Моделирование процесса взаимодействия вибропогружателя каркасов буронабивных свай и бетонной смес и и разработка самосинхронизирующ егося вибропогружател я

На правах рукописи

Иванов Василий Викторович

Моделирование процесса взаимодействия вибропогружателя каркасов буронабивных свай и бетонной смеси и Разработка Самосинхронизирующегося вибропогружателя

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (строительство)

Иваново 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» на кафедре «Механическое оборудование и Детали машин».

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Борщевский Александр Алексеевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Блиничев Валерьян Николаевич доктор технических наук, профессор Лозовая Светлана Юрьевна
Ведущая организация:	Закрытое акционерное общество «РИТА» (Разрядно-Импульсные Технологии и Аппараты)

Защита состоится ____апреля 2010 г. в 10 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.060.01 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8-го Марта, д.20, ауд. Г-204 (www.igasu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «___» _________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ДМ 212.060.01, к.т.н. Заянчуковская Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Буронабивные и буроинъекционные сваи находят все более широкое применение в строительстве в условиях плотной застройки крупных городов, в частности в г. Москве, где применение более экономичных забивных свай существенно ограничено из-за оказываемого при забивке динамического воздействия на близлежащие строения.

В практике устройства буровых свай часто применяется метод заполнения скважины бетонной смесью одновременно с подъемом буровой колонны для исключения обрушения стенок и попадания грунта в забой. Таким образом, арматурный каркас приходится погружать в скважину уже заполненную бетонной смесью.

Технологическая операция погружения и установки каркаса сваи является весьма трудоемкой и ответственной. Погрешности при бурении, уплотнение бетона в нижней части скважины, выпадение камней из стенок затрудняют погружение каркаса, что увеличивает время изготовления сваи.

Наиболее эффективными машинами для погружения арматурных каркасов свай в бетонную смесь зарекомендовали себя вибропогружатели.

В этих машинах вибровозбудитель направленного действия жестко связан с арматурным каркасом сваи и сообщает ему периодические колебания, направленные вдоль оси. При этом знакопеременное воздействие погружаемого элемента на бетонную смесь увеличивает ее подвижность и снижает кажущийся коэффициент сухого трения, а сила тяжести обеспечивает погружение каркаса в скважину.

Применение серийных вибропогружателей, предназначенных для свай и шпунта, при погружении каркасов связано со сложностью их установки. Существующие конструкции предполагают установку вибропогружателя на верхний торец каркаса без жесткого крепления, либо жестко с помощью болтового соединения, первый вариант приводит к появлению ударного воздействия, что деформирует каркас и иногда нарушает его установку в скважине, второй усложняет и удорожает конструкцию в целом.

Вибропогружатели, предназначенные для погружения в грунт сваи или шпунта, имеют достаточно высокую массу, излишнюю при использовании для погружения арматурных каркасов, не обладающих необходимой жесткостью.

Учитывая все вышеперечисленное можно сделать вывод об актуальности создания относительно легкого, быстросъемного вибропогружателя, который можно устанавливать на каркасе на требуемой высоте, что существенно упростит технологический процесс изготовления свай. Применение клеммового зажима с гидравлическим приводом позволит повысить безопасность и производительность работ. Приближение вибропогружателя к устью скважины улучшает уплотнение бетонной смеси в верхней части сваи.

Объект исследований – новая конструкция самосинхронизирующегося вибропогружателя.

Предмет исследований – динамика, условия самосинхронизации и область применения нового вибропогружателя.

Цель работы – создать самосинхронизирующийся вибропогружатель с клеммовым креплением. Теоретически и экспериментально обосновать область применения предлагаемого вибропогружателя и доказать возможность его устойчивой самосинхронизации. Разработать клеммовое крепление для каркасов буронабивных свай.

Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:

1. Обосновать расчетную схему самосинхронизирующегося вибропогружателя, составить дифференциальные уравнения движения системы с учетом влияния вязкого сопротивления бетонной смеси погружению каркаса.
2. Определить параметры режима самосинхронизации вибровозбудителей в зависимости от глубины погружения каркаса, соотношения упругих и пластических характеристик бетонной смеси и начального положения дебалансов.
3. Выявить зависимости величины виброускорения и виброскорости точек каркаса от глубины погружения при различных направлениях вынуждающей силы: по оси или динамический винт.
4. Разработать конструкцию вибропогружателя каркасов буронабивных свай малого диаметра 250-350 мм.
5. Экспериментально проверить работоспособность вибропогружателя и его клеммового крепления на арматурный каркас.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель взаимодействия вибропогружателя арматурных каркасов свай и бетонной смеси, учитывающая динамику процесса погружения, действие диссипативных сил сопротивления и ограниченную мощность приводных электродвигателей.

2. На основе разработанной модели исследована и доказана возможность самосинхронизации двухвального центробежного вибровозбудителя, не имеющего жесткой кинематической связи между валами в механической диссипативной системе с двумя степенями свободы, одна из которых обусловлена возвратно-поступательными, а вторая угловыми колебаниями системы.

