Свайные гидромолоты

Рассмотрим несколько вариантов работы дизель молота со сваей.

Технологический процесс работы дизель молота

Индикаторная диаграмма. Работа дизель молота спроектирована по двухтактной схеме. Индикаторная диаграмма одного цикла его работы показана на рис.3.24.

Рис. 3.24.Индикаторная диаграмма работы дизель молота.

На индикаторной диаграмме имеем следующие обозначения: давление в момент воспламенения - Рс = 4 - 4,5 МПа (40 – 45 атм). Давление в камере сгорания Рz = 8 -13 МПа (80 – 130 атм).

Точка 1 – момент закрытия камеры сгорания.

От точки 1 до точки 2 – процесс сжатия по закону политропы – Рс = Ра*ε^m1; где m1 – показатель политропы; m1 = 1,32 – 1,38; ε = Va/Vc – степень сжатия.

От т. 2 до т. 3 – сгорание топлива, давление резко возрастает, при этом объем V = Const (практически). От т.3 до т.4 – движение поршня в обратном направлении. При этом происходит расширение газа по политропе: Pi = Pz*(1/ε)^m2. В т. 4 происходит открывание окон. Далее очистка камеры под небольшим давлением. Pi – индикаторное давление, Fц – площадь цилиндра. Тогда сила давления газов Рг = Pi* Fц.

Рассмотрим процесс погружения сваи за один цикл работы дизель молота.

Диаграмма изменения давления во времени и погружение сваи за один цикл работы дизель молота, представлены на рис. 3.25- работа молота без удара и на рис.3.26 – работа молота с ударом.

Случай «А» - работа молота без удара. Погружение сваи происходит только под действием изменения давления в цилиндре дизель молота. Изобразим диаграмму изменения этого давления во времени и соответствующее этому времени перемещение сваи (Рис.3.25).

Рис.3.25. Диаграмма изменения давления во времени и погружение сваи за один цикл работы дизель молота. (Работа дизель молота без удара).

В этом случае рассмотрим различные варианты сопротивления грунта погружению сваи. При этом имеем: R1<R2<R3 – варианты сопротивления грунта вдавливанию.

1-й вариант с малым сопротивлением сваи вдавливанию, равным R1. Причем величина этого сопротивления находится в пределах: Pa< R1< Pc. В этом случае перемещение сваи происходит только под действием сжатого воздуха (газа), по кривой R1 графика перемещения сваи (Рис.3.25), с возможными колебаниями её в пределах упругих деформаций, а сам молот не заведется, так как давления в цилиндре недостаточно для воспламенения газов - R1< Pc.

2-й вариант этого случая, когда сопротивление вдавливанию сваи R2 находится в пределах Pc< R2<Pz. В этом варианте дизель молот заведется, воспламенение газов произойдет, давление в камере поднимется и при достижении его значения R2, начнется процесс погружения сваи. Перемещения сваи в этом случае будет происходить по кривой R2 на графике перемещений.

3-й вариант – это случай большого сопротивления грунта вдавливанию сваи, когда R3˃Pz. В этом случае дизель молот работает, но погружение сваи нет.

Случай «Б» - работа молота с ударом (Рис.3.26).

1 –й вариант с малым сопротивлением грунта вдавливанию сваи практически не отличается от варианта для случая «А».

2 – й вариант этого случая, когда сопротивление вдавливанию сваи R2 находится в пределах Pc< R2<Pz. Здесь, после воспламенения газов и нарастания давления в камере сгорания, одновременно происходит удар подвижной массы «Муд». При этом возникает сила удара, передающаяся свае («Руд»). Эта сила находится из условия равенства импульса силы (Руд*tуд) и момента количества движения (Муд*Vуд): Руд*tуд = Муд*Vуд. Откуда Руд = Муд*Vуд/ tуд. Следует отметить, что tуд – время удара, а Руд ˃˃ Pz. В этом случае погружение сваи происходит в основном за счет удара, хотя в конце удара дополнительно оказывают влияние и сила от давления газов. Характер погружения сваи в этом варианте работы дизель молота представлен кривой R2 на графике перемещения сваи во времени, рис.3.26.

3 – й вариант – случай большого сопротивления грунта вдавливанию, когда R3˃Pz. Здесь погружение сваи происходит только в момент удара.

