CC BY
54
© В. В. Червов, 2004
УДК 622.233.5 В. В. Червов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО МОЛОТА ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
Семинар № 16
Сравниваются конструктивные особенности пневмопробойника и пневмо-молота с новой системой воздухораспределе-ния. Рассматриваются основные принципы конструирования пневмомолота и требования к его технологической оснастке. Изложены рекомендации по практическому применению оборудования.
Пневмомолоты предназначены для забивания стальных труб в грунт при бестраншейном способе прокладки подземных коммуникаций. Кроме этого, они применяются для забивания труб, шпунтов, швеллеров, двутавров вертикально в грунт при проведении специальных работ.
Пневмопробойники
В качестве пневмомолота на протяжении 30 лет успешно применяются пневмопробойники [1]. Пневмопробойник - это устройство, содержащее длинный стальной цилиндрический корпус из высокопрочной легированной стали (рис. 1). Внутренняя поверхность корпуса выполнена с высокой точностью, т.к. является элементом пневмопары - зеркалом цилиндра. Другим элементом пневмопары - поршнем является ударник, выполненный из высокопрочной легированной стали. Ударник с корпусом образует переднюю камеру обратного (холостого) хода. В хвостовой части ударника вы-
полнено с высокой точностью глухое цилиндрическое отверстие, образующее вместе с патрубком камеру прямого (рабочего) хода. Патрубок, представляющий собой неподвижный поршень, с ударником, который играет роль подвижного цилиндра, образует воздухораспределительную пару. Для подвода сжатого воздуха в переднюю камеру и выхлопа из нее в ударнике выполнены сквозные поперечные отверстия, сечение которых делается, по возможности, наибольшим. Вокруг этих отверстий в ударнике концентрируются напряжения при прохождении деформационной волны, возникающей после удара ударника по корпусу. Пневмопробойник с виду простое и надежное устройство. Однако для его изготовления требуется сложная и точная технология. Детали устройства, с одной стороны, должны иметь очень твердую поверхность. Это нужно для уменьшения износа и, как следствие, сохранения минимальных зазоров и увеличения срока службы. С другой стороны, необходима высокая ударная вязкость для повышения прочности ударника. Поэтому простая и сравнительно дешевая объемная закалка не обеспечивает этих требований. Потребовалось применение цементируемых высоколегированных сталей (12ХН3А и др.). Себестоимость продукции при этом резко возросла.
Предпочтительным решением может быть
ударник из высокопрочной стали и, как показывают испытания и эксплуатация, не всегда легированной, подвергнутый максимум
Рис. 1. Устройство пневмопробойника: 1 - корпус; 2 - ударник; 3 - камера обратного хода; 4 - камера прямого хода; 5 - патрубок; 6 - воздухораспределительное отверстие
улучшению (закалке с высоким отпуском до твердости ИЯСэ 27 - 32). В этом ударнике не должно быть поперечных окон, концентрирующих напряжения. Тогда не потребуется разделение ударника на две части - головную и хвостовую, как способ демпфирования колебаний, который уменьшает деформационную волну вблизи окон. Разделение ударника на 2 части значительно усложняет и удлиняет технологию его изготовления.
Посадочные поверхности пневматической пары целесообразно выполнять из разных материалов: сталь по резине или полиэтилену. В этом случае стальную поверхность полируют. Резина пли пластмасса за счет радиальной деформации под давлением сжатого воздуха компенсирует износ, в первую очередь, неметалла и уплотняет зазоры.
Фирма ТрактоТехник (Германия) применила пластмассовые кольца для уплотнения зазоров. При этом поверхность, по которой скользит уплотнитель, является направляющей для тяжелого ударника. Контактные напряжения, возникающие иод действием большого веса в уплотнителе, вызывают быстрый его износ и разрушение. Эти уплотнители работают по 2030 часов, затем требуется разборка пневмопро-бойника и замена уплотнителей. В случае несвоевременной замены уплотнительных колец в соприкосновение приходят металлические поверхности и на зеркале цилиндра образуются задиры, которые приводят к очень быстрому износу нового уплотнителя. Для повышения долговечности уплотнителя необходимо в конструкции пневмомолота обеспечить два условия:
- уменьшить контактные напряжения между зеркалом цилиндра и неметаллическим кольцом до уровня 1.2-1.5 от давления в уплотняемой камере, т.е. на несколько порядков;
- направляющую для ударника выполнить вне поверхности, по которой
скользит уплотнитель.