3. Определены параметры режима самосинхронизации вибровозбудителей в зависимости от глубины погружения каркаса, соотношения упругих и пластических характеристик бетонной смеси и начального положения дебалансов.

4. Выявлены зависимости величины виброускорения и виброскорости точек каркаса от глубины погружения при различных направлениях вынуждающей силы: по оси или динамический винт.

Практическая значимость:

1. Разработана программа для численного решения уравнений математической модели вибропогружателя.

2. Доказана возможность применения самосинхронизирующегося двухвального вибровозбудителя, не имеющего кинематической связи между дебалансными валами, для погружения каркасов буронабивных свай в бетонную смесь, подтвержденная актами внедрения.

3. Разработана новая конструкция вибропогружателя с клеммовым креплением на арматурном каркасе сваи, которое позволяет перемещать вибровозбудитель вдоль каркаса по мере его погружения. Конструкция защищена положительным решением о выдаче патента на изобретение от 02.12.2009, заявка № 2008150396/03(066146), патент № 2386750.

Реализация работы:

Результаты работы внедрены на ряде объектов фирмы ООО МПО РИТА, при устройстве буронабивных свай по РИТ-технологии (г. Москва).

Апробация работы:

Основные положения работы доложены на: НТС кафедры МОПСИ МГСУ, Москва, 2007г; на НТС кафедры МОиДМ МГСУ, Москва, 2008г., научно-техническом совете ГУП НИИМосстрой, 2008 г; НТС кафедры «Механическое оборудование предприятий строительных материалов изделий и конструкций» Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Белгород, 2008г; НТС кафедры ПСМ «Ивановского государственного архитектурно-строительного университета» 2009г.

Личный вклад автора состоит:

1. В проведении теоретических исследований динамики самосинхронизирующегося вибропогружателя арматурных каркасов свай.

2. В проведении испытаний и получении результатов экспериментальных исследований динамики разработанного вибропогружателя.

3. В разработке программы для численного решения уравнений динамики вибропогружателя арматурных каркасов свай.

4. В анализе результатов расчётов и сравнении их с результатами экспериментальных исследований.

5. В разработке конструкции клеммового крепления и запорного устройства вибропогружателя арматурных каркасов свай.

6. В теоретическом и экспериментальном доказательстве самосинхронизации двухвального вибровозбудителя без дополнительного обеспечения третьей степени свободы при погружении арматурных каркасов свай в бетонную смесь.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики самосинхронизирующегося вибропогружателя арматурных каркасов свай.

2. Программа для расчета динамических характеристик самосинхронизи -рующегося вибропогружателя каркасов свай в бетонную смесь, с учетом ограниченной мощности электродвигателей и сопротивления среды.

3. Конструкция клеммового крепления и метод погружения арматурных каркасов буронабивных свай.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в том числе, 2 работы в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, 1 положительное решение на патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5-и глав, основных выводов, списка литературы (154 наименования) и приложений. Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 12 таблиц, 59 иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе на основе литературных источников проанализировано современное состояние проблемы вибрационного погружения элементов в грунт и бетонную смесь. Рассмотрены работы отечественных и зарубежных авторов, касающиеся основных типов вибрационных и виброударных машин для погружения свай, конструкций применяемых в настоящее время вибропогружателей, способов соединения погружаемого элемента и вибропогружателя, технологии погружения свай. Выполнен анализ существующих методик расчета и подбора основных параметров вибропогружателей. Рассмотрены критерии устойчивой самосинхронизации центробежных вибровозбудителей. Поставлена цель и сформулированы задачи исследований. Существенный вклад в развитие вибрационных машин внесли: Д.Д. Баркан, И. И Быховский, И.М. Блехман; А.А. Борщевский, И.Ф. Гончаревич, Е.П. Миклашевский, П.А. Сергеев, И.И Артоболевский, Л.П. Петрунькин, Ю.И. Неймарк, М.Г. Цейтлин, В.А. Бауман, Л. Б. Зарецкий, Б.П.Лавров, К. М. Рагульскис, Р. Ф. Нагаев, К. Ш. Ходжаев, А.Е. Десов и многие другие.

Задача погружения металлических арматурных каркасов в скважину, заполненную бетонной смесью, возникла относительно недавно в связи с все более широким применением буронабивных свай малого диаметра в условиях плотной городской застройки. Наиболее эффективными для выполнения этой операции зарекомендовали себя высокочастотные машины вибрационного действия.

Выполненный в первой главе анализ конструкций серийно выпускаемых в настоящее время в России и за рубежом вибропогружателей выявил, что они малопригодны для погружения каркасов буронабивных свай малого диаметра в бетонную смесь. Это связано с тем, что большинство моделей имеют излишнюю массу и вынуждающую силу (для погружения относительно легких и гибких каркасов) и, кроме того, устанавливаются на верхний конец каркаса.

