Устройство для изготовления винтонабивной сваи

Устройство для изготовления винтонабивной сваи относится к области строительства, предназначено для выполнения свай винтовой (шурупообразной) формы по экологически безопасной технологии в различных грунтах для разнообразных сооружений, строящихся вновь и эксплуатируемых (при реконструкциях, усилениях), а также для выполнения анкерных устройств и опор под рельсовый путь.

Известно устройство для изготовления винтообразных свай, снабженное трубчатой штангой, имеющей на нижнем конце наконечник с винтовыми выступами и отверстие, закрываемое теряемым башмаком.

Скважину в грунте выполняют ввинчиванием в грунт трубчатой штанги без выноса грунта на поверхность, а затем ее вывинчиванием.

Скважину при этом заполняют бетоном и арматурой через отверстие для теряемого башмака.

Бетон подают в трубчатую штангу сверху бетононасосом через бетонолитную трубу, а арматурный каркас для каждой сваи вместе с теряемым башмаком вводят в штангу в горизонтальном ее положении через нижний конец (1).

Поскольку вращатель прикреплен к верхнему концу трубчатой штанги, то ход вращателя определяется ее длиной, что приводит к увеличению габаритов устройства и к усложнениям в эксплуатации.

Потери времени на установку арматурных каркасов через нижний конец штанги снижают производительность. Давления, создаваемого бетононасосом, недостаточно для уплотнения бетона и тем более для выполнения местных уширений скважины,

Не предусмотрен в устройстве механизм, обеспечивающий требуемое винтовое движение трубчатой штанги при извлечении ее из грунта, что в слабых грунтах приводит к задавливанию грунта затрубного пространства в скважину под винтовым наконечником и нарушению целостности ствола сваи.

Наиболее близким является устройство для изготовления винтонабивной сваи завинчиваемым в грунт полым рабочим инструментом, снабженным в нижней концевой части винтовыми выступами, через который скважина, образуемая в грунте при извлечении рабочего инструмента вывинчиванием, заполняется материалами сваи (бетоном и арматурой), выпускаемыми из полости рабочего инструмента через отверстие для теряемого клапана в нижнем конце его (2).

Устройство включает корпус, по которому перемещается привод, ведущий узел которого имеет внешнюю обойму, связанную с корпусом червячной передачей, и внутреннюю обойму, жестко соединяемую с каждой секцией рабочего инструмента в местах замкового соединения их, на время погружения в грунт, или извлечения из грунта.

Внешняя и внутренняя обоймы ведущего узла связаны между собой с возможностью взаимного вращения во время погружения рабочего инструмента в грунт и с возможностью жесткого соединения во время его извлечения из грунта.

Устройство может быть придано различным базовым машинам, например, экскаватору, в качестве сменного оборудования и присоединено к нему с возможностью выполнять несколько свай с одной установки базовой машины и под различными углами к вертикали.

Недостатком устройства является зависимость длины секции рабочего инструмента от величины продольного перемещения привода вдоль корпуса устройства, т.к. малая длина секций существенно снижает производительность устройства (много времени на перестановку секций, перерывы в подаче материалов). Увеличение высоты устройства усложняет его, снижает транспортабельность, усложняет обслуживание ряда узлов, не позволяет работать в стесненных условиях.

Использование в приводе силового оборудования, только вращающего ведущий узел, сокращает возможности устройства в части выбора комбинаций движений рабочего инструмента, необходимых на различных этапах выполнения сваи.

Кроме того, устройство лишено возможности повышать давление в бетоне в процессе выполнения сваи.

Отмеченные недостатки устраняются тем, что предлагаемое устройство выполнено с возможностью сообщать рабочему инструменту, размещаемому внутри ведущего узла привода, последовательные периодичные винтовые движения, не зависящие от длины секций рабочего инструмента и их числа, за счет жестких захватов его сбоку управляемыми фиксаторами ведущего узла привода и только на периоды совместного движения в задаваемом по условиям технологии направлении. В конце каждого периода движения одного направления рабочий инструмент связывают управляемыми фиксаторами с корпусом устройства на время возврата ведущего узла привода в новое исходное положение по отношению к рабочему инструменту и следующего соединения с рабочим инструментом.

