Коливання фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.159.11

КОЛИВАННЯ ФУНДАМЕНТІВ ІНЕРЦІЙНИХ ВИБИВАЛЬНИХ РЕШІТОК ЛИВАРНОГО ВИРОБНИЦТВА

05.23.02 - Підвалини та фундаменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КАПЛЕНКО Галина Григорівна

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБтаА) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Сєдін Володимир Леонідович Придніпровська державна академія будівництва та архітектури професор кафедри “Основи та фундаменти”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Таранов Валентин Георгійович, Харківська державна академія міського господарства, завідуючий кафедрою “Механіка грунтів основ та інженерна геологія”

кандидат технічних наук, доцент Демяненко Віктор Володимирович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри “Будівництва автомобільних доріг та геодезії”

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій (НДІБК), відділ основ та фундаментів будівель і споруд у звичайних та складних інженерно-геологічних умовах, Держбуд України, м.Київ.

Захист відбудеться “_12_” лютого 2004р. о “_15_” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського 24а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ПДАБтаА: 49600, м. Дніпропетровськ, вул.Чернишевського 24а.

Автореферат розісланий “__31__” _січня__ 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

коливальний фундамент вибивальний віброударний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ РОБОТИ. Останні роки в ПДАБА серйозна увага приділяється фундаментам машин металургійного виробництва, оскільки це одна з ведучих експортних галузей України. Інерційні вибивальні решітки (ВР) ливарного виробництва - основний тип обладнання, який використовують для звільнення литва із заформованих опок. На фундамент ВР передається інтенсивне віброударне навантаження, внаслідок чого пошкоджуються його окремі конструктивні елементи і фундамент ВР виступає як активне джерело вібраційного забруднення металургійних цехів. На величину віброударного навантаження, приміром, вказує той факт, що на решітках вибиваються опоки вагою до 1000 кН, тобто сили, що діють на фундамент ВР, значні.

Незважаючи на широке розповсюдження ВР, у нормативній літературі немає рекомендацій щодо динамічного розрахунку їх фундаментів. Не надають конструкторам додаткової інформації і дослідження науковців з визначення параметрів коливань фундаментів ВР, бо мають неповний, фрагментарний характер. Оскільки фундаменти ВР проектують виходячи із конструктивних міркувань без відповідних динамічних розрахунків та обмеження амплітуд їх коливання, то досить часто ці фундаменти мають значні вібрації і сприяють поширенню підвищеного віброударного фону, який негативно впливає на несучі конструкції цехів і обслуговуючий персонал.

Ось чому виникає необхідність в розробці методики динамічного розрахунку фундаментів ВР, визначенні гранично допустимого значення їх вібрацій та створенні на цій основі рекомендацій щодо проектування фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва.

ЗВЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ. Робота виконувалася як розділ науково-дослідної теми кафедри основ і фундаментів ПДАБтаА “Розробка нових методів розрахунку основ та ефективних конструкцій фундаментів в регіональних умовах Середнього Придніпровя”, яку схвалено науково-технічною радою академії, відповідно до тематичного плану Міністерства освіти і науки України (Державний реєстраційний номер 0103U003113).

МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ. Мета роботи полягає в науковому обгрунтуванні та розробці аналітичних методів розрахунку на коливання фундаментів інерційних вибивальних решіток. Для досягнення поставленої мети необхідно було розвязати такі задачі:

дослідити характер коливального процесу фундаментів діючих вибивальних решіток за різних режимів їхньої роботи;

експериментально визначити гранично допустимі значення амплітуди коливання фундаментів вибивальних решіток в залежності від їх віброударного навантаження;

розробити методику динамічного розрахунку фундаментів інерційних вибивальних решіток на основі розрахункових схем, які враховують основні чинники, що впливають на коливальний процес, і адекватно відображають якісну і кількісну зміну в русі фундаментів.

ОБЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ. Фундаменти інерційних вибивальних решіток у взаємодії із грунтовою основою.

ПРЕДМЕТ ДОСЛІДЖЕННЯ. Закономірності коливання фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ. У роботі використані стандартні методи дослідження коливань фундаментів машин із динамічним навантаженням. Для обробки результатів експериментів застосовані методи математичної статистики.

НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ:

узагальнено результати експериментальних досліджень коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток за різних режимів віброударного навантаження, що дало змогу виявити особливості та закономірності в динаміці фундаментів і визначити величину коефіцієнта умов роботи;

на основі експериментальних даних встановлена гранично допустима амплітуда коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток;

розроблена методика динамічного розрахунку фундаментів інерційних вибивальних решіток за умов центрального та позацентрового прикладання ударного навантаження;

запропонована методика визначення параметрів коливання фундаменту вибивальної решітки з урахуванням затиснення його бокових граней грунтом основи;

виконана оцінка адекватності результатів динамічного розрахунку фундаменту вибивальної решітки за різними розрахунковими схемами.

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ. На основі одержаних теоретичних рішень, які підтверджено експериментальними даними, була розроблена методика динамічного розрахунку фундаментів інерційних вибивальних решіток за умов центрального та позацентрового прикладання динамічного навантаження.