Погружение в грунт свай и шпунта, а также погружения арматурных каркасов свай в бетонную смесь, с использованием вынужденных колебаний, вызываемых вибропогружателем, зависит от амплитуды и частоты указанных колебаний. Амплитуда колебаний зависит от механических свойств грунта, массы и размера погружаемого элемента, а также от параметров вибровозбудителя. Следовательно, параметры должны быть подобраны таким образом, чтобы амплитуда и частота колебаний погружаемого элемента удовлетворяли необходимым требованиям, соблюдение которых обеспечивает погружение элемента в грунт с заданной скоростью и на требуемую глубину.

Расчет вибрационного погружения элементов в грунт может быть выполнен аналитическими методами при условии ряда допущений. Как всякое реальное тело, грунты, помимо упругих, обладают также инерционными и диссипативными свойствами, которые оказывают влияние на колебания погружаемого элемента. Однако более или менее точный учет их влияния на колебания погружаемого элемента требует решения задачи о совместном колебании элемента и окружающего его грунта. Решение этой задачи аналитическими методами затруднено и в ряде случаев вообще невозможно. Поэтому при рассмотрении колебаний погружаемого элемента величина диссипативных и инерционных свойств грунтов устанавливается на основе экспериментальных исследований.

Способность грунта или бетонной смеси приобретать под действием вибрации механические свойства вязкой жидкости характеризуется коэффициентом вибровязкости. Для определения величины этого коэффициента и изучения зависимости его от ускорения, колебаний влажности и других факторов рядом авторов рекомендуется использование метода «падающего шарика». Основой этого метода является модель Стокса, устанавливающая зависимость скорости движения шарика от его радиуса и коэффициента вязкости среды. Коэффициент пропорциональности между нагрузкой, действующий на шарик, и установившейся скоростью его погружения, т.е. коэффициент вибровязкости, как доказал Д.Д. Баркан, существенно зависит от ускорения колебаний.

Вибрационное погружение элементов в бетонную смесь во многом схоже с погружением их в слабые грунты, в частности в водонасыщенные пески, однако имеет ряд специфических особенностей. Главными характеристиками бетонной смеси служат ее состав и подвижность, которые до некоторой степени определяют ее реологические свойства: упругость, вязкость и пластичность.

Бетонную смесь обычно рассматривают как структурированную дисперсную систему. Структура системы образуется благодаря цементному тесту, в котором имеется много коллоидных частиц. Эти частицы сначала вследствие коагуляции, а затем и кристаллизации затрудняют относительное перемещение частиц бетонной смеси и придают ей свойство, называемое структурной вязкостью.

Небольшие импульсы возмущения не могут преодолеть сопротивление сдвигу. При действии таких импульсов бетонная смесь сохраняет свою ограниченную подвижность, не переходит в состояние тяжелой жидкости. После преодоления предельного напряжения сдвига начинается процесс быстрого увеличения подвижности бетонной смеси, превращения ее в тяжелую жидкость с постепенно уменьшающейся вязкостью. Вязкость бетонной смеси изучена недостаточно, и данные о её величине имеют значительный разброс. С одной стороны это обусловлено различием методик её определения с другой - действительно большим диапазоном её изменения. Обобщая данные ряда исследователей, можно принять, что вязкость вибрируемой бетонной смеси обычно находится в пределах 0,1*105…2*105 П.

На основе проведенного анализа существующей литературы и исследований по вибропогружению свай и виброуплотнению бетонной смеси можно обосновать предварительный подбор параметров нового вибропогружателя.

Согласно исследованиям И.И. Блехмана, и А. Е. Десова погружение элементов сохраняется удовлетворительным вплоть до =250 с-1.

По данным Д.Д. Баркана, основным фактором, влияющим на максимальную глубину погружения сваи, является ускорение колебаний погружаемого элемента. Максимальная глубина погружения достигается при ускорениях 11-13g. При различных глубинах погружения на различных частотах разброс ускорений не очень велик и не превышает 25-30%. При этом, согласно данным ряда авторитетных исследователей (А. Е. Десов, Л.П. Петрунькин, Е.П. Миклашевский), повышенная частота вибрационной обработки 450-500 с-1 несколько предпочтительнее 300 с-1, но и при данной частоте достигается достаточное качество уплотнения бетонной смеси.

Для разрабатываемого вибропогружателя, как с точки зрения погружения арматурного каркаса, так и с точки зрения уплотнения бетонной смеси в скважине целесообразным представляется принять частоту 300 с-1.

Соответственно при рекомендованной частоте амплитуда колебаний вибровозбудителя с арматурным каркасом и приведенной массой бетонной смеси должна составить 1,131,3 мм.

Существующие методики расчета позволяют приближенно определить требуемые параметры вибропогружателей, в предположении о неограниченной мощности электродвигателя и без учета диссипативных сил сопротивления в системе. В реальных же условиях величина вязкого сопротивления погружению может быть весьма значительной, а мощность приводных электродвигателей ограничена. Учитывая вышесказанное в систему уравнений описывающих динамику вибропогружателя каркасов свай в бетонную смесь необходимо добавить уравнения момента электродвигателя и член, характеризующий вязкое сопротивление погружению в зависимости от скорости движения рабочего органа.

