Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2008". Авторы - Б.Н. Смоляницкий, В.В. Червов, Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (Россия, Новосибирск).
Дальнейшее развитие бестраншейной прокладки коммуникаций при проведении строительных работ требует совершенствования пневматических ударных машин, применяемых для забивания в грунт стальных труб – защитных кожухов. Для увеличения длины проходки, сокращения сроков проведения работ, уменьшения затрат на приобретение оборудования и его использование в ИГД СО РАН разработаны пневмоударные молоты «Тайфун». В них достигнуты более высокие по сравнению с аналогами энергетические показатели и экономичность при одинаковых размерах и массе.
Институт горного дела СО РАН более 40 лет ведет активную работу в области создания технических средств по бестраншейной прокладке подземных коммуникаций. На конструкторские разработки и способы выполнения различных работ с использованием пневмопробойников и пневмомолотов Институт получил более 600 Российских и зарубежных патентов.
Первая значительная партия (760 штук) пневмопробойников изготовлена в 1968 году Одесским заводом строительно-отделочных машин (СОМ), которому ИГД СО РАН передал чертежи и право на производство и продажу. Пик производства пришелся на вторую половину 80-х годов. Так, например, в 1986 году было произведено 3850 этих устройств.
К началу освоения серийного производства на международном рынке было известно два типа машин аналогичного назначения: «Крет» (Польша) и «Гофер» фирмы «Шрам вест честер» (США, ФРГ). Сравнение с ними показало, что машины конструкции ИГД СО РАН имеют при одинаковом диаметре большую мощность, обеспечивающую высокую производительность. Но главными их преимуществами перед зарубежными аналогами были надежность, прочность, безотказность в работе и долговечность. Эти достоинства и всесторонняя патентная защита обеспечили им сразу же после выхода на международный рынок хорошую конкурентоспособность. В первые годы освоения серийного выпуска каждого нового типа пневмопробойника от 70 до 100% продукции направлялось на экспорт, который составлял до 1000 штук в год.
Признанием высокого уровня разработанной в ИГД СО РАН продукции явилось приобретение в 1971 году фирмой «Эллайд Стилл…» (США) лицензии на право производства и продажи пневмопробойников на территории США, Канады, Мексики. К началу 1980 года фирма производила до 1000 машин в год. В дальнейшем фирма «Эллайд…» приобрела еще ряд лицензий на усовершенствованные конструкции пневмопробойников. Всего продано 11 лицензий на право их производства в США, ФРГ, Францию и Венгрию.
За годы эксплуатации существенно расширилась и область применения пневмопробойников. Их с успехом стали использовать не только для проходки скважин в грунте, но и для забивания в грунт стальных труб, предназначенных для последующей укладки в них коммуникаций, погружения шпунта, глубинного уплотнения грунта, формования набивных свай, устранения дефектов земляного полотна железных дорог. Новые технологические процессы требовали увеличения скорости проходки скважин, длины и диаметра забиваемых в грунт труб.
Главный параметр пневмомолота
Опыт эксплуатации показал, что процесс забивания труб при сооружении бестраншейных переходов можно оптимизировать. Для этого при наличии нескольких пневмомолотов с разной энергией удара целесообразно забивание первой секции трубной плети начинать пневмомолотом с меньшей силой отдачи и энергией удара, т.к. силы сопротивления грунта по боковой поверхности трубной плети возрастают пропорционально ее длине.
Поэтому в ИГД СО РАН в качестве главного параметра пневмопробойника, используемого в качестве пневмомолота для забивания труб была принята энергия удара. По величине энергии удара оценивались технические возможности машины по диаметру и длине забиваемой трубной плети, а также задавались эксплуатационные требования к источнику сжатого воздуха и грузоподъемному оборудованию для производства монтажных работ в рабочем котловане.
Но в последние годы при совершенствовании конструкций ударных машин для забивания труб установлено, что выбор массы ударной части в качестве главного параметра пневмомолота и присутствие этого параметра в названии машины наиболее точно отражает её производственные возможности. Созданные в ИГД СО РАН после 1993 года новые пневмомолоты для забивания труб благодаря одинаковому устройству и принципу работы системы воздухораспределения получили общее название «Тайфун». Число в названии означает главный параметр пневмомолота – массу ударной части. Этот параметр позволяет при номинальном избыточном давлении сжатого воздуха рм= 6,0 МПа определить энергию удара молота исходя из предударной скорости ударника, принятой во всем диапазоне типоразмерного ряда равной Vуд =(4,0...4,5) м/с.