Запропонована методика динамічного розрахунку фундаментів інерційних вибивальних решіток була прийнята Державним інститутом Укрдіпромез для використання при проектуванні фундаментів таких машин. Результати досліджень, що наводяться в дисертаційній роботі, також застосовано ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського” для оцінювання вібраційного стану фундаменту інерційної вибивальної решітки моделі 31216М у звязку із заміною обладнання, яке відпрацювало свій ресурс, і розташуванням нової решітки на існуючому фундаменті.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА полягає в наступному:

проведено експериментальні дослідження коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток в різних режимах роботи машини і характеру віброударного завантаження (центральне, позацентрове);

визначено граничне значення амплітуди коливання фундаментів інерційних вибивальних решіток, яке оцінюється в 0,15…0,1 мм за частоти обертання незрівноваженого вала відповідно 700-1000 об/хв;

встановлена величина коефіцієнта умов роботи , яка враховує специфіку динамічного навантаження фундаменту інерційної вибивальної решітки;

розроблено методики динамічного розрахунку фундаментів інерційних вибивальних решіток, затиснутих грунтом бокової засипки, за умови центрального або позацентрового динамічного завантаження.

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ. Основні положення роботи обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях ПДАБА “Будівництво. Матеріалознавство. Машинобудування” (Серії “Стародубівські читання”) в період 1999-2002 р., а також на 4-й Українській науково-технічній конференції “Механіка грунтів та фундаментобудування” (Київ, 2000 р.) та 3-х Савіновських читаннях (Санкт-Петербург, Росія, 2000 р.).

ПУБЛІКАЦІЇ. На тему дисертації опубліковано у виданнях, рекомендованих ВАК України, 6 робіт, в яких висвітлено головні положення виконаних досліджень. В опублікованих роботах, перелік яких наводиться далі, відображені основні розділи дисертації. Так, у роботах 1, 4 висвітлені динамічні розрахунки фундаментів інерційних вибивальних решіток за одномасовою та двомасовою розрахунковими схемами. У роботі 3 наводяться результати експериментальних досліджень вібрацій фундаментів інерційних вибивальних решіток, визначення гранично допустимої амплітуди коливань фундаментів і рекомендації щодо обрахунку величини незрівноваженої сили багатосекційної вибивальної решітки. В спільних роботах здобувачу належить методика експериментальних досліджень і результати інструментальних вимірювань коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток 2, розробка динамічного розрахунку фундаментів багатосекційних інерційних вибивальних решіток, затиснутих грунтом бокової засипки 5 та рекомендації щодо проектування фундаментів та регулювання їх коливань 6.

СТРУКТУРА І ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг роботи - 140 стор. основного тексту, 17 рис., 14 табл. і додатку на 2 стор. Список використаних джерел включає 123 найменування.

ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ сформульовані актуальність, мета, задачі, наукова новизна, практичне значення одержаних результатів та апробація роботи.

ПЕРШИЙ РОЗДІЛ містить короткий огляд і аналіз результатів робіт, присвячених моделям основ фундаментів машин з динамічним навантаженням, дослідженню коливань фундаментів та їх динамічному розрахунку.

В роботі зазначено, що значний внесок у розвязання проблеми щодо визначення параметрів коливання фундаментів машин і повязаних з цим задач (методи дослідження, різноманітні моделі грунтової основи, методи розрахунку та конструювання фундаментів) зробили вчені: О.І. Абашидзе, Д.Д. Баркан, Г.Е. Вебер, М.І. Забилін, В.О. Іллічов, М.П. Павлюк, Ю.Б.Рахлін, О.О. Савінов, Л.Р. Ставніцер, Н.С. Швець, О.Я. Шехтер, М. Novak, E. Rausch, E.Reissner та інші дослідники.

Оскільки фундаменти машин коливаються разом з грунтом, то математична модель основи відіграє значну роль у відтворенні динамічного процесу. Найпростіші моделі основи автори показують у вигляді пружин, демпферів, мембран та їх комбінацій. Ці моделі дозволяють застосовувати нескладний математичний апарат, отримувати достовірні результати, зручні для інженерних розрахунків фундаментів машин із динамічним навантаженням.

Складніші моделі основи можуть пояснити деякі особливості коливального процесу, але вони не набули широкого розповсюдження внаслідок помітного ускладнення динамічних розрахунків.

Адекватність динамічних розрахунків за різними моделями грунтових основ експериментально перевіряли Д.Д. Баркан, Ю.О. Кірічек, О.О. Савінов, В.Л. Сєдін, В.Г. Таранов, В.Г. Шаповал, Швець Н.С. та інші вчені.

Аналіз матеріалів теоретичних і експериментальних робіт показав, що переважна їх більшість присвячена розгляду динаміки фундаментів машин з гармонійним або імпульсним навантаженням. Віброударне завантаження, яке характерне для фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва, майже не досліджувалося. Ось чому при проектуванні фундаментів під цей тип машин виникають певні труднощі.

На основі аналізу та стану досліджень зроблено такі висновки.

Недостатньо вивчено вплив віброударного навантаження в системі вибивальна решітка - фундамент - основа на параметри коливань затиснутого грунтом фундаменту.

Відсутні обгрунтовані розрахункові схеми і методика динамічних розрахунків фундаментів інерційних вибивальних решіток за різних режимів роботи цих машин.

Не визначена нормативними документами амплітуда коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток та не встановлена величина коефіцієнта умов роботи.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ наводиться методика натурних випробувань фундаментів інерційних вибивальних решіток та результати дослідження їх вібрацій в цехах металургійних заводів Дніпропетровська та Краматорська.

Оскільки коливання визначалися в реальних грунтових умовах на фундаментах діючих інерційних вибивних решіток ливарного виробництва, то в підготовчний період вивчалися звіти з інженерно-геологічних вишукувань на ділянці розташування фундаменту, технічна документація на машину та фундамент. Окрім того, проводилося візуальне обстеження фундаментів і машин та встановлювалися характерні пошкодження конструктивних елементів фундаментів.