Необходимое для винтового движения рабочего инструмента соотношение вращательных и поступательных движений получают отдельным регулированием скорости воздействия, например, гидромотора с цепной передачей, обеспечивающего вращение, и гидроцилиндров, действующих вдоль оси рабочего инструмента. Винтовое движение можно получить также, например, гидроцилиндром, ось действия которого направлена по касательной к винтовой линии вокруг рабочего инструмента. Заданный шаг винтового движения, необходимый при извлечении рабочего инструмента из грунта, получают, например, включением в работу червячной передачи между внешней обоймой ведущего узла и корпусом.

В процессе выполнения сваи повышение давления в бетоне, заполняющем скважину ниже конца рабочего инструмента, становится возможным за счет того, что съемный бункер снабжен обратным клапаном, препятствующим выходу бетона из рабочего инструмента вверх в моменты его погружения в грунт.

Налипающие на поверхность рабочего инструмента инородные тела (грунт, бетон) удаляют очистным узлом, составленным из нескольких разделенных промежутками слоев эластичного материала, каждый из которых плотно прилегает к поверхности рабочего инструмента по всему периметру.

Очистной узел прикреплен к внутренней обойме ведущего узла перед входом в него рабочего инструмента. Предусмотрена также возможность смачивания водой и смывания инородных тел, оставшихся на поверхности рабочего инструмента после прохода его через очистной узел.

На фиг.1 изображен вариант устройства с приводом, например, из двух гидроцилиндров и вращателя с гидромотором и цепной передачей.

На фиг.2 изображен вариант устройства с приводом, например, из гидроцилиндра, ось которого расположена внецентренно и наклонно по отношению к оси рабочего инструмента.

На фиг.3 показан вид по 1-1 на фиг.1.

На фиг.4 показан вид по 2-2 на фиг.2.

На фиг.5 показан вид по 3-3 на фиг.2.

Вариант устройства по фиг.1 ниже сечения 4-4 включает изображенные на фиг.2 детали ниже сечения 4-4.

Вариант устройства по фиг.2 выше сечения 1-1 включает изображенные на фиг.1 детали выше сечения 1-1.

Полый рабочий инструмент 1, имеющий на нижнем концевом участке винтовые выступы 2 с шагом t и теряемый клапан 3, помещен внутри внутренней обоймы 4 привода и связан с ней для вращающих движений, например, шлицевым сопряжением, а для продольных (осевых) движений - управляемым фиксатором 5.

Шлицы 6 выполнены непрерывно по всей длине рабочего инструмента 1. Кроме того внутренняя обойма 4 сопряжена с кареткой 7 через разъемный радиально-упорный подшипник 8. Внутренняя обойма 4 и внешняя обойма 9 ведущего узла привода сопряжены друг с другом для вращения управляемым фиксатором 10, а для движения в продольном направлении кареткой 7 через разъемный радиально-упорный подшипник 11.

Рабочий инструмент 1 сопряжен также с опорным узлом корпуса, состоящим из обоймы 12, разъемного радиально-упорного подшипника с деталями 13 и 14, присоединенными к стойке 15 корпуса в узле 16 разъемным жестким соединением.

Обойма 12 сопряжена с рабочим инструментом 1 через шлицы 6 для вращательных движений, а для осевых движений - управляемым фиксатором 17.

Обойма 12 сопряжена также с деталями 13 и 14 радиально-упорного подшипника и соответственно со стойкой 15 корпуса для осевых движений, а для вращательных движений, например, храповой передачей через управляемый фиксатор 18.

Внешняя обойма 9 ведущего узла привода в варианте исполнения по фиг.1 получает движение от вращателя и гидроцилиндров.

Вращателем привода являются, например, гидромотор 19 с цепной передачей, звездочка 20 которой жестко насажана на внешнюю обойму 9 ведущего узла привода.

Корпус вращателя жестко связан с разъемным подшипником 11 и кареткой 7.

Гидроцилиндры 21, опираясь своими концами на стойку 15 и на каретку 7, передвигают ее вдоль стойки 15 корпуса.

