Ізохронний роликовий гасник вимушених коливань

Реферат: Винахід стосується області вібростійкого будівництва і може бути використаний для віброзахисту висотних об'єктів та споруд (типу телевізійних веж, башт, димарів, радіощогл, несучих стояків вітроелектростанцій тощо) від впливу небезпечних сейсмічних, вітрових та промислових вібраційних навантажень. Ізохронний роликовий гасник вимушених коливань містить ролики на нижній опорній плиті, виконані у вигляді сферичних шарнірів, і робочі виїмки на верхній опорній плиті, утворені обертанням спеціальної напрямної кривої - брахістохрони навколо вертикальної осі, параметричні рівняння якої мають такий вигляд:      x1()  R(  sin )  r cos   R , z1()  R(1  cos )  r 1  sin   , 0    2 , де R - характеристика    2  2  брахістохрони;   її параметр; r - радіус ролика. Шляхом зміни профіля напрямної кривої, обертанням якої навколо вертикальної осі утворюються робочі виїмки на робочому тілі гасника, а також вдосконалення конструкції вузлів взаємодії між верхньою та нижньою опорними плитами забезпечується ізохронність коливань робочого тіла гасника з одночасним підвищенням надійності його функціонування. UA 99759 C2 (12) UA 99759 C2 UA 99759 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується області вібростійкого будівництва і може бути використаний для захисту висотних об'єктів та споруд (типу телевізійних веж, башт, димарів, радіощогл, несучих стояків вітроелектростанцій тощо) від впливу небезпечних сейсмічних, вітрових та промислових вібраційних навантажень. Існує гасник коливань висотних споруд (Патент України № 40322A, М. кл. F16 F7/10, опубл. 16.07.2001, Бюл. №6), який складається з робочого тіла гасника та пружно-демпфірувальної системи його кріплення до споруди, причому систему кріплення виконано у вигляді опорного тареля з угнутим циліндричним робочим жолобом, напрямну криву якого виконано у вигляді циклоїди, а з торців робочий жолоб закривається знімними вертикальними бортами з криволінійними вікнами, причому опорний таріль жорстко закріплюють на перекритті у верхній частині споруди, а робоче тіло гасника встановлюють у вказаний жолоб опорного тареля. Крім того, робоче тіло гасника виконано набірним у вигляді котка, який складається з головної масивної частини з прилаштованими до неї по торцях валами, на які насаджуються додаткові, менші за масою, диски, причому кінці вказаних валів вільно входять у криволінійні вікна знімних вертикальних бортів опорного тареля. Крім того, між додатковими дисками та головною масивною частиною робочого тіла гасника встановлено пружні елементи з можливістю їх регулювання через вікна у вертикальних бокових бортах опорного тареля. До недоліків цього гасника слід віднести нетехнологічність його настроювання на напрям вимушених коливань, бо при кожній зміні напряму повітряного потоку потрібно переналаштовувати опорний таріль на його функціонування в цьому новому напрямі. Проте експлуатація гасника не повинна залежати від напряму дії повітряного потоку, а гасник повинен самоналаштовуватись на цей напрям. Ще одним недоліком гасника є такий. Хоча циліндричний жолоб має напрямну криву у вигляді циклоїди, проте коливання робочого тіла гасника не є ізохронними. Це можна пояснити таким чином. Не дивлячись на те, що під час руху котка він переміщується по циклоїдальному робочому жолобі опорного тареля, проте центр мас котка гасника не описує циклоїду, бо коток не є матеріальною точкою, а являє собою тіло кінцевих розмірів (циліндр з деяким кінцевим радіусом r). Це призводить до нестабільності власної частоти гасника і її залежності від амплітуди вимушених коливань робочого тіла гасника. Ще одним недоліком є те, що у циклоїдальному робочому жолобі опорного тареля з часом (як у кориті) накопичується