Рис. 3.26. Диаграмма изменения давления во времени и погружение сваи за один цикл работы дизель молота. (Работа дизель молота с ударом).

Кинематика дизель-молота. Движение подвижной (ударной) части дизель-молота разбиваем на два этапа: движение вниз и движение вверх. Каждый из этих этапов рассмотрим как свободное движение под действием силы тяжести или силы действия газов это первая часть движения. А вторая часть движения на каждом этапе - это движение под действием газов в камере сгорания. При этом построим графики пути, скорости и ускорения подвижной массы для каждого из названных этапов. Графически это представлено на рис.3.27.

Рис. 3.27. Кинематика работы дизель-молота.

Уравнения движения подвижной массы на первом этапе описывает свободное падение её, плюс процесс торможения под действием сжатия газов.

Для участка 1 со свободным падением массы (рис.3.27,б)) имеем: Муд * ẍ1 = Муд * g; или ẍ1 = g; ẋ1 = g* t₁+С, при t = 0, х=0, ẋ =0. Здесь х1 = h1 = g*t₁²/2; t₁ = √̅̅2̅*̅ h̅1̅/ ̅g; → ẋ1=√̅̅2̅ g h̅1̅. Для второго участка имеем ẍ2 = g - ẍ`; ẍ`=Р/Муд; где ẍ`- торможение падающей массы из-за сжатия газов в камере сгорания; Р –сила давления газов; Р = р*F_ц, где р – давление сжатия газа в цилиндре; р = р_а* ε^m; F_ц – площадь цилиндра. После воспламенения подвижная масса, при установившемся режиме работы дизель-молота, совершает обратное симметричное движение вверх в соответствие с графиком, представленном на рис 3.27 б). Ускорения и скорости подвижной части молота, при этом, могут быть представлены графиками на рис.3.27 в) и г). Так на рис. 3.27 в) показаны графики изменения ускорений подвижной массы для случая установившегося режима работы, при нормальной подачи топлива. В случае избыточной или недостаточной подачи топлива, режим работы дизель молота нарушается. Эти изменения режима работы молота наглядно иллюстрируются графиками, представленными на рис.3.27 г). На этом графике показано изменение скорости при различной величине подачи топлива в камеру сгорания дизель молота. Варианты этих режимов обозначены здесь цифрами 1,2,3. Здесь сплошные линии показывают движение подвижной массы вниз, а пунктирные – вверх. Так позиция 1 отмечено изменение скорости подвижной части молота при работе его с ударом. В нижнем положении Vуд ≠ 0. Позиция 2 отражает случай безударной работы молота, когда в нижнем положении подвижной массы скорость удара Vуд = 0, а в точке падения (подъема) равной Х1 = h1, скорости равны ẋ1 = ẋ3 – режим работы с нормальной подачей топлива. Позиция 3 – недостаточная подача топлива: ẋ1 ˃ ẋ3.

График 3.27 г) представляет собой фазовый портрет работы дезель-молота. При установившемся режиме и нормальной подаче топлива фазовый портрет всегда замкнутая кривая. Для установившегося режима работы имеем: Время одного цикла Т = t1 + t2 + t3 + t4, при этом t2, t3<< t1, t4. При установившемся режиме t1 = t4; t2 = t3. Тогда можно принять Т ≈ 2 t1 = √̅̅2̅*̅ h̅1̅/ ̅g. При наличии аккумулятора или демпфера в верхней части имеем Т_ак = 0,7 Т, при этом частота ударов увеличивается.

Выбор основных параметров дизель-молота. К основным параметрам дизель – молота относятся:

- масса молота – М;

-высота подъема ударной части - h;

- частота удара - f;

- объем цилиндра - Vц;

-мощность дизель-молота - N.

Масса дизель-молота «М» выбирается из типового ряда.

Высота подъема представляет собой сумму высот – h = h1 + h2, где h2 – длина цилиндра дизель-молота –Lц. Высота подъема определяется физическими явлениями происходящими в процессе работы молота. Так минимальная величина hмин – определяется возможностью завести молот. Поэтому hмин принимают как hмин ˃ 0,7 м. Максимальная высота дизель-молота ограничивается габаритами и определяется как hмах < 2 м. Обычно в расчетах принимают hнорм = 1,3 м. Зная Муд и hнорм, можно найти энергию удара Е = М*h*g.