Вимірювання параметрів коливання фундаментів здійснювалося вібродатчиками И001 в комплекті з реєструвальним осцилографом Н004М. Датчики розташовувалися на верхньому обрізі зовнішніх граней стін фундаменту та біля підошви в площині головних осей. Фізіологічний вплив вібрацій фундаментів на людину визначався за стандартною методикою ДСН 3.3.6.039-99. Рівень вібрації реєструвався приладом ВШВ 003М2, датчик якого було розташовано в точках, що лежать на головних осях верхнього обрізу зовнішніх граней стіни фундаменту та на підлозі біля пульту керування ВР. Отримані результати оцінювалися відповідно до чинних санітарних норм.

Оскільки досліджувалися коливання діючих фундаментів інерційних ВР, слід розглянути основні елементи технологічного процесу по виготовленню і звільненню литва та конструктивні особливості системи вибивальна решітка - фундамент - основа (ВРФО).

Пустотні форми майбутнього литва формують із облицювальної та наповнювальної сумішей в металевих опоках розмірами до 5,2х5,2х0,4 м. При заливанні в пустотні форми підготовлених опок розплавленого металу деякі складові частини формувальної суміші вигоряють, забруднюючи повітря цеху, а інші створюють навколо відлитого виробу надміцну оболонку. Ливарна форма з виробом, що підлягає вибиванню, розташовується симетрично відносно двох або однієї осей симетрії системи ВРФО.

Невеликі опоки розформовують на односекційних решітках, що складаються з решітчастої рами, вібратора, амортизаторів, електродвигуна та клино-пасової передачі. Амортизатори виготовляють з пружин, які вставляють в напрямні пальці і закріплюють в решітчастій рамі та на опорних балках. Вібратором слугує неврівноважений вал з дисбалансами, зміна положення яких регулює величину збурювальної сили. Вибита і просіяна решітчастою рамою формувальна суміш просипається в бункер і видаляється транспортером (рис. 1).

Великі опоки розформовують на багатосекційних решітках, які складаються з декількох пар однотипних секцій.

Монолітні залізобетонні фундаменти ВР мають стінчасту конфігурацію. Масивні стіни фундаменту розташовані по периметру горизонтальної фундаментної плити, на яку вони спираються; внутрішній простір заповнюють бункери і траснпортер. В потовщеннях стін влаштовані опорні балки під ВР, кріплення бункерів та електродвигунів.

Аналіз технічної документації на існуючі фундаменти ВР дозволив виділити основні конструктивні особливості проектних рішень, а саме: заглиблення підошви фундаментів в грунт на глибину до -7,6 м; виготовлення їх в монолітному варіанті із бетону марки М150 і вище; армування стін та плити подвійними сітками з вічками 200х200 мм із арматури періодичного профілю діаметром 16…25 мм; застосування переважно залізобетонних опорних балок для опирання амортизаторів ВР. Також встановлено, що товщина вертикальних стін часто перевищує товщину фундаментної плити, що суперечить чинним нормативним вимогам про призначення висоти фундаментої плити, яка не може бути нижчою 0,4 м і меншою за товщину стін.

Візуальні обстеження фундаментів ВР показали, що сколювання бетону, тріщини, корозія арматури зосереджені в основному в залізобетонних опорних балках та місцях їх опирання. Рекомендовано виготовляти опорні балки в сталевому варіанті коробчастого перерізу, внутрішню порожнину якого заповнити бетоном, або двотаврового.

Основами фундаментів ВР слугують пилувато-глинисті грунти з модулем деформації на період будівництва 20…25 МПа і прогнозованим при замочуванні їх внаслідок можливого підняття підземних вод.

Коливання системи ВРФО можливе у двох випадках: в режимі холостого ходу, який застосовують лише в період налагодження обладнання, та в робочому режимі, коли ВР вибивають литво із заформованих опок. Вплив режиму роботи машини на параметри коливань фундаменту вивчався на фундаментах двосекційної та чотирьохсекційної ВР моделі 31316. Для цього спершу реєстрували коливання фундаментів в режимі холостого ходу. На наступному етапі досліджень параметри коливань фундаментів визначалися в режимі завантаження решітчастих рам ВР опоками різної ваги. Встановлено, що в режимі холостого ходу рухи фундаментів не відповідають гармонійному закону, незважаючи на те, що решітки знаходяться під впливом гармонійних збурювальних сил. В робочому режимі коливання фундаментів ВР набувають більш упорядкованого вигляду, оскільки в системі ВРФО відбувається синхронізація збурювальних сил і цим синхронізатором виступає опока, масу якої можуть здолати лише всі решітчасті рами. Окрема решітка не взмозі підкинути велику опоку, внаслідок чого клино-пасова передача прослизає і рухи решітчастих рам узгоджуються в фазі.

З метою уточнення просторової роботи елементів фундаменту були розглянуті коливання поздовжніх і поперечних стін, а також фундаментної плити чотирьохсекційної ВР типу 431И4 вантажопідйомністю 1000 кН. Коливання елементів фундаменту визначалися в точках, що лежали на верхньому обрізі стін та біля підошви, а також в середній частині поздовжніх і поперечних стін та фундаментної плити в площині головних осей. Завантаження симетричне, працювали всі решітки.