волога та лід, які перешкоджають вільному перекочуванню робочого тіла в жолобі гасника. Це призводить до зміни частоти та фази власних коливань робочого тіла гасника і, як правило, до небезпечного порушення процесу його функціонування. Небезпека такої ситуації пояснюється тим, що замість того, щоб робоче тіло гасника коливалося б у жолобі у протифазі відносно із коливаннями споруди, воно починає коливатись із тою ж самою фазою, що і споруда. А це тільки підсилює вимушені коливання споруди, створюючи резонансні ситуації, а не перешкоджає їм. За прототип винаходу нами було прийнято роликовий гасник вимушених коливань висотних споруд (Патент України № 58981 А, М. кл. F 16 F7/10, Е 04 В 1/98, опубл. 15.08.2003, Бюл. №8). Цей гасник складається з робочого тіла та пружно-демпфірувальної системи кріплення його до споруди, причому робоче тіло гасника виконане у вигляді верхньої рухомої опорної плити змінної маси з угнутими робочими сферичними виїмками на нижній її поверхні в кількості не менше трьох, а система кріплення являє собою нижню нерухому опорну плиту, своєю нижньою опорною поверхнею обпертої та жорстко закріпленої на перекритті у верхній частині споруди та на верхній поверхні якої за допомогою циліндричних шарнірів закріплено вертикальні Г-подібні стійки у кількості, що дорівнює числу сферичних виїмок на верхній рухомій опорній плиті, причому кожна Г-подібна стійка своїм нижнім кінцем спирається на нижню нерухому опорну плиту через сферичний шарнір, а перпендикулярно до кінця консолі кожної Г-подібної стійки жорстко закріплено горизонтальну вісь, на якій за допомогою циліндричних шарнірів симетрично відносно поздовжньої осі консолі закріплено пару погумованих коліщаток для взаємодії із відповідними сферичними виїмками верхньої рухомої опорної плити. Крім того, у пружно-демпфірувальну систему кріплення гасника входять два повітряних демпфери, які за допомогою сферичних шарнірів зв'язують верхню рухому та нижню нерухому опорні плити та працюють у взаємно перпендикулярних напрямках. До недоліків даного пристрою слід віднести неізохронність його функціонування через те, що робочі виїмки на верхній опорній плиті виконані сферичними і при великих переміщеннях (до 1-3 метрів) робочого тіла відносно нижньої опорної плити виникають значні відхилення від налаштованої власної частоти гасника. 1 UA 99759 C2 5 10 15 20 25 Крім того, недоліком цього гасника є ненадійність функціонування вузлів взаємодії (вертикальних Г-подібних стійок) між верхньою та нижньою опорними плитами через нестабільність обертання погумованих коліщаток при перекочуванні їх по сферичних виїмках верхньої рухомої опорної плити. Зазначена нестабільність виникає через великі деформації (відхилення від вертикалі) вертикальних Г-подібних стійок у циліндричних шарнірах під дією нецентрованого вертикального навантаження від маси робочого тіла (в деяких випадках десятки тон). Через це навантаження у місцях з'єднання горизонтальних осей з вертикальними Г-подібними стійками виникають небезпечні тріщини, які неконтрольовано розвиваються і можуть призвести до аварійних ситуацій. В основу винаходу було поставлено наступну задачу створення ізохронного роликового гасника вимушених коливань: шляхом зміни профілю напрямної кривої, обертанням якої навколо вертикальної осі утворюються робочі виїмки на робочому тілі гасника, а також вдосконалення конструкції вузлів взаємодії між верхньою та нижньою опорними плитами забезпечити ізохронність коливань робочого тіла гасника з одночасним підвищенням надійності його функціонування. Поставлена задача вирішується тим, що в ізохронному роликовому гаснику вимушених коливань, який складається з робочого тіла гасника, виконаного у вигляді верхньої опорної плити змінної маси із увігнутими