СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ИНЕРЦИОННОГО ВИБРОВОЗБУЖДЕНИЯ И ДЕБАЛАНСНЫЙ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к строительному мультивибрационному оборудованию для погружения в грунт строительных элементов (свай, свай-оболочек, шпунтов и т.п.) и может найти применение в строительстве - гражданском, промышленном, энергетическом и дорожном.

Мультивибрационные устройства дебалансного типа известны.

Например, известно вибрационное устройство по патенту Великобритании (GB 88293; B06B 1/16, E02D 7/00; 1961). Оно включает три узла из пар синхронно вращающихся в противоположных направлениях неуравновешенных масс (дебалансов), смонтированных на валах, взаимно соединенных зубчатыми колесами и цепной передачей с двигателем. Компоновка узлов такова, что их силовые векторы направлены вдоль одной и той же линии действия. Такое устройство и аналогичные другие известные устройства при относительно небольших габаритах и массе и к тому же еще и простыми средствами (изменением массы дебалансов, их эксцентриситета и частоты вращения) дают возможность получать различные и значительные по размеру инерционные силы, изменяемые во времени по гармоничному закону. Недостатком таких широко применяемых устройств в силу симметричности изменения возмущающей силы является их непригодность для использования в качестве силовых, например вдавливающих, так как для создания односторонне направленных сил требуются значительные по массе привесы, чтобы компенсировать периодически возникающие направленные вверх возмущающие силы.

Известен также вибровозбудитель по патенту США (US 7804211; B06B 1/16, E02D 7/18; 2010). Одна из его модификаций включает связанные с приводом через зубчатые колеса четыре группы валов с дебалансами, причем отношение скоростей вращения группы валов относительно друг друга составляет 1:2:3:4 при соотношении статических моментов их дебалансов 100:18,72:5.8:1,38. Недостатком этого известного вибровозбудителя является невозможность получения коэффициента асимметрии вынуждающей силы значительных размеров.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является универсальное вдавливающее устройство по патенту РФ (RU 2388868; E02D 7/00; 2010). Оно представляет собой зубчатый инерционный самобалансный полигармонический вибратор, который имеет корпус, несущий снаружи грузовую траверсу, направляющие и сменный свайный наголовник и содержащий внутри пары дебалансных зубчатых колес и валов, валы смонтированы в подшипниках единого корпуса в два равнозначных вертикальных ряда, зубчатые колеса в мультиплицирующем порядке связаны между собой в вертикальных рядах и между рядами через начальную пару, верхние зубчатые колеса кинематически связаны с равнозначным приводом вращательного движения в виде двух двигателей (асинхронных с частотным преобразователями или серводвигателей с сервоприводами), причем количество дебалансных зубчатых колес и валов, присоединенных к начальной паре, выбрано из диапазона 2…6, порядок угловых скоростей вращения каждого из них по отношению к начальной паре выбран кратным и целочисленным из диапазона 1…7, углы сдвига фаз каждой дополнительной пары относительно начальной установлены равными нулю, а компоновка всего механизма выполнена с обеспечением размещения его центра масс на одной вертикали с продольной осью погружаемого элемента при обеспечении собственного веса, превышающего размер наименьшего сопротивления срыву погружаемого элемента. Этот известный дебалансный вибровозбудитель направленного действия позволяет при семикратной асимметрии возбуждающей силы обеспечить в плавном (безударном) режиме погружение свай в грунт (например, железобетонных в крупный песок). Недостатком прототипа является невозможность получения значительных размеров коэффициента асимметрии возбуждающей силы при уменьшении количества элементарных вибровозбудителей направленного действия.

Известен способ направленного инерционного вибровозбуждения, который по своей сути реализуется устройством по патенту RU 2388868. Он включает получение результирующей асимметричной вертикально направленной вынуждающей силы, составляющие которой одновременно генерируют с помощью до семи элементарных вибровозбудителей направленного действия, предварительно обеспечив кратное увеличение частоты вращения валов элементарных вибровозбудителей и уменьшение размеров статических моментов их неуравновешенных масс. Недостаток известного способа таков, как и реализующее его устройства.

