Різноспрямований гістерезисний торсіонний демпфер (ргтд)

Реферат: Винахід належить до антисейсмічних пристроїв, зокрема до гістерезисних демпферів сейсмічних коливань, що застосовуються для укріплення конструкцій від землетрусів. Ці пристрої встановлюються в місцях, де передбачаються серйозні зміщення під час землетрусів, наприклад на стику мостового настилу та точок прикладення сил. UA 100799 C2 (12) UA 100799 C2 UA 100799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь винаходу Цей винахід належить до антисейсмічних пристроїв, зокрема до гістерезисних демпферів сейсмічних коливань, що застосовуються для укріплення конструкцій від землетрусів. Ці пристрої встановлюються в місцях де передбачаються серйозні зміщення під час землетрусів, наприклад на стику мостового настилу та точок прикладення сил. Рівень техніки Демпфери розсіюють енергію. Демпфери розсіюють кінетичну енергію, що надходить до них, під час відносного руху з обох сторін (обох наконечників). Якщо розглядати дію демпфера з точки зору зміщення сили, а не енергії, то демпфери прикладають силу на рухливі наконечники, яка завжди направлена проти їхнього відносного зміщення. Цю силу необхідно називати "силою протидії" демпфера, якою виміряється здатність демпфера до розсіювання енергії. У гістерезисних демпферах здатність до розсіювання енергії досягається за допомогою застосування гістерезисних властивостей металів. На даний момент існує 2 типи різноспрямованих гістерезисних демпферів для будівництва мостів: пристрої за патентом США 5,806,250, що складаються з елементів у формі півмісяця; пристрої за патентом США 5,509,238, що складаються зі скобоподібних елементів та елементів конічного штифта, які розсіюють енергію. Існують й інші види гістерезисних демпферів, однак вони не містять елементів, які дозволяють демпферу діяти в різних напрямках, наприклад, таких як дисипаційні елементи у формі метелика. Інші амортизаційні установки на рівні існуючої техніки, це здебільш гасителі коливань, з самоцентруючими гумовими кільцями, що працюють як амортизаційні елементи демпфера. Ці гасителі коливань запатентовані під номером 3,730,463 у США. Гумові кільця використовуються, наприклад при еластомірній ізоляції мостів, для того щоб додати з'єднанням еластичність, збільшити період вільних коливань підкріплених конструкцій, та тим самим захистити конструкції від руйнування під час сильних коливань. На відміну від гасителів коливань, функція гістерезисного демпфера, що представлена у даному винаході, це не ізоляція конструкції, а збільшення здатності розсіювання енергії удару, яка досягається завдяки дисипаційній силі через пластичну деформацію матеріалів. Хоча гасителі коливань здатні стримувати невеликі коливання, вони не являються гістерезисними демпферами і, маючи самоцентруючу систему, не можуть амортизувати потужні удари. У різноспрямованих пристроях, що складаються із розсіювачей енергії у формі півмісяця, патент Італії МІ96А1447, як розсіювані енергії працюють вигнуті балки зі змінним перетином. Ці елементи мають форму, яка забезпечує рівномірну деформацію всієї довжини елемента й розташовані таким чином, що створюється симетричний пристрій, у якому всі окремі розсіювачі енергії працюють як єдине ціле, що створює більш потужну силу протидії. У пристроях, що складаються з елементів скобоподібної форми, С-подібної або U-подібної форм, диски встановлюються в різноспрямовані пристрої у симетричному порядку. С-подібні диски забезпечують гістерезисне розсіювання енергії при викривленнях та деформаціях по ширині при згинанні/розгинанні. Елементи конічного штифта - це прямі балки із круговим перемінним перетином по всій довжині, тому під час їхнього викривлення виникає однорідна деформація по висоті, що запобігає концентрації напруження. Завдяки симетричності в усіх напрямках, елементи легко улаштовуються в різноспрямовану систему демпфування без усякого механізму, що приводить їх у стан функціонування в різних напрямках. Різниця між винайденим пристроєм РГТД та вже існуючими моделями описані в наступному розділі. Застосування винаходу Метою даного винаходу є створення різноспрямованого гістерезисного демпфера економічного у виробництві, кращого або такого же ефективного в застосуванні, як вже існуючі гістерезисні демпфери. Оскільки йдеться про характеристики винаходу, то основні відмінності між винаходом РГТД та вже існуючими моделями полягають в тому, що: 1. Перемінний коефіцієнт пружної деформації завдяки спеціальному механізму створює геометричний ефект фіксації, вказаний на фіг. 13 та детально пояснений далі. 2. Легко регульована довжина важеля (та балки) забезпечує зручне регулювання властивостей пристрою: сили протидії та максимально припустимого зміщення. 