Палевдавлюючі машини

1. Короткі відомості про палезабивні машини

       Палезабивні машини застосовуються в галузі фундаментобудування для вдавлення залізобетонних паль, шпунтових паль, труб і прокатних профілів різних типорозмірів на відкритих будівельних ділянках та в умовах щільної забудови; при реконструкції та посиленні основ і фундаментів житлових та цивільних будинків, промислових будівель і споруд; при гідротехнічних роботах і у складних інженерно-геологічних умовах.

      Накопичений будівельниками досвід і наукові дослідження вчених свідчать про те, що палеві основи надійно забезпечують стійкість споруд, дозволяють повністю механізувати і скоротити об'єм робіт нульового циклу. Для забивання паль у грунт в залежності від умов роботи застосовують різні ударні машини - пароповітряні молоти та штангові і трубчасті дизель-молоти.

     Пароповітряні молоти можуть бути одиночної і подвійної дії. Молоти одиночної дії використовуються для забиття дерев'яних і залізобетонних паль.

      Більш досконалі молоти подвійної дії, які складаються з парового циліндру з верхньою і нижньою кришками і нижньої кільцевої кришки, що стягнуті між собою болтами. Корпус молотів подвійної дії закритий, що дозволяє використовувати їх при роботі під водою. Вони дають можливість забивати палі без копра в незручних умовах під будь-яким нахилом і в стиснених умовах. Застосовуються для забивання металічних шпунтів.

    Для заглиблення паль, шпунтів, спушування міцного грунту застосовуються штангові дизель-молоти, в яких енергія газів, що спалахують, передається на ударну частину молота. Розрізняють молоти з нерухомими штангами, що застосовуються тільки з копрами, і рухомими - без копрів .

     Копри слугують для підйому і встановлення паль перед зануренням у потрібній точці і для забезпечення їх спрямування при зануренні. Загалом палебійні машини складаються з копра, механізму, що заглиблює палю (молот, віброзаглиблювач і т.д.), і силового обладнання (двигун, компресори, котли, лебідки і т.п.). Процес занурення палі включає в себе переміщення копра до місця встановлення палі, її строповку, підтягування, встановлення на місце занурення по розмітці, перевірку правильності її положення, закріплення на палі наголовника, який запобігає її руйнуванню при ударному зануренні, встановлення на палю занурювача, розстроповку палі, її занурення з наступною перевіркою напрямку, підйом занурювача і зняття із зануреної палі наголовника. Неробочі операції займають 70...80% часу і залежать від конструкції копра. Копри розрізняють: рейкові, безрейкові та плаваючі. Універсальними вважаються копри з механізованим керуванням і котрі можуть повертатися на 360° . В сільському будівництві застосовують безрейкові копри. Найбільш маневрену групу складають копри, що монтуються на трубоукладачах, тракторах, екскаваторах і автомобілях. 
 
 

  2. Будова палебійних  машин і обладнання 

  Дизель-молот  з нерухомими штангами складається  з ударної частини, циліндра, поршневого блоку, механізму підйому і скидання ударної частини (кішки), паливного насосу, механізму регулювання подачі палива, шарнірної опори, напрямних штанг і верхньої траверси.

  Дизель-молот  з рухомими штангами призначений  для заглиблення легких дерев'яних паль довжиною б...8 м і складається з молота, кран-балки і патрону для кріплення молота до палі. Підйом і опускання молота здійснюється за допомогою кран-балки .

  Трубчасті дизель-молоти утворюють сильний  удар і тому використовуються при забиванні паль і шпунтів великих діаметрів і довжин. Ударною частиною в них слугує важкий рухомий поршень; циліндр молота являє собою довгу трубу, відкриту зверху, нижня частина її встановлюється на шабот. Підйом ударної частини при пуску приводиться захватом, що пересувається в напрямних копра. 

Розрахунковий опір паль заглибленню визначається за формулою:

опір  ґрунту в площині нижнього кінця палі;f- нормативний опір тертю 1-го шару ґрунту по боковій поверхні; / - товщина 1-го шару; к - коефіцієнт однорідності ґрунту; т - коефіцієнт, що характеризує умови роботи.

