Экспериментальное исследование процесса погружения свай вибромолотом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 624.155.153

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ ВИБРОМОЛОТОМ

© Р.В. Соколов1, Ю.И. Чеботарев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены методика и результаты экспериментальных исследований процесса погружения сваи вибромолотом. Получена математическая модель рабочего процесса, по которой построены зависимости виброскорости от величины зазора между наковальней и бойком и частотой вращения дебалансного вала. Определены рациональные параметры рабочего процесса погружения свай вибромолотом, при которых виброскорость максимальна. Величина зазора между наковальней и бойком 1,13 мм, частота вращения дебалансного вала 900 об/мин. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: вибромолот; виброскорость; частота вращения дебалансного вала; величина зазора между наковальней и бойком.

PILOT STUDY OF PILE SINKING BY VIBRATORY HAMMER R.V. Sokolov, Yu.I. Ohebotaryov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the procedure and the results of experimental studies of pile sinking by a vibrohammer. The mathematical model of the operation process is obtained. It serves for building vibrospeed dependences on the gap size between an anvil and a head and the rotation frequency of an unbalanced shaft. Rational operation parameters of pile sinking by the vibratory hammer when vibrospeed is maximum are determined. The gap size between the anvil and the head is 1.13мм. Rotation frequency of the unbalanced shaft is 900 rpm. 4 figures. 2 tables. 4 sources.

Key words: vibrohammer (vibratory hammer); vibrospeed; rotation frequency of unbalanced shaft; gap size between an anvil and a head.

В настоящее время в строительстве для производства надежного основания под здания и сооружения используют свайные фундаменты, которые отличаются простотой, надежностью и низкой себестоимостью, поэтому изучение ударно-вибрационного метода погружения свай является актуальным и своевременным.

Для определения рациональных параметров процесса погружения свай вибромолотом был спроектирован и изготовлен стенд (рис. 1).

Для измерения частоты вращения дебалансного вала использовался тахогенератор, который непосредственно соединен с вибромолотом. Питание установки осуществлялось через частотный преобразователь LC-200 от сети переменного тока напряжением 380 В.

Для определения рациональных параметров процесса погружения использовался виброметр, который снимает показания виброскорости, которая является главным показателем, характеризующим процесс погружения: чем выше этот показатель, тем эффективнее погружение. Параметры вибромолота можно настроить таким образом, чтобы добиться максимальной виброскорости, а следовательно, и максимальной скорости погружения. Также виброметр можно подсо-

единить к осциллографу и определять значение амплитуды, число ударов, а по значению реактивной составляющей удара судить о величине сопротивления грунта.

Рис.1. Лабораторный стенд

1Соколов Роман Викторович, магистрант, тел.: 89021762566, e-mail: [email protected] Sokolov Roman, Graduate Student, tel.: 89021762566, e-mail: [email protected]

2Чеботарев Юрий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных дорожных машин и гидравлических систем, тел.: (3952) 721001.

Chebotaryov Yuri, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Road-Building Machinery and Hydraulic Systems, tel.: (3952) 721001.

При проведении экспериментов свая погружалась в песок (песок является одним из исходных параметров для разработки лабораторного стенда). Перед каждым погружением сваи грунт предварительно уплотнялся самим вибромолотом, использовавшимся как виброуплотняющее устройство, это позволяло добиться состояния грунта, близкого к естественному.

Перед началом каждого эксперимента проверялись крепление датчика виброметра и соединения всех присоединительных проводов, а также поверялась работа всех измерительных приборов. Регулировка зазора производилась вращением гаек штанг, контроль осуществлялся щупом и штангенциркулем.

Анализируя теоретический материал [2,3] для исследования процесса погружения сваи, принимаем два независимых фактора, влияющих на этот процесс:

Эта область определяется интервалом и уровнем варьирования переменных факторов (табл. 1).

Было принято решение искать зависимость параметра оптимизации от исследуемых факторов в виде полинома второго порядка. Для упрощения записи условий эксперимента и обработки экспериментальных значений уровни факторов закодированы с помощью преобразований:

X = ~ Х)а

' JJ '

где Х1 - кодированное значение фактора; 1 - номер фактора; JJ - интервал варьирования; X1 - натуральное значение фактора; Х1а1 - натуральное значение основного уровня.

Уровни варьирования факторов

Таблица 1

№ п/п Факторы Уровни варьирования факторов

- 1,414 -1 0 +1 +1,414

1 х1, об/мин 775,8 900 1200 1500 1624,2

2 х2, мм - 1,13 -0,8 0 0,8 1,13

число оборотов п и величину зазора X.

Для определения зависимости эффективности погружения от вышеперечисленных факторов применен метод экстремального планирования. В основу его положена математическая модель, описываемая функцией отклика вида

У = / О*!, **2 *к )

где у - параметр оптимизации; х - независимые переменные факторы исследуемого процесса; к - число переменных.

На основании изложенного в качестве параметра оптимизации в данном исследовании принята виброскорость ударной части V, которая может быть записана как функция двух переменных:

V = Д п, I ) ,

где п = х1, Л = х2.

Для изучения зависимости у = /(х1, х2) можно применить рототабельное униформпланирование второго порядка. Для этого необходимо, чтобы в системе планирования каждая переменная принимала хотя бы три различных значения. Такое планирование может быть получено путем добавления определенного количества «звездных» и «нулевых» точек к общей схеме планирования, составленной для линейного приближения.

Звездные точки отстоят от ядра (центра) эксперимента на длину звездного плеча ап, которое определяется [1]:

а = 2*/4,

где к - число факторов; при к = 2 ап = 1,414, то есть звездные точки будут иметь координаты (± 1,414; 0), (0;± 1,414).