робочими виїмками на нижній її поверхні в кількості не менше трьох, та пружно-демпфірувальної системи кріплення його до несучого об'єкта, яка являє собою нижню нерухому опорну плиту, своєю нижньою опорною поверхнею обперту та жорстко закріплену на перекритті у верхній частині несучого об'єкта, та на верхній поверхні якої встановлено ролики для взаємодії з відповідними їм робочими виїмками на верхній опорній плиті, причому робоче тіло гасника зв'язане з нерухомою опорною плитою за допомогою двох повітряних демпферів, що працюють у двох взаємно-перпендикулярних напрямках, згідно з винаходом, ролики на нижній опорній плиті виконані у вигляді сферичних шарнірів, а робочі виїмки на верхній опорній плиті утворені обертанням спеціальної напрямної кривої брахістохрони навколо вертикальної осі, параметричні рівняння якої мають такий вигляд:  x1()  R(  sin )  r cos   R , 2 30 35 40 45 50 55     z1()  R(1  cos )  r 1  sin  , 0    2 ,    2   де R - характеристика брахістохрони;  - її параметр; r- радіус ролика. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваним результатом полягає в наступному. Перша ознака («…ролики на нижній опорній плиті виконані у вигляді сферичних шарнірів") забезпечує надійність функціонування вузлів взаємодії (роликів) між нижньою та верхньою опорними плитами. Сам сферичний шарнір є надійною конструкцією по визначенню, він не має консольних елементів з нецентрованим вертикальним навантаженням та не може вийти з контакту, бо куля (ролик) сферичного шарніра щільно встановлена і утримується у сферичній обоймі. Тому аварійні ситуації з його використанням виключені. Обертання куль у сферичних шарнірах відбувається під дією найменших дотичних сил тертя, які передаються від робочих виїмок робочого тіла при їх перекочуванні по зазначених кулях сферичних шарнірів. Отже, ролики у вигляді сферичних шарнірів є надійнішими, ніж у конструкції гасника-прототипу. Друга ознака («…робочі виїмки на верхній опорній плиті утворені обертанням спеціальної напрямної кривої - брахістохрони навколо вертикальної осі, параметричні рівняння якої мають такий вигляд …») дозволяє забезпечити ізохронність коливань центра мас робочого тіла гасника. Це пов'язане з тим, що криву-брахістохрону було знайдено із умови, щоби вона мала наступну властивість: якщо робоче тіло має робочі виїмки, утворені обертанням саме цієї кривої навколо вертикальної осі, то центр мас робочого тіла гасника завжди переміщується по циклоїді при перекочуванні робочих виїмок верхньої опорної плити по сферичних шарнірах нижньої опорної плити. Покажемо це. Розглянемо геометричну схему (Фіг. 1) для виведення рівняння траєкторії центра мас (ЦМ) робочого тіла гасника. На цій схемі зображено переріз KTN окремої виїмки вертикальною площиною, що проходить через найвищу її точку Т на верхній опорній плиті, яка взаємодіє з роликом (кулею), закріпленим у сферичному шарнірі (у точці О) на нижній опорній плиті. Нехай параметричні рівняння робочої кривої KTN робочого тіла гасника у вихідному положенні мають такий вигляд:  x1()  R(  sin )  r cos   R ; 2 (1) 2 UA 99759 C2     z1()  R(1  cos )  r 1  sin   , 0    2 , (2)    2   5 де R- характеристика брахістохрони;  - її параметр. Верхній точці Т робочої кривої KTN, яка знаходиться у вихідному положенні, відповідає параметр  =, лівій крайній точці К кривої - параметр  =0, правій крайній точці N кривої параметр  =2. Одинична зовнішня нормаль n , проведена у довільній точці кривої KTN, описується такою формулою:    n    cos ; sin  . 