L = 0,5 Муд V2уд (1)
В настоящее время изготовлены и испытаны пневматические молоты с массой ударной части от 0,4 до 1000 кг. Пневмомолоты «Тайфун» с массой ударника 0,4; 1; 2; 8 кг – разработаны и изготовлены для физического моделирования процессов взаимодействия с грунтом рабочих органов проходческих комплексов. Пневмомолоты «Тайфун» с массой ударника 40, 80 и 100 кг имеют укороченную длину. Они могут быть использованы в качестве машин для разрушения старых труб в грунте при замене подземных водонесущих трубопроводов или для забивания труб при ограниченной длине рабочего котлована.
Для забивания труб разработаны, изготовлены и успешно работают пневмомолоты серии «Тайфун» с массой ударника 70, 130, 190, 320, 500, 740 и 1000 кг.
Повышение энергии удара без увеличения расхода воздуха
Проведенные в ИГД СО РАН исследования доказали, что для увеличения длины и диаметра забиваемых в грунт при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций стальных труб-кожухов требуется значительное повышение энергии удара машин. Но это связано прежде всего с возрастанием расхода воздуха, который в реальных условиях ограничивается возможностями передвижных компрессоров.
Потребитель всегда заинтересован в более высокой мощности машин при сохранении или снижении расхода воздуха. Это обеспечивает рост производительности при сохранении или снижении затрат на эксплуатацию компрессоров и вспомогательного оборудования.
В результате выполненных в ИГД СО РАН исследований сформулированы научные основы создания пневмоударных молотов нового поколения на идее применения системы воздухораспределения с упругим клапаном, обеспечивающей снятие противодавления в управляемой камере и устранение её избыточного объема, а также позволяющей регулировать отношение длительности обратного хода ударника к длительности его рабочего хода. Теоретически и экспериментально получены рациональные значения параметров новых машин, реализация которых в действующих образцах дала возрастание до 50% энергии удара и снижение на туже величину расхода воздуха по сравнению с аналогами.
Удельный расход воздуха q, определяемый как отношение объемного расхода воздуха к ударной мощности пневмомолота, для пневмопробойников конструкции ИГД СО РАН находится в пределах q = (0,36 -0,76)∙ 10-4 м3 / Дж. Удельный расход воздуха q пневмомолотов серии «Тайфун» в 1,6…2,6 раза меньше и составляет q = (0,22 -0,29) ∙10-4 м3 / Дж.
Для уменьшения расхода воздуха в системе воздухораспределения пневмомолота применен инерционный клапан, который устанавливают в ударник (рис. 3). Он закрывает калиброванное отверстие, являющееся седлом клапана, когда ударник совершает прямой ход. Установлено, что лучшим способом повышения эффективности работы клапана является увеличение его массы.
У каждого пневмомолота «Тайфун» энергия удара постоянна, но частота ударов и расход воздуха изменяются в широких пределах, давая возможность вести работы от достаточно широкого ряда компрессоров. Это можно объяснить так.
Экспериментально установлено, что предельное минимальное значение отношения СТ = Т2/Т1 продолжительностиT2 обратного хода к продолжительности T1 прямого хода составляет СТ =1,55 при любом рабочем ходе ударника X (рис. 1). Это означает, что верхний уровень частотного диапазона пневмомолота с упругим клапаном имеет ограничение независимо от дальнейшего увеличения сечения отверстия в жиклере Sд .
Дальнейшее увеличение частоты f ударов возможно только за счет уменьшения хода Х ударника. При этом уменьшится не только продолжительность T2 обратного хода, но и прямого T1 хода.
Уменьшение частоты f ударов при минимально возможном сечении отверстия в жиклере Sд возможно только за счет увеличения хода Х ударника. При этом в максимальной степени увеличивается продолжительность T2 обратного хода, составляющая 90% от T1 .
Ширина регулируемого частотного диапазона Bf (с-1), определяемая как разность между наибольшей f max и наименьшей f min частотой ударов, интенсивно возрастает при уменьшении хода Х ударника (рис. 2).
Степень регулирования Cf частоты ударов определяется как отношение наибольшей f max и наименьшей f min частоты ударов для определенной длины Х хода ударника:
Cf = f max / f min . (2)
Увеличение длины хода Х сопровождается линейным повышением степени регулирования Cf частоты ударов (рис. 2). Для хода Х = 30 мм степень регулирования частоты ударов составляет Cf= 2,4. Для хода Х = 120 мм степень регулирования частоты ударов составляет Cf = 4,4. Это позволяет в значительной мере увеличить диапазон изменения расхода воздуха пневмомолота.
Принципиальная схема пневмомолота
Особенностью рабочего цикла, реализованного в пневмомолотах «Тайфун», является практически полное отсутствие начального («мертвого») объема камеры холостого хода ударника (объема передней камеры). Это позволяет, например, в корпусе пневмопробойника СО-134 поместить ударник массой 68 кг вместо прежних 51 кг, т.е. большей в 1,33 раза. Сниженное до минимума противодавление воздуха со стороны передней камеры, что тоже является особенностью рабочего цикла, позволяет для получения прежней энергии удара в 500 Дж сократить на 60%. требуемый рабочий ход ударника. Т.е. вместо 0,23 м получить его равным 0,14 м. Это позволит увеличить длину ударника на 0,09 м, а его массу почти на 10 кг. Общее увеличение массы ударника составит 53% или 27 кг.
