Глава 4. Машины и оборудование для свайных работ

Агрегаты для погружения свай бывают ударного действия — свай­ные молоты; вибрационного действия — вибропогружатели и вибро­ударного действия — вибромолоты, работающие с использованием удара и вибрации.

Для подтаскивания и установки сваи в заданной точке погруже­ния, для установки молота на сваю, направления молота и сваи при забивке, а также перемещения агрегата в зоне производства работ служат копры.

Копровые установки (свайный молот, вибропогружатель или виб­ромолот в совокупности с копром) выполняются передвижными, са­моходными и плавучими (для производства свайных работ в преде­лах водоемов).

4.1. Свайные молоты

По типу привода свайные молоты разделяются на механические, паровоздушные, дизельные и гидравлические. Механические приме­няются редко.

Свайные молоты состоят из массивной ударной части, движущей­ся возвратно-поступательно относительно направляющей конструк­ции в виде цилиндра (трубы), поршня со штоком, штанг и т.п. На­правляющая часть молота снабжена устройством для закрепления и центрирования молота на свае. Ударная часть наносит чередующие­ся удары по головке сваи и погружает ее в грунт.

109

Рабочий цикл молотов включает два основных хода — холостой и рабочий. При холостом ходе производится подъем ударной части в крайнее верхнее положение, а при рабочем — ускоренное падение ударной части и удар по свае.

Основными параметрами свайных молотов являются масса удар­ной части, энергия одного удара, высота подъема ударной части и частота ударов в минуту.

Паровоздушные молоты приводятся в действие энергией пара или сжатого воздуха. Различают молоты простого (одностороннего) дей­ствия, у которых энергия привода используется только для подъема ударной части, совершающей затем рабочий ход под действием соб­ственной массы, и молоты двустороннего действия, энергия привода которых сообщает ударной части также дополнительное ускорение при рабочем ходе, в результате чего увеличивается энергия удара и сокращается продолжительность рабочего цикла.

Ударной частью паровоздушных молотов простого действия (рис. 4.1, а) служит чугунный корпус массой 1250-6000 кг, направ­ляющей — поршень со штоком, опирающимся на головку сваи. Та­кие молоты несложны по конструкции, просты и надежны в эксплу­атации, но вследствие малой производительности (не более 30 уда­ров в минуту) применяются сравнительно редко.

Чаще применяются автоматически работающие паровоздушные молоты двустороннего действия с частотой ударов до 100-300 в ми­нуту и массой ударной части до 2250 кг. К недостаткам молотов дву­стороннего действия относятся значительная масса неподвижных частей («мертвая» масса), составляющая 60-70 % (у молотов простого действия до 30 %) общей массы молота, возможность погружения только легких шпунтов, деревянных и железобетонных свай, боль­шой расход пара или сжатого воздуха.

Основными узлами паровоздушного молота двустороннего дей­ствия (рис. 4.1, 6) являются неподвижный корпус, подвижный пор­шень с двумя массивными штоками (ударная часть) и автоматичес­кое парораспределительное устройство.

Возвратно-поступательное движение ударной части молота обес­печивается за счет попеременной подачи пара или сжатого воздуха в верхнюю (надпоршневую) или нижнюю (подпоршневую) полости парового цилиндра золотниковым распределительным устройством. Путем изменения давления подаваемого пара (сжатого воздуха) мож­но регулировать энергию удара молота.

Паровоздушные молоты устанавливаются на копре или подвеши­ваются к крюку самоходного крана. Их можно применять для забив-

110

Рис. 4.1. Паровоздушные молоты простого (а) и двойного {6) действия;

1 — корпус; 2 — направляющие захваты; 3 — крышки; 4 — коромысло; 5 — по­воротный кран; 6 — поршень; 7, 15 — шток; 8 — полость цилиндра; 9 — отвер­стие; 10 — массивный боек; 11 — подвижный поршень; 12 — паровой цилиндр; 13 — крышка с проушиной; 14 — золотник распределительного устройства; 16 — направляющая для бойка; 17 — ударная плита (наковальня)

ки как вертикальных, так и наклонных свай, а также для выполне­ния свайных работ под водой. Недостатком таких молотов является

111

необходимость применения дорогостоящих и громоздких компрес­сорных установок или парообразователей, дополнительный персонал и транспортные средства. Поэтому сейчас основным средством для погружения свай служат энергетически автономные мобильные ди­зель-молоты, работающие по принципу двухтактного дизеля.