3. Пристрій дозволяє відносне вертикальне зміщення між верхніми та нижніми анкерними кінцями, не створюючи ніяких перешкод при функціонуванні системи в горизонтальному напрямку. 1 UA 100799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Короткий опис винаходу Хоча використання циліндричних сталевих сердечників як гістерезисних амортизуючих елементів відоме з рівня техніки, їхнє об'єднання в різноспрямований гістерезисний демпфер є новою та унікальною характеристикою даного винаходу. Основними частинами даного винаходу є: - стрижні, що деформуються та важіль (складаються із частин 1, 2, 4, 7, 8, 9), - центральна опорна конструкція (складається із частин 5 та 6), - напрямна система (складається із частин 10 та 11). Опис креслень Для детального пояснення винаходу до опису додані необхідні креслення. Перелік та пояснення креслень наведені нижче. Фіг. 1. Тривимірне зображення пристрою без напрямної системи, що була знята для кращого показу частин, що розташовані внизу, Фіг. 2. Тривимірне зображення напрямної системи, Фіг. 3. Тривимірне зображення пристрою з ескізом напрямної системи, Фіг. 4. Вид збоку на пристрій без напрямної системи, Фіг. 5. Вид зверху на пристрій без напрямної системи, Фіг. 6. Вид зверху на весь пристрій з усіма складовими (без невидимих ліній), Фіг. 7. Переріз S1-S1 згідно із фігурою 4, Фіг. 8. Переріз S2-S2 згідно із фігурою 5, Фіг. 9. Переріз S3-S3 згідно із фіг. 6, Фіг. 10. Напрямна система, вид знизу, Фіг. 11. Напрямна система, вид зверху, Фіг. 12. Один з важелів і відповідно його напрямна балка в розібраному стані, Фіг. 13. Діаграма стабілізації в напрямку однієї з напрямних балок (будь-якої) з початковими пружньо-пластичними властивостями. Опис елементів на фігурах (Властивості, Компоненти, Частини) 1. Стрижень, що деформується, 2. Важіль, 3. Центральна кулькова опора (підшипник) - звичайний сталевий кульковий підшипник, що використовується для шарнірного з'єднання центральної (11) та плоскої (6) діафрагм. Оскільки підшипник використовуються для з'єднання центральної діафрагми, його необхідно назвати центральним підшипником, щоб його можна було розрізнити від підшипника/кулькової опори важеля, 4. Кулькова опора важеля - типовий металевий підшипник, що використовується для шарнірно-кулькового з'єднання між важелем (2) та напрямною балкою (10), 5. Опорна колона, 6. Дискова діафрагма із круглими отворами, 7. Цільний циліндричний вал, приварений до важеля для кріплення кулькової опори важеля, 8. Верхнє циліндричне кільце, приварене до вала. Застосовується для того, щоб фіксувати кулькові підшипники важелів на місці. Замість верхніх циліндричних кілець може бути використане будь-яке інше кріплення, наприклад, болти, 9. Нижнє циліндричне кільце, що застосовується для фіксації кулькових підшипників важелів. Як і в попередньому випадку, замість них можуть бути використані будь-які інші види кріплення, наприклад, болти, 10. Балка. Вісім напрямних балок для підшипника важеля є частиною напрямної системи. 11. Верхня пластина (є частиною системи балок) із прорізами (або іншим приладдям залежно від типу кріплення) для верхнього кріплення пристрою до плити мостового настилу. 