Пневматический молот "Тайфун"
С учетом вышеизложенных требований в ИГД СО РАН был разработан новый пневматический молот под общим названием "Тайфун". Число в названии означает главный параметр молота - массу ударной части. Уже изготовлены пневматические молоты с массой ударной части от 0,4 до 740 кг. Новая система воздухораспределения "Тайфуна" принципиально отличается от воздухораспределения пневмопробойника, главным образом, функционированием камеры обратного хода, работа которой в пневмопробойнике основана на расширении сжатого воздуха, заполнившего ее объем перед ударом. В начале движения ударника назад эта камера отделяется от магистрали и в ней по мере увеличения объема снижается давление.
Рассмотрим принцип действия пневмомолота. Сжатый воздух по рукаву 1 заполняет камеру прямого хода 2. Под действием давления в ней ударник 3 до упора в наковальню 4 (рис. 2). Резиновое кольцо 5 касается внутренней конической поверхности наковальни 4 и закрывает сообщение камеры обратного хода (холостого) 6 с атмосферой. Сжатый воздух из камеры прямого хода 2 через калиброванное отверстие в жиклере 7 давит на клапан 8 и отодвигает его от седла 9. По каналу 10 и через сквозное отверстие 11 в ударнике 3 сжатый воздух поступает в камеру обратного хода 6. В ней повышается давление, под действием которого вследствие разности площадей ударник совершает обратный ход и перемещается в заднее положение. Резиновое кольцо 5 давлением воздуха прижимается к ударнику и к внутренней конической поверхности наковальни и герметизирует камеру обратного хода 6. При движении ударника он скользит по конической
5 3 11 12 10 8 9 13 7 2 18 16 17 14 15 20 19 1
Рис. 2. Устройство пневмомолота "Тайфун": 1 - рукав; 2 - камера прямого хода; 3 - ударник; 4 - наковальня; 5 -резиновое кольцо; 6 - камера обратного хода; 7 - жиклер с калиброванным отверстием; 8 - инерционный клапан; 9 -резиновое седло клапана; 10 - канал; 11
- сквозное отверстие; 12 - пазы для выхлопа; 13 - канал; 14 - ступица; 15 -клапан; 16 - полиэтиленовое кольцо; 17
- патрубок; 18 - корпус; 19 - хвостовик; 20 - демпфер
поверхности, растягивается в радиальном направлении и увеличивается в диаметре. В конце обратного хода ударника резиновое кольцо оказывается на пазах 12, выполненных на внутренней поверхности наковальни. По этим пазам камера обратного хода сообщается с атмосферой. Давление в ней падает, и под действием упругих сил деформации резиновое кольцо сжимается в радиальном направлении и уменьшается в диаметре. В образовавшийся между резиновым кольцом и внутренней поверхностью наковальни зазор устремляется основной поток сжатого воздуха из камеры обратного хода. Дальнейший путь отработанного воздуха проходит по каналам 13 на ударнике, через отверстия в ступице 14 и клапан 15 в атмосферу. Давлением сжатого воздуха в камере прямого хода ударник перемещается в сторону наковальни и наносит по ней удар. При этом ударник совершает ускоренное движение и вытесняет воздух из камеры обратного хода в атмосферу. Перед самым ударом резиновое кольцо приходит в соприкосновение с внутренней конической поверхностью наковальни и вновь закрывает камеру обратного хода.
При ускоренном движении ударника вперед клапан 8 под действием сил инерции прижимается к седлу 9 и отделяет камеру прямого хода от камеры обратного хода. Выход сжатого воздуха через камеру в атмосферу прекращается. После удара ударника по наковальне клапан 8 продолжает двигаться с предударной скоростью вперед внутри ударника, отрывается от седла 9 и открывает калиброванное отверстие. Сжатый воздух вновь наполняет камеру обратного хода. Начинается следующий цикл работы пневмомолота.