В варианте исполнения устройства по фиг.2 внешняя обойма 9 ведущего узла привода получает винтовое движение, например, от наклонного гидроцилиндра 22, присоединенного концами к стойке 15 корпуса и внешней обойме 9 шарнирами 23 и 24, допускающими ограниченные повороты в трех плоскостях.

Винтовая лопасть 25 с шагом t внешней обоймы 9 входит в зацепление с роликами 26, имеющими попарно соединенные скобой 27 оси, и через них опирается на стойку 15.

Ролики 26 могут попарно смещаться вдоль своих осей под воздействием деталей 28, закрепленных на стойке 29, которую поворачивают в опорах 30 рычагом 31.

Крайние положения рычага, соответствующие вхождению роликов 26 в контакт с лопастью 25 или рассоединению, закрепляют на пальцах 32 и 33 соответственно.

Фиксаторы 5, 10, 17, 18 имеют по две детали 34 (собачки), вращающиеся на осях 35 и свободными концами своими входящие в зацепление с зубцами 36 на продольных шлицах 6 рабочего инструмента 1, или с зубцами 36 на внутренней обойме 4, или с зубцами 36 на обойме 12.

Детали 34 вращаются на осях 35 под воздействием пружины 37 и упругого стержня 38 и обеспечивают зацепление только в одном направлении и свободный переход через зубцы 36 при другом направлении движения.

Для удобства управления работой одновременно двух деталей 34, оси 35 жестко скреплены с деталями 34 и с концами пружины 37, внутрь которой вставлен изогнутый упругий стержень 38 с гайкой 39 на одном конце и петлей 40 на другом конце, предназначенной для надевания на один из пальцев 41, 42, 43 или 44, 45, 46.

Вращением гайки 39 изменяют длину пружины 37, обеспечивая зацепление одной из двух деталей 34, как показано на фиг.2 для фиксатора 17.

Если петли 40 надеты на пальцы 41 в фиксаторах 17 и 5, то будет обеспечено движение рабочего инструмента 1 вниз.

При надевании петель 40 на пальцы 43 в фиксаторах 17 и 5 будет обеспечено движение рабочего инструмента 1 вверх.

При надевании петель 40 на пальцы 42 в фиксаторах 17 и 5 рабочий инструмент 1 может свободно перемещаться вверх и вниз относительно примыкающих к нему деталей.

При положении гайки 39, как показано в фиксаторе 5 на фиг.1, происходит зацепление двух деталей 34 сразу с двумя зубцами 36 рабочего инструмента 1, обеспечивая неподвижность его относительно внутренней обоймы 4 в осевом направлении.

В таком же положении деталей 34 в фиксаторе 17 произойдет неподвижное соединение рабочего инструмента 1 относительно обоймы 12 и отсутствие его движения в осевом направлении.

В положении гайки 39, показанном в фиксаторе 18 на фиг.3, когда петля 40 надета на палец 44, происходит зацепление детали 34 с зубцами 36 на обойме 12, т.е. неподвижное соединение ее с деталью 14, препятствующее вращению обоймы 12 против часовой стрелки, а в положении петли 40 на пальце 46 - невозможность вращения по часовой стрелке.

Если петли 40 будут надеты на пальцы 45 в фиксаторах 10 и 18, то внутренняя обойма 4 получит возможность свободно вращаться в обоих направлениях относительно внешней обоймы 9 в фиксаторе 10, а обойма 12 - относительно детали 14 в фиксаторе 18.

Если гайки 39 в фиксаторах 10 и 18 будут отвинчены больше, чем показано на фиг.3, то произойдет неподвижное соединение обоймы 9 с обоймой 4 в фиксаторе 10, а также обоймы 12 с деталью 14 в фиксаторе 18.

К нижнему концу внутренней обоймы 4 прикреплен очистной узел рабочего инструмента 1, состоящий из нескольких слоев 48, например, резинотканевого листа с жесткими накладками 49, разделенных промежуточными втулками 47 и подвешенных болтами 50 к внутренней обойме 4.

Болты 51 прижимают слои 48 к поверхности рабочего инструмента 1 и позволяют компенсировать износ их в процессе работы.