2 2  10 15 Будемо вважати також, що центр мас (ЦМ) робочого тіла гасника зосереджений у точці Т кривої KTN та робоче тіло гасника рухається плоско-паралельно (технічна вимога). Зазначимо, що рух робочого тіла гасника у випадку його плоско-паралельного руху можна описати через рух тільки однієї його точки, наприклад точки Т. Знайдемо зв'язок між рівняннями робочої кривої KTN та траєкторії ЦМ робочого тіла PTQ гасника та покажемо, що у випадку плоско-паралельного руху кривої KTN в площині XTZ найвища точка Т (центр мас робочого тіла) цієї кривої рухається по циклоїді PTQ. Розглянемо рисунок на Фіг. 1. Тут крива BQL являє собою деяке проміжне (поточне) положення робочої кривої KTN робочого тіла гасника при її перекочуванні без ковзання по ролику з центром у точці О під час плоско-паралельного руху робочого тіла гасника. З одного боку точка Q в координатній системі XTZ описується координатами x,z шуканої кривої PTQ, а з іншого - координатами x1, z1, робочої кривої KTN робочого тіла гасника, яка описується рівняннями (1) - (2).  20 Через те, що при просуванні кривої KTN вправо вектор зовнішньої нормалі n до неї в точці дотику з роликом повертається із точки Т у точку В проти годинникової стрілки, то кут  є від'ємним і тому маємо такі співвідношення (Фіг.1): (3) x1  x  r sin() ; z1  z  r(1  cos( )) . 25 (4) У формулі (4) також враховано те, що вздовж осі OZ координати поточної точки дотику В відкладаються вниз і z1 має від'ємний знак. Крім того, кути  та  пов'язані між собою таким співвідношенням, яке легко перевірити:  30 35 40 45  . 2 (5) Підставимо вирази (1) - (2) та (5) у формули (3) - (4) та виразимо з них координати х, z шуканої кривої PTQ: x()  R(  sin )  R ; (6) (7) z()  R(1  cos ), 0    2 , В результаті дістали відомі параметричні рівняння циклоїди (див., наприклад, Н.Н Бухгольц. Основной курс теоретической механики. Часть 1. М.: Наука, 1969.-468 с.) Таким чином, ми показали, що запропонований гасник є ізохронним та забезпечує стабільність власної частоти незалежно від величини відносних переміщень його робочого тіла. Розглянемо конструкцію запропонованого гасника в статиці та його складові елементи. На Фіг. 1 показана геометрична схема для виведення рівняння траєкторії центра мас (ЦМ) робочого тіла гасника; на Фіг. 2 - загальний вид ізохронного роликового гасника вимушених коливань, на Фіг. 3 - вид А на Фіг.2, на Фіг. 4 - розріз Б-Б на Фіг.2. На перекритті 1 (у самій верхній частині висотного об'єкта або нижче в разі потреби) жорстко закріплюють нижню нерухому опорну плиту 2 гасника. На верхній поверхні нижньої нерухомої плити 2 встановлені сферичні шарніри 3 у кількості не менше трьох. Кожен сферичний шарнір 3 складається зі сферичної обойми 4 та кулі 5, заправленої в цю обойму з можливістю вільного обертання в довільній площині. Зазначені кулі 5 взаємодіють з відповідними робочими виїмками 6, розташованими на нижній поверхні верхньої рухомої опорної плити 7 змінної маси. Кожна робоча виїмка 6 утворена обертанням спеціальної кривої-брахістохрони навколо вертикальної осі. У запропонованому конструктивному рішенні роликового гасника масу верхньої рухомої опорної плити 7 можна змінювати за рахунок неперервної зміни щебеня, піску тощо, яким заповнюється контейнер 8. Нижня нерухома опорна плита 2 та верхня рухома опорна плита 7 3 UA 99759 C2 5 10 15 20 25 30 35 зв'язані між собою двома повітряними демпферами 9, які функціонують у двох взаємно перпендикулярних напрямках. В динаміці ізохронний гасник працює у такий спосіб. При відхиленні нижньої нерухомої опорної плити 2 (разом із несучим об'єктом) в один бік від вертикалі верхня рухома опорна плита 7 через наявність інерційних сил переміщується відносно нижньої нерухомої опорної плити 2 в протилежний бік, причому її робочі виїмки 6 перекочуються по кулях 5 сферичних шарнірів 3. За рахунок такого перекочування верхня рухома опорна плита 7 поступально підіймається на відповідну зовнішньому збудженню висоту та гасить вимушені коливання об'єкта. При цьому кінетична енергія