Камера прямого хода герметизирована полиэтиленовым кольцом 16, размещенным на патрубке 17. Патрубок 17 вставлен в ступицу 14, которая изолирована от ударных нагрузок установленным в хвостовик 19 демпфером 20.
Благодаря тому, что в пневмомолоте сжатый воздух непрерывно поступает в камеру обратного хода через калиброванное отверстие, давление поддерживается на одном уровне. Поэтому можно практически до нуля уменьшить объем камеры в момент удара и разместить в одинаковых с пневмопробойником габа-
ритах более массивный ударник. Уменьшая сечение калиброванного отверстия можно снизить частоту ударов и расход воздуха при неизменной энергии удара. Это позволяет применять передвижной компрессор с меньшей производительностью.
Главным воздухораспределительным элементом в "Тайфуне" является резиновое кольцо [2], установленное на ударнике с возможностью упругого деформирования в радиальном направлении под действием давления сжатого воздуха в камере обратного хода. Под действием разности давлений ударник перемещается в исходное положение. При этом резиновое кольцо скользит по поверхности, к которой оно прижато давлением. В зоне контакта резинового кольца со стальной поверхностью возникает давление, превышающее на 20-50 % давление сжатого воздуха в камере обратного хода, т.е. всего 0,40,6 МПа. Предел же прочности резины в 10 раз выше! Поэтому износ резинового кольца при контакте со смазанной полированной поверхностью практически отсутствует. Направляющая для движения ударника вынесена из зоны контакта кольца со стальной полированной поверхностью наковальни и находится в цилиндрическом корпусе. Внутренняя поверхность направляющего цилиндра выполнена менее точно и с большей шероховатостью, т.к. зазор ударником и направляющим цилиндром может быть в 3-5 раз выше, чем в обычных пневмопоршневых машинах. И это никак отрицательно не сказывается на работе машины. Более того, увеличенный зазор упрощает технологию, а при обмерзании машины или попадании твердых частиц в зазор не приводит к остановке и заклиниванию ударника.
В ударнике "Тайфуна" нет поперечных воздухораспределительных окон, поэтому пластмассовое уплотнительное кольцо, установленное на неподвижном поршне, контактирует только с внутренней цилиндрической полированной поверхностью ударника. Срок службы такого кольца практически неограничен, т.к. по мере его износа происходит уменьшение давления в зоне контакта пластмассового кольца со стальной полированной поверхностью ударника.
Рис. 3. Стяжное устройство: 1 - труба; 2 - пневмомолот; 3 - направляющий швеллер; 4 - прижим; 5 и 6 - стропы; 7 -талреп; 8 - насадка; 9 - пластина; 10 -опора; 11 - подставка под пневмомолот
Вследствие непрерывного поступления сжатого воздуха в камеру обратного хода через калиброванное отверстие происходит его непроизводительный расход в атмосферу после выхлопа. Для уменьшения расхода воздуха в пневмомолоте "Тайфун" применен инерционный клапан [3]. Он установлен внутри ударника и является вспомогательным воздухораспределительным элементом. Ход инерционного клапана составляет 7-12 мм в зависимости от габаритного хода ударника и ограничивается с одной стороны конической поверхностью в ударнике, с другой стороны - резиновым седлом клапана, запрессованным через буртик в расточку ударника.
Для инерционного клапана не имеет большого значения точность расположения внутренней посадочной цилиндрической поверхности в ударнике относительно наружной посадочной поверхности ударника. Для нормальной работы машины не требуется точность расположения внутренней цилиндрической полированной поверхности ударника, по которой скользит пластмассовое кольцо, относительно внутренней направляющей цилиндрической поверхности корпуса. Поэтому радиальные зазоры в основных деталях можно доводить до 0,5-1 мм. Этот факт позволяет резко повысить технологическую надежность работы пневматического молота при неблагоприятных эксплуатационных условиях (грязь, попадание частиц, отсутствие смазки, задиры, обмерзание и прочие).