12. Центральна опорна пластина для кріплення всього пристрою до основи (до балки ригеля опори) моста. Детальний опис винаходу Гістерезисний демпферний пристрій, який належить до даного винаходу, складається із трьох основних частин: 1. Стрижень, що деформується (1): Разом з важелем в зборі, що включає в себе сталеві підшипники (4) для шарнірного кулькового з'єднання важеля (2) з напрямною системою, для забезпечення безперешкодного руху наконечника важеля (2) в середині напрямної балки. Важіль (2) приварений до стрижня, що деформується (1) з однієї сторони (зверху), а з іншої сторони має приварений циліндричний цільний вал (7), що служить як монтажна вісь для кулькових підшипників важеля (4), як показано на фіг. 9. Також є два кільця (8, 9) на нижній та верхній сторонах підшипника важеля, що дозволяють фіксувати підшипник важеля (4) на місці. 2 UA 100799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Замість нижніх та верхніх (8, 9) циліндричних кілець може бути застосований будь який інший вид кріплення, наприклад, болти. Верхнє кільце (8) приварене до монтажного вала (7). Стрижні, що деформуються, виготовлені зі сталі і служать розсіювачами енергії. Винахід включає в себе, як мінімум 8 ідентичних стрижнів у формі циліндра з варіативним діаметром. Стрижні (1) деформуються, головним чином, при торсіонному навантаженні та розсіюють енергію під час повороту важелів (2). Стрижні, що деформуються (1), з нижньої сторони приварені до центральної опорної пластини (12), що дозволяє прикріплювати пристрій (гістерезисний демпфер) до ригеля опори моста. 2. Опорна конструкція: Опорна конструкція складається із центральної цільної сталевої колони (5) та дискової діафрагми (6), до якої вона приварена. Дискова діафрагма (6) кріпиться до стрижнів, що деформуються (1) за допомогою центральних підшипників (3). Центральні кулькові підшипники (3) застосовуються для торсіонного шарнірного з'єднання стрижнів, що деформуються (1) та плоскої діафрагми (6), що дозволяє стрижням (1) вільно обертатися. Основною функцією опорної колони (5) є запобігання викривленню стрижнів (1). Завдяки високому рівню поперечної жорсткості та паралельному з'єднанню зі стрижнями (1), центральна опорна колона (5) бере на себе більшу частину згинального моменту, і тим самим знижує напругу при згинанні у стрижнях (1), що мають деформуватися при зміщенні близькому до чистого торсіонного зміщення. Центральна опорна колона (5) може бути й іншої форми, такої як куб або восьмикутна призма, якщо це забезпечує необхідну поперечну жорсткість. Центральну опорну колону (5) приварюють до опорної пластини (12). Дискову діафрагму (6) також приварюють до центральної опорної колони (5) з нижньої та верхньої сторін центрального отвору в дисковій діафрагмі (6). 3. Напрямна система. Напрямна система забезпечує з'єднання між мостовим настилом та важелями (2). Напрямна система кріпиться до мостового настилу за допомогою болтів та отворів, а також при необхідності може бути встановлений блок передачі енергії удару. Система складається з верхньої пластини (11) з отворами подовженої форми та напрямних балок, що приварені до цієї пластини (11). Напрямні балки (10) можуть бути виготовлені зі сталевих листів, зварених у формі швелерного профілю. Також як напрямна балка (11) може використовуватися прокатний швелерний профіль, якщо його параметри відповідають вимогам. У деяких випадках може знадобитися елемент жорсткості бокової стінки для зміцнення поперечної жорсткості консольної частини напрямної балки. Верхня пластина (11) кріпиться до мостового настилу за допомогою металевих стрижнів (болтів), вмонтованих у бетонний настил моста. Напрямна система та кулькові підшипники важелів (4) формують потрібне з'єднання наконечників важелів (2) із мостовим настилом. Завдяки цьому типу з'єднання кожний важіль (2) буде рухатися убік (відносно своєї відповідної напрямної балки) незалежно від напрямку, у якому рухається настил моста, і важелю (2) не потрібно слідувати в напрямку компонента зрушення мостового настилу уздовж напрямної (10). Ця властивість існує у всіх вісьмох напрямних балок (10). Як показано на фіг. 12, у недеформованому стані, кожний важіль (2) розташований перпендикулярно своїй напрямній балці (10). Коли пристрій піддається зміщенню, важелі повертаються, і кут , між важелем (2) і його напрямною балкою (10) збільшується. Оскільки важіль (2) повинен затискати стрижень (1) при повороті, то у важелі перпендикулярно напрямній балці виникає поперечна сила (V), фіг. 12. Поперечна сила повинна бути збалансована компонентом сили F, нормальної