Одержані результати вказують на те, що величини вертикальних амплітуд коливання фундаменту у розглянутих точках в декілька разів перевищують значення амплітуди горизонтальних коливань і відрізняються від середньоарифметичного значення, але різниця між крайніми величинами вертикальних амплітуд не перевищує 18,4%. Все це свідчить про значну жорсткість елементів фундаменту. Зафіксовані амплітуди коливань верхньої частини стін фундаменту дещо вищі за амплітуди коливань фундаментної плити. Це вказує на розсіювання енергії в системі внаслідок поглинання її матеріалом стін і грунтом бокової засипки. Вказані залежності зареєстровано і на інших фундаментах ВР, але розглядалося менше поле точок. Розбіжність в значеннях вертикальних амплітуд коливання стін та фундаментної плити знаходиться в межах 15…20%.

Оскільки в симетрично завантаженій системі ВРФО значно переважають вертикальні коливання, а амплітуди коливання жорстких елементів стінчастого фундаменту відрізняються менше ніж на 20%, то в першому наближенні фундамент ВР можна сприймати за абсолютно тверде тіло.

В умовах сучасного виробництва практикується виливання металевих виробів невеликими партіями, тому заформовані опоки суттєво розрізняються за розмірами та масою. Змінюється також маса опоки під час вибивання. Встановлено, що вібрації фундаментів ВР залежать від маси опок, що вибиваються. Так, при недостатньому завантаженні решітчастих рам можливе помітне зростання амплітуд коливань фундаменту. Для досліджених фундаментів перехід від сталого режиму холостого ходу до незначного завантаження характеризується збільшенням вертикальних амплітуд коливань на 18…25%. Зростання амплітуд коливань фундаментів пояснюється частотним зміщенням резонансного піку, властивого для незавантажених решітчастих рам, в зону робочих частот внаслідок їх динамічного привантаження. При подальшому збільшенні маси опок амплітуда вертикальних коливань фундаменту монотонно зменшується.

Отже, при аналітичному обрахуванні параметрів коливань фундаментів необхідно враховувати діапазон змін маси опок, що вибиваються.

З метою встановлення граничного значення амплітуди коливання фундаментів ВР було визначено вібрації низки фундаментів за умови центрального та позацентрового розташування опок. Встановлено, що величина коливань фундаментів залежить від розташування місця дії динамічного навантаження. Якщо асиметрія в прикладанні динамічного впливу зростає, то, відповідно, збільшуються і амплітуди коливань точок, в напрямку яких розвивається асиметрія.

Амплітуди коливань фундаментів за умови центрального розташування опок знаходилися в інтервалі 33…135 мкм, а частота коливань складала відповідно 16,7…11,5 Гц. У випадку позацентрового розташування опок амплітуда коливання фундаменту в точках, в напрямку яких розвивалася асиметрія, сягала 38…153 мкм. При встановленні гранично допустимої амплітуди вертикальних коливань фундаменту ВР розглянуто результати впливу вібрацій на машину, фундамент, грунтову основу, роботу суміжних будівельних конструкцій, а також на здоровя оператора. Показано, що амплітуди вертикальних коливань фундаменту ВР величиною 150…100мкм за частоти 700…1000 об/хв забезпечують нормальний технічний стан машині, фундаменту і не викликають додаткових нерівномірних осідань основи. Оскільки під час вибивання литва на оператора ВР впливають не тільки вібрації, а й токсичні гази, тонкодисперсний силікатний пил, шум і дискомфортні температури, то граничне значення амплітуд взяте на 20% меншим зазначеного у санітарних нормах рівня вібрацій.

Гранично допустимими значеннями амплітуди вертикальних коливань фундаменту ВР слід вважати величини 150…100 мкм за частоти обертання незрівноваженого вала відповідно 700…1000 об/хв, оскільки ці значення амплітуд задовольняють всі вимоги, що забезпечують надійну та безпечну роботу установки.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ наводяться матеріали теоретичних досліджень системи ВРФО. В них враховані експериментальні залежності та конструктивні особливості системи ВРФО. Окрім того, прийняті припущення, що фундамент і жорстко встановлене на ньому обладнання розглядається як абсолютно тверде тіло, маса якого зосереджена в точці, грунтова основа вважається вязко-пружною, невагомою і лінійною. Також приймається, що ВР - абсолютно тверде тіло, амортизатори пружні, невагомі і лінійні. В проміжках між ударами машина та фундамент коливаються без опоки.

Вказані припущення надають можливості зобразити ВРФО як систему з кінцевим числом степенів вільності. В роботі розглянуті коливання системи ВРФО за одномасовою та двомасовою схемами за умови центрального та позацентрового прикладання динамічного навантаження без урахування та з урахуванням затиснення фундаменту ВР грунтом бокової засипки.

У розрахунках за одномасовою розрахунковою схемою коливання фундаменту із вибивальною решіткою розглядаються як коливання одного абсолютно твердого тіла, що має масу і спирається на вязко-пружну основу. Диференціальне рівняння руху системи ВРФО має вигляд

, (1)

де ; ; m₁ - маса фундаменту; m₂ - маса ВР; Z₁ - відхилення фундаменту від положення рівноваги в момент часу t; K_z - коефіцієнт жорсткості при пружному рівномірному стисканні основи; Ф_z - модуль згасання коливань;- величина сили, яка збурює коливання; - кругова частота сили.

Аналітичне визначення коливань фундаменту ВР знайдено у вигляді

, (2)

де m₀ - маса опоки; - частота вільних коливань фундаменту, ; - коефіцієнт поновлення швидкості удару; - безрозмірний коефіцієнт відносного демпфірування, .