Задачей группы изобретений является создание такого способа вибровозбуждения и реализующего его устройства, которые позволяли получать коэффициент силовой асимметрии значительных размеров при меньшем количестве элементарных вибровозбудителей за счет получения и использования релевантного решаемой задачи закона изменения возбуждающей силы.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата патентуемый способ направленного инерционного вибровозбуждения включает получение результирующей асимметричной вертикально направленной вынуждающей силы F, составляющие F_i которой одновременно генерируют с помощью n элементарных вибровозбудителей направленного действия при кратном в виде натурального ряда чисел от 1 до n отношении угловых скоростей ω_i валов i-x элементарных возбудителей к угловой скорости ω₁ вала первого элементарного вибровозбудителя и уменьшении размеров статических моментов m_ir_i с эксцентриситетами r_i при увеличении угловых скоростей ω_i. Отличительной особенностью патентуемого способа является то, что режим генерирования составляющих F_i вынуждающей силы осуществляют по закону ее изменения, определяемого зависимостью F=F(t)=Acos^2pωt/2, разложение которой в ряд Фурье содержит гармоники

F_(p-k)=A[2^2p-1]^-1(2p)![k!(2p-k)!]^-1cos(p-k)ω_(p-k)t,

где k=0, 1, 2, …, (p-1),

2p - порядок зависимости F(t),

p - порядок наивысшей гармоники,

A - амплитуда изменения вынуждающей силы F,

определяющие составляющие F_i=F_(p-k) вынуждающей силы F и обеспечивающие необходимый задаваемый коэффициент ее асимметрии k_a как отношение размеров максимальных модулей вдавливающей вынуждающей силы F_в к подъемной F_п при приемлемом количестве n элементарных вибровозбудителей, удовлетворяющему условию, что n≤p, a |F_в|+|F_п|A.

Для расширения функциональных возможностей способа перед приведением во вращение валов элементарных вибровозбудителей осуществляют изменение направления вектора результирующей силы путем поворота всей их системы относительно общей параллельной валам оси на угол в 180°.

Для реализации способа с достижением указанного технического результата при дополнительной возможности выполнения обратной функции (вместо вдавливания свай их извлечение) дебалансный вибровозбудитель направленного действия включает корпус, n пар несущих дебалансы горизонтальных параллельных валов, установленных в подшипниках корпуса с образованием двух вертикальных рядов и кинематически связанных по крайней мере с одним приводом вращательного движения через зубчатую внешнего зацепления передачу с передаточным отношением смежных пар зубчатых колес, представляющим натуральный ряд чисел от 1 до n пар валов, причем дебалансы каждой лежащей в одной горизонтальной плоскости пары валов установлены синфазно и имеют одинаковые статические моменты, размеры которых уменьшаются для пар валов в сторону зубчатых колес с меньшим количеством зубьев, а нижний торец корпуса оснащен присоединительными элементами, например для крепления съемного свайного наголовника. Отличительной особенностью патентуемого вибровозбудителя является то, что он снабжен подъемной П-образной рамой, оснащенной шарнирно с ней соединенным захватным элементом и связанной с боковыми частями корпуса с возможностью поворота на 180° и последующей фиксации в крайних положениях, верхний торец корпуса оснащен дополнительными присоединительными элементами, выполненными тождественно присоединительным элементам нижнего его торца, привод вращательного движения размещен внутри корпуса, а статические моменты m_ir_i дебалансов горизонтальных параллельных i-x пар валов связаны со статическими моментами m₁r₁ дебалансов первой пары горизонтальных параллельных валов соотношением

m₁r₁/m_ir_i=i²(n-i)!(n+i)!/[(n-1)!(n+1)!],

где m_i и m₁ - массы дебалансов i-x пар валов и первого вала соответственно,

r_i и r₁ - эксцентриситеты масс указанных дебалансов.