для важеля у зоні кулькового підшипника важеля та напрямної, як показано на фіг. 12. Ця сила, завдяки кульковим підшипникам важеля (4), завжди виникає перпендикулярно напрямним балкам (10). Однак, два компоненти сили уздовж і перпендикулярно важелю (2) залежать від кута, , між важелем і його напрямною балкою (10): V=F.Cos() H=F.Sin() Вищевказане свідчить, що для поперечної сили V (сили, що діє при виникненні торсіонного моменту в центрі) виникаючої у важелі (2), сила F повинна бути розраховуватися як: F=V/Cos() При збільшенні кута , навіть якщо сила V залишається постійною величиною (припускаючи, що сталь має пружньопластичні властивості), сила F буде збільшуватися, надаючи пристрою здатність до просторової стабілізації. Необхідно відзначити, що сукупність компонентів цих сил (F) уздовж напрямку зрушення, що виходить від усіх 8 напрямних балок (10) дорівнює силі протидії гістерезисного демпфера. Таким чином, сила протидії пристрою залежить від рівня зміщення навіть при реакції пластичних та пружньопластичних матеріалів. Процес стабілізації зображений на фіг. 13. Також це значить, що зміщення не може перевищувати певної норми. Теоретично, норма зміщення дорівнюється довжині важеля (2). Цей рівень зміщення відповідає 3 UA 100799 C2 5 куту 90. Однак, оскільки, при кутах приблизно 90,осьова сила, що виникає у важелі, (2) та сила F будуть дуже великі, то на практиці припустима норма зміщення повинна розраховуватися таким чином: "довжина важеля X sin(60)", відповідний до максимальної ротації кута в 60. В особливих випадках, коли очікуване зміщення мостового настилу перевищує вищевказаний рівень, необхідно передбачати потужніші гістерезисні пристрої. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 1. Різноспрямований гістерезисний торсіонний демпфер, що є антисейсмічним пристроєм гістерезисного типу з різноспрямованою дією для захисту конструкцій від землетрусів, який складається з: - принаймні 8 ідентичних стрижнів (1) циліндричної форми з варіативними діаметрами; стрижні мають деформаційні властивості і тим самим виконують функції розсіювачів енергії, деформуючись при торсіонному навантаженні, що передається через важелі (2), приварені до стрижнів, при повороті важелів і виникненні деформацій у стрижнях (1); кожний стрижень (1) має приварений до нього зверху важіль; з нижньої сторони кожний стрижень приварений до опорної пластини (12) і кріпиться до плоскої діафрагми за допомогою шарнірного кулькового кріплення, яке з'єднує центральні підшипники (3) стрижнів (1) та плоску діафрагму; - опорної конструкції, що складається з опорної колони (5) та плоскої діафрагми (6); функцією опорної конструкції є запобігання викривленню стрижнів (1); опорна конструкція бере на себе більшу частину згинального моменту і тим самим захищає від надмірного згинання стрижні, які повинні деформуватися під час скручування при повороті важелів (2); - напрямної системи, що складається з ідентичних напрямних балок (10) у формі швелерного профілю; кількість напрямних балок дорівнює кількості стрижнів (1) плюс верхня пластина (11); напрямні балки (10) приварені до верхньої пластини (11) та розташовані паралельно важелям (2); функцією системи є направлення руху важелів (2) у кінцевих точках, де підшипники важелів (4) встановлені для того, щоб разом з напрямними балками (10) створювати шарнірне з'єднання наконечників важелів (2) з мостовим настилом. 2. Різноспрямований гістерезисний торсіонний демпфер за п. 1, який відрізняється тим, що підшипники важелів (4) закріплені на циліндричних валах (7), що є на наконечниках важелів, та зафіксовані за допомогою верхнього циліндричного кільця (8) та нижнього циліндричного кільця (9); верхні циліндричні кільця (8) приварені зверху до циліндричних валів (7). 3. Різноспрямований гістерезисний торсіонний демпфер за будь-яким з вищевказаних пунктів, який відрізняється тим, що він оснащений верхньою пластиною (11) із прорізами подовженої форми, яка служить для кріплення різноспрямованого гістерезисного демпфера до мостового настилу. 4 UA 100799 C2 5 UA 100799 C2 6 UA 100799 C2 7 UA 100799 C2 8 UA 100799 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9