Во второй главе приведены предлагаемое конструктивно-технологическое решение вибропогружателя, расчетная схема, ее обоснование и принятые допущения, предложены уравнения динамики системы и методика их решения. Проведены теоретические исследования и численный расчет динамики вибропогружателя.

В результате анализа существующих конструкций вибропогружателей, выполненного в первой главе, обоснована потребность в создании вибропогружателя арматурных каркасов буронабивных свай. Там же теоретически показано, что возможно создать двухвальный вибропогружатель направленного действия без кинематической или электрической связи между дебалансными валами.

Для изучения условий работы, возможной глубины погружения каркаса в бетон и установления величины жесткости и вязкого сопротивления бетонной смеси, при которых выполняются условия самосинхронизации, исследуется динамика предложенного вибропогружателя.

Расчетная схема, описывающая погружение арматурного каркаса в скважину, заполненную бетонной смесью, приведена на рис. 1.

Рис. 1 Расчетная схема

На схеме: 1 –вибропогружатель, состоящий из двух вибровозбудителей круговых колебаний, установленных на общем клеммовом зажиме (клемма условно не показана);

2- погружаемый в бетонную смесь элемент (арматурный каркас сваи);

3- бетонная смесь (заменяется упругими коэффициентами CZ, C, и вязкими коэффициентами bZ, b,);

m1, m2 – массы дебалансов первого и второго вибровозбудителей, соответственно;

r1, r2 – эксцентриситет массы дебалансов первого и второго вибровозбудителей, соответственно;

2а – расстояние между осями вращения дебалансов;

1, 2 - угол поворота дебалансов в радианах отсчитываемый от положительного направления оси Z, против часовой стрелки;

- угол отклонения погружаемого элемента, в радианах отсчитываемый от положительного направления оси Z против часовой стрелки;

h – расстояние от нижнего торца каркаса до места установки вибропогружателя (изменяется ступенчато по мере погружения каркаса в скважину, и перестановки вибропогружателя).

Схема действия вынуждающей силы двухвального вибровозбудителя при синхронно-синфазном вращении валов представлена на рис.2,

Рис.2 Схема действия вынуждающей силы двухвального вибровозбудителя при синхронно-синфазном вращении валов

где вынуждающая сила создаваемая первым вибровозбудите-лем, вынуждающая сила создаваемая вторым вибровозбудите-лем. При синхронно синфазном вращении валов и одинаковых дебалансных валах m1=m2, r1=r2, 1=-2. В таком случае, общая вынуждающая сила двухвального вибровозбудителя будет представлять собой их векторную сумму, и ее величина составит . При вращении дебалансов в противоположные стороны вертикальные составляющие вынуждающей силы будут складываться друг с другом, а горизонтальные взаимоуничтожатся.

Поскольку в реальных условиях диаметр арматурного каркаса несколько меньше диаметра скважины, он имеет возможность вертикального перемещения вдоль оси Z, горизонтального вдоль оси X и углового отклонения на угол. Таким образом, рабочий орган обладает тремя степенями свободы. При этом бетонную смесь можно заменить упругими Cx, CZ,C, и вязкими bх, bz, b, связями. Рабочий орган для упрощения расчетов принимается абсолютно жестким и его гибкостью пренебрегают. Перемещения арматурного каркаса в скважине, и перемещения корпуса вибровозбудителя вдоль оси Х определяются углом поворота, в связи с чем, для упрощения расчетов учитываются только вертикальные и угловые связи. В связи с тем, что вынуждающая сила находится значительно выше центра тяжести системы «каркас-вибропогружатель», а скважина заполнена бетонной смесью с достаточно высокой вязкостью, ожидать больших перемещений вдоль оси Х не следует, то есть ими можно пренебречь.

Волновые явления, которые возникают при вибрировании длинных тонких стержней вдоль оси, в большой мере сглаживаются влиянием вязкого сопротивления бетонной смеси и неоднородностью конструкции каркаса (сварка, вязка, намотка спиральной арматуры). В соответствии с данными, изложенными в научной литературе, можно предполагать, что вращающий момент двигателя асинхронного типа с достаточной степенью точности определяется его статической характеристикой и соответственно зависит только от угловой скорости вращения ротора.

Некоторую сложность вызывает вопрос определения вязких и упругих свойств бетонной смеси, который в настоящее время недостаточно проработан в специальной литературе. Кроме того, бетонная смесь является композитным и анизотропным материалом, свойства которого изменяются в процессе погружения за счет оттока воды в окружающий грунт, уплотнения бетона в нижней части скважины, рыхлых и, наоборот, более насыщенных щебнем участков. Этот вопрос не рассматривался подробно в рамках данной работы, а характеристики сопротивления бетонной смеси для расчета приняты по справочным таблицам и графикам из научной литературы (труды Миклашевского, Десова, Баженова). С другой стороны, приблизительная оценка этих свойств, все же возможна, а, например, повышение вязкого сопротивления в 2-4 раза (что вполне реально в условиях строительной площадки) не должно вызывать прекращения процесса погружения. Следовательно, подбор мощности вибропогружателя должен осуществляться с запасом, из условия обеспечения погружения.

