CC BY
23Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.155.113
Н.С. СОКОЛОВ1'2, канд. техн. наук, директор (forstnpf@mail.ru, ns_sokolov@mail.ru)
1 ООО НПФ «ФОРСТ» (428000, Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Калинина, 109 а) 2 Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова (428015, Чувашская Республика, г. Чебоксары, Московский пр., 15)
Исследование и разработка принципиальной схемы генератора импульсных токов
Электроразрядно-импульсная технология устройства буроинъекционных свай (свай ЭРТ) в геотехническом строительстве имеет широкие перспективы. Благодаря тому, что она обладает уникальностью и универсальностью для достижения задач геотехнического строительства, настоятельно необходима электротехническая конструкция, способная к накоплению энергии с последующей разгрузкой в виде электрогидравлического удара в теле мелкозернистого бетона на стенки скважин через излучатель. Накапливая электротехническую энергию от 1 до 100 кДж, генератор импульсных токов периодически с интервалом 5-15 с производит разгрузку через коаксиальный кабель КВИМ (кабель высоковольтный импульсный малоиндукционный) через излучатель в мелкозернистый бетон. С помощью возникающего электрогидравлического удара создается результирующий эффект возведения буроинъекционной сваи с регулируемым значением ее несущей способности по грунту. В настоящей статье приводится принципиальная электрическая схема генератора импульсных токов как результат длительных исследований по созданию установки для изготовления свай ЭРТ с требуемыми параметрами несущей способности и осадок.
Ключевые слова: генератор импульсных токов, емкость накопительной батареи, электрическая мощность, электрораз-рядно-импульсная технология, электрогидравлический удар, магнитный пускатель, коаксиальный кабель, буроинъекцион-ная свая, несущая способность сваи по грунту.
Для цитирования: Соколов Н.С. Исследование и разработка принципиальной схемы генератора импульсных токов // Жилищное строительство. 2018. № 9. С. 37-41.
N.S. SOKOLOV1,2, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Director (forstnpf@mail.ru, ns_sokolov@mail.ru) 1 OOO NPF «FORST» (109a, Kalinina Street, Cheboksary, 428000, Russian Federation) 2 Chuvash State University named after I.N. Ulyanov (15, Moskovsky Avenue, Cheboksary, Chuvash Republic, 428015, Russian Federation)
Investigation and Development of the Principal Scheme of the Generator of Pulsed Currents
Electric-discharge-pulse technology of drilling and injection piles (EDT piles) in geotechnical construction has broad prospects. Due to the fact that it possesses uniqueness and universality for solving the problem of geotechnical construction, an electrical construction that is capable of accumulating the energy with the subsequent unloading in the form of electrohydraulic impact in the body of fine-grained concrete on the walls of the wells through the emitter is imperatively necessary. Accumulating the electro-technical energy from 1 to 100 kJ, the pulse current generator (GPC) periodically, with an interval of 5-15 sec, discharges through the coaxial cable KVIM (cable high-voltage pulsed low-inductance) through the radiator into fine-grained concrete. With the help of the emergent electrohydraulic shock, the resultant effect of erecting the drilling and injection pile with an adjustable value of its bearing capacity on the ground is created. In this article, a principle electric scheme of the pulse current generator is presented as a result of extensive research in the creation of an EDT pile making machine with the required parameters of bearing capacity and settlement.
Keywords: generator of pulse current, capacity of cumulative battery , maximum consumed electric power, electric discharge pulse technology (EDT), electrohydraulic shock (EHS), magnetic starter (MS), coaxial cable (KVIM), drilling and injection pile, bearing capacity of pile depending on ground.
For citation: Sokolov N.S. Investigation and development of the principal scheme of the generator of pulsed currents. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 9, pp. 37-41. (In Russian).
Современное геотехническое строительство обладает рядом современных технологий возведения заглубленных сооружений. Наиболее часто используемые из них - это буровые сваи. Наиболее оптимальной из них является электроразрядная технология устройства буроинъекционных свай (свай ЭРТ).
