В Пермском государственном техническом университете под руководством профессора Цирульникова М. Ю. была построена установка для застреливания анкеров и свай УЗАС-2 на базе артиллерийской системы М-47, позволяющая застреливать в грунт железобетонные и трубча­тые стальные сваи. При этом использовал­ся метод свободного застреливания: строитель­ный элемент погружался в грунт только после того, как полностью выходил из канала ствола. Для этого свая крепилась к каналу ствола, затем вместе с пушкой поднималась вверх, после чего производился выстрел. Как следствие, подготов­ка выстрела занимала много времени.

М. Ю. Цирульниковым был рассмотрен во­прос о многоцикловом (или многоударном) по­гружении строительного элемента в грунт, ког­да одного выстрела не хватает для заглубления строительного элемента на необходимую глуби­ну. При таком погружении после первого застре-ливания в канал ствола помещается поршень, который используется как забойник. После про­изведения очередного выстрела поршень дви­жется в канале ствола, выходит из него, затем ударяет по конечной части строительного эле­мента, обеспечивая его заглубление.

Применяемый в установке забойник состо­ит из трех частей: цилиндрической части, диа­метр которой соответствует калибру орудия, наконечника, служащего для соединения со строительным элементом и сменной камеры, во внутреннюю полость которой вкладывается заряд.

Неудобства при использовании такого спо­соба погружения строительных элементов в грунт, заключаются в следующем:

1.    Каждый раз для проведения удара поршнем необходимо закреплять его в стволе и поднимать пушку — это существенно снижает скорость работы.

2.    При ударе поршнем о строительный эле­мент может произойти разрушение конца строи­тельного элемента, который принимает удар.

Однако, несмотря на указанные недостатки, данный метод успешно применялся для обу­стройства свайных фундаментов.

Чтобы избежать перечисленных проблем, целесообразно применять метод импульсного или многоимпульсного вдавливания, когда строительный элемент движется в грунте и кана­ле ствола одновременно. Таким образом, перед выстрелом строительный элемент упирается в грунт либо уже имеет начальное заглубление, следовательно, нет необходимости поднимать его (либо забойник) вместе с пушкой.

Однако даже в таком случае основным ограничением таких устройств является то, что они предназначены для застреливания только коротких строительных элементов, которые мо­гут разместиться между нижним срезом ствола установки, в котором расположен поршень-забойник, опирающийся на строительный эле­мент, и поверхностью грунта.

Недостатком данного изобретения являет­ся то, что строительный элемент, например, из артиллерийской установки УЗАС-2 в глинистый грунт средней плотности может быть застре­лен на глубину, не превышающую 4м.

В 2009г. был получен патент на изобретение «Установка для погружения в грунт строитель­ных элементов», которое призвано преодолеть это ограничение.

Изобретение относится к области строи­тельного дела и может быть использовано для импульсного вдавливания в грунт длинных строительных элементов. Установка включа­ет установленное на транспортном средстве артиллерийское орудие с размещенным в ка­нале ствола поршнем-забойником, контакти­рующим с вдавливаемым строительным эле­ментом. Конструктивно она выполнена из не менее трех орудий, равномерно расположен­ных и соединенных между собой относительно центра, в котором помещен застреливаемый строительный элемент. Поршень-забойник выполнен из двух частей: центральной — с крышкой, опирающейся на застреливаемый элемент, и боковых балок, жестко скреплен­ных с центральной частью, причем концы ба­лок установлены в стволы орудий. При работе установки выстрелы всех орудий синхронизи­рованы между собой.

Установка работает сле­дующим образом: на опертую на грунт сваю устанавливается центральная часть поршня-забойника с упором крышки в верхнюю часть сваи, а на концы боковых балок устанав­ливают стволы орудий, соединенные между собой, и производят синхронизированный вы­стрел, поршень-забойник через крышку импульсно вдавливает сваю в грунт.

Изобретение позволяет за счет энергии пороха обеспечить импульсное вдавливание длинных строительных элементов в грунт на значительную глубину, нормально к поверхно­сти, снизить нагрузки на элементы конструкции установки. С помощью разработанных матема­тических моделей можно оптимизировать коли­чество пороха и другие параметры заряжания в зависимости от характеристик орудия, строи­тельного элемента, необходимого заглубления, ограничений на максимальную скорость отката и давление в каналах стволов.