Емкость 52 из, например, резинового листа, служит для сбора грязи, не задержанной слоями 48 и смываемой водой через полости между деталями 12, 4 и рабочим инструментом 1.

Гибкий рукав 53, соединяющий детали 12 и 4, объединяет полости деталей 12 и 4 во время изменения расстояния между ними и не допускает загрязнения поверхностей всех других деталей устройства.

Сливают грязную воду из емкости 52 при деформации ее вручную. Съемный бункер 54, прикрепленный к верхнему концу рабочего инструмента фиксатором 55, снабжен обратным клапаном, например, в виде конуса 56, подтягиваемого пружиной 57 к сливному отверстию в бункере.

Стойка 15 корпуса устройства связана через детали 58 и 59 с базовой машиной, например, гидравлическим экскаватором, в местах прикрепления к его стреле снимаемого на это время ковша экскаватора (узлы 60 и 61). Детали 58 и 59 поворачиваются относительно друг друга и их нужное положение закрепляют фиксатором 62.

Стойка 15 имеет опору на грунт через кольцо 63.

Лебедка 64 со стрелой 65, прикрепленные к детали 59, предназначены для смены секций рабочего инструмента 1, установки и съема бункера 54, подачи материалов в полость рабочего инструмента, а также для поворота всего устройства в детали 59 сопряжения с базовой машиной.

Теряемый клапан 3, изготовляемый, например, из круглой трубы с одним расплющенным концом, и вставляемый внутрь рабочего инструмента 1, прикреплен к нему на действие сил взаимодействия с грунтом пальцем 68, входящим в прорезь 69.

Шплинт 70 удерживает теряемый клапан 3 от выпадения только в моменты свободного подъема рабочего инструмента 1, заполненного бетоном и арматурным каркасом. При дополнительном воздействии сверху, например, ударом через арматурный каркас, шплинт 70 разрушают и клапан выбивают в скважину, освобождая отверстие в рабочем инструменте 1 для выхода в скважину бетона и арматурного каркаса.

Гидромотор и гидроцилиндры устройства питают от гидросистемы базовой машины, или от отдельной насосной установки.

При погружении рабочего инструмента в грунт параметры винтового движения его допустимо изменять в широких пределах в зависимости от свойств слоев грунта и возможностей базовой машины (мощности, собственного веса).

Но при извлечении рабочего инструмента в процессе формирования сваи с винтовой формой поверхности необходимо возможно большее приближение движений его к винтовой форме, соответствующей линии винтовых выступов 2 и полное исключение задавливания грунта затрубного пространства в освобождаемую под рабочим инструментом скважину.

Если винтовые выступы 2 направлены по часовой стрелке, то при погружении рабочего инструмента 1 в грунт в пределах цикла достаточно движения вращателя 19 по часовой стрелке одновременно с движением штоков гидроцилиндров 21 вниз при отсоединенной винтовой лопасти 25 от роликов 26 установкой рычага 30 в зацепление с пальцем 32. При этом в фиксаторах 5, 17, 10, 18 петли 40 должны быть закреплены на пальцах 41,41, 44, 44.

При извлечении рабочего инструмента из грунта для выполнения сваи с заданной винтовой формой поверхности необходимо ролики 26 ввести в зацепление с винтовой лопастью 25 установкой рычага 30 в зацепление с пальцем 31, вращатель 19 установить на движение против часовой стрелки, гидроцилиндры 21 установить на свободное движение в обоих направлениях, в фиксаторах 5, 17, 10, 18 петли 40 закрепить на пальцах 43, 43, 46, 46.

Указанные сочетания положений фиксаторов обеспечивают ступенчатое последовательное перемещение рабочего инструмента в заданном направлении (погружение или извлечение) при знакопеременных цикличных перемещениях ведущего узла привода обоих вариантов исполнения устройств и по фиг.1, под действием вращателя 19 и гидроцилиндров 21, и по фиг.2 - под действием гидроцилиндра 22.

Подбором других сочетаний положений фиксаторов возможны и другие варианты движения рабочего инструмента, необходимые на других этапах выполнения сваи и при различных грунтовых условиях, например, нескольких винтовых движений разного знака в пределах одного цикла, или последовательное осевое перемещение без вращения.