Частоту ударов дизель-молота определяют по времени цикла –Т. Зная Т можно определить частоту ударов как f = 1/Т [уд/с].

Объем цилиндра Vц через коэффициент «А» - учитывающий удельную работу падающего тела. Vц = М*h*g/А, А – работа единицы объема цилиндра [Нм/л]. Значения А находится в пределах = (800 - 1250) Нм/л. Рекомендуется брать среднее значение т.к. Амах принимать опасно из-за большого объема цилиндра, а также при этом - безударный режим работы. Амин – маленький объем цилиндра, высокая степень сжатия, поэтому дизель-молот плохо работает на несвязных грунтах.

Vц = πd² Lц/4; отношение Lц/d выбирают по рекомендации для тихоходных дизелей. Обычно значение этого отношения рекомендуется выбирать в пределах Lц/d = 1,9 – 2,2.

Мощность дизель молота определяется за один цикл работы как: N1 = pi*Fц*h, где pi – среднее индикаторное давление. Полная мощность N = N1* f [Вт].

Энергия удара

E=(Q+pS)Hƞ, (19.1)

где Q — сила тяжести ударной части молота, Н; р — среднее эффективное давление в рабочем цилиндре молота, Па; S — рабочая площадь поршня молота, м2; H — величина рабочего хода ударной части молота, м; ƞ— КПД молота (для штанговых дизель-молотов ƞ=0,35... 0,4; для трубчатых — ƞ|=0,55... 0,6). Мощность, развиваемая дизельным молотом (Вт),

N=En, (19.2)

где п — частота ударов молота в секунду.

Эффективность погружения сваи в грунт зависит от соотношения масс сваи - Mтс и ударной части молота - Mтм, частоты ударов молота - λ и скорости соударения -Vуд ударной части молота с наголовником сваи.

Таблица 3. Ориентировочный выбор дизельных молотов

Масса ударной части молота, кг	Рекомендуемые параметры молотов
Длина погружаемой сваи, м
До 8		9...12	13... 16	17... 20
Предельная масса сваи, т
1,8	2,7... 3,7	3,6...4,9	6,2... 8,0
Несущая способность сваи, кН
До 250	250... 400	400... 600		Более 600
	+		+	._		.—
			+	■—		—
	—			+		—
	—		—	+
						-г

Практически установлена необходимость соблюдения следующих условий: 0,5˃ Mтс / Mтм < 2,5 (при Mтс / Mтм ˃2,5 эффективность погружения сваи резко снижается). Скорость соударения ударной части молота с наголовником сваи - Vуд < 6 м/с. При Vуд >6 м/с, большая часть энергии удара затрачивается на разрушение наголовника и сваи. Рекомендуемая частота ударов - λ, должна соответствовать λ ˃30 мин-1. При меньшей частоте ударов λ <30 мин-1, силовые связи грунта со сваей, по ее боковым поверхностям, успевают возвратиться в исходное состояние, при котором сопротивление погружению сваи весьма велико и молоту приходится дополнительно преодолевать инерцию неподвижных масс свай и грунта.

Выбор оптимальных параметров дизельных молотов, обеспечивающих эффективные режимы погружения свай, производится согласно табл. 3.

В гидравлических молотах движение ударной части осуществляется под действием давления жидкости в гидросистеме. Работа этих машин аналогична работе паровоздушных молотов, но отличаются от них сравнительно высоким КПД (0,55... 0,65). Кроме того, масса приводной станции в 8... 10 раз меньше массы компрессорной станции. Их конструкция характеризуется компактностью, надежностью, простотой в эксплуатации, слабым шумом при работе, возможностью установки как на базовых машинах (экскаваторы, краны), так и на всех разновидностях копровых установок. Гидромолоты используются для забивки свай и металлического шпунта в сложных геологических условиях при чередовании слоев грунта различной плотности.

По принципу работы различают гидромолоты простого и двойного действия. У первых, подъем ударной части происходит под воздействием рабочей жидкости в гидросистеме, а рабочий ход — под действием ее собственной силы тяжести; у вторых — воздействие рабочей жидкости на ударную часть молота осуществляется в течение полного цикла работы. Общий вид и отдельные узлы современных гидромолотов представлены на рис.3.28 - рис.3.29.

Рис.3.28. Свайные гидромолоты на копре.

Дата добавления: 2013-12-12