Для упрощения и оптимизации расчета уравнения движения вспомогательного тела, составлены с учетом вязкого и упругого сопротивления бетонной смеси и без учета гибкости и податливости каркаса.

Используя уравнения Лагранжа второго рода, которое имеет вид (1), найдя потенциальную, кинетическую энергию и диссипативную функцию системы представленной на рис. 1, составим уравнения её движения.

,

где T, U - кинетическая и потенциальная энергия системы, D- диссипативная сила, j= 1, 2…, n - число обобщенных координат системы, а Qj обозначает приложенную силу, соответствующую обобщенной координате qi.

Принимая за обобщенные координаты системы смещение вдоль оси z и углы поворота роторов 1, 2,, а также угол поворота каркаса, можно получить следующие уравнения динамики системы:

;

.

В уравнениях:

J1, J2, (кг*м2) – момент инерции массы дебалансов относительно оси вращения;

m0, (кг) - масса погружаемого элемента с установленными вибровозбудителями, без учета массы самих дебалансов;

M, (кг) – общая масса вместе с дебалансами;

J0, (кг*м2) - момент инерции рабочего органа относительно точки поворота с установленными вибровозбудителями без учета момента инерции самих дебалансов. Изменяется дискретно в зависимости от величины h;

CZ (н/м), C, (н*м/рад) - коэффициенты вертикальной и крутильной жесткости, характеризующие упругое сопротивление погружению;

bX,, bZ, (н*с/м), b, (н*м*с/рад), - коэффициенты вертикального и крутильного вязких сопротивлений;

, (рад) - угол поворота погружаемого элемента в радианах, отсчитываемый от положительного направления оси Z против часовой стрелки;

b1, b2, (н*м*с/рад), - коэффициенты вязкого сопротивления вращению валов вибровозбудителей, приведенные от рабочей нагрузки (погружения каркаса в скважину);

1, 2, числа указывающее направление вращения дебаланса, равные +1 если дебаланс вращается в положительном направлении, и -1 в противном случае.

(То есть при вращении дебалансов в одну сторону 1*2=1; в противоположные - 1*2=-1);

L1, L2,, (н*м) - вращающий момент асинхронного электродвигателя;

1, 2, (н*м*с/рад) – момент сопротивления вращению валов вибровозбудителя от потери в подшипниках;

Первое уравнение представляет собой уравнение сил при вертикальном перемещении системы. В левой части уравнения приведены инерционная, вязкая и упругая силы сопротивления перемещению системы, а в правой части вертикальные вынуждающие силы, создаваемые при вращении дебалансов первого и второго вибровозбудителей.

Второе уравнение представляет собой уравнение моментов при угловых колебаниях системы. В левой части уравнения приведены инерционный, вязкий и упругий моменты сопротивления угловому перемещению системы. Первые два члена правой части представляют собой сумму моментов, создаваемых вибровозбудителем от его качания относительно точки а, вторые два члена – моменты, создаваемые вибровозбудителем относительно точки качания системы, расположенной на глубине h.

Левые части третьего и четвертого уравнений представляют собой моменты сопротивления вращению от рабочей нагрузки, приведенные к валу электродвигателя. Правые части уравнений описывают вращающий момент асинхронного электродвигателя с учетом его неравномерности вращения и ограниченной мощности.

Вследствие того, что система уравнений 2 является нелинейной, ее решение возможно только численными методами. Решение системы дифференциальных уравнений осуществлялось в программном комплексе MATLAB методом Рунге-Кутта способом неявного интегрирования. При решении системы уравнений определялись углы поворота дебалансных валов, как функция времени 1(t); 2(t), угол отклонения погружаемого элемента от вертикали (t); амплитуда колебаний рабочего органа Z(t); Система исследовалась при дискретном изменении глубины погружения каркаса, при значениях h равных 2; 5; 6 м. Использованные в расчетах значения величин упругого и вязкого сопротивлений, подбирались для смесей с различной подвижностью (П3-П5) в соответствии с рекомендациями, приведенными в справочной литературе.

Законы изменения указанных величин определялись с учетом возможного начального отклонения дебалансов от исходного положения (-/2).

В зависимости от соотношений массы каркаса и жесткостей подвески, согласно исследованиям И.И. Быховского, устойчивым будет либо синхронно-синфазное, либо синхронно-противофазное движение. При этом в рассматриваемом случае практически будет устойчивым синхронно-противофазное движение.

Таким образом, программа дает возможность исследовать весь процесс запуска и выхода системы на рабочий режим, проверить условия возникновения явления самосинхронизации и определить такую область значений величин упругого и вязкого сопротивлений (для различных составов бетонных смесей) при которых это явление возникает.