Перша складова правої частини рівняння (2) відповідає вільним коливанням фундаменту ВР. Вони виникають внаслідок співударяння опоки з решіткою. Друга складова правої частини рівняння (2) відтворює вимушені коливання фундаменту ВР, які збурює незрівноважена сила дисбалансів ВР.

Двомасова розрахункова схема, на відміну від одномасовї, краще відтворює конструктивні особливості системи ВРФО, оскільки враховує пружний звязок між ВР та фундаментом. За умови центрального розташування опоки на ВР диференціальне рівняння руху двомасової системи ВРФО матиме вигляд

(3)

де Z₂ - відхилення ВР від положення рівноваги в момент часу t; - кутова частота власних коливань решітчастої рами, ; .

Аналітичний розвязок (3) відповідає коливанням фундаменту та ВР під час вибивання опоки і визначається сумою вільних та вимушених вібрацій у вигляді

, (4)

де ; ;

; ; ; ;

; .

Якщо в системі ВРФО знехтувати згасанням вібрацій в грунтовій основі, то рівняння коливань фундаменту ВР виявляються менш громіздкими

+

, (5)

де ;

.

В багатосекційних ВР можливе позацентрове розташування опок на решітчастих рамах. Це сприяє виникненню вертикальних і горизонтально-обертальних коливань фундаменту. В роботі цей випадок завантаження розглядається як за двомасовою, так і за одномасовою розрахунковими схемами.

Розглянута також умова, коли пружний опір грунту зсуву фундаменту значно перевершує опір нерівномірного стискання і в системі виникають лише вертикальні та обертальні коливання. Так, обертальні коливання описує рівняння

, (6)

де ; ; - момент інерції фундаменту із вибивальною решіткою відносно осі Y; ; ; ; або - ексцентриситет у прикладанні ударного навантаження відповідно вздовж осі Х або Y.

Максимальні значення амплітуд коливань бокових стін фундаменту ВР для цих випадків визначаються за формулами

; , (7)

де _1х, _1y - амплітуди (кути обертання, рад.) обертальних коливань фундаменту відповідно навколо осі Х та Y; l_x, l_y - відстань від вертикальної осі Z до краю верхньої грані фундаменту в напрямку прикладання ударного навантаження.

Оскільки фундаменти ВР заглиблені в грунт на глибину до -7,6 м, то в динамічних розрахунках запропоновано враховувати ефект затиснення фундаменту грунтом бокової засипки. Вязко-пружні властивості грунту бокової засипки визначаються за прямокутною епюрою через те, що в неї досить точно вписується парабола другого порядку, яка, за данними Алексєєва Б.Г., Швець Н.С. та інших, характеризує їх дійсний розподіл. Загальний вигляд отриманих результатів схожий на наведені рівняння (2), (4), (6), в яких коефіцієнти визначаються за формулами

; ;

. (8)

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ наведена оцінка адекватності отриманих в роботі теоретичних результатів експериментальним даним.

Аналітичними розрахунками за формулами (2) і (4) згідно з одномасовою та двомасовою розрахунковими схемами перевірена залежність амплітуд коливань фундаменту ВР від маси опоки, що вибивається. Обраховане зростання амплітуд вертикальних коливань фундаменту при вибиванні опоки сягає 43…48%. Збільшення вібрацій фундаменту ВР пояснюється тим, що зменшена на 60% маса розформованої опоки не так інтенсивно пригнічує вимушені коливання, збурені постійною для данного типу опок силою незрівноваженого вала ВР.

В розділі показані також результати розрахунку впливів підтоплення основи та затиснення фундаменту ВР грунтом бокової засипки. Узагальнювальною характеристикою виступає вязко-пружна властивість грунту. В прийнятій моделі основи її описують коефіцієнт жорсткості та модуль згасання коливань. Оскільки вони визначають частоту вільних коливань,

,

то амплітуди коливань фундаменту ВР розраховувалися в залежності від величини цієї частоти, яка взято до уваги характер змін вязко-пружних властивостей грунту. Результати впливу очікуваного підтоплення грунту на характеристики основи, а також залежність амплітуд коливань фундаменту ВР від його затиснення боковою засипкою наведено на рис.2. Підтоплення грунту основи, як свідчить крива 1, сприяє зростанню амплітуди на 25…29% і зменшенню частоти вільних коливань фундаменту ВР на 20…25% у випадку, якщо навколо нього бокова засипка не влаштовується. Вплив підтоплення основи на параметри вільних коливань фундаменту ВР, затиснутого грунтом бокової засипки, дещо менший. Дія підтоплення на вимушені коливання більш складна, оскільки внаслідок зменшення частоти вільних коливань фундаменту ВР можливе відхилення його вібрацій від резонансної зони або, навпаки, входження в неї. Розрахована амплітуда, як свідчить крива 2, тим менша, чим далі від резонансної зони відхиляється частота вільних коливань фундаменту ВР.

Затиснення фундаменту грунтом бокової засипки, на відміну від підтоплення, більш помітно впливає на параметри коливання фундаменту ВР, тому що його рухи інтенсивно сковуються грунтом бокової засипки. Оскільки сумарне значення вязко-пружних звязків фундаменту ВР із грунтом зростає, то частота його вільних коливань збільшується майже на 45%, а амплітуда зменшується на 40% (крива 1, рис. 2). В діапазоні розглянутих частот, як свідчить крива 2, виявлено резонансне підвищення вимушених коливань фундаменту. Зауважимо, що вільні та вимушені коливання фундаменту ВР мають різні знаки.

Сумарний динамічний вплив на систему ВРФО відображає крива 3 (рис. 2), яка враховує особливості кожної із складових частин віброударного навантаження.

