонолитной трубы с закрепленным на ее нижнем конце объемным виброштампом, погружаемым в обрабатываемый материал тела сооружаемой сваи. Составлена программа расчета параметров модели с возможностью варьирования в широких пределах характеристик составных частей виброснаряда и условий восприятия вибровоздействий обрабатываемой средой с получением в виде графиков амплитудно-частотных характеристик колебаний вибратора, вибропггампа, подвески и корпуса гидроамортизатора. В программу введены характеристики используемых РВД, полученные экспериментальным путем. Расчеты позволили установить, что гидроамортизатор обеспечивает высокоэффективное гашение колебаний крановой подвески со средним значением коэффициента демпфирования от 8 до 15 при изменении частоты колебаний вибратора в пределах 8-35 Гц и массы колеблющихся частей от 500 до 5000кг., что соответствует требованиям, предъявляемым к технологическому оборудованию «Вибростолб».

4. Разработана и изготовлена крупномасштабная модель виброснаряда мощностью 20квт, с помощью которой проведены стендовые экспериментальные исследования. Эксперименты подтвердили работоспособность выбранной конструкции гидроамортизатора, возможность принудительного регулирования демпфирующих свойств амортизатора во время разгона и остановки вибратора и в период установившихся режимов виброобработки материалов в скважине, что наиболее просто достигается ступенчатой регулировкой суммарной длины амортизирующих элементов. Установлено, что каждая ступень амортизации колебаний носит характер допустимой полосы виброизоляции колебаний стрелы крана со взаимным перекрытием частот, что упрощает структуру амортизирующих элементов и систему управления.

5. Разработан головной образец серийного гидроамортизатора для комплекта виброоборудования к технологии «Вибростолб». На основании испытаний комплекта с новым амортизатором в условиях строительства подтверждены результаты теоретических расчетов и стендовых экспериментов, установлен коэффициент корректирования набора РВД с учетом. упругости стрелы базовой машины - крана на

пневмоколесном или гусеничном ходу при различных типах стрел и вылете крюковой обоймы. Коррекция достигается наращиванием с пульта управления длины РВД в периоды пробных пусков виброоборудования. Коэффициент коррекции находится в пределах 0,2 -0,6 от начальной длины.

6. Степень сходимости расчетных и практических показателей работы амортизатора в стендовых и натурных условиях составила 12-16%.

7. Разработан типоразмерный ряд гидроамортизаторов для оборудования «Вибростолб» различной мощности (от 20 до 80 кВт) и методика расчета их параметров. Разработка обладает новизной на уровне изобретений, на первый вариант амортизатора подана заявка на полезную модель, другие решения намечено запатентовать позже.

8. Новый гидроамортизатор был использован при сооружении буронабивных свай (одиночных и буросекущихся) на строительстве транспортных развязок на МКАД и на пересечениях автомагистралей Подмосковья с применением кранов пониженной грузоподъемности. Экономический эффект от применения гидроамортизатора при двухсменной работе может составить на один комплект виброоборудования около 2 млн. рублей.

9. По результатам работы опубликованы 3 статьи, получена приоритетная справка на полезную модель конструкции гидроамортизатора.

10. Методика расчета гидравлических амортизаторов принята для реализации Филиалом ОАО «Мостостройиндустрия» «Люберецкий завод мостостроительного оборудования» (ЛЗМО).

Публикации автора по теме диссертации:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Гидравлический амортизатор с регулируемыми хаметгоистаками. Заявка на полезную модель

КЖШШот б■ о&мобг.

<

Подписано в печать 10.05.2006. Формат 60 * 847ц. Объем 1,73 пл.Тираж 80экз.Заказ II.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС. Лицензии ПДЦ № 53-510 от 22.10.1999 г.

129329, Москва, Кольская 1 Тел.: (495) 180-94-65

//Jff

»11388

Введение

Глава 1. Современный уровень механизации и технологии производства фундаментных работ

1.1. Передовые технологии возведения фундаментных конструкций.

1.2. Средства механизации для строительства фундаментов.

1.3. Применение гидропривода в технологическом оборудовании для строительства фундаментов.

1.4. Современная конструкция амортизаторов и исследования в области их создания.

1.5. Анализ нерешенных проблем.

Глава 2. Система «Виброоборудование — Амортизатор - Строительная машина»

2.1. Принцип действия гидравлического амортизатора, оснащенного рукавами высокого давления

2.2. Общие требования к амортизатору вибратора, навешиваемому на базовую машину.

2.3. Математическая модель системы «Виброоборудование -Амортизатор — Строительная машина» и программа расчета гидроамортизатора.

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальные исследования на стендах лабораторного комплекса

3.1. Основные предпосылки и задачи экспериментальных исследований

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 строительства- Для 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 гидравлическое; его 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 вибратора; разработаны 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 привода; проведен 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 крана; Это 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 8-35Гц; по массе колеблющихся частей от 500 до 5000кг.