Результаты расчетов динамики вибровозбудителя представлены графически в виде зависимостей углов поворота дебалансов как функции времени 1(t); 2(t) и амплитуды колебаний рабочего органа Z(t). Характерные расчетные осциллограммы приведены на рис.3. В результате анализа графиков углов поворота дебалансов 1 и 2 установлено, что пиковые значения функции наблюдаются при одинаковых значениях аргумента t, что в свою очередь говорит о синхронном, синфазном вращении дебалансных валов, то есть об их самосинхронизации. При значениях коэффициентов (h, сz, с, bz, b) изменяющихся в широком диапазоне, система выходит на рабочий режим с установлением режима устойчивой самосинхронизации за короткое время (1-2 c), сопоставимое со временем разгона электродвигателя.

Рис. 3 Графики (а) углов поворота дебалансов (t), (б) вертикального перемещения рабочего органа Z(t)

Численные значения коэффициентов сопротивления приняты в соответствии с характеристиками бетонной смеси, применяемой в производственных условиях, но диапазон их изменения в расчетах принят значительно шире, чем может быть в реальных условиях. Неравномерность вращения дебалансных валов, в установившемся режиме, не превышает 7-10 % в расчетном диапазоне изменения вязких и упругих характеристик бетонной смеси. Система устойчива к возникающим возмущениям до ± 2 рад. Запуск возможен даже при начальном положении дебалансов (0,/2), при этом система самосинхронизируется уже на этапе разгона электродвигателей. Это свойство позволяет использовать машину для погружения наклонных элементов под углом до (6075) градусов, например, каркасов грунтовых анкеров, наклонных свай, и.т.д.

Программа, разработанная для решения системы нелинейных уравнений пригодна для решения уравнений динамики самосинхронизирующегося вибропогружателя простейшего типа, при погружении арматурных каркасов свай в бетонную смесь и позволяет моделировать этот процесс с учетом влияния вязкого сопротивления бетонной смеси погружению каркаса и ограниченной мощности установленных электродвигателей.

Анализируя результаты произведенных расчетов для характеристик бетонной смеси применяемой для изготовления свай-РИТ можно утверждать, что установленной мощности вибровозбудителей с принятой вынуждающей силой равной 80 кН, достаточно для погружения каркасов массой до 250-300 кг. При этом амплитуда колебаний каркаса вблизи места установки вибропогружателя будет составлять 1,5-2,0 мм.

Самосинхронизация валов вибровозбудителей сохраняется при значительном увеличении сопротивления погружению, что позволяет избежать остановки процесса при частичном заклинивании каркаса в скважине.

В третьей главе описана конструкция разработанного вибропогружателя, реализующая предложенную динамическую модель, приведена схема его установки на арматурном каркасе сваи. Выполнены расчеты основных конструктивных параметров, требуемого усилия обжатия клеммы, расчет образующих каркаса на устойчивость при обжатии клеммы, определена область применения и представлена технология погружения арматурных каркасов свай в бетонную смесь.

Вибропогружатель (рис. 4) состоит из корпуса-клеммы 1, предназначенной для установки на каркас двух центробежных вибровозбудителей 2, зажимного устройства, состоящего из запорной скобы 3 с установленным на ней гидроцилиндром 4. Вибровозбудители закрепляются при помощи болтов к опорным пластинам 5, приваренным с противоположных сторон клеммы. Конструкция опорных пластин позволяет устанавливать вибровозбудители симметрично относительно плоскости разъема клеммы, при этом оси вращения дебалансов могут быть либо параллельны, либо перекрещиваться под углом 900. Во втором случае, угол между осью проходящей через центр клеммы и осью вращения каждого из дебалансных валов составляет 450. Такая установка вибровозбудителей позволяет создавать суммарную вынуждающую силу направленную вертикально вдоль оси каркаса, либо так называемый динамический винт, когда часть вынуждающей силы действует вертикально вдоль оси, а часть создает вращающий момент.

Рис. 4 Конструктивная схема нового вибропогружателя

Обмотки приводных электродвигателей соединены таким образом, чтобы их дебалансные валы вращались в противоположные стороны.

Условия необходимые для возникновения самосинхронизации достигаются за счет возможности горизонтального и углового перемещения каркаса в скважине и, дополнительно, за счет гибкости самого каркаса.

Связь между каркасом сваи и вибропогружателем фрикционная за счет обжатия. Шарнирная клемма, при открытой запорной скобе, свободно надевается сбоку на каркас сваи, установленный в скважину. Затем запорную скобу закрывают и поднимают клемму до необходимой высоты, где ее затягивают на каркасе при помощи гидроцилиндра с расчетным усилием. При включении вибровозбудителей происходит погружение каркаса в скважину. При достижении вибропогружателем отметки устья скважины, клемму освобождают, поднимают вибропогружатель по каркасу вверх и снова зажимают клемму. Процесс повторяют до погружения каркаса на проектную величину.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию условий самосинхронизации роторов вибропогружателя и параметров колебаний погружаемого элемента. Там же приведены методики проведения измерений, и обработки результатов измерений. Для исследований динамики вибропогружателя был изготовлен стенд реализующий модель вибрационного погружения каркаса в бетонную смесь с возможностью измерения параметров вибрации каркаса (виброскорости и виброускорения) в различных по глубине точках. Схема испытательного стенда приведена на рис 5.