В розділі наводяться також результати розрахунків вібрації досліджених фундаментів ВР за одномасовою та двомасовою розрахунковими схемами як на ЕОМ за допомогою програми проектування динамічної системи, так і за запропонованими формулами. В розрахунках враховувався вплив затиснення фундаменту грунтом бокової засипки.

З метою використання отриманих в роботі результатів в інженерних практиці формулі (2) надано вигляду

. (9)

Значення К_а та К_в в формулі (4) визначали залежності

; . (10)

Величини позитивних чисел n_а та n_в одержували за формулами

; . (11)

Максимальні амплітуди коливань фундаменту ВР обраховувалися в момент пікового зростання вільних коливань, яке відбувається в момент часу

.

Як свідчать отримані результати, за умови центрального розташування опок краща збіжність із виміряними вібраціями характерна для двомасової розрахункової схеми, визначені за формулою (4) амплітуди відхиляються від виміряних на 4,4…8,8%. Значно менше співпадають з натурними даними результати, обраховані згідно з одномасовою розрахунковою схемою за формулою (9). Тут розбіжність складає 20%, але простота визначення і швидкість отримання вірогідних значень змушують рекомендувати для практичного застосування одномасову розрахункову схему і формулу (9).

Задовільні результати отримані і для випадку позацентрового розташування опок. Встановлено, що для практичного використання доцільно застосовувати одномасову модель, обертальні коливання якої описує спрощене рівняння

(12)

Найбільші значення амплітуд вертикальних коливань фундаменту ВР обраховувалися для тих його стін, в напрямку яких спостерігається асиметрія в співударянні опоки і ВР за формулою

(13)

Розбіжність між обрахованими величинами амплітуд та виміряними значеннями сягає 9,5%.

В розділі розглядається також питання щодо величини коефіцієнта умов роботи , оскільки при проектуванні фундаментів машин із динамічним навантаженням згідно зі СНиП 2.02.05-87 середній статичний тиск під підошвою фундаменту повинен відповідати умові

, (14)

де р - середній статичний тиск під підошвою фундаменту, кПа; - коефіцієнт умов роботи; - коефіцієнт умов роботи грунтів основи; R - розрахунковий опір грунту основи, кПа.

Для діючих фундаментів ВР за формулою (14) була розрахована величина коефіцієнта умов роботи. Обраховані значення коефіцієнта обмежені величинами 0,04…0,14, що значно менше для молотів та формувальних машин, робочий режим яких характеризує нестале імпульсне навантаження на фундамент і для машин із частинами, що обертаються і створюють більш зрівноважений вплив на фундамент. За технічними умовами експлуатації інерційної вибивної решітки нерівномірність осідання її фундаменту не повина переважати 0,001. Значення прийняте з урахуванням результатів дослідів Д.Д. Баркана, О.О. Савінова та П.Л.Іванова, які досліджували осідання фундаментів від вібраційного та ударного завантаження. Основами фундаментів були піщані або суглинисті грунти. Автори показали, що осідання фундаментів залежать від величини прискорення коливань, статичного навантаження основи і властивостей грунту. У випадку однакового динамічного впливу на фундаменту деформації основи більш значні за низьких значень статичного тиску. Використовуючи перевірений практикою досвід експлуатації фундаментів машин із імпульсним та гармонійним навантаженнями, для яких середній статичний тиск під підошвою фундаменту обмежується значеннями відповідно 0,5 та 0,8 від величини розрахункового опору основи, пропонується коефіцієнт умов роботи фундаментів ВР брати рівним 0,5. Це буде ближче до обрахованого значення та враховуватиме результати натурних обстежень фундаментів ВР, які не виявили нерівномірних деформацій осідання, на що вказує задовільна робота обстежених машин та обслуговуючий персонал.

В кінці розділу наводяться рекомендації щодо проектування фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва та регулювання їх коливань.

ВИСНОВКИ

В роботі отримані нові, обгрунтовані натурними дослідженнями на діючому обладнанні, результати, за допомогою яких можна запроектувати фундаменти інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва з необхідними параметрами коливань. Виконані дослідження дали змогу зробити такі висновки.

Навантаження, що передаються на фундамент інерційної вибивної решітки, необхідно класифікувати як віброударні. Вони складаються з періодичних зусиль, які створює незрівноважений вал решітки, та імпульсної сили, що виникає внаслідок співударяння опоки і решітки.

Величина періодичної збурювальної сили, маса вибиваної опоки, асиметрія в розташуванні опоки і головних осей фундаменту з вибивальною решіткою, фізичні характеристики машини, фундаменту та грунту є визначальними факторами, від яких залежать параметри коливань фундаменту вибивальної решітки.

Неврівноважений вплив декількох решітчастих рам, розташованих на одному фундаменті, під час робочого процесу можна розглядати як одну силу, яка змінюється за гармонійним законом. Синхронізатором збурювальних сил у фазі виступає масивна великогабаритна опока, що вибивається на ВР.

Стінчасті фундаменти інерційних вибивальних решіток, про що свідчать дані проведених експериментальних досліджень, в першому наближенні можна розглядати як абсолютно тверде тіло, коливання якого на грунті збурює встановлена на ньому решітка.

Систему вибивальна решітка-фундамент-основа запропоновано розглядати як дво-масову, що враховує масу фундаменту, масу решітки, вязко-пружні властивості грунту і пружні характеристики амортизаторів, або як одномасову систему, в якій фундамент і решітка розглядаються як одне тверде тіло і враховуються пружні та демпфірувальні властивості основи.

