2. АВТОМАТИЗАЦИЯ УДАРНО-ВИБРАЦИОННЫХ МАШИН

Ударно-вибрационные машины, будучи существенно нелинейными системами, способны осуществлять качественно различные режимы движения. При работе в одном определенном режиме возможны различные значения ударной скорости, а следовательно, различная эффективность работы машины, зависящая от ее настройки. При этом оптимальная настройка оказывается различной для разных условий работы. Так, лучшая настройка вибромолота в начальный период забивки сваи, как правило, значительно отличается от лучшей настройки в конце забивки; оптимальная настройка при прохождении глинистого грунта иная, чем при прохождении песчаного грунта. Настройку вибромолота можно осуществить путем изменения одного из следующих параметров: массы ударной части, статического момента массы дебалансов, жесткости пружин, соединяющих ударную часть с наголовником, начального зазора или натяга между бойком ударной части и наковальней наголовника, угловой скорости дебалансов. Последние два способа практически наиболее целесообразны.

При разработке системы автоматического регулирования прежде всего необходимо выбрать величины, подлежащие регулированию. В качестве меры эффективности работы вибромолота обычно принимают энергию одного удара или ударный импульс. Обе эти величины зависят от ударной скорости, т. е. скорости ударной части непосредственно перед ударом. Оптимальна та настройка, при которой ударная скорость достигает максимального значения. Поэтому может показаться целесообразным регулирование значения ударной скорости путем установки на вибромолоте датчика, воспринимающего ударную скорость или иную величину, которую можно преобразовать в ударную скорость. При отклонении ударной скорости от оптимального значения датчик включал бы управляющий механизм, возвращающий ударную скорость к максимуму. Такая схема регулирования оказывается нецелесообразной. Прежде всего при изменении внешних условий, влияющих на работу вибромолота, в общем случае изменяется и максимум ударной скорости, который достижим в новых условиях. Следовательно, само по себе изменение ударной

скорости не всегда можно интерпретировать как отход от оптимального режима или приближение к нему. Поскольку нет единственного значения максимальной ударной скорости, постольку она непригодна в качестве критерия оценки режима работы.

Но если бы даже такой критерий существовал, оставалось бы неизвестным, в каком направлении необходимо изменять параметры вибромолота для возвращения к оптимальному режиму. Действительно как система ударнорезонансная вибромолот достигает резонанса ударной скорости при определенном отношении частоты вынуждающей силы к собственной частоте ударной вибрации. Как при снижении этого отношения, так и при его повышении значение ударной скорости уменьшается. Значит, само по себе падение ударной скорости не дает сведений о направлении, в котором надо регулировать параметры машины. Использование в этом случае какой-либо сложной системы экстремального управления с поиском направления регулирования не оправдано экономически.

Регулирование мощности электродвигателей вибромолота менее целесообразно, чем регулирование ударной скорости. Мощность двигателей находится в прямой зависимости от ударной скорости, и поэтому указанные недостатки полностью свойственны и такой схеме регулирования. Дополнительным существенным дефектом такой схемы является значительная зависимость мощности от иных факторов, помимо ударной скорости. Регулирование тока в обмотках электродвигателей привело бы к еще большим погрешностям, поскольку ток даже при постоянном напряжении сети зависит от коэффициента мощности, который может меняться при изменении внешних условий работы машины.

Для обоснования выбора регулируемой величины и регулирующего воздействия необходимо обратиться к некоторым характерным чертам динамики вибромолота. Ударная скорость пружинного вибромолота в одноударном режиме без остановок конечной длительности

где

масса ударной части; с — жесткость пружин, соединяющих ударную часть с наголовником; статический момент массы дебалансов; — угловая скорость вращения дебалансов, начальный зазор между бойком ударной части и наковальней наголовника; коэффициент восстановления скорости при мгновенном ударе.

