CC BY
44
I УД К 624.155
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ УДАРА ДИЗЕЛЬ-МОЛОТА ПРИ ЗАБИВКЕ СВАЙ В ГРУНТЬ!
И.И. Бекбасаров
Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати
Топыраща кадалар ксщкач кезшдег! дизель-балганыц согуэнергиясын аныцтайтын формула келт1ршген. Формуланы кррытындылап шыгарган кезде согу процесШц негЬг! ерекшшктерi ескер1лген. Tymi тецЫкретшде энергетикальщ тепе-тецЫк цолданылган. Бурынгы к,олданылып келген формулаларга Караганда усынылып отырган формула балганыц согу энергиясын сощы кезшдегг балганыц жандыргыш камерасына буркитш отынныц жаратылуын ескерт есептеуге мумкшдш береЫ.
Представлена формула по определению энергии удара дизель-молотов при забивке свай в грунты. При выводе формулы учтены основные закономерности процесса ударного взаимодействия соударяемых элементов. В качестве исходного уравнения использовано уравнение энергетического баланса. В отличие от существующих рекомендуемая формула позволяет рассчитывать энергию удара молота с учетом топлива, подаваемого в камеру сгорания молота при ударе.
Пе formula for definition of impact's energy of a diesel engine is presentedfor the process of hammer in ofpiles into the ground. During the formula elaboration the basic laws for elements under the impact interaction are taken into account. The equation of power balance is used as the initial equation. Die recommended formula allows to calculate energy of a diesel engine while taking into account the fuel submitted in the chamber of combustion for diesel engine at impact.
При забивке свай, как известно, энергия удара дизель-молота складывается из двух составляющих: первой - энергии механического уда-га (зависящей от веса и высоты падения ударной части молота); вто-: ой- энергии взрыва горючей смеси, идущей на погружение сваи (зависшей от объема топлива, подаваемого в камеру сгорания молота при даре). Определению энергии удара дизель-молотов с учетом этих оставляющих посвящено ряд исследований [1-4]. Общим недостатком оормул, полученных специалистами на основе этих исследований яв-иется то, что они не позволяют определять энергию взрыва горючей
смеси с учетом расхода (объема) топлива, подаваемого в камер) ; -рания молота.
Для обоснования необходимости учета данного параметра досга но отметить, что в дизель-молотах регулирование высоты подъем. ударной части, а следовательно, и энергии удара осуществляется г al изменения расхода топлива, подаваемого в их камеру сгорания [1 5 Ц Учитывая актуальность данного вопроса ниже рассматривается ргзЯ ние соответствующей задачи.
Исходную формулу по определению энергии удара дизель-моле т_ т^В забивке свай можно представить в следующем виде
Е, = Е + Е - Е.,
d шр tp sk'
где Emp - энергия механического удара молота (без подачи топ. ■ т камеру сгорания), кДж;
Etp - энергия взрыва горючей смеси в камере сгорания моле JH щая на погружение сваи, кДж;
Esk - энергия молота, расходуемая на сжатие воздуха в кау ет»: рания, кДж.
Рассмотрим пути определения параметров, входящих в дани с: жение.
В настоящее время существуют несколько предложений по еггэеэ нию энергии механического удара дизель-молотов [1,3,4,7], ана. рых позволяет считать, что наиболее приемлемым и достаточк: х ванным из них является предложение Школьникова И.Е. [7]. И жено энергию механического удара дизель-молотов рассчнтъ за: формуле
Ешр = GH (k + cosa - k'sina - 1), где G - вес ударной части молота, кН,
к - КПД молота, принимаемый по таблице 1, a - угол наклона оси молота к вертикали в градусах: к' - коэффициент трения, зависящий от конструктивны-. :<: стей и состояния поверхностей скольжения ударной час принимаемый по таблице 1
Значения коэффициентов кик'
Тип молота
Коэффициент к
при расчете несущей способности сваи
при расчете напряжении в свае
Ко
Трубчатый
0,85
0,9
Штанговый
Значения коэффициентов кик', представленные в таблице 1 установлены на основе результатов экспериментального измерения сил [рения и скорости движения ударной части молотов. Поэтому эти коэффициенты в формуле (2) выступают как обобщенные параметры, в совокупности учитывающие следующие потери энергии дизель-молотов при ударе:
- потери энергии от конструктивного трения, не зависящего от наклона сваи и являющегося постоянным для конкретного молота,
потери энергии на преодоление трения, обусловленного появлением составляющей силы тяжести ударной части молота, перпендикулярной направлению ее движения, при забивке наклонной сваи;
- потери энергии на преодоление сопротивления воздуха в цилиндре молота (без учета сжатия воздуха в камере сгорания молота).