Контрольна відмова  палі визначається залежністю:

де  Р_гр - граничний опір палі; q - маса палі з наголовником; Q - маса ударної частини молота; H - розрахункова висота падіння ударної частини; п -коефіцієнт, що залежить від типу палі.

  Для пароповітряних молотів одиночної дії значення H залежить від величини ходу ударної частини молоту H - при забиванні вертикальних паль Н= H, і при забиванні паль під ухилом не більшим 3:1- Н=0,8 Н.

  Для пароповітряних молотів подвійної дії значення H залежить від енергії удару молота Е і складає при забиванні вертикальних паль 0,1E/Q і паль під ухилом не більшим 3:1 -Н= 0,08Е/Q.

  При виборі маси ударної частини рекомендується для пароповітряних молотів одиничної  дії і дизель-молотів при роботі на слабких ґрунтах приймати Q = q, при роботі на щільних ґрунтах Q = 1,5q і при роботі на ґрунтах середньої щільності Q = l,25q. Довжина палі може сягати до 12 м.

  Віброзанурювачі застосовуються для заглиблення  паль, шпунтів, оболонок і т.д. в незв'язні, переважно водонасичені ґрунти. Бувають віброзанурювачі для заглиблення елементів невеликої маси (шпунти, труби, балки) і значної маси (залізобетонні палі і шпунти, тонкостінні колодязі). Перший тип віброзанурювачів має частоту коливань 700... 1500 коливань на хвилину і називається високочастотним, другий - 300...50 коливань на хвилину і називається низькочастотним.

  Віброзанурювач  передає елементу, що заглиблюється, коливання певної частоти, амплітуди  і напрямку, в результаті чого в  водонасичених ґрунтах проявляється тіксотропія (розрідження) і різко знижується опір тертю палі об ґрунт. 

  Тип віброзанурювача вибирається за такою спрощеною методикою:

    Визначається критичний опір палі пересуванню відносно ґрунту (опір зриву):

де  и - периметр поперечного перерізу палі; h - повна глибина занурення палі; т_кр - питомий опір входженню палі, що залежить від типу палі і ґрунту.

     Для водонасичених піщаних і слабких піщано-глинистих ґрунтів при заглибленні дерев'яних паль і металевих труб т_кр = б...8 Н/м², залізобетонних паль - 7... 10 Н/м²; в глинах середньої щільності для дерев'яних, залізобетонних паль і металевих труб - 15...18 Н/м²; для щільних глин при заглибленні дерев'яних, залізобетонних паль і металевих труб - 25,3 Н/м .

     Величина збурюючої сили визначається за формулою:

де к_п - коефіцієнт, що враховує вплив пружності ґрунту (для тяжких паль к_п= 0,6; для легких - к_п= 1).

  Статичний момент дебалансів:

де  А - амплітуда коливань (для піщаних ґрунтів 6 ... 10 мм, для глинистих -8... 17 мм); G - маса віброзанурювача; є- коефіцієнт, що характеризує конструкцію палі (є = 0,8 - для залізобетонних паль, є = 1 - для всіх інших елементів).

де g - прискорення сили тяжіння.

Середня потужність двигуна віброзанурювача

Кутова швидкість  обертання валів дебалансів (частота  коливань)

    По отриманих даних вибирається відповідний тип віброзанурювача.

    Вібромолоти призначені для заглиблення паль в щільні ґрунти на велику глибину .

    Вібромолот складається з двовального віброзбудника спрямованих коливань, який встановлено на палі за допомогою пружної підвіски. При обертанні дебалансів збурююча сила, яка спрямована вертикально, викликає коливання ударної частини, котра завдає удари по ковадлу, що закріплено на палі.

    В залежності від жорсткості пружної підвіски вібромолота і зазору між ударником та ковадлом можна змінювати режим роботи машини.

Для вибору вібромолота слід визначити необхідну масу ударної частини:

де Q_n - маса палі; Q_Has - маса наголовника.