Фаза дебалансов в момент удара, отсчитываемая от направления движения ударной части перед ударом,

Максимальное значение ударной скорости

достигается при зазоре

и фазе дебалансов

Последнее равенство показывает, что при мгновенных ударах и постоянной угловой скорости дебалансов фаза вынуждающей силы в момент удара равна независимо от значения параметров, при которых достигнут максимум ударной скорости, и от значения этого максимума. На рис. 1 представлена зависимость

безразмерной ударной скорости и фазового угла дебалансов от у. Сплошными кривыми показаны зависимости, отвечающие одному значению безразмерного зазора а штриховыми — другому значению. Хотя в сравниваемых двух случаях параметры системы и значения максимума ударной скорости различны, максимум наступает при одном и том же значении фазового угла дебалансов.

В реальных условиях работы вибромолота благодаря конечной продолжительности ударов, скачкам угловой скорости дебалансов при ударах и другим факторам показанные на рис. 1 кривые, сохраняясь качественно, несколько смещаются и деформируются, но максимуму ударной скорости во всех случаях отвечает одинаковая фаза дебалансов, приблизительно равная Такая особенность ударно-вибрационных машин задачу настройки вибромолота, внбротрамбовки или иной машины подобного типа на режим с наибольшей ударной скоростью позволяет заменить задачей о поддержании заданной фазы вынуждающей силы в момент удара. Если вслед за изменяющимися условиями работы вибромолота система автоматического регулирования будет осуществлять такое регулирующее воздействие на машину, чтобы фаза вынуждающей силы в момент удара сохраняла постоянное оптимальное значение при изменяющихся внешних условиях, то работа ударно-вибрационной машины автоматически будет поддерживаться в режиме наиболее сильных ударов.

Рис. 1. Частотные характеристики пружинного вибромолота

Система автоматического регулирования может быть построена на принципе сравнения моментов времени удара и прохождения дебалансами установленного положения. Структурная схема такой системы изображена на рис. 2. Система состоит из двух частей блока включения и блока реверса. Блок включения работает следующим образом. Импульс датчика оптимального фазового угла дебалансов поступает на вход кипреле где он формируется в -образный импульс заданной длительности. С выхода кипреле сформированный импульс в отрицательной полярности подается на вход логической ячейки и в положительной полярности от инвертора на вход в логической ячейки Одновременно на входы логических ячеек и от датчика момента удара подается сформированный кипреле импульс удара в отрицательной полярности. Длительность последнего импульса во много раз меньше длительности -образного импульса. В оптимальном режиме работы вибромолота должно происходить совпадение импульсов удара с оптимальным положением фазового угла дебалансов, т. е. с импульсами, подаваемыми на входы и к логической ячейки При совпадении указанных импульсов на выходе логической ячейки возникает сигнал, подаваемый на вход и триггера и перебрасывающий его во второе устойчивое положение. На выходе логической ячейки при этом сигнала нет.

При несовпадении импульсов, наоборот, сигнал возникает на выходе логической ячейки и поступает на вход триггера а на выходе логической ячейки сигнал отсутствует. Таким образом, при несовпадении импульсов удара и оптимального фазового угла дебалансов триггер находится в первом устойчивом положении, при котором реле управляющее исполнительным механизмом, включает работу последнего. При совпадении импульсов триггер находится во втором устойчивом положении, при котором реле а следовательно, и исполнительное устройство, выключены

Изменяя с помощью кипреле продолжительность -образного импульса, подаваемого на ячейки сравнения, можно регулировать ширину зоны нечувствительности, в которой исполнительное устройство выключено. Таким путем достигается регулирование допустимого рассогласования момента удара и момента прохождения дебалансами оптимального положения, а следовательно, допустимого отклонения ударной скорости от ее максимального значения.