Чтобы увеличить энергию удара на 10 Дж в габаритах пневмопробойника СО-134 и при отсутствии сопротивления со стороны камеры холостого хода достаточно увеличить рабочий ход ударника на 0,028 м. Для этого потребуется на столько же увеличить длину машины или же при неизменной длине её корпуса уменьшить массу ударника на 5,3 кг.
Принципиальная схема пневмомолота «Тайфун», которая обеспечивает все перечисленные выше особенности, представлена на рис. 3. Пневмомолот работает следующим образом. Сжатый воздух по патрубку 4 поступает в камеру 8 прямого хода, прижимает ударник 2 к наковальне 5. Далее через жиклёр 10, мимо клапана 9, по каналу 7 сжатый воздух поступает в камеру 6 обратного хода. В ней повышается давление, под действием которого ударник 2 перемещается назад с одновременным растяжением упругого кольца 11 и его скольжением по внутренней поверхности наковальни 5. При подходе кольца 11 к заднему торцу наковальни 5 камера 6 обратного хода открывается, кольцо 11 сжимается - происходит полный выхлоп сжатого воздуха из камеры 6 обратного хода по каналам 12 на поверхности ударника 2 через отверстия 13 в задней гайке 3 в атмосферу. Под действием давления в камере 8 прямого хода ударник 2 разгоняется и наносит удар по наковальне 5. Во время прямого хода ударника 2 камера 6 обратного хода постоянно сообщена с атмосферой. Это исключает возникновение воздушной «подушки» - воздух не сжимается, а просто вытесняется ударником 2 из камеры 6 в атмосферу.
В новых пневмомолотах благодаря современным техническим решениям достигнуты более высокие по сравнению с аналогами энергетические показатели и экономичность при одинаковых с ними массе и размерах. Достаточно сказать, что молоту «Тайфун-740», масса ударника и энергия удара которого превышают в 1,3…1,5 раза те же параметры, что и у аналогов при одинаковых геометрических размерах необходимо для работы всего 7 - 10 м3/мин сжатого воздуха. Поэтому даже при выполнении одинаковой работы достигается как минимум двукратная экономия на производстве сжатого воздуха.
В ИГД СО РАН разработан типоразмерный ряд новых пневмомолотов, самый большой из которых имеет массу ударной части 1500 кг. Все машины типа «Тайфун» предельно просты по конструкции, надежны и долговечны. Более удобными в эксплуатации их делает легкий и устойчивый запуск в работу без применения каких-либо специальных устройств, использование воздухоподводящих рукавов значительно меньших, чем у аналогов диаметров и регулируемый в достаточно широком диапазоне расход воздуха при сохранении на одном уровне энергии удара. Последнее обстоятельство позволяет адаптировать пневмомолоты «Тайфун» к имеющемуся в распоряжении компрессору и успешно выполнить работу по прокладке коммуникаций.
В апреле 2000 г. пневмоударные молоты «Тайфун» получили Золотую медаль на Международном Салоне промышленной собственности "Архимед - 2000" в г. Москве. Они отмечены также Золотой медалью на Международной выставке интеллектуальной и промышленной собственности IMPEX XVI в г. Питсбурге (США). Новые молоты поставляются и успешно работают в десятках городов России и за рубежом.
В последние четыре года пневмомолоты «Тайфун» стали активно применяться для забивания вертикальных труб в грунт при строительстве подпорных стен и для сооружения фундаментов различного назначения (рис. 4). За этот период передано в эксплуатацию более двух десятков пневмомолотов с массой ударной части 130, 190, 320, 500 и 740 кг.
Список литературы
1. Суднишников Б.В., Есин Н. Н., Тупицын К. К. (1985). Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. – Новосибирск: Наука. – 134 с.
2. Пат. 2085363 Российская Федерация. Устройство ударного действия / В.В. Червов, Б.Н. Смоляницкий, В.В. Трубицын, И. Э. Вебер, опубл. 27.07.1997, Бюл. №21. – 22 с.
3. Петреев А. М., Смоляницкий Б. Н. (1999). Согласование параметров пневмомолота с производительностью источника питания. ФТПРПИ.– № 2. С. 86–90.
4. Пат. 2105881 Российская Федерация. Устройство ударного действия / В.В. Червов, В.В. Трубицын, Б.Н. Смоляницкий, И. Э. Вебер, опубл. 27.02.1998, Бюл. №6. – 20 с.
Комментарии 0