Для повышения КПД зубчатой передачи предлагаемого вибровозбудителя кинематическая связь его двигателя вращательного движения с двумя рядами валов осуществлена в их средней части, а для повышения удобства при эксплуатации в нем обеспечено прохождение геометрической оси связи П-образной рамы с корпусом через центр масс поворотной несъемной части вибровозбудителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображен дебалансный вибровозбудитель направленного действия (в положении вдавливания сваи), вертикальный разрез;

на фиг.2 - то же, графики законов изменения вертикальных вынуждающих сил за один оборот вала первого элементарного вибровозбудителя, генерируемые семью и пятью элементарными вибровозбудителями заявляемого и прототипа соответственно;

на фиг.3 - то же, положение вибровозбудителя при извлечении сваи.

Изобретение представляет собой дебалансный вибровозбудитель направленного действия (фиг.1). Он включает корпус 1 и n элементарных вибровозбудителей 2_i (i=1, …, n), каждый из которых содержит пару горизонтальных параллельных валов 3_i и 4_i, несущих дебалансы 5_i и 6_i, т.е. по своей сути является мультидебалансным. Валы 3_i и 4_i установлены в подшипниках 7_i и 8_i корпуса 1 с образованием двух вертикальных рядов 9 и 10 и кинематически связаны между собой и по крайней мере с одним приводом вращательного движения 11. Кинематическая связь между валами 3_i и 4_i осуществлена через зубчатую внешнего зацепления передачу 12 в виде двух ветвей 13 и 14 с передаточным соотношением смежных пар колес (13_i-1, 13_i) и (13_i, 13_i+1), а также (14_i-1, 14_i) и (14_i, 14_i+1), представляющий натуральный ряд чисел от 1 до n пар валов 3_i и 4_i. Зубчатая передача 12 обеспечивает синхронное вращение валов 3 и 4, в противоположных направлениях, причем зубчатые колеса 13₁ и 14₁ валов 3₁ и 4₁ первого элементарного вибровозбудителя 2₁ находятся в зацеплении. Привод вращательного движения 11 выполнен, например, в виде асинхронного с частотным преобразователем двигателя, размещен внутри корпуса 1 и его кинематическая связь с двумя рядами 9 и 10 валов осуществлена в их средней части (с помощью двух одинаковых зубчатых колес 11а и 11б, входящих в зацепление между собой и колесами 13i и 14i соответственно, причем, например, зубчатое колесо 11а зафиксировано на валу 11в двигателя 11, а зубчатое колесо 11б размещено на оси 11г). Конструктивно дебалансы 5_i и 6_i могут быть размещены на валах 3_i и 4_i или на зубчатых колесах (не показано). Статические моменты m_ir_i масс m_i при эксцентриситетах r_i парных валов 3_i и 4_i имеют одинаковые размеры и установлены синфазно, причем относительно первоначального положения первой пары валов 3₁ и 4₁ размеры начальной фазы φ_i=0 (на чертеже начальная фаза не обозначена). Корпус 1 снабжен подъемной П-образной рамой 15, связанной с боковыми частями 16 и 17 корпуса 1 с возможностью поворота на 180°, например, с помощью соосных шарниров 18 и 19, с последующей фиксацией в крайних положениях винтами 20 и 21. Для этого в боковых частях 16 и 17 корпуса 1 выполнены две пары соосных отверстий 1а, 1б и 1в, 1г для ввода концов 20а и 21а соответственно винтов 20 и 21, образующих резьбовые соединения 15а и 15б с рамой 15. Рама 15 оснащена захватным кольцеобразным элементом 22, а нижний 23 и верхний 24 торцы корпуса 1 имеют присоединительные элементы, например, в виде резьбовых гнезд 25, 26 и 27, 28 для крепления съемного свайного наголовника 29 с помощью винтов 29а. Геометрическая ось 30 связи (шарниров 18 и 19) рамы 15 с корпусом 1 проходит предпочтительно через центр Ц массы поворотной несъемной части вибровозбудителя.

Статические моменты m_ir_i дебалансов 5_i (6_i) i-x элементарных вибровозбудителей 2, связаны со статическим моментом m₁r₁ дебалансом 5₁ (6₁) первого вибровозбудителя 2₁ соотношением

где n - количество пар валов 3_i и 4_i (количество элементарных вибровозбудителей 2_i), при предварительных расчетах n=p,

r_i, r₁ - эксцентриситет масс m_i, m₁ дебалансов 5_i (6_i),

i - передаточное отношение зубчатой передачи 12 (представляющей натуральный ряд чисел от 1 до n).