Стенд представляет собой установленную вертикально трубу 3 длиной 5м, с заглушенным нижним торцом. Труба снабжена герметично зарывающимися окнами для установки датчиков на каркас. В нижней части трубы (на дне) располагается амортизатор-демпфер 9, выполненный в виде двухслойной подушки-демпфера из пористой резины толщиной 400мм. В ходе проведения экспериментов труба заполняется бетонной смесью (пескобетон, плотность 2,2г/см3, подвижность П5, с добавкой суперпластификатора С-3 и модификатора МБ-10-01). В трубу погружен металлический каркас сваи 2 длиной 6,5м; верхняя часть каркаса длиной 1,5м, предназначенная для установки вибропогружателя 1, находится на открытом воздухе. На каркасе установлены пьезоаксельрометры на глубине l1 и l2 от верхнего обреза трубы. На дебалансные валы вибраторов установлены индукционные датчики угла поворота для определения синхронности их вращения. Кабели датчиков поворота подсоединены к 2х-канальному осциллографу. С датчиков (пьезоаксельрометры типа КД-35) сигнал передается на цифровой виброметр, имеющий аналоговый выход на осциллограф.

В соответствии с методикой экспериментальных работ в процессе исследования вибропогружателя устанавливались:

- наличие и устойчивость самосинхронизации вибровозбудителей в предложенной конструкции и данном способе установки вибропогружателя.

- зависимости значений передаваемых на арматурный каркас величин виброскорости, и виброускорения от глубины погружения каркаса в скважину;

Модель использовалась при работе с вибровозбудителями, установленными следующим образом:

1. оси вращения дебалансных валов параллельны, и при соблюдении условий самосинхронизации суммарная вынуждающая сила направлена вертикально вдоль оси арматурного каркаса.
2. оси вращения дебалансных валов перекрещиваются под углом 900, и при соблюдении условий самосинхронизации часть суммарной вынуждающей силы направлена вертикально вдоль оси арматурного каркаса, а часть создает вращающий момент.

Рис. 5 Схема испытательного стенда

1- вибропогружатель, 2- арматурный каркас 220 мм, 3- труба 325 мм, 4- бетонная смесь, 5 пьезоаксельрометр, 6- виброметр, 7- двухканальный осциллограф, 8 датчики угла поворота, 9 демпфер, а- датчик аксельрометр, б- кронштейн, в- крепежный винт, г- рабочая арматура каркаса

Каждая серия состояла из восьми экспериментов в ходе которых проводились измерения эффективных значений виброускорения и виброскорости на каждой паре датчиков (в вертикальном и горизонтальном направлении) в течение 10 минут с дискретностью 10 сек. Измерения проводились после разгона валов вибровозбудителей при выходе системы на рабочий режим.

На рис.6 представлена покадровая съемка осциллограмм с датчиков угла поворота валов при разгоне вибровозбудителя.

В результате проведенных экспериментов установлено:

- вибропогружатель имеет работоспособную конструкцию и достаточно жестко закрепляется на арматурном каркасе;

- устойчивое синхронно-противофазное вращение наблюдалось во всех экспериментах, при различных вариантах установки вибровозбудителей.

- по результатам сравнения осциллограмм полученных с датчиков угла поворота можно сделать вывод о том, что самосинхронизация роторов происходит в течение 2,5-4,0 с момента запуска электродвигателей;

- полученные в ходе экспериментов значения вертикальной составляющей виброускорения достигали 140 м/с2 (14g);

- по результатам анализа осциллограмм полученных с датчиков угла поворота установлено, что неравномерность вращения дебалансных валов в установившемся режиме не превышает 8-12 % для использованной в эксперименте бетонной смеси;

- по результатам экспериментов, для каркаса, погруженного на глубину 5,0 м, амплитуда колебаний составила 2,5-3,0 мм;

Рис. 6 Разгон вибровозбудителей с выходом на режим самосинхронизации. а- 1,0 с синхронизация отсутствует; б,в - разгон; г- 4,0 с осциллограммы симметричны, вращение роторов синхронно

В пятой главе рассмотрены вопросы технического приложения результатов работы. Внедрение нового вибропогружателя и его производственные испытания были выполнены на ряде объектов фирмы ООО МПО «РИТА», при устройстве буроинъекционных свай по РИТ-технологии на строительных площадках г. Москвы. Результаты производственных испытаний согласуются с результатами, полученными в ходе расчетов и проведенных экспериментов. В ходе производственных испытаний установлено, что разработанная конструкция вибропогружателя пригодна и достаточно эффективна для погружения арматурных каркасов свай в бетонную смесь.