Для определения энергии молота, расходуемой на сжатие воздуха в его в камере сгорания, специалистами рекомендуется использовать ряд формул, представленных в работах [1,4,6]. Количественной проверкой зыявлеио, что из них наиболее достоверные результаты позволяег получать формула Вязовикина В.Н., предложенная Новожиловым Г.Ф в работе [4]
Е4 = 60Р Ук, (3)
. де Ра - атмосферное давление, кПа,
Ук - объем камеры сгорания молота, м3
Таким образом, обобщая изложенное, следует отметить, что в исходной формуле (1) для определения параметров Етр и Езк можно использовать соответственно формулы (2) и (3).
Кроме отмеченных параметров, в правую часть формулы (1) входит и энергия взрыва горючей смеси в камере сгорания молота, идущая на погружение сваи Е . Рассмотрим решение задачи по ее определению. Для этого предварительно примем следующий порядок изменения процесса взаимодействия соударяемых элементов (ударной части молота, шабота, амортизатора, наголовника, сваи и грунта) при ударе, установленный на основе анализа и обобщения данных, изложенных в работах 1.4,5,7,8]:
1 этап поршень (ударная часть) молота падает с определенной вы-:оты и преодолевает трение о стенки цилиндра;
- 2 этап - поршень перекрывает выхлопные патрубки цилиндра и, зигаясь вниз, дополнительно преодолевает еще и сопротивление воз-:уха сжатию. Сжатие воздуха происходит в соответствии с законо-
мерностями политропного процесса на участке, длиной Нр (рабочий xoz поршня);
- 3 этап - происходит удар молота по шаботу;
-4 этап - ударом поршня распыляется топливо, находящееся в кау;-ре сгорания молота, далее оно, перемешиваясь с нагретым от сжата* воздухом, воспламеняется и происходит взрыв горючей смеси с выде. : нием газов. В процессе ударного контакта до взрыва горючей смеси г:> шень, шабот, наголовник, амортизатор и свая перемещаются совмест>: на величину 8о;
- 5 этап - происходит расширение газов вниз с оказанием дополнительного давления на шабот, наголовник, амортизатор и сваю. Рас::з~ рение газов сопровождается отрывом шабота от поршня и подчиняв закономерностям политропного процесса. Расширение газов проте:-до остановки сваи, на участке длиной, равной ее отказу Б';
- 6 этап - происходит расширение газов в противоположную сте и поршень поднимается вверх, преодолевая трение о стенки цилик До открытия выхлопных патрубков расширение газов протекает в ответствии с закономерностями политропного процесса. Расши газов вверх охватывает участок длиной, равной (Бо+ Нр);
- 7 этап - поршень продолжает двигатся вверх, открываются лопные патрубки, происходит выхлоп отработанных газов и в ци_ поступает свежий воздух, в результатете чего давление в цилиндре жается. Поршень, перемещаясь вверх на величину Ь, останавлж^ Давление в цилиндре при этом достигает атмосферного или очень " кого к нему значения.
Изложенный порядок изменения процесса взаимодействия со\ мых элементов характерен для трубчатых молотов. Пренебрегал торыми особенностями работы штанговых молотов, как это сэг работах [1,4], примем этот порядок и для штанговых молотов.
На основе изложенного, для процесса расширения газов (пост; ва горючей смеси в камере сгорания молота) по направлению сваи, уравнение политропы запишется в виде [9]
Р/Р
где Р5 - давление газов при их объеме У5, кПа;
Рв - давление взрыва горючей смеси (максимальное) в ка рания молота, кПа;
У5 - объем газов к концу их расширения по направлению сваи, м3;
п - показатель политропы расширения. При известном уравнении политропы (4), формула по определению энергии взрыва горючей смеси, идущей на погружение сваи, может быть представлена в виде
Е1р = (РЛ"Р6^/(п-1). (5)
В формулах (4) и (5) объем камеры сгорания Ук и объем газов V можно определить соответственно по формулам
Ук = АН/(е-1), (6)
У=Ук+А8'=А[Н/(б-1) + 8'], (7)
где А площадь поперечного сечения цилиндра молота, м2; е степень сжатия воздуха,
Б' - перемещение сваи в грунте, в пределах которого проявляется расширение газов, м. Перемещение Б' по величине меньше полного отказа сваи 8 и может быть выражено относительно нее в виде зависимости
5' = к 8, (8)
где к - коэффициент, определяющий долю перемещения Б' от отказа сваи Б.