Двомасова розрахункова схема краще відтворює конструктивні особливості інерційної вибивальної решітки та фундаменту; отримані за нею розрахункові формули достовірніше відображають якісну картину коливального процесу, а обраховані результати краще співпадають із виміряними вібраціями, оскільки розбіжність сягає 8,8%. Проте, аналітичний апарат, який описує цю схему, громіздкий, а тому розрахунки за цією схемою застосовують як уточнюючі.

Параметри коливання фундаментів інерційних вибивальних решіток в практичних розрахунках пропонується визначати за одномасовою розрахунковою схемою. Апробація запропонованого розрахунку засвідчила можливість його застосування в інженерній практиці, оскільки розбіжність між обрахованими і виміряними вібраціями не перевищує 20%, а нескладні формули відображають головні характеристики системи, які впливають на динамічний стан фундаменту. Основною перевагою запропонованого аналітичного підходу є можливість швидкого і достатньо надійного прогнозування вібраційного стану фундаментів інерційних вибивних решіток як за умови центрального, так і позацентрового динамічного навантаження.

Вібрації фундаментів інерційних вибивальних решіток - результат складання вільних і вимушених коливань системи вибивальна решітка-фундамент-основа, на що вказують віброграми коливань фундаменту в режимі холостого ходу та за умови завантаження решітки опокою.

Амплітуди коливань фундаменту ВР, як свідчать наведені в роботі результати теоретичних досліджень, необхідно визначати з обовязковим врахуванням затиснення фундаменту грунтом бокової засипки, оскільки підошву фундаментів вибивальних решіток ливарного виробництва розташовують на глибині до -7,6 м. Заглиблення цих фундаментів суттєво перевищує заглиблення фундаментів більшості машин з динамічним навантаженням, в розрахунках яких будівельні норми СНиП 2.02.05-87 вплив засипки не беруть до уваги. Якщо знехтувати сковуванням фундаменту решітки грунтом бокової засипки, то одержані за будь-якою розрахунковою схемою результати не співпадуть із виміряними, розбіжність перевершить 45%.

Аналіз існуючих рішень фундаментів дозволяє виявити слабкі місця в їх конструкціях. Встановлено, що найбільших пошкоджень в процесі експлуатації машини зазнають залізобетонні опорні балки та стіни в місцях їх стикування. Рекомендовано застосовувати для опирання пружинних амортизаторів решітки лише сталеві балки коробчастого перерізу, внутрішня порожнина якого заповнена бетоном, або двотаврового перерізу. Вони майже не пошкоджуються під час роботи і значно легше переобладнуються під іншу решітку, що буває при модернізації виробництва. Використання сталевих опорних балок дасть змогу також застосовувати конструктивні заходи для захисту залізобетонних стін, на які вони спираються, вводячи між ними прокладки із повсті або гуми.

У розрахунках фундаментів інерційних вибивальних решіток на коливання запропоновано враховувати можливі зміни характеристик грунтів основи внаслідок її підтоплення, тому що при замочувані зменшується модуль деформації грунту, коефіцієнт жорсткості основи та модуль згасання коливань. Зміна вязко-пружних властивостей основи може ввести систему вибивальна решітка-фундамент-основа в резонансну зону, визначення якої при проектуванні обовязкове.

Розрахований при проектуванні середній статичний тиск під підошвою фундаменту повинен відповідати умові (2) СНиП 2.02.05-87, в якій коефіцієнт умов роботи для фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва пропонується призначати .

Гранично допустимими значеннями амплітуд вертикальних коливань фундаменту інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва необхідно вважати величини 0,15…0,1 мм, при чому більшому значенню амплітуд відповідають частоти обертання незрівноваженого вала решітки 700 об/хв, а меншому - 1000 об/хв. Вказані значення на 20% менші величин, рекомендованих санітарними нормами ДСН 3.3.6.039-99, оскільки на здоровя оператора вибивальної решітки впливають й інші негативні фактори, а саме: шум, токсичні гази, тонкодисперсний силікатний пил і дискомфортні температури.

Результати досліджень прийняті у практику проектування.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ:

Капленко Г.Г. Визначення параметрів коливань фундаменту інерційної вибивальної решітки // Вісник Придн. держ. академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2002. - №5. - С. 24-31.

Капленко Г.Г., Левченко Г.М., Сєдін В.Л. Деякі питання динаміки фундаментів вибивальних решіток // Вісник Придн. держ. академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2002. -№2. - С. 28-33. (Внесок здобувача - розробка методики та результати інструментальних вимірювань коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток).

Капленко Г.Г. Експериментальне обгрунтування гранично допустимої амплітуди коливання фундаментів інерційних вибивальних решіток // Вісник Придн. держ. академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2003. -№. - С.22-27

Капленко Г.Г. Залежність параметрів коливання фундаменту інерційної вибивальної решітки від пружного звязку між фундаментом та решітчастою рамою // Вісник Придн. держ. академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2002. - №6. - С. 25-31.

Капленко Г.Г., Левченко Г.М., Сєдін В.Л. Коливання багатосекційних інерційних вибивальних решіток, затиснутих грунтом // Вісник Придн. держ. академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2002. -№10. - С. 30-35. (Внесок здобувача - розробка методики динамічного розрахунку фундаментів багатосекційних інерційних вибивальних решіток, затиснутих грунтом бокової засипки).