Экономическая эффективность от внедрения нового вибропогружателя определяется:

- ускорением технологического процесса погружения каркасов, по сравнению с использованием вибропогружателя с верхним креплением, за счет установки вибропогружателя на минимально требуемой высоте;

- увеличением скорости погружения каркасов за счет использования сложных колебаний (динамический винт);

- повышением надежности и ремонтопригодности вибропогружателя за счет применения серийных мотор-вибраторов, использования явления самосинхронизации и простоты конструкции;

- возможностью использования более легкой грузоподъемной техники за счет сниженной массы вибропогружателя;

Основные результаты и выводы

1. На основе изучения состояния проблемы и патентной базы установлено, что выпускаемые конструкции вибропогружателей малопригодны для погружения каркасов буронабивных свай малого диаметра в бетонную смесь в связи с тем, что имеют излишнюю массу и вынуждающую силу (для погружения относительно легких и гибких каркасов), устанавливаются на верхний конец каркаса, имеют повышенную материало- и энергоемкость.
2. Разработана математическая модель взаимодействия вибропогружателя и бетонной смеси с учетом динамики процесса погружения каркасов буронабивных свай, ограниченной мощности приводных электродвигателей и характеристик бетонной смеси.
3. Теоретические исследования этой модели показывают, что при значениях параметров глубины погружения, вязкого и упругого сопротивлений смеси изменяющихся в диапазоне, превышающем их реальное изменение в эксплуатационных условиях, система выходит на рабочий режим устойчивой самосинхронизации, что дает основание для разработки нового вибропогружателя.
4. Разработана, изготовлена и исследована экспериментальная модель вибропогружателя. Эти экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретических исследований и работоспособность новой машины.
5. По результатам расчетно-экспериментальных исследований вибропогружателя установлено: самосинхронизация роторов происходит в течение 2,5-4,0 с момента запуска электродвигателей; значение вертикальной составляющей виброускорения достигают 14g; неравномерность вращения дебалансных валов, в установившемся режиме, не превышает 8-12 %; амплитуда колебаний арматурного каркаса (погруженного на 5,0 м) в месте установки вибропогружателя составила 2,5-3,0 мм.
6. Разработана новая конструкция вибропогружателя, предназначенная для погружения арматурных каркасов буронабивных свай малого диаметра (до 300 мм) длиной до 20-25 м в бетонную смесь подвижностью П3-П5, которая защищена положительным решением о выдаче патента на изобретение. Одним из отличительных признаков вибропогружателя является применение клеммового зажима с гидравлическим приводом позволяющее повысить безопасность и производительность работ за счет установки вибропогружателя на минимально требуемой высоте.
7. На ряде объектов ООО МПО «РИТА» в г. Москве успешно применяется опытный образец вибропогружателя. Подтверждена его устойчивая самосинхронизация и преимущества клеммового зажима, позволяющего перемещать вибропогружатель по высоте арматурного каркаса в процессе погружения.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК

1. Борщевский, А.А. Динамика вибропогружателя с клеммовым креплением для погружения в бетонную смесь каркасов буронабивных свай [Текст] / А.А. Борщевский, М.Д. Алимжанов, В.В. Иванов // М.: Строительные и дорожные машины. - 2. - 2008. - С.51-53.
2. Борщевский, А.А. Экспериментальная проверка работоспособности вибропогружателя с клеммовым креплением для погружения в бетонную смесь каркасов буронабивных свай [Текст] / А.А. Борщевский, В.В. Иванов // М.: Строительные материалы. - 5. - 2008. - С.64-65.

в прочих изданиях

3. Алимжанов, М.Д. Новый тип самосинхронизирующегося вибропогружателя с клеммовым креплением для погружения в бетонную смесь каркасов буронабивных свай [Текст] / М.Д.Алимжанов, А.А.Борщевский, В.В.Иванов // М.: Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 5, 2006, С. 46-47.
4. Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности, (сваи-РИТ) ТР-50-180-06 [Текст] / В.Л. Кубецкий, В.Ф. Афанасьева, В.А. Косоруков, В.В. Иванов // М.: ООО УИЦ "ВЕК". - 2006.- (9) С. 8,13,21-23.
5. Борщевский, А.А. Технология погружения [Текст] / А.А. Борщевский, М.Д. Алимжанов, В.В. Иванов // М.: Строительство и Бизнес. - 5. - 2008. - С.11.
6. Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 02.12.2009. Заявка 2008150396/03(066146). Вибрационное устройство для погружения элемента каркаса сваи [Текст] / А.А. Борщевский, В.В. Иванов; заявитель и патентообладатель ГУП «НИИМосстрой».

7. Кубецкий, В.Л. Устройство фундаментов зданий повышенной этажности в Москве с использованием свай-РИТ [Текст] / В.Л. Кубецкий, В.Я. Еремин, В.В. Иванов, А.А. Буданов // М.: Стройклуб. – 2. - 2006. - С.7.

Иванов Василий Викторович

Моделирование процесса взаимодействия вибропогружателя каркасов буронабивных свай и бетонной смеси и Разработка Самосинхронизирующегося вибропогружателя

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 12.03.2010. формат 60х84 1/16

Тираж 100 экз. Заказ № ____

_______________________________________________________________

Отпечатано в