Электроразрядная технология устройства буроинъекционных свай ЭРТ дает возможность при относительно небольших затратах получить положительные результаты, существенно улучшить условия техники безопасности при устройстве буроинъекционных буронабивных свай, грунтовых анкеров, цементаций оснований и т. д.
Сваи с многоместными уширениями (СМУ) применяются давно. Опыт использования таких свай имеется во мно-
92018 ^^^^^^^^^^^^^
гих странах. Конструкция такой сваи представляет собой буровую сваю с уширением на пяте. Выше этого уширения в зависимости от типа геолого-технических условий и требуемой несущей способности сваи выполняются дополнительные уширения.
Практика изготовления таких свай показала их высокую эффективность [1-9]. Несущая способность свай ЭРТ с одним уширением в 2-2,5 раза, а с двумя - в 3-3,5 раза выше, чем у свай, выполненных без уширений.
Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для обработки буроинъекционных свай электрогидравлическим ударом, возникающим при электрическом разряде в среде мелкозернистого бетона в пробуренных скважинах [10-15].
- 37
ЖИЛИЩНОЕ
Подземное строительство
л:
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема генератора импульсных токов (ГИТ)
Известно, что при создании высоковольтных электрических разрядов возникает электрогидравлический эффект, который выражается в создании сверхвысокого давления, способного совершать механическую работу в виде уплотнения грунта стенок скважин.
Генератор импульсных токов представляет собой электрическую конструкцию из нижеприведенных блоков (рис. 1, 2): 1 - блок питания и заряда емкостного накопителя энергии (БЗЕНЭ); 2 - емкостной накопитель энергии (ЕНЭ); 3 - блок управления зарядом (БУЗ); 4 - пульт дистанционного управления (ПДУ); 5 - силовой кабель питания; 6 - высоковольтная энергомагистраль (ВЭМ); 7 - кабель заземления; 8 - излучатель электрической энергии; 9 - колонна труб излучателя; 10 - спускоподъемное устройство колонны труб излучателя.
Ниже приведено описание принципиальной схемы электрического ГИТ. Однофазное переменное напряжение сети ~220 В преобразуется на высоковольтном трансформаторе ТУ1 в высокое напряжение ~10 кВ, которое через то-коограничительный конденсатор С1 поступает на выпрямитель VD1, собранный по однофазной мостовой схеме.
Постоянное высокое напряжение через зарядное сопротивление R1 осуществляет заряд емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), конденсаторы С2 и СЗ. Накопленная энергия от ЕНЭ через высоковольтный управляемый разрядник F2 передается по высоковольтной энергомагистрали ВЭМ на излучатель электрической энергии.
Пробой F2 осуществляется в момент достижения уровня напряжения на ЕНЭ величины, установленной в блоке управления зарядом - БУЗ. Пробой F2 осуществляется путем ионизации (поджига) одного из воздушных промежутков F2 высоковольтными импульсами, вырабатываемыми схемой ГИТ. БУЗ предназначен для управления: автоматическим зарядом конденсаторов ЕНЭ до заданного значения напряжения; поджигом F2; разрядом ЕНЭ на балластные резисторы; защитой ЕНЭ от перенапряжения. В БУЗ также формируется синхронный импульс для запуска внешних устройств, например, осциллографа, компьютера и т. д. В БУЗ, кроме того, формируется сигнал на электрический счетчик импульсов для автоматизированного подсчета количества произведенных разрядов.
Принципиальная схема ГИТ представлена на рис. 1.
После включения сетевого автомата QF1 напряжение ~220 В подается на первичную обмотку трансформатора ^2, со вторичных обмоток которого соответствующие напряжения поступают в схему БУЗ.
