Раздвижная ферма консольно-пролетного типа переменного вылета
EXTENDABLE TRUSS OF CANTILEVER SPAN OF ALTERNATE OVERHANG

Изобретение может быть использовано в строительстве, в частности в мостостроении, а также в грузоподъемной технике (кранов, манипуляторов и т.п.).
Широко известны несущие конструкции под общим названием «ферма» (см., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/ Ферма_(конструкция)), образованные прямолинейными стержнями, соединёнными в узлах в геометрически неизменяемую систему, к которой нагрузка прикладывается только в узлах, а на стержни действуют только усилия растяжения-сжатия.
Основным достоинством фермы является высокая удельная несущая способность (соотношение воспринимаемой без деформаций нагрузки к собственному весу конструкции).
Однако существующие типы ферм имеют существенный недостаток, неизменяемые геометрические размеры в рабочем состоянии.
Известны телескопические стрелы кранов (см., например, патенты RU: № 178314, МПК B66C 23/68, опубликован 29.03.2018 г.; № 97723, МПК B66C 23/04, опубликован 20.09.2010 г.), содержащие неподвижную наружную и размещенную в ней коаксиально по меньшей мере одну подвижную внутреннюю секцию, выполненную с возможностью выдвижения.
Недостатками известных конструкций являются ограничение минимальной длины (обусловленное размерами внешней секции) и невысокое соотношение минимальной и максимальной длины (обусловленное тем, что выдвижение внутренних секций на полную длину невозможно, так как чем дальше выдвинута внутренняя секция, тем меньшая площадь ее опоры и, соответственно, она способна выдержать меньшую нагрузку).
Также конструкции телескопического вида не могут обеспечить экономичные решения (рационального удельного расхода материалов, кг/м.п.) в силу больших изгибающих моментов, возникающих в стержневых элементах.
Известны ножничные подъемники (см., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/ Ножничный_подъёмник), представляющие собой платформу, закрепленную на системе рычагов, шарнирно соединенных между собой по типу «ножниц».
Известные конструкции имеют компактные габариты в транспортном состоянии, однако с их помощью возможно перемещение различных грузов только в вертикальной оси (подъем/опускание).
Кроме того, поскольку конструкции ножничного типа представляют собой набор неразрезных балок, соединенных между собой, они, в силу больших изгибающих моментов, возникающих в них, не позволяют обеспечить большие вылеты или пролеты и имеют высокую материалоемкость.
Известна принятая в качестве ближайшего аналога конструкция ножничного типа «мобильный раздвижной мост» (см. патент RU № 2587379, МПК E01D 15/12, опубликован 20.06.2016 г.), состоящий не менее, чем из двух, соединенных между собой секций, каждая из которых содержит, как минимум, два расположенных в параллельных плоскостях боковых каркасных элемента, в виде двух балок одинаковой длины, шарнирно соединенных между собой в своих геометрических центрах по типу «ножниц», то есть с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной образованной ими общей плоскости, верхние и нижние концы балок одного бокового каркасного элемента попарно соединены с верхними и нижними концами другого бокового каркасного элемента посредством жестких связей, секции соединены между собой шарнирно в соответствующих концах боковых каркасных элементов, а к жестким связям, соединяющим противоположные нижние концы балок двух соседних каркасных элементов, прикреплено мостовое полотно, состоящее из двух частей, шарнирно соединенных между собой по оси, перпендикулярной направлению движения через мост. При этом верхние и нижние концы балок в боковом каркасном элементе дополнительно попарно шарнирно соединены между собой с помощью распорок, каждая из которых состоит из двух равных по длине частей, шарнирно соединенных с возможностью фиксации в различных положениях.
Известное техническое решение компактно и имеет достаточно высокую несущую способность в полностью раздвинутом состоянии.
Однако особенности его конструкции не обеспечивают достаточной жесткости на изгиб в промежуточных состояниях (не полностью раздвинутой), а также при использовании в качестве консольной фермы.
Это обусловлено тем, что распорки, соединяющие концы балок между собой и зафиксированные в шарнирных соединениях (когда конструкция находится в промежуточном состоянии) работают только на растяжение и не обеспечивают дополнительной жесткости на изгиб (как при нагруженном свободном конце, так и под собственным весом).
Задачей заявляемого технического решения является создание компактной в сложенном состоянии фермы, обеспечивающей высокую несущую способность на больших вылетах.
Техническими результатами изобретения являются компактные габариты, высокая прочность на изгиб в широком диапазоне длин вылета и технологичность эксплуатации.
Технические результаты достигаются тем, что раздвижная ферма консольно-пролетного типа переменного вылета, состоящая по меньшей мере из одной секции, которая содержит крестовину, состоящую из двух раскосов одинаковой длины, шарнирно соединенных между собой в своих геометрических центрах по типу «ножниц»,  верхний пояс, состоящий из двух стержневых элементов одинаковой длины, шарнирно соединенных между собой одними своими концами, а другими концами шарнирно соединенных с верхними концами соответствующих раскосов крестовины, нижний пояс, состоящий из двух стержневых элементов одинаковой длины, шарнирно соединенных между собой одними своими концами, а другими концами шарнирно соединенных с нижними концами соответствующих раскосов крестовины, при этом каждая секция дополнительно содержит вертикальную связь, образованную двумя зубчатыми рейками, одна из которых своим верхним концом соединена с центральным шарниром верхнего пояса секции, другая – своим нижним концом с центральным шарниром нижнего пояса секции, вертикально ориентированными к геометрическому центру крестовины и соединенными между собой через шестеренчатый механизм, обеспечивающий их смещения относительно друг друга с одинаковым шагом и фиксацию в заданных положениях.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 схематически представлена конструкция раздвижной фермы в полностью разложенном состоянии, работающей по пролетной, либо консольной схеме (вид сбоку), на фиг. 2 – конструкция раздвижной фермы в промежуточном по раскладке состоянии, работающая по консольной схеме (вид сбоку), на фиг. 3 - конструкция раздвижной фермы в сложенном состоянии (вид сбоку).