Капленко Г.Г., Левченко Г.М. Деякі питання вібраційного забруднення цехів ливарного виробництва// Строительство, материаловедение, машиностроение. Сборник научных трудов. Вып.24. - Днепропетровск: ПГАСА, 2003. - С.93-97. (Внесок здобувача - рекомендації щодо проектування фундаментів інерційних вибивальних решіток та регулювання їх коливань)

АНОТАЦІЯ

Капленко Г.Г. Коливання фундаментів вибивальних решіток ливарного виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.02. - Підвалини та фундаменти. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ, 2003.

В роботі наводяться результати експериментальних та теоретичних досліджень коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва в грунтових умовах Придніпровя.

Експериментальні дослідження включали візуальні обстеження існуючих фундаментів решіток та інструментальне визначення параметрів їх коливань за умови центрального і позацентрового прикладання динамічного навантаження.

З урахуванням отриманих результатів запропоновано гранично допустиме значення амплітуди коливання фундаменту.

В теоретичній частині отримані аналітичні залежності з визначення амплітуд і частот коливань фундаментів інерційних вибивальних решіток за одномасовою та двомасовою розрахунковими схемами з урахуванням вязко-пружних властивостей грунту і затиснення фундаменту боковою засипкою. Розглянуто симетричне та асиметричне розташування опоки на вибивальній решітці.

На підставі експериментальних і теоретичних досліджень розроблено рекомендації щодо проектування фундаментів інерційних вибивальних решіток ливарного виробництва та регулювання їхніх коливань.

Ключові слова: вібрація, коливання, фундамент інерційної вибивальної решітки, віброударне навантаження, гранично допустиме значення амплітуди, затиснення фундаменту.

АННОТАЦИЯ

Капленко Г.Г. Колебания фундаментов инерционных выбивных решеток литейного производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. - Днепропетровск, 2003.

В работе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований колебаний фундаментов инерционных выбивных решеток литейного производства в грунтовых условиях Приднепровья и западного Донбасса.

Экспериментальные исследования включали визуальные обследования существующих фундаментов решеток и инструментальное определение параметров их колебаний при центральном и внецентренном приложении динамической нагрузки.

С учетом полученных результатов предложено предельно допустимое значение амплитуды вертикальных колебаний фундамента инерционной выбивной решетки в 150...100 мкм при частоте вращения неуравновешенного вала соответственно 700…1000 об/мин.

В теоретическом разделе получены аналитические зависимости для определения амплитуд и частот колебаний фундаментов инерционных выбивных решеток при рассмотрении их одномассовой и двухмассовой расчетных схем, причем последняя лучше отражает конструктивные особенности системы выбивная решетка-фундамент-основание. Учитывались упруго-вязкие свойств грунта и защемление фундамента боковой засыпкой. Рассмотрено симметричное и асимметричное расположение опоки на выбивной решетке.

Аналитический аппарат и полученные зависимости дают возможность определять параметры колебания фундамента выбивной решетки в холостом режиме и при условии загружения решетки опокой. Холостому режиму соответствуют вынужденные колебания, возбуждаемые неуравновешенной силой дебалансов машины. Рабочий режим характеризуется виброударным нагружением, которое вызывает свободные и вынужденные колебания фундамента выбивной решетки.

Оценка адекватности полученных в работе теоретических результатов экспериментальным данным свидетельствует о том, что: в динамических расчетах фундаментов инерционных выбивных решеток необходимо учитывать возможный рост амплитуд вертикальных колебаний фундамента в результате уменьшения массы выбивающейся опоки; расчет параметров колебаний фундамента следует проводить по приведенным в работе формулам с обязательным учетом защемления его грунтом боковой засыпки, поскольку подошву фундамента располагают на глубине до -7,6 м.

На основании экспериментальных и теоретических исследований разработаны рекомендации по проектированию фундаментов инерционных решеток литейного производства и регулирования их колебаний. Поскольку основным повреждающимся элементом фундамента является опорная балка, то её необходимо изготавливать в стальном варианте двутаврового сечения или коробчатого сечения, внутренняя полость которого заполнена бетоном. Стены в местах опирания балок необходимо защищать от виброударного влияния упругими прокладками из войлока или резины.

Рассчитанное при проектировании среднее статическое давление под подошвой фундамента должно соответствовать условию (2) СНиП 2.02.05-87 “Фундаменты машин с динамическими нагрузками”, в котором коэффициент условий работы для фундаментов инерционных выбивных решеток литейного производства предлагается назначать .

Ключевые слова: вибрация, колебания, фундамент инерционной выбивной решетки, виброударная нагрузка, предельно допустимое значение амплитуды, защемление фундамента.

SUMMARY

Kaplenko J.J. Foundation Vibration of inertial shake-out grids if casting production. - Manuscript.

Dissertation for scientific degree of Candidate of Science in speciality 05.23.02 - Footings and Foundations. - Prydniprovsk state Academy of Civil Engineering and Architecture. Dnipropetrovsk, 2003

The results of theoretical and experimental research of the foundation vibrations of inertial shake-out grids of casting production in the ground conditions of Prydneproviye are given in the work, Experimental research excluded the visual examination of existing grids foundations and instrumental determination of parameters of their vibrations with central and eccentric application of dynamic load.

In the theoretical part the analytical dependences for determination of amplitudes and frequencies of foundations vibrations of inertial shake-out grids according to single-mass and double-mass calculation diagrams according for elastic-tough grounds properties and fastening the foundation by side filling are obtained in the theoretical part. The symmetrical and asymmetrical grids charging is examined.

On the bases of the experimental and theoretical research the recommendations for foundations designing of inertial grids of casting production and their vibration control are worked out.

Размещено на Allbest.ru

...