По типу направляющих дизель-молоты разделяются на трубчатые и штанговые. У трубчатого дизель-молота направляющей ударной части в виде массивного подвижного поршня служит неподвижная труба. У штангового направляющими ударной части — в виде массив­ного подвижного цилиндра —- слу­жат две штанги, закрепленные в основании поршневого блока и соединенные в своей верхней ча­сти траверсой. Распыление ди­зельного топлива в камере сгора­ния у штанговых молотов форсу­ночное, а у трубчатых — ударное. Дизель-молоты подвешиваются к копровой стреле с помощью зах­ватов и подъемно-сбрасывающего устройства («кошки»), предназна­ченного для подъема и пуска моло­та. «Кошка» прикреплена к канату лебедки копровой установки.

В зависимости от массы ударной части различают легкие (до 600 кг), средние (до 1800 кг) и тяжелые (свыше 2500 кг) дизель-молоты.

Штанговый дизель-молот (рис. 4.2) состоит и следующих основных узлов: поршневого бло­ка, подвижного рабочего цилинд­ра (ударной части), двух направ­ляющих штанг, траверсы, шар­нирной опоры, механизма подачи топлива и захвата-«кошки».

Поршневой блок состоит из

цилиндрического полого поршня

12 с компрессионными кольцами

и основания 2. В центре днища

Рис. 4.2. Штанговый дизель-молот поршня укреплена распылитель-

112

ная форсунка 3, соединенная топливопроводом 13 с плунжерным топливным насосом 14 высокого давления (до 50 МПа). Питание на­соса осуществляется из топливного резервуара. Основание поршне­вого блока опирается на шарнирную опору, состоящую из сферичес­кой пяты / и наголовника 15. В теле основания закреплены нижние концы направляющих штанг 4, верхние концы штанг соединены тра­версой. По штангам перемещается массивный ударный цилиндр 10 со сферической камерой сгорания в донной части. На внешней по­верхности цилиндра укреплен штырь (выступающий стержень) 11, приводящий в действие топливный насос 14 при падении ударной части вниз. Подъем ударной части в верхнее крайнее положение пе­ред запуском молота в работу осуществляется подвижным захватом-«кошкой» 7, подвешенным к канату 8 лебедки копра.

При опускании «кошки» вниз крюк 6 автоматически зацепляется за валик 5 в углублении отливки цилиндра. «Кошку» и сцепленную с ней ударную часть поднимают лебедкой копра в крайнее верхнее положе­ние. Затем, воздействуя вручную (через канат) на рычаг сброса 9, разъединяют «кошку» и ударный цилиндр и он под действием соб­ственной массы падает вниз на неподвижный поршень 12. При над-вижении цилиндра на поршень воздух, находящийся во внутренней полости цилиндра, сжимается (в 25-28 раз) и температура его резко повышается (до 600°С). При нажатии штыря 11 цилиндра на привод­ной рычаг топливного насоса /4 дизельное топливо по топливопроводу 13 подается к форсунке 3 и распыляется в камере сгорания, смеши­ваясь с горячим воздухом. При дальнейшем движении цилиндра вниз горячая смесь воспламеняется, и в то же мгновение цилиндр наносит удар по шарнирной опоре / и наголовнику 15, которой надет на голов­ку сваи. Расширяющиеся продукты сгорания смеси (газы) выталкива­ют ударную часть вверх и выходят в атмосферу. Поднимающийся ра­бочий цилиндр быстро теряет скорость, под действием собственной массы начинает опять падать вниз, и цикл повторяется и т.д. Дизель-молот работает автоматически до выключения топливного насоса.

Обладая малой энергией удара (составляющей 25-35 % потенци­альной энергии ударной части), штанговые дизель-молоты применя­ют только для забивки свай небольшой массы (не более 2000-3000 кг) в слабые и средней плотности грунты.

Промышленностью серийно выпускаются штанговые дизель-мо­лоты с массой ударной части 240 и 2500 кг, развивающие энергию уда­ра соответственно 3,2 и 65 кДж при частоте ударов 50-55 в минуту. Штанговые дизель-молоты применяют в основном для забивки легких железобетонных и деревянных свай, стальных труб и шпунта.