На основании изученных исследовательских работ и исходя из априорной информации выбирается экспериментальная область факторного пространства.

Эксперимент проводился в рандомизированном порядке в соответствии с [1]. Рандомизация необходима для получения независимых ошибок измерения, поскольку всегда существуют факторы, которые трудно контролировать, например, неравномерность плотности песка по глубине погружения сваи.

Для обработки данных применен регрессионный анализ. В его основу положены следующие предпосылки:

- результаты наблюдения у1,у2,уз - независимо нормально распределенные случайные величины;

- дисперсии о2{уп}(п=1,2,3) равны между собой, а выборочные оценки Б2{у} однородны;

- независимые переменные х1, х2 измеряются с пренебрежительно малой ошибкой в определении у.

Согласно [1] для принятой методики планирования количество необходимых опытов определяется по формуле

N = П + Па + П0 где пк - число точек «куба»; па- число точек «звезды»; п0 - число точек в центре эксперимента; N=4+4+5=13.

Для определения необходимого числа опытов в серии предварительно проведены 13 повторных опытов при неизменных параметрах погружения свай.

Вычислив среднее арифметическое значение виброскорости V, отклонения ( для каждого опыта и сумму квадратов^ст ,2 , подсчитаем стандарт и коэффициент вариации:

а =.

I

а

N - п

а

Квар = = -100%;

где X - средняя арифмитическая (X = Рк ло групп опытов.

п - чис-

Для получения экспериментальных данных с надежностью, равной 0,9, допустимый коэффициент вариации принимаем равным 12%. Тогда

Кдоп/Квар = 1,232.

По данным [1] определено ближайшее к расчетному значение отношения Кдоп/Квар, которому соответствует количество опытов, равное трем.

Эксперимент начинался по окончании подготовительных работ. Стопор лебедки освобождался, вибромолот со сваей опускался на грунт. Вращением ручки частотного преобразователя добивались необходимой угловой скорости вращения дебалансного вала. Показания виброметра заносились в табл. 2.

Было принято решение искать зависимость параметра оптимизации от исследуемых факторов в виде полиномов второго порядка с использованием программы EXCEL. После компьютерной обработки данных эксперимента получено уравнение регрессии в кодированных значениях переменных

/'„У

y = -375235 •

( ~ Л

+ 95,918 •

V x1 J

+1,504

V x1 J

при коэффициенте регрессии к = 0,5.

Подставляя вместо у, х^ х2 конкретные значения, получим уравнение в фактических значениях:

V = -37235 + 95,918+1,504

(1)

Зависимость, характеризующая изменение виброскорости от исследуемых факторов, представлена в виде трехмерного графика (рис. 2).

Анализ математической модели (1) и изучение поверхности отклика (рис. 2) показывают, что на виброскорость процесса погружения сваи оказывает влияние каждый из исследуемых факторов. Наибольшее влияние оказывает зазор между наковальней и бойком. Из рис. 3,4 видно, что максимальное значение виброскорости соответствует зазору 1,13 мм при частоте 900 об./мин.

Таблица 2

Матрица планирования исследований зависимости ударной скорости _от основных параметров процесса_

Номер опыта *1 х2 y1 y2 y3 y

1 -1 (900) -1 (-0,8) 0,95 1,07 0,89 0,97

2 -1 (900) 1 (0,8) 1,13 1,04 1,19 1,12

3 1 (1500) -1 (-0,8) 1,1 1 1,08 1,06

4 1 (1500) 1 (0,8) 1,16 1,23 1,15 1,18

5 -1,414 (776) 0 (0) 1,42 1,42 1,33 1,39

6 1,414 (1624) 0 (0) 1,48 1,39 1,51 1,46

7 0 (1200) -1,414 (-1,13) 1,35 1,26 1,32 1,31

8 0 (1200) 1,414 (1,13) 1,56 1,5 1,44 1,5

9 0 (1200) 0 (0) 1,68 1,55 1,63 1,62

10 0 (1200) 0 (0) 1,6 1,67 1,5 1,59

11 0 (1200) 0 (0) 1,71 1,57 1,67 1,65

12 0 (1200) 0 (0) 1,71 1,55 1,63 1,63

13 0 (1200) 0 (0) 1,6 1,62 1,58 1,6

Примечание: у - среднее арифметическое значение виброскорости по итогам трех опытов.

Рис.2. Зависимость виброскорости от величины зазора между наковальней и бойком и частоты вращения дебалансного вала

При нулевом и положительных зазорах (0, 0,8, 1,13 мм) и частоте вращения 775,8-1624,2 об/мин зависимость виброскорости от частоты вращения близка

м/с. Максимальная виброскорость 1,56 м/с достигается при частоте вращения 775,8 об/мин и зазоре 1,13 мм.

Рис.3. Зависимость виброскорости от величины зазора

1-— —1-1,28

775,8 900 1200 1500 1624,2

-1,5

-1

-0,5

0,5

1,5

Рис.4. Зависимость виброскорости от частоты вращения дебалансного вала

к линейной и с увеличением частоты вращения виброскорость снижается. При отрицательных зазорах (-1,13, -0,8 мм) с увеличением частоты вращения виброскорость увеличивается и достигает 1,42-1,45

По уравнению (1) были построены графики зависимости виброскорости от величины зазора (рис. 3) и частоты вращения дебалансного вала (рис. 4).

Библиографический список

1.Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.

2. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высшая школа, 1977. 255 с.

3. Мартынов В.Д. Строительные машины и монтажное оборудование. М.: Высшая школа, 1990. 385 с.

4. Бауман В.А. и др. Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов: справочник. М.: Машиностроение, 1970. 548 с.