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.

1. Бобриков Б.В., Русаков И.М., Царьков A.A. Строительство мостов. М.: Транспорт, 1987 г. - 303 с.

2. Бурин Н.И., Хасхачих Г.Д. Применение свай-оболочек в портовом строительстве. М.: Транспорт, 1987 г. - 200 с.

3. Руденко Моргун И. Я., Чичерин И. И. Технология свайных работ. М.: Высшая школа, 1983 г. - 95 с.

4. Смородинов М. И. Основания и фундаменты. М.: Стройиздат, 1976 г.-279 с.

5. Савинов O.A., Лускин А.Я. Вибрационный метод погружения свай и его применение в строительстве. Л.: Госстройиздат, 1960-251 с.

6. Головачев А. С. Свайная вибротехника. М.: Транспорт, 1972 г. 109 с.

7. Проспекты фирмы IHC FUNDEX Equipment B.V. Holland.

8. Гончаров Ю.М., Таргулян Ю. О., Вартанов С.Х. Производство свайных работ на вечномерзлых грунтах. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Стройиздат., 1980 - 160 с.

9. Цейтлин М.Г., Верстов В.В., Азбель Г.Г. Вибрационная техника и технология в свайных и буровых работах. — Л.: Стройиздат, ЛО, 1967,-262 с.

10. Ю.Рекламные проспекты фирмы Casagrande. Италия.11 .Рекламные проспекты фирмы Bauer. Германия.

11. Рекламные проспекты фирмы Liebherr. Австрия.

12. Смирнов А.Ю. Совершенствование технологии подводного бетонирования буровых свай мостовых фундаментов. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. М., 1997.-145 с.

13. Виноградов О.В., Ходоров И.В., Смирнов А.Ю. Технология сооружения буровых свай повышенной несущей способности «Вибростолб».

14. Савинов O.A., Лавринович Е.В. Вибрационная техника уплотнения и формирования бетонной смеси. JL: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. - 280 с.

15. Гольдштейн Б.Г., Петрунькин Л.Н. Глубинные вибраторы для уплотнения бетона (конструкция, теория и расчет), М.: Машиностроение, 1966 г. 172 с.

16. Савинов О.А., Лавринович Е.В., Лускин А. Я. и др. Вибровозбудитель. Авт. свид. № 252890, Бюл. изобр., 1969, № 29.

17. Крат О.В., Равкин А.А., Доллматов А.П. Укладка и уплотнение бетонной смеси при строительстве плотины. Энергетическое строительство, 1978, №5.

18. Гидравлические и электрические вибропогружатели фирмы «Tunkers». Рекламный проспект. Германия, 1989 10 с.

19. MGF Maschinen- und Gerate-Fablik GmbH. Гидравлические вибропогружатели фирмы «MGF». Рекламный проспект. Германия.

20. International Construction Equipment BV. Гидравлические вибропогружатели фирмы «1СЕ». Рекламный проспект. Голландия.

21. Гидравлические вибропогружатели фирмы «Ваиег». Рекламный проспект. Германия.

22. Рекламные проспекты фирмы «Plasser & Theurer» (Австрия)

23. Рекламные проспекты фирмы «Matiza» (Швейцария)

24. Рекламные проспекты фирмы «Geismar» (Франция)

25. Рекламные проспекты фирмы «Robell» (Германия)

26. Рекламные проспекты фирмы «Kershau» (Канада)

27. Рекламные проспекты фирмы «Tamper» (США)

28. Савинов O.A., Лавринович Е.В., Лускин А. Я. и др. Вибровозбудитель. Авт. свид. № 343016, Бюл. изобр., 1972, № 20.

29. Крат О. В., Равкин А. А., Долматов А. П., Чрдилеле О. Г., Савинов О. В. Основание технологии укладки и уплотнения смеси на строительстве плотины Ингури ГЭС. -Энергетическое строительство., 1974 г., №11.

30. Савинов О. А., Толкачев А. А. К вопросу об уплотнении бетонных смесей пакетов мощных глубинных вибраторов, подвешенных к трактору. Энергетическое строительство, 1969, № 6.

31. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.: Гостройиздат, 1969-315 с.

32. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.: Гостройиздат, 1969-315 с.

33. Баркан Д.Д. Устройство оснований сооружений с применением вибрирования. -М.: Машстройиздат, 1949 г.

34. Головачев А. С. Исследование, применение и развитие свайной вибротехники в транспортном строительстве. Сб. науч. тр. Юбилейный выпуск М.: ЦНИИС, 1995, с. 103 - 117.

35. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. М.: Машиностроение. 1977.

36. Азбель Г.Г., Савинов O.A., Цейтлин М.Г. Вибрационные машины для погружения свай, шпунта и для геологического бурения. Вибрация в технике: Справочник. Вибрационные процессы и машины. М.: Машиностроение, 1981, т.4 - с. 325 — 335.

37. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. — М.: Высшая школа, 1977. — 225 с.

38. Верстов В.В., Азбель Г.Г., Гольденштейн И.В. Безопасное вибропогружение шпунта вблизи существующих зданий. Основания, фундаменты и механика грунтов, 2002, №1. с.22-25

39. Головачев A.C., Пчелин И.К., Черняев В.И. Исследования виброударного погружения конструкций в грунт. — Науч. Тр. ЦНИИС, М.: Трансжелдориздат, 1960,-134с.

40. Головачев A.C. Повышение технического потенциала вибропогружателей на основе регулирования их параметров в процессе работы.- В. кн.: Исследования машин для свайных и буровых работ. Сб. науч. Тр. ЦНИИС.- М.: Транспорт, 1987.- с. 4-17

41. Головачев A.C. Современное состояние и перспективы развития свайной вибротехники: Обзорная инф.- М.: Оргтрансстрой, 1977.-40с.

42. Верстов В.В., Перлей Е.М., Гольденштейн И.В. Отечественный высокоэффективный вибропогружатель для выполнения специальных работ в грунтах. — Механизация строительства, 2000г., №9, с. 2-5.

43. Головачев A.C. Пути повышения эффективности свайных вибропогружателей в транспортном строительстве. в кн.: Сваебойное оборудование.- М.:ЦИНТИ AM, 1964. с. 74-78.

44. Мокин В.В. Ударно-вибрационный шпунтовыдергиватель МШ — 2М.- Транспортное строительство, 1977, №8, с. 27-28.

45. Головачев A.C., Хачикян Э.Д. Перевод вибропогружателей на гидропривод — эффективный путь их использования и совершенствования. — Вестник мостостроения, 1997, №4, с. 3741.

46. Mobile Hydraulic components. Mannesmann Rexrot. 1988 г. 772 с.

47. Bosh Hydraulik Informainen. Kat. 1 - 6. Stuttgart, 1987/88. 153 c.

48. Danfoss hydraulikkomponenten an bauund strassenbaumaschinen. 1989, 42 c.

49. Verkaufsprogramm Hydraulik. Herion-Gruppe. Fellbach, 1985, 69 c.

50. Atos. Catalogo técnico. Oleoidraulica. 1989,320c.

51. Hagglunds-Denison. Prodact catalogue. 1988, 506 с.

52. Варава В.И. Прикладная теория амортизации транспортных машин. Издательство Ленинградского университета. 1986г. 3-4 с.

53. Чупраков Ю.И. Гидравлические системы защиты человека-оператора от общей вибрации. Москва «Машиностроение» 1987г. 60-67 с.

54. Иванов Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах. Москва «Транспорт», 1979г.

55. Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибрации в машиностроении. Москва «Машиностроение» 1990г. 46-54 с.

56. Кеглин Б.Г. Оптимизация межвагонных амортизирующих устройств. Ленинград 1981г. с. 2-4.

57. Фролов К.В. Виброизоляция машин и виброзащита человека-оператора. Издательство «НАУКА». 1973г. с. 35-37.

58. Грузоподъемные краны №2. Динамика грузоподъемных машин. Машиностроение, с. 163-170.

59. Хараса З.Б. Подъем и перемещение грузов. Москва. Стройиздат 1987г. с. 300-308.62.3аленский B.C., Мовчан Ф.Ф. Подъемно-транспортные и строительные машины. Москва. 1957г. с. 74-75

60. Грузоподъемные краны №1. Машиностроение, с. 53-59

61. Ткач Л.И. Стреловые самоходные краны и строповка грузов. Справочное издание.- М.: Металургия, 1990г. с. 149-161.

62. Брауде В.И., Гохберг М.М. Справочник по кранам: Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов. Машиностроение, 1988г. с. 85-95.

63. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов, с. 517-519.

64. Дукальский Т.Г. Справочник по кранам. Машиностроение. 1973г. с. 484-492.

65. ГОСТ 12.1. 049-86 ССБТ. Вибрация, Методы измерения на рабочих местах самоходных СДМ.

66. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики. Москва. Высшая школа, 1966 г., 487 с.

67. Веников В.А. Основы моделирования и подобия. Москва. Высшая школа, 1971 г., 506 с.

68. Зайдель А. И. Элементарные оценки ошибок измерений. Ленинград. Наука, 1968 г., 97 с.

69. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. Москва. Наука, 197 г., 192 с.73. «Поверка и калибровка измерительной системы МКВС» Рабочая инструкция РИ32, редакция 2, М., ОАО ЦНИИС, 2003 г.

70. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Москва. Наука, 1966.-369с.

71. Виноградов О.В. Диссертационная работа. Обоснование параметров и разработка комплекта гидравлического виброоборудования для подачи и уплотнения бетона при сооружении буронабивных свай. 2004г. с. 179-183.