Стяжное устройство
Опыт эксплуатации пневмомолотов "Тайфун" при забивании стальных горизонтальных труб [4, 5] подтверждает необходимость применения стяжного устройства в течение всего технологического времени забивания трубной плети. Это вызвано самопроизвольным снятием пневмомолота и насадки с забиваемой трубы под воздействием обратного импульса, действующего на корпус. Корпус в своей передней части жестко соединен с наковальней, которая находится на пути ударного импульса. Под
воздействием удара в корпусе формируется волна растяжения, которая непосредственно влияет на прочность соединения: пневмомолот -насадка - труба. Величина обратного импульса зависит от энергии удара. При одинаковых массах корпуса пневмомолота "Тайфун" и пневмо-пробойника масса ударника первого в 1,3 раза больше, а энергия удара в 1,5 раза выше за счет отсутствия пневматического буфера в камере обратного хода. Кроме этого применение в системе воздухораспределения пневмомолота резинового кольца обеспечивает практически мгновенный выхлоп сжатого воздуха в атмосферу и вызывает такое же быстрое возникновение силы отдачи, действующей на корпус. После самопроизвольного снятия с трубы пневмомолот под действием силы отдачи перемещается от трубы назад по приямку на значительно расстояние.
Этому будут препятствовать стропы стяжного устройства, закрепленные за стальные прямоугольные пластины, которые приварены к боковой поверхности трубы друг напротив
Рис. 4. Соединение пневмомолота со шпунтом: 1 -
шпунт; 2 - пневмомолот; 3 - труба; 4 - насадка; 5 -
талреп; 6 - прижим; 7 - стропа
Рис. 5. Насадка для соединения с трубой: а) из четырех колец; б) из трех колец; 1 - пневмомолот; 2 - насадка
друга на одинаковом расстоянии от насадки (рис. 3).
При забивании вертикальных строительных элементов (труб, шпунта и т. д.) применение стяжного устройства является обязательным по условиям безопасного проведения работ (рис. 4). Для эффективной передачи ударного импульса к верхней части забиваемого шпунта следует приварить отрезок трубы с двумя продольными пазами.
Насадка для соединения пневмомолота с трубой
Назначение насадки заключается в эффективной передаче ударного импульса на торец забиваемой трубы при простоте ее монтажа и демонтажа. Кроме этого, конструкция насадки должна обеспечить прочность, долговечность и универсальность при технологической простоте изготовления.
Насадка собирается из стальных колец с наружной и внутренней конической поверхностью (рис. 5). Кольцо имеет большую толщину
и позволяет на ее торцевой поверхности выполнить канавку с треугольным профилем. Такая конструкция кольца повышает его прочность и расширяет типоразмерный ряд забиваемых труб. Сохранению торца забиваемой трубы от деформации и разрушения способствует канавка треугольного профиля или наружное бандажное кольцо. Для предохранения наружного кольца от разрушения в месте контакта с полками направляющего швеллера необходимо забиваемую трубу поднять на две опоры, установленные с возможностью перемещения по направляющему швеллеру.
Угол заклинивания насадки определен экспериментально и находится в пределах 5-8 градусов: чем больше диаметр кольца, тем больше угол. Уменьшение угла с целью лучшего заклинивания затруднит демонтаж пневмомолота с забитой трубы и разборку насадки. Увеличение угла будет способствовать самопроизвольному снятию пневмомолота и насадки с забиваемой трубы и ухудшению передачи ударного импульса на торец трубы. Направляющее устройство Горизонтальное забивание трубы в грунт пневмомолотом осуществляется из рабочего приямка, на дно которого укладывается направляющий швеллер (рис. 6). В грунтовом массиве, как правило, располагается множество подземных коммуникаций. Поэтому точность установки направляющего швеллера и надежность его крепления за грунт являются важнейшими условиями безаварийного выполнения подземного перехода в соответствии с проектом работ по прокладке подземной коммуникации. Направляющий швеллер ориентируют по оси трассы в плане при помощи теодолита, глубину заложения трассы - измерением расстояния по вертикали от нулевой отметки до низа трубы, уклон - при помощи строительного уровня, расположенного на швеллере.