Блок реверса работает следующим образом. При несовпадении управляющих импульсов фазочувствительная схема реверса определяет знак разности фаз оптимального углового положения дебалансов и момента удара и в соответствии со

знаком разности фаз задает направление движения исполнительного устройства, т. е. движения на увеличение или на уменьшение начального зазора между бойком и наковальней, либо на увеличение или уменьшение скорости вращения дебалансов. С этой целью на выходы триггера подаются импульсы датчиков углового положения дебалансов. Один из них соответствует оптимальному положению дебалансов, а второй, играющий вспомогательную роль, сдвинут по отношению к первому на угол 180° и служит для обратного переброса триггера Импульс датчика перебрасывает триггер в первое устойчивое положение, а импульс датчика во второе.

Рис. 2. Структурная схема системы автоматического регулирования пружинного вибромолота

Таким образом, пока дебаланс движется в первом и втором квадрантах, на выходе имеется нулевое напряжение, а на выходе в — постоянное напряжение. При движении дебаланса в третьем и четвертом квадрантах постоянное напряжение имеется на выходе и нулевое напряжение — на выходе в Сигнал с выхода в триггера поступает на вход ячейки совпадения сигнал с выхода подается на вход ячейки совпадения На входы и ячеек поступают от инвертора сформированные импульсы фазового угла дебаланса (зоны нечувствительности) в положительной полярности, а на входы сформированный импульс удара.

Следовательно, если импульс удара опережает импульс датчика и возникает тогда, когда дебаланс находится в четвертом квадранте, на выходе ячейки появляется импульс, который поступает на вход триггера и перебрасывает его во второе устойчивое положение. Если импульс удара отстает от импульса датчика и возникает тогда, когда дебаланс находится в первом квадранте, на выходе ячейки появляется импульс, который поступает на вход триггера и перебрасывает его в первое устойчивое положение. В первом устойчивом положении триггера реле включено и задает направление движения исполнительного устройства, например на увеличение зазора между бойком и наковальней или на увеличение скорости вращения дебалансов. Во втором устойчивом положении триггера

реле выключено, и при этом задается противоположное направление движения исполнительного устройства.

Для управления зазором-натягом между бойком ударной части вибромолота 2 и наковальней наголовника можно в дополнение к пружинам установить пневмобаллоны 1 схемы исполнительного устройства, изображенной на рис. 3, а. Вторая группа пневмобаллонов 3 установлена в нажимном механизме, предназначенном для повышения или понижения давления в пневмобаллонах обеих групп, соединенных шлангом 5. При первоначальной наладке в баллоны подают через ниппель 6 сжатый воздух. Регулирование давления осуществляют путем изменения объема пневмобаллонов 3 винтом 7, приводимым от электродвигателя, получающего команды от системы автоматического регулирования. При этом поднимается или опускается подвижная траверса 4.

Рис. 3. Автоматически управляемый вибромолот: а — исполнительное устройство, б - общий вид вибромолота на свае

Изменение давления в пневмобаллонах 1 вызывает соответствующее изменение начального зазора или иатяга между бойком и наковальней. На рис. 3, б показан автоматически управляемый по изложенной схеме вибромолот, забивающий железобетонную сваю.

Сопоставление погружения свай вибромолотом с автоматическим регулированием режима работы и обычным вибромолотом с теми же параметрами показывает следующие преимущества, даваемые системой автоматического регулирования: повышение производительности машины более чем на 20 % вследствие сокращения времени забивки сваи (особенно в случаях плотных грунтов) и ликвидацию потерь времени на ручную настройку машины; повышение гарантированной несущей способности свай в связи с тем, что вибромолот всегда работает в режиме наиболее сильных ударов; увеличение предельной глубины погружения; улучшение условий труда обслуживающего персонала и повышение безопасности работ вследствие отпадения необходимости находиться в непосредственной близости к забиваемой свае.

Разработаны системы автоматического управления вибротрамбовками, также основанные на сравнении момента начала удара с моментом, когда фаза вынуждающего воздействия соответствует максимальному значению ударной скорости трамбующего органа.