Для начала высоковольтного заряда ЕНЭ необходимо нажать кнопку SB3 «ПУСК» (на передней панели БЗЕНЭ) или две кнопки SB2.1 и SB2.2 «ПУСК» (на ПДУ). При этом включается промежуточное реле К4 при замкнутых контактах SQ БЛОКИРОВКА в соответствующих местах корпуса установки.
Контакты К4.2 реле К4, замыкаясь, подают питание на катушку короткозамыкателя К1. При этом К1, вклю-
Научно-технический и производственный журнал
------ Ж ИЛИ ЩНОЕ : -—
СТРОИТЕЛЬСТВО
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема блока управления зарядом (БУЗ)
чившись, разблокирует ЕНЭ от корпуса. Контакты К4.1 реле К4, замыкаясь, подготовят магнитный пускатель К2 к срабатыванию. Контакты К 1.1 короткозамыкателя К1 через нормально замкнутые контакты К3.1 подключают К2 к сети ~220 В. При срабатывании К2 замыкаются его контакты К2.1 и К2.2, подключая высоковольтный трансформатор к сети ~220 В. Начинается заряд ЕНЭ. При этом контакты К2.1 заблокируют кнопки «ПУСК» SB3 на панели БЗЕНЭ и SB2.1, SB2.2 на панели ПДУ. Далее ГИТ начинает работать в автоматическом режиме набора заряда ЕНЭ и сброса энергии заряда на излучатель при повышении высокого напряжения на батарее конденсаторов ЕНЭ до уровня, установленного в БУЗ. Для прерывания автоматического режима следует нажать одну из кнопок «СТОП» на панели БЗЕНЭ или ПДУ сразу после прохождения заряда с ЕНЭ на излучатель (для предотвращения перегрева балластных резисторов R7, R8, R9 в схеме ГИТ). Таким образом, осуществляется необходимая последовательность работы элементов схемы: подача питания в БУЗ - снятие заземления - подача напряжения заряда на ЕНЭ. Загорание сигнальной лампочки HL1 свидетельствует о процессе заряда батареи ЕНЭ и появлении высокого напряжения на ней.
Высокое напряжение со вторичной обмотки трансформатора через конденсатор С1, который ограничивает ток заряда (и во многом определяет время заряда, т. е. чем больше емкость, тем меньше время заряда, но в то же вре-
9'2018 ^^^^^^^^^^^^^^
мя больше ток заряда, а это уменьшает надежность работы выпрямителя), поступает на высоковольтный выпрямитель VD1. Через зарядное сопротивление R1 происходит заряд ЕНЭ, выполненный на конденсаторах С2, СЗ (в конкретном случае в зависимости от типа конденсаторов в батарее количество и схема включения конденсаторов различны).
Параллельно ЕНЭ включен высоковольтный делитель R2, R3, сигнал с которого поступает в БУЗ для управления процессом заряда-разряда.
В ту же цепь включен высоковольтный делитель R4, R5 для измерения величины зарядного напряжения с помощью микроамперметров РА1.
Защитный разрядник F1 предназначен для защиты от перенапряжения ЕНЭ. Он представляет собой воздушный разрядник, настроенный на разряд при напряжении на батарее конденсаторов ЕНЭ, относительно корпуса, равном 10 кВ. Он включается в работу (при разомкнутых контактах К1.2 короткозамыкателя К1) при превышении напряжения на ЕНЭ выше 10 кВ, замыкая цепь воздушного промежутка, и обеспечивает включение реле КЗ, контакты К3.1 которого размыкают цепь питания катушки магнитного пускателя К2. Магнитный пускатель (МП) К2 разрывает свои нормально разомкнутые контакты К2.2 и К2.3, при этом снижается напряжение с силового высоковольтного трансформатора ^1. МП К2 своими контактами К2.1.
Кроме того, он разблокирует кнопки «ПУСК» в БЗЕНЭ и ПДУ и снижает питание с катушки промежуточного реле К4.