Крепится направляющий швеллер сваркой или болтовым соединением к
Рис. 6. Размещение оборудования при прокладке подземной коммуникации:
1 - рабочий приямок; 2 - приемный приямок; 3 - сварочный приямок; 4 - вторая секция трубы; 5 - пневмомолот; 6 -насадка; 7 - стяжное устройство; 8 -подставка под пневмомолот; 9 - колышек; 10 - нить; 11 - отвес; 12 - уровень; 13 - опора под трубу; 14 - пластина; 15 - накладка; 16 - направляющий швеллер
шести стальным уголкам (Ь = 1 м), забитым вертикально в дно приямка. Для увеличения несущей способности под него укладывают три поперечных швеллера полками вниз. Длина направляющего швеллера складывается из длин секции забиваемой трубы и пневмомолота. Подставка под тяжелый пневмомолот
Вес ударника пневмомолота при его консольном креплении на торце горизонтальной трубы нагружает корпус пневмомолота. Одновременное воздействие статической и ударной нагрузок может привести к разрушению корпуса. Поэтому под корпус пневмомолота необходимо установить подставку (рис. 3) с возможностью ее беспрепятственного перемещения вместе с трубой и пневмомолотом по направляющему швеллеру под воздействием части ударного импульса. Для регулировки высоты подставки рекомендуется применять деревянный пакет, собранный из пластин различной толщины. Он располагается между металлическим корпусом подставки и корпусом пневмомолота. Перемещающий подставку импульс передается на ее корпус через канаты стяжного устройства пневмомолота.
Забивание первой секции трубы До начала внедрения первой секции трубы и сцепления ее с грунтовым массивом необходимо силу отдачи пневмомолота уравновешивать внешней силой. Создать такую силу можно тяговой лебедкой или домкратом. Если
прижать забиваемую трубу к направляющему швеллеру при помощи бетонной плиты или блока, то сила трения увеличится и скомпенсирует силу отдачи, что обеспечит быстрое внедрение трубы в грунт. Уменьшить силу отдачи пневмомолота можно путем пережима возду-хоподводящего рукава и снижения магистрального давления. Самое удобное управление пневмомолотом - это плавное открытие крана и постепенное увеличение давления. Но в таком режиме пневмопробойник запустить в работу практически невозможно. Для его запуска требуется импульс давления, создаваемый быстрым и полным открытием крана, расположенного на коротком рукаве вблизи пневмопро-бойника. Пневмомолот "Тайфун" обладает абсолютным запуском, т.к. скорость открытия крана не имеет никакого значения для начала его работы. Достаточно просто открыть вентиль на компрессоре.
Выводы
1. Наиболее технологичным в изготовлении и удобным в эксплуатации является пневматический молот серии "Тайфун".
2. Новая система воздухораспределения и вынесение зоны контакта неметаллических уплотнительных элементов за пределы направляющей для движения ударника повышают экономичность, надежность и срок службы пневмомолота.
1. Гуркое К.С., Климашко В.В., Костылев А.Д. и др. Пневмопробойники. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990, 213с
2. Патент РФ № 2105881. Устройство ударного действия. / Червов В.В., Трубицын В.В., Смоляницдий Б.Н., Вебер И.Э. - Опубл. в Б. И. 1998, № 6.
3. Патент РФ № 2085363. Устройство ударного действия. / Червов В.В., Смоляницкий Б.Н., Трубицын В.В., Вебер И.Э. - Опубл. в Б. И. 1997, № 21.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Смоляницкий Б. Н., Червов В. В., Трубицын В. В., Тищенко И. В. и Вебер И. Э. Новые пневмоударные машины "Тайфун" для специальных строительных работ //Механизация строительства. 1997. - № 7.
5. Смоляницкий Б.Н., Червов В.В., Скачков К.Б. Новые пневмоударные машины Института горного дела СО РАН //Механизация строительства. 2001. - № 12..
Коротко об авторах
Червов Владимир Васильевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН.