113

Трубчатые дизель-молоты (рис. 4.3) выполнены по схожей конст­руктивной схеме и состоят из следующих основных узлов: ударной части — поршня 9 с компрессионными кольцами, трубы (цилиндра) с направляющей 8 и рабочей 3 секциями, шабота (пяты) 2, топлив­ного насоса // низкого давления и подъемно-сбрасывающего устрой­ства («кошки») б. Труба молота в верхней части открыта, а в нижней герметично закрыта шаботом 2 с компрессионными кольцами. Ша­бот имеет возможность перемещаться в небольших пределах вдоль оси трубы, чем достигается полная неподвижность его при ударе. Нижняя опорная поверхность шабота снабжена штырем / для цент­рирования молота на свае.

Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается удли­ненный поршень 9 со сферической головкой, по форме соответству-

I п ш IV

Рис. 4.3. Последовательность работы трубчатого дизель-молота

114

ющей выемке в шаботе. При полном контакте сферических поверх­ностей поршня и шабота (в момент удара) кольцевая полость, обра­зованная между стенками рабочего цилиндра и цилиндрической ча­стью поршня в месте перехода ее в сферическую головку, представ­ляет собой камеру сгорания. Топливо в сферу шабота подается под давлением не более 3-5 кгс/см² (0,3-0,5 МПа) плунжерным насосом низкого давления 11, которым управляет падающий поршень, нажи­мающий на приводной рычаг 10. К насосу топливо поступает по гиб­ким резиновым шлангам из топливного бака 5, вынесенного из зоны удара и укрепленного на цилиндре в средней его части. Закрытая конструкция трубчатого молота практически исключает попадание в его внутренние полости абразивных частиц. Полость рабочего ци­линдра 3 сообщается с атмосферой через всасывающе-выхлопные патрубки 4, направленные вверх.

Для смазки трущихся рабочих поверхностей цилиндра и порш­ня в верхней части поршня имеется масляный резервуар. Перед пус­ком молота поршень 9 поднимается «кошкой» 6, подвешенной на канате 7, в крайнее верхнее положение, после чего происходит ав­томатическое расцепление «кошки» и поршня (положение I). При свободном падении вниз по направляющей трубе 8 поршень нажи­мает на приводной рычаг 10 топливного насоса 11, который пода­ет дозу топлива в сферическую выточку шабота 2 (положение II). При дальнейшем движении вниз поршень перекрывает отверстия всасывающе-выхлопных патрубков 4 и начинает сжимать воздух в рабочем цилиндре J, значительно повышая его температуру. В кон­це процесса сжатия головка поршня наносит удар по шаботу, чем обеспечивается погружение сваи в грунт и распыление топлива в кольцевую камеру сгорания, где оно самовоспламеняется, переме­шиваясь с горячим сжатым воздухом (положение III). Часть энер­гии расширяющихся продуктов сгорания — газов (максимальное давление сгорания 7—8 МПа) передается на сваю, производя ее до­полнительное (после механического удара) погружение, а часть рас­ходуется на подброс поршня вверх на высоту до 3 м. Вследствие воз­действия на сваю последовательно двух ударов — механического и газодинамического — достигается высокая эффективность трубча­тых дизель-молотов.

При движении поршня вверх (положение IV) расширяющиеся газы по мере открывания всасывающе-выхлопных патрубков 4 выб­расываются в атмосферу. Через те же патрубки засасывается свежий воздух при дальнейшем движении поршня вверх. По достижении крайнего верхнего положения поршень начинает свободно падать

115

вниз, рабочий цикл повторяется, и в дальнейшем молот работает ав­томатически до полного погружения сваи.

Серийно выпускаются трубчатые дизель-молоты с массой ударной части 500, 1250, 1800, 2500, 3500 и 5000 кг для погружения железобетон­ных свай всех типоразмеров массой до 13000 кг и длиной до 25 м. Трубчатые дизель-моло­ты развивают энергию удара 15-150 кДж при частоте уда­ров 43-45 в минуту.

М ассу ударной части ди­зель-молота подбирают в за­висимости от массы погру­жаемой сваи и типа приме­няемого молота. Так, масса ударной части штангового дизель-молота должна быть не менее 100-125 %, а трубча­того — 40—70 % массы сваи, погружаемой в грунт средней плотности.

Промышленность выпус­кает пять моделей однотипных трубчатых дизель-молотов, различающихся между собой массой ударной части: дизель-молот СП-75 с ударной час­тью массой 1250 кг, СП-76 (1800 кг), СП-77 (2500 кг), СП-78 (3500 кг) и СП-79 (5000 кг).

