Каковы принципы построения и функционирования свайных молотов?

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

Рабочий цикл молота включает в себя два хода – холостой (подъем ударной части в крайнее верхнее положение) и рабочий (ускоренное движение ударной части вниз и удар по свае). По роду привода свайные молоты разделяются на механические (применяются редко), паровоздушные, дизельные и гидравлические. Основными параметрами свайных молотов являются масса ударной части, наибольшая энергия одного удара, наибольшая высота подъема ударной части, частота ударов в минуту.

Паровоздушные молоты приводятся в действие энергией пара или сжа­того до 0,5…0,7 МПа воздуха. Различают молоты простого одностороннего действия, у которых энергия привода используется только для подъема удар­ной части, совершающей затем рабочий ход под действием собственного веса, 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 служит чу­гунный корпус массой 1250...6000 кг, направляющей частью – 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.

Наиболее распространены автоматически работающие паровоздушные молоты двустороннего действия с частотой ударов по свае до 100...300 в минуту и массой ударной части до 2250 кг. Основными узлами паровоздушного молота двустороннего действия являются неподвижный закрытый корпус, подвижный поршень со штоком и массивным бойком (ударная часть) и автоматическое парораспределительное устройство.

Паровоздушные молоты устанавливают на копре или подвешивают к крюку стрелового самоходного крана. Их можно использовать для забивки как вертикальных, так и наклонных свай, а также для выполнения свайных работ под водой. Основной недостаток паровоздушных молотов – их зависимость от компрессорных установок или парообразователей.

Энергетически автономные мобильные дизель-молоты применяют на объектах городского строительства. Они представляют собой прямодейст­вующие двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу двух­тактного дизеля. По типу направляющих для ударной части дизель-молоты делятся на трубчатые и штанговые. У трубчатого дизель-молота направляю­щей ударной части в виде массивного подвижного поршня служит труба, а у штангового – две штанги. 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 опускания молота и прикрепленного к канату лебедки копровой установки. Различают легкие (масса ударной части до 600 кг), средние (до 1800 кг) и тя­желые (свыше 2500 кг) дизель-молоты.

Работа трубчатого дизель-молота осуществляется в следующей последовательности. Перед пуском молота ударная часть (поршень с компрессионными кольцами) поднимается «кошкой», подвешенной на канате лебедки копра, в крайнее верхнее положение, после чего происходит автоматическое распределение «кошки» и поршня с ударной частью (положение I). При свободном падении вниз по направляющей трубе поршень нажимает на приводной рычаг топливного насоса, который подает дозу топлива в сферическую выточку шабота, по которому наносит удар поршень (положение II). При дальнейшем движении вниз поршень перекрывает отверстия всасывающее-выхлопных патрубков и сжимает воздух в рабочем цилиндре (в 25 – 28 раз), значительно повышая его температуру (до 600 ^оС). В конце процесса сжатия головка поршня наносит удар по шаботу, чем обеспечивается погружение сваи в грунт и распыление топлива в кольцевую камеру сгорания, при этом горячая смесь самовоспламеняется (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 другая часть энергии расходуется на подброс поршня вверх на высоту до 3 м (положение IV). Достигнув крайнего верхнего положения, ударная часть с поршнем начинает свободно падать вниз, рабочий цикл повторяется, и в дальнейшем молот работает автоматически до полного погружения сваи.

Таким образом, в течение первого такта цикла работы трубчатого дизель-молота происходит продувка цилиндра, сжатие воздуха, впрыск и разбрызгивание топлива, а в течение второго такта – самовоспламенение горячей смеси топлива с воздухом и расширение продуктов сгорания, выхлоп отработанных газов в атмосферу и засасывание в цилиндр свежего воздуха.

Высокая эффективность трубчатых дизель-молотов достигается вследст­вие воздействия на сваю последовательно двух ударов – механического и га­зодинамического. Высота подскока ударной части дизель-молотов регулиру­ется путем изменения количества впрыскиваемого насосом топлива, что по­зволяет изменять величину энергии удара в зависимости от типа свай и плот­ности грунта.

Трубчатые дизель-молоты более эффективны, чем штанговые, так как при равной массе ударной части могут забивать более тяжелые (в 2…3 раза) сваи за один и тот же отрезок времени. Они предназначены для забивки в грунт железобетонных свай массой 1,2…10 т и могут работать при температуре окружающего воздуха от –40 до +40 ^оС. При этом развивают энергию удара 40…160 кДж при высоте подброса ударной части 3 м и степени сжатия 15. Число ударов в минуту – 42.

Однако общий недостаток дизель-молотов – сравнительно небольшая

мощность для забивки свай, так как много энергии расходуется на сжатие

воздуха (50…60 %).

Конструктивной особенностью трубчатых дизель-молотов является применение водяной системы охлаждения, кольцевой камеры сгорания типа «Тор», выполненной в корпусе шабота, и принудительной смазки. Промыш­ленность выпускает пять моделей однотипных трубчатых дизель-молотов, различающихся между собой массой ударной части, которая составляет 1250, 1800, 2500, 3500 и 5000 кг.

Гидравлические свайные молоты по конструкции и принципу действия аналогичны навесным гидропневматическим молотам экскаваторов, но обладают значительно большими массой ударной части и энергией единичного удара. Гидравлические молоты просты в эксплуатации, имеют высокий КПД (0,55…0,6), экологически безопасны и их пусковые качества не зависят от условий забивки свай. Энергию удара для эффективной забивки свай в различных грунтовых условиях можно регулировать в широком диапазоне. В качестве приводного двигателя в гидравлических свайных молотах используются гидронасос и гидропневматический аккумулятор. В соответствии с перспективным типоразмерным рядом свайных гидромолотов предусмотрен выпуск молотов с массой ударной части 500…7500 кг и энергией единичного удара 15…75 кДж.

Энергия удара свайных молотов одностороннего действия (паровоздуш­ных, гидравлических и дизель-молотов), Дж,

E = G · H · h,

E = (G + p · S) · H · h,

где G – сила тяжести двухстороннего действия, H;

H – величина рабочего хода ударной части, м;

p – давление рабочей жидкости, сжатого воздуха или пара, Па;

S – рабочая площадь поршня, м²;

h – КПД молота; для паровоздушных молотов h = 0,85…0,9; для штанговых дизель-молотов h = 0,35…0,4; для трубчатых дизель-молотов h = 0,6…0,65; для гидравлических молотов h = 0,55…0,65.

Эффективность погружения сваи в грунт зависит от соотношения масс сваи m _с и ударной части молота m _м, частоты ударов молота n _м и скорости соударения v _с ударной части молота с шаботом. Практически установлена необходимость соблюдения следующих условий:

1) 0,5 £ £ 2,5,

2) v _с £ 6 м/с,

3) n _м ³ 30 мин^-1.

При невыполнении условия (1), т.е. если m _с / m _м > 2,5, эффективность погружения сваи резко снижается. При невыполнении условия (2), т.е. если v _с > 6 м/с, большая часть энергии удара затрачивается на разрушение наголовника и головки сваи. При невыполнении условия (3), т.е. если n _м < 30 мин^-1, свая успевает полностью остановиться и молоту приходится дополнительно преодолевать инерцию неподвижной сваи.