В дальнейшем будем предполагать, что все стволы многоствольной откатной строительной артиллерийской установки обладают одинако­выми техническими характеристиками. Это же допущения применим для условий заряжания каждого из стволов.

В соответствии с современной теорией строительной внутренней баллистики, раз­работанной на основе классической термоди­намической теории боевых орудий, будем различать три периода выстрела: предвари­тельный — от начала горения пороха до начала движения строительного элемента; первый или основной период — от начала движения строи­тельного элемента до конца горения пороха;

Второй период — движение строительного эле­мента во время адиабатического расширения уже образовавшихся пороховых газов; третий период — период последействия пороховых газов на строительный элемент и ствол после полного выхода строительного элемента из ка­нала ствола артиллерийского орудия.

Ввиду того, что вес и кинетическая энергия заряда пренебрежительно малы по сравнению с весом и кинетической энергией откатных ча­стей и строительного элемента, мы будем рас­сматривать только предварительный, первый и второй периоды выстрела.

Известно, что для численного решения поставленной задачи с достаточной степе­нью точности можно применять метод Эйле­ра или метод Рунге-Кутта второго порядка с шагом интегрирования 10-6 с, при этом от­носительное отклонение между решениями, полученными этими методами, составляет 0,3%, а среднее относительное отклонение расчетных данных от экспериментальных — 8,6%.

Для исследования внутрибаллистических процессов многоствольной строительной си­стемы приведем результаты численных экс­периментов и проанализируем зависимости некоторых динамических характеристик от ко­личества стволов. Будем рассматривать глини­стый грунт с консистенцией 0.3. Анализ численных экспериментов показы­вает, что поведение основных внутрибаллистических характеристик многоствольных систем аналогично поведению этих характеристик для одноствольных орудий, поэтому остано­вимся на рассмотрении лишь тех показателей многоствольных пушек, которые существенно зависят от количества стволов строительной импульсно-тепловой машины.

Увеличение коли­чества стволов приводит к росту конечного за­глубления строительного элемента. При этом рост заглубления постепенно замедляется и, начиная с некоторого количества стволов си­стемы, практически останавливается. По срав­нению с одноствольными системами приме­нение, например, трехствольной установки для застреливания строительного элемента в грунт увеличивает заглубление на 25% при одинако­вых условиях заряжания. Так же, увеличение количества стволов снижает максимальное давление в канале ствола и максимальную скорость свободного отката. Эти характери­стики, как известно, являются основными ограничениями при использовании строитель­ных артиллерийских установок для застреливания строительных элементов в грунт. Из этого следует, что для многоствольных систем можно использовать больший заряд пороха по сравнению с одноствольным орудием, тем са­мым увеличивая конечное заглубление строи­тельного элемента в грунт, не превысив при этом ограничений на дульную скорость отката и максимальное давление в канале стволов.

Коэффициент полезного действия является очень важным показателем в строительстве. Поэтому важно знать, каких результатов по­зволит достичь выбор КПД в качестве крите­рия оптимизации в обратной задаче внутрен­ней баллистики вместо конечного заглубления строительного элемента в грунт.

Ниже приводится сравнение результатов решения обратной задачи внутренней балли­стики при различных критериях оптимизации. Обратная задача решалась с требуемым за­глублением строительного элемента на 10м в глинистый грунт с консистенцией 0,3.

Таким образом, для описанной много­ствольной установки разработана математиче­ская модель, показывающая, что ее применение может значительно  повысить  эффективность использования импульсно-тепловых машин в строительстве.

Изобретение позволяет обеспечить им­пульсное вдавливание длинных строительных элементов в грунт нормально к поверхности, снизить нагрузки на элементы конструкции установки и увеличить заглубление строи­тельного элемента в грунт по сравнению с одноствольными строительными откатными артиллерийскими орудиями. С помощью раз­работанных математических моделей можно оптимизировать количество пороха и другие параметры заряжания в зависимости от ха­рактеристик орудия, строительного элемента, необходимого заглубления, ограничений на максимальную скорость отката и давление в каналах стволов.