Учитывая зависимость (8) и принимая Нр/ (е 1) = в, формулы (6) и (7) можно представить в виде
Уь = Ав, (9)
У=А(в+к8), (10)
Определение энергии Е по формуле (5) требует знаний величин давлений Р и Р.
Б 5
Известно, что при взрыве горючей смеси величина давления Рв в камере сгорания трубчатого молота может достигать 7-8 МПа [5], но формул, позволяющих рассчитывать этот параметр применительно к взрыву смеси паров жидких горючих веществ в настоящее время не выявлено. Единственная формула, представленная в работе [10], позволяет устанавливать давление горючих газов только для случая взрыва смесей природных газов и воздуха при их воспламенении. Поэтому, учитывая, что при забивке свай, повышение расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания молота, вызывает увеличение высоты подъема его ударной части, примем гипотезу о прямой пропорциональности давления Рв объему топлива Уг, вспрыскиваемого в камеру сгорания молота.
С учетом принятой гипотезы зависимость между указанными параметрами можно представить в виде
Р =к V, (11)
где к - коэффициент пропорциональности, кН/м2л.
Учитывая зависимость (11) из уравнения политропы (4) можно по.т-чить формулу по определению давления Р
Р=Р (^/У/ = кУ,(Ук/У/, о|
Формула (12) с учетом выражений (9) и (10) может быть окончатся но записана в виде
Р = к У,[в/(в + к Б)]", Теперь, принимая во внимание формулы (9), (10), (11) и (13), выра» ;-ние (5) по определению энергии взрыва горючей смеси, идущей на г гружение сваи, окончательно можно представить в виде
Е1р = [А к У; в/(п -1)] {1 -[в/(в+ к в)]»-1}, иЛ
Тогда, учитывая формулы (2), (3) и (14), исходная формула (1) по сс~ ределению энергии удара дизель-молота при забивке свай может от представлена в виде
Еа = ОН (к + соза-к' вта- 1) + + [А к У в/(п -1)] {1-[в/(в+ к 8)]»-'}-60Р Ук, Для случая забивки вертикальных свай формулу (15) рекомендует 1 использовать в виде
Е,= ОН к+[Ак У1 в/(п 1)] {1-[в/(в+к Б^-АНД, где Рц - условное давление в виде отношения 60Ра/ (е-1), принимав - . с равным: 450 кПа для трубчатых молотов; 263 кПа - для штат: -вых молотов.
Данная формула в отличии от существующих формул подобного г: а отличается тем, что она позволяет определять энергию удара ди:-;. т^-молотов с учетом расхода топлива в их камере сгорания.
На основе результатов экспериментальных исследований устантт а» ны значения коэффициентов кв и к , при которых формула (1) позв: ас получать достоверные результаты.
ЛИТЕРАТУРА
1 Бахолдин Б.В. Энергия удара дизель-молота при погружении свай /, :: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.- Москва, 1977.- Вып. 66.- С. 40-45.
2. Шахирев В.Б., Савицкий Г.И Совершенствование статических, и дин.; ких испытаний свай. Тезисы докладов и сообщений Всесою зной конференни: вершенствованию технологии работ нулевого цикла с использованием средс и низации и автоматизации.-Уфа, 1981.-С.42-45.
3. Абрамов В.Е. Динамическое взаимодействие дизель-молота и сваи в гп ее погружения в грунт // Материалы V Всесоюзной конференции по динамике ний, фундаментов и подземных сооружений.- Москва, 1981.- С. 165-167
4. Новожилов Г Ф. Бездефектное погружение свай в талых и вечномерш: тах,- Ленинград, 1987 111 с.
5. Суворов A.B., Левинзон AJI Машины для свайных работ - Москва, 1982.-148 с.
6. Нарбут Р.М Работа свай в глинистых грунтах-Ленинград, 1972.-160 с.
7 Школьников И.Е. Учет механических потерь энергии в свайных молотах при динамических расчетах//Труды ЦНИИС.-Москва, 1977.— С. 110-119.
8. Вязовитн В.H Теоретические исследования процесса удара дизель-молота // Труды ВНИИСДМ.- Москва, 1979,- Вып. 84.- С. 3-9.
9. Техническая термодинамика. / Подред. Крутова В.И. - Москва, 1981.- 439 с,
10. Нечаев М.А. Основы газовой техники - Ленинград, 1974.- 88 с.