- 39
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Реле К4 своими нормально разомкнутыми контактами: К4.1 дополнительно разрывает цепь питания катушки магнитного пускателя К2; К4.2 разрывает цепь питания катушки К1 короткозамыкателя. Возврат промежуточного реле К4 в отключенное состояние происходит почти одновременно с включением реле КЗ (при пробое разрядника F1). Корот-козамыкатель К1 через контакты К1.2 разряжает ЕНЭ на корпус ГИТ (через балластные резисторы Я7; Я8; Я9, ограничивающие ток разряда ЕНЭ).
Если же схема работает в рабочем режиме, то вся энергия заряда (в момент поступления импульсов поджига с БУЗ через импульсный трансформатор ^3) при поджиге управляемого воздушного разрядника F2 мгновенно поступает по высоковольтной энергомагистрали на излучатель.
Прекращение следующего цикла заряда батареи и отключение схемы заряда ЕНЭ от сети производится нажатием кнопки SB2 «СТОП» на передней панели БЗ ЕНЭ или кнопки SB1 «СТОП» на ПДУ. Работа пульта дистанционного управления (ПДУ) приведена ниже. ПДУ предназначен для дистанционного включения схемы заряда и разряда ЕНЭ. Для этого имеются кнопки SB1 «СТОП» и две кнопки SB2.1 и SB2.2 «ПУСК». Светодиод HL1 дублирует светодиод HL2 «ПОДЖИГ» (в блоке БУЗ) и является индикатором включения поджига.
Светодиод HL2 загорается в момент подачи сетевого напряжения на силовой трансформатор и является индикатором заряда высоковольтным напряжением ЕНЭ. Светодиод HL3 дублирует светодиод HL1 «ГОТОВ», распо-
Список литературы
1. Соколов Н.С., Кадышев Е.Н. Электроразрядная технология для устройства буроинъекционных свай // Вестник Чувашского университета. 2017. № 3. С. 159-165.
2. Соколов Н.С., Викторова С.С., Смирнова Г.М., Федосеева И.П. Буроинъекционная свая ЭРТ как заглубленная железобетонная конструкция // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 47-50.
3. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай ЭРТ // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015. № 2. С. 10-13.
4. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъекционных свай с многоместными ушире-ниями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28-34.
5. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб.: Геореконструкция, 2010. 551 с.
6. Патент РФ № 2250958. Устройство для изготовления набивной сваи / Соколов Н.С., Таврин В.Ю., Абрамуш-кин В.А. Заявл. 14.07.2003. Опубл. 27.04.2005. Бюл. № 12.
7. Патент РФ № 2282936. Генератор импульсных токов / Соколов Н.С., Пичугин Ю.П. Заявл. 4.02.2005. Опубл. 27.08.2006. Бюл. № 24.
8. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 17-20.
4о| -
ложенный в блоке БУЗ, и является индикатором готовности блока БУЗ к работе. Микроамперметр РА1 используется в качестве киловольтметра и откалиброван для измерения напряжения ЕНЭ в киловольтметрах.
ПДУ представляет собой автономный блок, связанный через разъем ХТ2 многожильным кабелем с остальными элементами схемы ГИТ.
Разработанная установка имеет широкое практическое применение в геотехническом строительстве. Она внедрена в ряде геотехнических фирм, таких как ООО «Научно-производственная фирма «ФОРСТ» (г. Чебоксары) и Научно-производственное объединение «РИТА» (г. Москва). Используя ГИТ, выполнено несколько тысяч объектов подземного строительства, как, например, сваи ЭРТ в свайных полях; грунтовые анкера ЭРТ; сваи ЭРТ в ограждениях котлованов; цементация оснований и т. д.
Выводы. Разработанная принципиальная электрическая схема генератора импульсных токов (ГИТ) имеет широкое практическое значение в геотехническом строительстве при возведении заглубленных железобетонных конструкций. ГИТ, являясь накопителем высокой, до 100 кДж электрической энергии, посредством разрядного устройства разгружаясь в заполненную мелкозернистым бетоном скважину, за счет возникшего электрогидравлического удара (ЭГУ) создает предпосылки для создания свай ЭРТ повышенной несущей способности. При этом многократное использование ЭГУ вдоль ствола сваи создает условия к существенному, до 3,5 раз увеличению Fd.