На рис. 4.4 показаны кон­структивные схемы выпуска­емых трубчатых дизель-мо­лотов СП-75, СП-76, СП-77.

Трубчатые молоты более эффективны, чем штанго­вые, так как при равной массе ударной части могут забивать более тяжелые (в два-три раза) сваи за один и тот же

116

отрезок времени. Общим недостатком дизель-молотов является боль­шой расход энергии на сжатие воздуха (50-60 %) и поэтому малая мощность, расходуемая на забивку сваи.

Все трубчатые дизель-молоты выполнены по единой конструктив­ной схеме, максимально унифицированы и состоят из следующих ос­новных узлов (рис. 4.4): ударной части — поршня 8 с компрессион­ными кольцами 4, сменного рабочего цилиндра 3 и направляющей трубы 9, шабота 2, по которому наносит удар поршень, топливной и масляной систем, пускового устройства — «кошки» 12 с подъем­но-сбрасывающим механизмом. В верхней части направляющей трубы имеются две проушины 21 для крепления каната при установ­ке молота на копер. Рабочий цилиндр герметично закрыт снизу ша­ботом с компрессионными кольцами, передающим энергию удара поршня на сваю. К фланцу шабота прикрепляется свайный наголов­ник. Между фланцами рабочего цилиндра и шабота установлен кольцевой резиновый амортизатор 1, предотвращающий жесткое соударение корпуса цилиндра и шабота при больших осадках сваи. В нерабочем состоянии рабочий цилиндр и шабот соединяют план­кой 18. Нижний торец поршня —- сферический и по форме соответ­ствует выемке в шаботе. При полном контакте сферических повер­хностей поршня и шабота (в момент удара) кольцевая полость, об­разованная кольцевыми выточками.в их сферах, представляет собой камеру сгорания. Топливо в сферу шабота подается под давлением 0,3-0,5 МПа плунжерным насосом 5, которым управляет падающий поршень, нажимающий на приводной рычаг 6. К насосу топливо поступает по гибким резиновым шлангам из топливного бака 7. По­лость рабочего цилиндра 3 сообщается с атмосферой через четыре всасывающе-выхлопных патрубка 20, направленных вверх. Смазка трущихся рабочих поверхностей цилиндра и поршня осуществляет­ся принудительно. Масло из бака 15 подается по гибкому маслопро­воду плунжерным насосом 16, отвод тепла от стенок рабочего ци­линдра обеспечивается системой водяного охлаждения от бака 19 с заливной и сливной горловинами.

В направляющей трубы со стороны копра имеется продольный паз, в котором перемещается подъемный рычаг-«кошка», входящий в зацепление с поршнем при его подъеме во время запуска молота. На наружной поверхности той трубы установлены: направляющая 11 «кошки» 72, упор 13 для взвода подъемного рычага «кошки», упор 10 для сброса поршня и два захвата (левый 17 и правый 14) для подъе­ма дизель-молота «кошкой».

Последовательность работы дизель-молотов приведена на рис. 4.3.

117

Конструкция трубчатых дизель-молотов постоянно совершенству­ется. В настоящее время созданы быстроходные трубчатые молоты с пневматическим буфером (пневмобуфером), частота ударов которых составляет 65-75 в минуту. Пневматический буфер накапливает энер­гию при ходе ударной части вверх и сообщает ей дополнительное ус­корение при разгоне вниз. Вследствие этого мощность молотов с пневмобуфером и, следовательно, темп погружения сваи примерно в полтора раза выше, чем у обычных трубчатых молотов со свободным падением ударной части. Дизель-молоты с пневмобуфером аналогич­ны по конструкции, имеют массу ударной части 500, 1250, 1800 кг, развивают энергию удара соответственно 8, 5, 19 и 27 кДж.

Сейчас начат серийный выпуск новых прогрессивных гидравли­ческих молотов простого и двустороннего действия, используемых в качестве сменного рабочего оборудования одноковшовых гидравли­ческих экскаваторов.

Принцип работы гидромолота двустороннего действия заключа­ется в использовании энергии движущейся с большой скоростью мас­сивной ударной части, разгон которой происходит под действием собственной массы и давления рабочей жидкости на ее поршень. Ра­бочая жидкость подается от насоса и гидроаккумулятора.