Завдавшись частотою обертання віброзбудника п (звичайно п = 1000...1500 об/хв) і режимом роботи і (і =2) при зведеному коефіцієнті відновлення ударів R (для дерев'яних паль R = О, для металічних і залізобетонних - R =0,2), визначають кількість ударів за 1с :

і потужність, яка витрачається на удар:

             Рис. 1 Палебійні машини і обладнання

а-безкопровий дизель-молот:1-ударний циліндр;2-штанга;

3-поршень;4-патрон;5-пружина;6-тріскачка підйому;

б-кран-балка:1-фрикційний поворот;2-стійка;3-кішка;4-канат;

в-схема  вібромолота:1-віброзбуджувач;2-дебаланс;3-ударник;

4-пружина;5-ковадло;

г - віброударний шпунтовисмикувач:1-тяга;2-віброзбуджувач;

3-сухар;4-плита;5-тяга;

                 Рис. 2 Палебійна машина.

 
 
 
                 Рис. 2 Палебійна машина.

д - копер на рейковому ходу:1-нижня рама;2-механізм повороту;

3-насосна  станція;4-електрообладнання;5-противага; 6-механізм ухилу щогли;7-лебідка; 8-ферма;9-'гідроциліндр вильоту щогли;

10-напрямна;11-копрова щогла;12-наголовник;13-головка копра;

14-захват паль;15-ручна лебідка;16-верхня рама;17-ходовий візок;   18 - механізм пересування; 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Повна механічна потужність зазвичай більша на 15.-20%, тобто  N-(115   1 2) N _д. За даною потужністю підбирається серійний вібромолот.

   При розбиранні тимчасових загорож і старих споруд, переважно з металічних шпунтових паль, застосовують палевисмикувачі. Для виймання паль можуть бути використані також пароповітряні молоти подвійної дії штангові дизель-молоти і вібромолоти. Штанговий дизель молот повинен мати високий ступінь стиснення для того, щоб ударна частина при падінні не стикалася з наголовником і не завдавала удару. Таким чином, циліндр загальмовується і підкидається, не витрачаючи енергії на осідання палі, одночасно ударяючи в верхню траверсу, котра слугує при висмикуванні ковадлом. Так як верхня траверса жорстко з’єднана зі штангами а останні закріплені на палі, паля пересувається догори.

    Існують також спеціальні палевисмикувачі, що складаються з парового циліндру шток-поршня, захвату для палі і паророзподільного пристрою. Механізм підвішується за крюк крана, під дією пару чи стиснутого повітря ударна частина (поршень) наносить удари по потовщеній верхній кришці парового циліндру, котрі і передаються палі. 
 
 
 

  3. Копри на базі канатних екскаваторів 

     Копри на базі канатних екскаваторів(Рис.3) застосовують переважно для забивання паль завдовжки до 16 м в котлованах і траншеях, розташовуючи їх на брівках виїмок. Копрову стрілу 2 сполучають з головою екскаваторної стріли 1 універсальним шарніром, що дозволяє стрілі нахилятися в будь-якому напрямі (до 20...35° подовжньо і до 1,5...5° в поперечному напрямі) і повертатися щодо вертикальної осі. В нижній частині копрову стрілу сполучають з поворотною платформою екскаватора двома гідроциліндрами 4. В системі наведення використовують гідравлічний привід з роздільним управлінням кожним з двох нижніх гідроциліндрів і гідроциліндра 3 приводи механізму повороту стріли щодо власної подовжньої осі. В робочому положенні копрова стріла спирається на фунтову підставу через гідравлічний домкрат або висувну телескопічну п'яту 5. Управляють копровим устаткуванням з кабіни машиніста. 

     За рахунок повороту платформи базового екскаватора дані копри мають обширну робочу зону, завдяки чому вони можуть занурювати декілька паль з однієї робочої позиції. В порівнянні з тракторними копрами, що переміщаються на нову позицію після занурення кожної палі, екскаваторні копри затрачують менше часу на виконання операцій робочого циклу і тому забезпечують більш високу продуктивність за інших рівних умов. Найбільш ефективно використовування екскаваторних копрів при кущовому розташуванні паль. Копри на екскаваторній базі при роботі в однорідних ґрунтах середньої густини і прохідності можуть занурювати за зміну до 25... 30 паль завдовжки 8 м, до 15... 20 паль завдовжки 12 м і до 8... 12 паль завдовжки 16 м. 
 