Рассмотренный дебалансный вибровозбудитель направленного действия реализует патентуемый способ направленного инерционного вибровозбуждения. Этот способ заключается в получении результирующей асимметричной вертикально направленной вынуждающей силы F, составляющие F_i которой одновременно генерируют с помощью n элементарных вибровозбудителей 2_i направленного действия при кратном в виде натурального ряда чисел от 1 до n отношении угловых скоростей ω_i вращения валов 3_i и 4_i элементарных вибровозбудителей 2_i к угловой скорости ω₁ валов 3₁ (4₁) первого элементарного вибровобудителя 2₁ и уменьшении размеров статических моментов m_ir_i, масс m_i дебалансов 5_i (6_i) с эксцентриситетами r_i при увеличении угловых скоростей ω_i. Режим генерирования составляющих F возбуждающей силы F осуществляют по закону ее изменения, определяемой зависимостью

разложение которой в ряд Фурье содержит гармоники (p-k) порядка

где k=0, 1, 2, …, (p-1),

2р - порядок зависимости F(t),

p - порядок наивысшей гармоники,

A - амплитуда изменения вынуждающей силы, определяющие составляющие F_i=F_(p-k) вынуждающей силы F и обеспечивающие необходимый задаваемый коэффициент ее асимметрии k_a как отношение размеров максимальных модулей вдавливающей вынуждающей силы F_в к подъемной F_п при приемлемом количестве элементарных вибровозбудителей 2_i, удовлетворяющему условию, что n≤p, a|F_в|+|F_п|=A.

Зависимость (2) получена следующим образом.

Элементарные вибровозбудители 2 представляют собой двухдебалансные вибраторы, создающие направленные силы инерции, изменяемые по гармоничному закону, представляют (с учетом кинематической связи их валов с передаточными отношениями зубчатых колес в виде ряда натуральных чисел) гармоники ряда Фурье.

Для четной функции f(x) ряд Фурье [1] имеет вид

где коэффициенты Фурье

Из зависимости (3) получаем

где f*(x) - среднее арифметическое функции f(x) на отрезке [0, π]. В качестве базовой функции для представления закона изменения вынуждающей силы для дебалансного вибровозбудителя направленного действия мультипликационного типа можно принять на интервале - π≤x≤π функцию

для которой среднее арифметическое значение

и которая может быть представлена конечным рядом из переменных членов (от k=0 до k=p-1) в виде

С учетом физической сущности процесса переменную x можно представить как ωt, где ω - угловая скорость (угловая частота) вращения вала, t - время в пределах периода T, при этом в зависимости (8) меняется вид последнего сомножителя (x заменяется на ωt, а в гармониках A, cosiωt ряда Фурье A, соответствуют силе F_i, генерируемой i-м вибровозбудителем.

Второе слагаемое зависимости (8) представляет сумму гармоник и после замены x на ωt каждая из них может быть представлена зависимостью (2).

С помощью зависимости (8) можно количественно оценить эффективность вибровозбуждения. Принимаем количество элементарных вибровозбудителей n=р=7.

После преобразования и подстановки p=7 во второе слагаемое зависимость (8) для вынуждающей силы F₍₇₎ имеем

По зависимости (8а) получаем следующие соотношения, пропорциональные генерируемыми i-ми вибровозбудителями силам F_i:

Так как шестым и седьмым соотношениями амплитуд из ряда (8б) из-за незначительного их размера можно пренебречь, то практически достигается тот же силовой эффект и при пяти вибровозбудителях при законе изменения вынуждающей сипы F=cos^2px/2.

Из зависимости (2) с учетом конечности ряда при x=0 имеем

a при x=π/2

Параметры F_в и F_п обеспечивают оценку точности приближения ряда Фурье к функции_[А1] при конечном числе членов рядав, меньшем p.

Для монотонно убывающей функции f(x) вибрационная система может быть оценена коэффициентом динамичности

т.е. коэффициенты динамичности системы и асимметрии вынуждающей силы совпадают, а параметры F_в и F_п является соответственно модулями вдавливающей и подъемной вынуждающей силы F.