В конструкцию гидромолота двустороннего действия (рис. 4.5) входят следующие основные узлы и детали: рабочий цилиндр 7 с рас­пределительным золотником 12 и гидроаккумулятором 18, корпус с направляющей трубой 2, ударная часть 3 и шабот /. Массивная удар­ная часть подвешена к штоку 4 поршня 6 рабочего цилиндра 7 по­средством упругого шарнира.

Цикл работы гидромолота состоит из разгона ударной части вверх, торможения ее перед верхней «мертвой» точкой, разгона вниз и удара по шаботу. Ударная часть не имеет участков установившегося движе­ния. Гидромолот работает следующим образом. При включении на­соса 17 рабочая жидкость поступает через золотник 12 в штоковую полость 5 рабочего цилиндра и в полость над поршнем 14 гидроак­кумулятора. Начинается разгон ударной части вверх. Во время подъе­ма ударной части распределительный золотник 12 удерживается пру­жиной 19 в верхнем положении, жидкость из поршневой полости 10 рабочего цилиндра через канал 9 вытесняется через сливную маги­страль 15 в бак 16, а поршень 14 аккумулятора 18 перемещается вниз, накапливая рабочую жидкость. В конце разгона вверх поршень 6 перекрывает сливное окно 9, вследствие чего возрастает давление в поршневой полости 10, канале // и над верхним торцом золотни­ка 12. При этом золотник перемещается в нижнее положение, соеди-

118

11 12 13

Рис. 4.5. Гидромолот двустороннего действия

няя поршневую полость 10 рабочего цилиндра с напорной линией 13. Затем следует фаза торможения ударной части, во время которой поршень 6 вытесняет жидкость из полости 10 в аккумулятор 18.

После остановки ударной части в верхней «мертвой» точке начи­нается ее разгон вниз под действием собственной массы, веса и дав­ления рабочей жидкости, действующего на поршень 6. Когда удар­ная часть достигает скорости, которую она имела бы при установив­шемся движении (при данной производительности насоса и площади поршня), аккумулятор начинает разряжаться, отдавая накопленную жидкость в рабочий цилиндр 7, а его поршень 14 движется вверх. В конце хода вниз ударная часть наносит удар по шаботу 1.

Перед нанесением удара верхняя кромка поршня 6 опускается ниже обратного клапана 8, через который жидкость из поршневой по­лости 10 поступает в сливную магистраль 15, давление в системе па­дает, и под действием пружины 19 золотник 12 перемещается вверх. Далее цикл повторяется. Находящийся в направляющей трубе воздух

119

свободно перетекает в полости над и под ударной частью по каналу 20, не оказывая существенного сопротивления ее движению.

Гидравлические молоты характеризуются энергией удара 3,5-120 кДж, частотой ударов 50-170 в минуту и массой ударной части 210-7500 кг. Гидромолоты просты в управлении и обслуживании, имеют довольно высокий КПД (0,55-0,65), издают при работе сла­бый шум.

Энергию удара (в Дж) свайных молотов механических и просто­го действия (паровоздушных, гидравлических и дизель-молотов) оп­ределяют по формуле

E = QHȠ,

а молотов двустороннего действия — по формуле

E = (Q + pF)HȠ,

где Q — вес ударной части, Н; Н — величина рабочего хода ударной части, м; р — давление рабочей жидкости сжатого воздуха или пара, Па; F — рабочая площадь поршня, м²; Ƞ — КПД молота (для паровоз­душных молотов Ƞ = 0,85-0,9, для штанговых дизель-молотов т| = = 0,35-0,4, для трубчатых — Ƞ = 0,6-0,65, для гидравлических моло­тов Ƞ = 0,55-0,65).

Эффективность погружения сваи в грунт зависит от соотношения масс сваи т_с и ударной части молота т_м, частоты ударов молота п_м и скорости соударения v„ ударной части молота с шаботом. Практи-чески установлена необходимость соблюдения следующих условий: 0,5<m_c/m_м <2,5 (при m_c/m_м>2,5 эффективность погружения сваи резко снижается), v_c <6м/с (при v_c > 6 м/с большая часть энергии удара затрачивается на разрушение наголовника и головки сваи), п_м > 30 1/мин (при п_м< 30 1/мин свая успевает полностью ос­тановиться и молоту приходится дополнительно преодолевать инер­цию неподвижной сваи).