 
 

            Рис.3. Копри на базі канатних екскаваторів 
 
 
 

  4. Копри на автомобільній  базі

     Копри на автомобільній базі застосовують переважно на розосереджених роботах паль малих об'ємів в радіусі до200 км, зокрема, в будівництві технологічних трас, в трубопровідному і сільськогосподарському будівництві при довжині паль до 8 м. Автомобільними копрами занурюють також пробні палі при інженерно-геологічних дослідженнях, контрольних дослідженнях, прив'язці і коректуванні проектів фундаментів паль. Конструктивно копрове устаткування схоже з таким для навішування на гусеничні трактори.

    У разі між об'єктних переїздів копрове устаткування укладають в транспортне положення протягом 10... 15 мін без розбирання, зняття молота і застосування вантажопідйомних засобів. Середня експлуатаційна продуктивність автомобільних копрів при роботі з палями завдовжки 6...8 м у фунтах середньої густини і прохідності складає 18...22 палі в зміну. 
 
 
 

  5. Рельсоколісний копер 

    Рельсоколісний копер (рис.4) складається з нижньої рами (1) з ходовими візками (2), поворотної платформи 6, що спирається на нижню раму через опорно-поворотний пристрій, з розташованими на ній силовою установкою (звичайно електричної), механізмами (у тому числі однією або двома лебідками для підйому і установки в робоче положення палі і навантажувача), органами управління, кабіною і противагою, щогли (3) механізмів (4) і (5) для зміни орієнтації щогли щодо платформи. Залежно від прийнятої технології робіт копер комплектують молотом палі, віброзанурювачем або вібромолотом.

  Якщо  розміри і конфігурація поля палі такі, що з однієї установки рейкового  шляху не можна занурити в ґрунт всі палі, то для роботи використовують дещо копрів, працюючих кожний на своєму рейковому шляху, або перекладають рейковий шлях після виконання робіт з колишньої його установки. Після переміщення копра його надійно стопорять гальмами стоянок або іншими пристроями.

      Рис.4 Рельсоколісний копер

 
 
 
6. Технічна характеристика пале забивних машин

Таблиця 1. Технічні характеристики палезабивних машин

 
 
 
7. Виконувані  роботи  зі спорудження пальових  фундаментів

   Вдавлювання паль, труб та будівельних профілів поперечного перерізу до 500мм с зусиллям вдавлювання до 200т на вільних ділянках і на територіях, що щільно забудовані   

• Спорудження шпунтових огороджень, захисних стінок в ґрунті між старою та новою забудовою    
• Посилення основ і фундаментів існуючих будівель і споруд, укосів, схилів, естакад   
• Спорудження пальових фундаментів на зсувних та підтоплених територіях   
• Улаштування кущів паль під опори ліній електропередач, теле-радіо ретрансляторів, освітлювальних вишок   
• Спорудження пальових фундаментів резиденцій приватних замовників   
• Додавлення буронабивних паль до заданого навантаження    
• Випробування та моніторинг несучої здатності паль    
• Проектування і виробництво палезабивних та шпунтовочних машин   
• Навчання персоналу

8. Основи техногенно-екологічної безпеки земляних робіт експлуатації машин

  Інтенсивний розвиток будівельних і земляних робіт в більшості країн світу, освоєння північних районів Канади, США, Росії, Скандинавських країн, а  також дна Світового океану, видобуток корисних копалин при відкритих підводних і Підземних розробках, прокладання ліній комунікацій в різних кліматичних умовах, ліквідація аварій та забруднень великих земляних масивів вимагає постійного удосконалення і створення нових інтенсивних методів руйнування робочих середовищ, приладів, машин і обладнання для ефективного виконання даних робіт, підготовки та перепідготовки кадрів.

  Питання екології охоплюють всі види земляних робіт, що викликає необхідність в концентрації зусиль вчених та інженерів розвинутих країн світу.