коливань об'єкта перетворюється на потенціальну енергію підйому робочого тіла (верхньої опорної плити) 7 роликового гасника. Через відносні переміщення опорних плит 2 і 7 в роботу включаються один або два повітряних демпфери 9 в залежності від розташування площини вимушених коливань несучого об'єкта. Тому частина кінетичної енергії вимушених коливань об'єкта неконсервативно витрачається на роботу по подоланню сил в'язкого опору між опорними плитами 2 та 7. Такий відбір енергії коливань в механічній системі "гасник-несучий об'єкт" поступово призводить до зменшення початкової максимальної амплітуди вимушених коливань об'єкта та стабілізації її на регульованому обмеженому рівні. Цей рівень можна вибирати та регулювати в залежності від вимог будівельних нормативних документів за допомогою трьох важливих параметрів гасника: характеристики брахістохрони R, яка утворює робочі виїмки 6, маси робочого тіла 7 гасника та коефіцієнта демпфірування ng у повітряних демпферах 9. У запропонованому гаснику можлива реалізація руху робочого тіла (верхньої опорної плити) 7 в довільному горизонтальному напрямку через те, що сферичні шарніри 3 можуть обертатись довільним чином (практично без опору), автономно вибираючи та налаштовуючись на площину вимушених коливань несучого об'єкта. Надійність функціонування роликового гасника забезпечується тим, що самі вузли (сферичні шарніри) взаємодії верхньої 7 та нижньої 2 опорних плит є надійними та безпечними на відміну від аналогічних вузлів гасника-прототипу. Через те, що центр мас робочого тіла 7 гасника завжди рухається по циклоїді в довільній площині вимушених коливань (за рахунок спеціально вибраної опорної поверхні робочих виїмок 6), то частота його власних коливань не залежить від величини амплітуди відхилення його робочого тіла відносно несучого об'єкта. Це означає, що коливання запропонованого роликового гасника є ізохронними і він стабільно утримує власну частоту на заданому рівні. Таким чином, поєднання запропонованих ознак дозволяє отримати очікуваний технічний результат: шляхом зміни профілю напрямної кривої, обертанням якої навколо вертикальної осі утворюються робочі виїмки на робочому тілі гасника, а також вдосконалення конструкції вузлів взаємодії між верхньою та нижньою опорними плитами забезпечити ізохронність коливань робочого тіла гасника з одночасним підвищенням надійності його функціонування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 Ізохронний роликовий гасник вимушених коливань, який складається з робочого тіла гасника, виконаного у вигляді верхньої опорної плити змінної маси із вгнутими робочими виїмками на нижній її поверхні в кількості не менше трьох, та пружно-демпфірувальної системи кріплення його до несучого об'єкта, яка являє собою нижню нерухому опорну плиту, своєю нижньою опорною поверхнею обперту та жорстко закріплену на перекритті у верхній частині несучого об'єкта, та на верхній поверхні якої встановлено ролики для взаємодії з відповідними їм робочими виїмками на верхній опорній плиті, причому робоче тіло гасника зв'язане з нерухомою опорною плитою за допомогою двох повітряних демпферів, що працюють у двох взаємно перпендикулярних напрямках, який відрізняється тим, що ролики на нижній опорній плиті виконані у вигляді сферичних шарнірів, а робочі виїмки на верхній опорній плиті утворені обертанням спеціальної напрямної кривої - брахістохрони навколо вертикальної осі, параметричні рівняння якої мають такий вигляд:  x1()  R(  sin )  r cos   R , 2     z1 ( )   R(1  cos )  r 1  sin   , 0    2 ,    2   55 де R - характеристика брахістохрони; θ-її параметр; r-радіус ролика. 4 UA 99759 C2 5 UA 99759 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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 6