References
1. Sokolov N.S., Kadyshev E.N. Electrodischarge technology for the device flight augering piles. Vestnik Chuvashskogo universiteta. 2017. No. 3, pp. 159-165. (In Russian).
2. Sokolov N.S., Viktorova S.S., Smirnova G.M., Fedosee-va I.P. Flight augering piles-EDT as a buried reinforced concrete structure. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 47-50. (In Russian).
3. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About one method of calculation of the bearing capability the buroinjektsi-onnykh svay-ERT. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2015. No. 1, pp. 10-13. (In Russian).
4. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About effectiveness of the appliance of continuous flight augering piles with multiple caps using electric-discharge technology. Geotehnika. 2016. No. 2, pp. 28-34. (In Russian).
5. Ulitsky V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Geotehnicheskoe soprovogdenie gorodov [Geotechnical support of urban development]. Sain Peterburg: Georekonstrukciya. 2010. 551 p.
6. Patent RF 2250958. Ustroistvo dlya izgotovleniya nabivnoi svai [The device for production of a stuffed pile]. Sokolov N.S., Tavrin V.Yu., Abramushkin V.A. Declared 14.07.2003. Published 27.04. 2005. Bulletin No. 12. (In Russian).
7. Patent RF 2282936. Generator impul'snykh tokov [Generator of pulse currents]. Sokolov N.S., Pichugin Yu.P. Declared 4.02.2005. Published 27.08. 2006. Bulletin No. 24. (In Russian).
8. Ilyichev V.A., Mangushev R.A., Nikiforova N.S. Experience in the development of the underground space of Russian megacities. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2012. No. 2, pp. 17-20. (In Russian).
^^^^^^^^^^^^^ 92018
Научно-технический и производственный журнал
9. Куженин И.П. Испытательные установки и измерения на высоком напряжении. М.: Энергия, 1980. 135 с.
10. Фрюнгель Ф. Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов, конденсаторов. М.; Л.: Энергия, 1965. 488 с.
11. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатом-издат, 1988. 192 с.
12. Соколов Н.С., Соколов С.Н., Соколов А.Н. Мелкозернистый бетон как конструкционный строительный материал буроинъекционных свай ЭРТ // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 16-20.
13. Разевич Д.В. Техника безопасности. М.: Энергия, 1976. 488 с.
14. Соколов Н.С. Один из подходов решения проблемы по увеличению несущей способности буровых свай // Строительные материалы. 2018. № 5. С. 44-47.
15. Соколов Н.С., Соколов С.Н., Соколов А.Н., Рябинов В.М. О буроинъекционных сваях с регулируемой несущей способностью по грунту // Жилищное строительство. 2017. № 8. С. 34-38.
9. Kuzhenin I.P. Ispytatel'nye ustanovki i izmereniya na vysokom napryazhenii [Test facilities and measurements at high voltage]. Moscow: Energia. 1980. 135 p.
10. Fryungel F. Impul'snaya tekhnika. Generirovanie i primenenie razryadov, kondensatorov [Impulse technique. Generation and application of discharges, condensers]. Moscow -Leningrad: Energiya. 1965. 488 p.
11. Lagutin A.S., Ozhogin V.I. Sil'nye impul'snye magnitnye polya v fizicheskom eksperimente [Strong pulsed magnetic fields in the physical experiment]. Moscow: Energoatomizdat, 1988. 192 p.
12. Sokolov N.S., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Fine-grained concrete, as a structural construction material for flight augering piles-EDT. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 16-20. (In Russian).
13. Razevich D.V. Tekhnika bezopasnosti [Security regulation]. Moscow: Energiya. 1976. 488 p.
14. Sokolov N.S. One of approaches to solve the problem of increasing the bearing capacity of bored piles. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 5, pp. 44-47. (In Russian).