Основні завдання вчених спеціалістів, що працюють у цих галузях - це створення екологічно чистих технологій, легких мобільних машин, обладнання і інструментів, що не мають аналогів в світовій практиці, а продуктивність такої техніки повинна перевищувати кращі сьогоднішні зразки не менш, як у 2-3 рази. Необхідно також багатократне підвищення продуктивності наявної землерийної техніки за рахунок встановлення на ній створених в різних країнах особливо динамічних робочих органів, що на відміну від сучасних мають не одно-, а багатофункціональне призначення. . Це визначає низку проблем , як зменшити витрати на експлуатацію таких машин і в яких умовах їх робота можлива. Потрібно з'ясувати і іншу проблему: на якій новій науковій базі створювати сучасну землерийну техніку - легку, мобільну, автоматизовану, щоб не копіювала кращі сьогоднішні зразки, а значно їх випереджала. Ці рішення базуються на розробленому в Україні і США новому науковому напрямку - вивчення енергетичних та деформаційних взаємозв'язків фізико-екологічного стану ґрунтів, порід при різних видах зовнішнього навантаження (динамічних, температурних, комбінованих та ін.).

   Робота палезабивних машин породжує в масивах ґрунту і в конструкціях споруд хвилі деформацій і напруг, які мають властивості робочих середовищ і вимагають оцінки їх впливу. Тут виникають декілька проблем: оцінка стійкості ґрунтового масиву та зміна його структури, оцінка безпечної зони роботи машини поблизу споруд; тривала ступінь впливу різних типів машин (землерийних, наземного і підземного транспорту і т.і.); ступінь екологічних змін масиву з урахуванням можливих забруднень (хімічних, радіаційних та ін.).

  Створені основні теорії динамічного руйнування робочих середовищ, дозволяють визначити безпечну зону розповсюдження хвиль деформації в ґрунтовому масиві як при роботі землерийних машин, так і при роботі транспортуючої техніки. Розроблені показники екологічно безпечної експлуатації такої техніки, основними з яких є:

• рівень мобільності - оцінка перебазування машини своїм ходом (тиск на ґрунт);
• рівень маневреності - оцінка роботи машини в обмеженому просторі (ступінь пошкодження ґрунту та його область);
• транспортний тиск - оцінка питомого навантаження і його область розповсюдження при транспортуванні машини транспортним засобом;

в одиничний  робочий і статичний тиск - оцінка величини навантаження і його область при робочому і неробочому стані машини або транспортного засобу;

• тимчасовий робочий тиск за добу, місяці, роки - оцінка деформації ґрунтового масиву при тривалому впливі працюючої техніки;
• транспортний і робочий шум;
• гранично-допустимі викиди двигунів внутрішнього згоряння;
• ступінь герметизації (палива, мастила і т.і.);
• рівень пилоутворення;
• оцінка стану природних середовищ після виконання робочого процесу.

  Сучасні палезабивні машини так як і інші землерийні машини створювались на принципах підвищення продуктивності за рахунок збільшення потужності двигунів та енергії взаємодії робочого органу з ґрунтом, що призвело до зростання їх металоємності та маси. Такі машини тільки при переміщенні по поверхні ґрунту залишають після себе "мертві зони". Погіршення ґрунтової структури, механічне руйнування та ущільнення ґрунту, забруднення мастилом та пальним призводить до постійного зменшення трав'яного покрову. На даний момент створенні палезабивні машини, які працюють практично безшумно і виключають динамічні та вібраційні навантаження на ґрунт, що робить їх незамінними при роботі в умовах щільної міської та промислової забудови, в історичних центрах міст, в умовах примикання старовинних будинків і споруд.

  Робочий процес землерийних машин повинен супроводжуватись захистом ґрунту від переущільнення, збереженням родючого шару, покращанням структури.

  Вирішення  техногенно-екологічних проблем  і шляхів зменшення їх впливу на довкілля неможливе без широкого і активного міжнародного співробітництва. 

9.Список використаної літератури 

1. Баладінскій В.Л., Тугай А.М., Гаркавенко О.М., Русан «Будівельна техніка» КНУБА 2002-237с.;
2. Зеленін, Балавнєв, Керов «Машинобудування» 1975р.
3. Орлов Г.Г., «Інженерні рішення по охороні праці на будівництві» 1985-287с.;