Для нормальной эксплуатации устройства предусмотрено удаление неизбежно пропускаемых очистным узлом инородных тел (грязи), попадающих в пространство между рабочим инструментом 1 и деталями 4 и 12, подачей воды в полости деталей 4 и 12, которая смывает грязь в емкость 52. Движения устройства в целом и очистного узла способствуют отделению грязи от элементов устройства.

Вариант устройства по фиг.2 в сравнении с вариантом по фиг.1 имеет наименьшие габариты и вес без ограничений в величине рабочих усилий, которые могут оперативно изменяться заменой гидроцилиндра 22.

Этот вариант может быть использован и в стесненных условиях, при реконструкциях, без лебедки, с восприятием реактивных усилий ручными приспособлениями, выполняемыми с учетом местных условий.

Но этот вариант имеет больше потерь хода на неточностях работы фиксатора при большем количестве включений их из-за меньшей величины перемещений за цикл.

Для повышения производительности необходимо подачу жидкости к гидроцилиндру 22 выполнять через электрогидрораспределитель.

Возможен вариант устройства с применением только гидроцилиндров, установленных параллельно оси рабочего инструмента.

Он более производителен, чем вариант по фиг.2, но требует увеличения осевого усилия вниз за счет дополнительного пригруза и пригоден при выполнении свай в относительно слабых и однородных грунтах.

Устройство, независимо от вариантов исполнения, позволяет иметь длину свободной части извлекаемого из грунта рабочего инструмента из условий ее устойчивости при полном извлечении из грунта и при переносе рабочего инструмента в новую позицию в пределах строительной площадки без разборки его на монтажные секции.

Это позволяет уменьшить непроизводительные затраты времени на перестыковку секций составного рабочего инструмента, чем существенно повысить производительность устройства.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 761664, кл. Е 02 D, 5/56, 1980.

2. Патент RU № 2076173, кл. Е 02 D 5/56, 7/22, 1995.

1. Устройство для изготовления винтонабивной сваи в грунте, включающее корпус, привод с ведущим узлом, имеющим внешнюю обойму, сопряженную с корпусом червячной передачей, а также внутреннюю обойму, сопряженную с полым винтовым рабочим инструментом, который снабжен в нижнем концевом участке винтовыми выступами, а также отверстием для теряемого клапана и выпуска в скважину заполняющих ее материалов и бункер со стороны верхнего конца рабочего инструмента, отличающееся тем, что внутренняя обойма ведущего узла привода сопряжена с рабочим инструментом с возможностью передачи усилий вращения на любом из участков рабочего инструмента через скользящее соединение, вместе с этим попарно связаны друг с другом внутренняя и внешняя обоймы ведущего узла привода, а также внутренняя обойма ведущего узла привода и рабочий инструмент и третья пара - корпус и рабочий инструмент управляемыми фиксаторами, позволяющими задавать в процессе работы устройства направление действия взаимно связанным парам в местах фиксаций вдоль всей зоны возможных сопряжений каждой пары деталей, при этом силовое оборудование привода установлено с возможностью передачи на ведущий узел привода поступательных и вращательных движений с задаваемыми в процессе работы шагом винтовой линии и направлением действия, кроме того, к внутренней обойме ведущего узла прикреплен узел очистки наружной поверхности рабочего инструмента от налипающих на него инородных тел.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что червячная передача между внешней обоймой ведущего узла привода и корпусом выполнена с возможностью управляемых рассоединения и соединения в процессе работы устройства.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел очистки наружной поверхности рабочего инструмента выполнен в виде многоярусного пакета из эластичного материала, закрепленного жесткими накладками, со свободными промежутками между ярусами, а каждый ярус выполнен плотно прилегающим к наружному периметру сечения рабочего инструмента с возможностью компенсации величины истирания в процессе работы эластичного материала в зоне контакта с рабочим инструментом.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что съемный бункер соединен с верхом рабочего инструмента фиксатором и снабжен обратным клапаном, препятствующим выходу бетона из рабочего инструмента в моменты его погружения в грунт.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что скользящее соединение выполнено квадратным или шлицевым.