15. Sokolov N.S., Sokolov S.N., Sokolov A.N., Ryabinov V.M. About bored-injection piles with regulated bearing capacity by soil. Zhilishchnoe Stroitefstvo [Housing Construction]. 2017. No. 8, pp. 34-38. (In Russian).
_ИНФОРМАЦИЯ
Конкурс альтернативных планировок стандартного жилья
Определены 20 финалистов открытого международного архитектурного конкурса на разработку альтернативных решений планировок стандартного жилья. Конкурс проводится Минстроем России и ДОМ.РФ при поддержке Правительства РФ. Оператором конкурса выступает КБ Стрелка.
Цель конкурса - сформировать понятный размерный ряд квартир и предложить альтернативные планировки для каждого типа стандартного жилья. Участники конкурса должны были сделать акцент на гибкой планировочной структуре: взять за основу три из четырех типов здания (многоквартирный дом, башня, секционное здание или галерея), разработать линейки квартир. Перед конкурсантами стояла задача создать новые функционально-планировочные решения, исходя из разных сценариев жизни современных горожан. В основу технического задания легли положения стандартов комплексного развития территорий, которые КБ Стрелка разрабатывает совместно с ДОМ.РФ.
В современных принципах формирования жилья нет жестких ограничений по планировкам квартир, входных групп, этажей. Был задан шаг квартирографии - 25 и 30 м2. В результате получилась большая вариативность планировок. Так молодые архитекторы со всего мира видят стандартную жилую единицу для разных типов семей. Уже сейчас совместно с Минстроем России и КБ Стрелка проводится масштабная программа архитекторы.рф для обучения молодых архитекторов со всей страны.
Рассмотрение заявок сопровождалось выставкой проектов. Финалистов выбрали члены международного жюри, в числе которых архитектор и градостроитель, куратор выставки АРХ Москва и Московской Архитектурной Биеннале Барт Голдхоорн и президент Королевского института голландских архитекторов (BNA), сооснователь бюро MVRDV, член попечительского совета Гронингенского музея Натали Де Врис, архитектор, преподаватель Швейцарской высшей технической
школы Цюриха, обладатель Золотого льва Венецианской биеннале 2018 Алессандро Боссхард, заслуженный архитектор, главный архитектор ТПО «Резерв» Владимир Плоткин. Лучшие проекты предложили:
• Sidereal studio (Испания)
• OLGA BOMBAC, Architect (Словения)
• Grupo H d.o.o. (Словения)
• Pedro Pitarch (Испания)
• ARCHNOGA (Россия)
• GINNETTE GOTTI / DOS G ARQUITECTOS, S.A. (Панама)
• AKVS architecture (Россия)
• Raul Gutierrez Salgado (Испания)
• Архитектор Евгений Леонов (в сотрудничестве с UNITED RIGA ARCHITECTS) (Россия)
• Михаил Сергеев (Россия)
• COPRAT (Италия)
• STVX (Мексика)
• Urban Possible (Австралия)
• animali domestici (Таиланд)
• AHMADULLIN-ARCHITECTS (Россия)
• DESIGN COOPERATIVE (Индия)
• Israel Nagore Setien/ Fernando Rubio Ezquieta (Великобритания)
• atArchitecture (Avneesh & Neha) (Индия)
• The Center for Spatial Technologies + Leverage Strategy (Германия)
• Ziya Imren Architects + Onur Yuncu Architects + Tolga Iltir Architects (Турция)
Все 20 участников, прошедших во второй тур, получат по 1 млн р и рекомендации жюри по доработке проектов. Финальные концепции они представят в ноябре 2018 г., после чего будут определены победители и призеры. До пяти проектов получат по 2 млн р, до пяти проектов - по 1,5 млн р, до десяти проектов - по 1 млн р.
По материалам Минстроя РФ
92018
41