Амплитуда или общая сила

где А_в и A_п - амплитуды вдавливающей силы и подъемной силы соответственно. Подъемная сила

где G_в и G_c - вес вибровозбудителя и вес сваи (естественный пригруз) соответственно, а их сумма является статической нагрузкой.

Получение заранее заданной вдавливающей силы F_в решается посредством числа гармоник при соответствующем подборе статических моментов. При увеличении числа элементарных вибровозбудителей сокращается время действия вдавливающей силы F_в на погружаемый элемент (сваю). Из закона сохранения количества движения следует, что, чем меньше время воздействия F_п, тем больше время действия подъемной силы F_n, тем меньше значение подъемной силы F_п, т.е. уменьшение времени воздействия F_в позволяет получить меньшую подъемную силу F_п.

Задавшись коэффициентом динамичности (силовой асимметрии) k_д=k_а=8 с учетом статической нагрузки (G_в+G_c=F_п), строим два графика вынуждающей силы F₍₇₎ и F₍₅₎ (соответственно при 7 и 5 элементарных вибровозбудителях) за период T оборота вала первого вибровозбудителя (от 0 до 2π) со сдвигом по оси ординат на размер статической нагрузки (фиг.2). Также наносим график вынуждающей силы F прототипа (при 7 элементарных вибровозбудителях и k_л=k_а=7). Судя по графикам изменения вынуждающей силы патентуемого вибровозбудителя, при большем коэффициенте динамичности (силовой асимметрии) и равном или меньшем количестве элементарных вибровозбудителей в сравнении с прототипом, функция более гладкая (без колебаний).

Работает дебалансный вибровозбудитель направленного действия следующим образом.

Для подготовки к погружению сваи 31 с расфиксированной П-образной рамой 15 и оснащенный свайным наголовником 29 корпус 1 вибровозбудителя подвешивают на крюке 32 грузоподъемного крана с помощью захватного элемента 22, подводят краном к стеллажу с уложенными сваями и надевают на голову сваи 31 свайный наголовник 29. С помощью зажимного механизма свайного наголовника зажимают голову сваи 31, фиксируют П-образную раму 15 винтами 20 и 21, поднимают краном вибровозбудитель со сваей 31 и выводят их на точку погружения. В режиме расторможенной подвески включают двигатель 11 и под действием вдавливающей силы F_в осуществляют плавное погружение сваи 31 в грунт 33 на проектную глубину (фиг.1). Затем освобождают сваю 31 от зажима в свайном наголовнике 29 и поднимают краном вибровозбудитель. На этом цикл погружение сваи 31 заканчивается. Последующие циклы погружения свай в грунт повторяются в той же последовательности.

Для подготовки к извлечению сваи 31 из грунта 33 снимают свайный наголовник 29, расфиксированную П-образную раму 15 поворачивают на 180° относительно корпуса 1 вибровозбудителя и фиксируют с помощью винтов 20 и 21 (путем введения их концов 20а и 21а в отверстия 1в и 1г корпуса 1). Устанавливают свайный наголовник 29, фиксируя его винтами 29а в резьбовых гнездах 27 и 28 в торце 24 корпуса 1. Подвешивают вибровозбудитель на крюке 32 грузоподъемного крана с помощью захватного элемента 22, подводят вибровозбудитель краном к подлежащей извлечению сваи 31, надевают на голову сваи 31 свайный наголовник 29 и с помощью зажимного механизма зажимают голову сваи 31. В режиме активной подвески включают двигатель 11 и под действием силы - F_в, т.е. вдавливающей силы, вектор которой направлен вверх, осуществляют плавное извлечение сваи 31 (фиг.3). Извлеченную сваю 31 с помощью крана переносят к стеллажам складирования, где ее опускают и освобождают от зажима в свайном наголовнике 29. Затем поднимают вибровозбудитель. На этом цикл извлечения сваи 31 заканчивается. Последующие циклы извлечения свай из грунта повторяются в той же последовательности.

Предложенная группа изобретений при улучшении эксплуатационных характеристик и расширении функциональных возможностей дебалансных вибровозбудителей направленного действия расширяет арсенал средств строительного мультивибрационного оборудования.

[1] И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука. 1981. - с.550.