Каждая секция раздвижной фермы консольно-пролетного типа переменного вылета содержит крестовину из двух раскосов 1, верхний пояс из стержневых элементов 2, нижний пояс из стержневых элементов 3, вертикальную связь из двух зубчатых реек 4, 5 и шестеренчатого механизма 6.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
Первую секцию фермы жестко закрепляют в заданном месте. Закрепление первой секции осуществляется в трех местах: нижний левый узел (шарнирное соединение нижнего конца соответствующей распорки 1 крестовины с концом соответствующего стержневого элемента 3 нижнего пояса)  - опирание шарнирное без возможности линейного перемещения, нижний правый узел крестовины (шарнирное соединение нижнего конца соответствующей распорки 1 крестовины с концом соответствующего стержневого элемента 3 нижнего пояса) - опирание шарнирное с возможностью линейного перемещения вдоль оси пролета, верхний левый узел крестовины (шарнирное соединение верхнего конца соответствующей распорки 1 крестовины с концом соответствующего стержневого элемента 2 верхнего пояса) - опирание шарнирное с возможностью линейного перемещения вдоль оси, перпендикулярной пролету. На первоначальном этапе раскладки все раскосы 1 и стержневые элементы 2 и 3 верхнего и нижнего поясов, соответственно, имеют угол, максимально приближенный к 90 градусам относительно оси раскладывания. Геометрические центры верхнего и нижнего поясов имеют максимальное приближение к геометрическому центру крестовины.
Под воздействием внешних сил: силы F, приложенной к нижнему правому узлу первой секции и гравитационной силы (сила тяжести) -конструкция фермы имеет возможность раскладывания вдоль оси пролета до тех пор, пока верхний и нижний пояса не будут находиться на прямой (верхние узлы крестовины будут находится на одной прямой с геометрическим центром тяжести верхнего пояса, аналогично для нижнего пояса).
Одновременно с раздвижкой каждой секции осуществляется перемещение реек 4 и 5, соединяющих центр тяжести крестовины и центры тяжести верхнего и нижнего поясов. Данные рейки двигаются в противоположных направлениях с одинаковым передаточным числом, что обеспечивается их жесткой связью с шестереночным механизмом 6. При этом, благодаря постоянной жесткой связи между центром крестовины и центрами поясов происходит перераспределение усилий с раскосов 1 на верхний и нижний пояса, что обеспечивает их постоянное включение в работу.
Раздвижка фермы может быть прекращена в любой промежуток времени за чет фиксации вращения шестереночного механизма 6, при этом ее работоспособность обеспечивается как в консольном варианте, так и в пролетном (при шарнирном закреплении правого нижнего узла крестовины последней секции). Максимальная работоспособность фермы обеспечивается на максимальном вылете при прямых поясах в пролетном характере работы.
Благодаря наличию в каждой секции вертикальной связи, все элементы конструкции (за исключением места закрепления первой секции фермы) не испытывают увеличения изгибающих нагрузок в случае неполного раскладывания заявляемой фермы, поскольку работают преимущественно на растяжение (изгибающие моменты распорок 1 в неполностью разложенном положении преобразуются в растягивающие усилия на стержневых элементах 2, 3 и рейках 4, 5).
Следует отметить, что использование предлагаемой конструкции возможно, как самостоятельно (в объеме заявленных признаков), так и в совокупности с другими ее дополнениями. Так, в случаях, когда заявленная ферма не способна выдерживать нагрузки на кручение в силу своей плоскостной конструкции, возможно создание объемной системы, включающей две параллельно расположенные фермы, жестко соединенные между собой в верхних и нижних узлах крестовин (в каждой секции). В этом случае полученная объемная конструкция помимо высокой прочности на изгиб будет обладать и высокой прочностью на кручение (относительно оси раскладки).
Проводимые на экспериментальном образце испытания подтвердили работоспособность заявляемого устройства при длине вылета до 60 м как при пролетном, так и при консольном расположении. В сравнении с конструкциями ножничного типа возможная длина пролета заявляемой конструкции в 4 раза больше, в сравнении с телескопическими - в 6 раз.
Заявляемое решение сочетает в себе преимущества стандартных ферм, в которых происходит равномерное распределение усилий с минимизацией изгибающих моментов в них (основные усилия продольные вдоль элементов конструкции каждой секции), с раскладываемыми системами, которые представляют собой балочные системы с максимальными изгибающими моментами в них. Данное решение позволяет выполнить конструкцию максимально компактной и имеющей минимальную материалоемкость (собственный вес конструкции на погонный метр ее длины (кг/м.п.)).