УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ ВИБРАЦИЙ ТРОСА
CABLE VIBRATION DAMPING DEVICE

Изобретение относится к технологиям демпфирования вибраций, которым подвергаются тросы, используемые для подвешивания сооружений.
В частности, оно находит свое применение для систем подвешивания мостов при помощи вант. Ванты вибрируют, в частности, по причине ветра или движений транспортных средств. Были предложены различные устройства для демпфирования этих вибраций.
В устройстве демпфирования первого типа (см., например, документы EP 0 343 054 A1, DE 295 17 250 U1 или WO 98/04780 A1) вибрационная энергия рассеивается вокруг троса в зоне, ограниченной в радиальном направлении элементом, закрепленным на подвешенной конструкции. Этот элемент может представлять собой стойку, проходящую между тросом и подвешенной конструкцией, или трубу, в которую заведена нижняя часть троса. Устройство этого типа позволяет ограничить амплитуды вибраций.
В других устройствах используют демпферы линейного хода, такие как пневматические поршни. Эти поршни могут быть расположены на стойках, проходящих между тросами и подвешенной конструкцией (см., например, документ JP 09-59921 A) или между тросом и трубой, закрепленной на подвешенной конструкции и содержащей нижнюю часть троса (см., например, FR 2 859 260 А1 или JP 06-58370 A).
Так называемое маятниковое устройство для демпфирования содержит соединенную с тросом колеблющуюся стойку, демпфирование колебаний которой происходит за счет вязкого трения. В документе FR 2 664 920 A1 описан пример такого маятникового устройства.
В варианте выполнения маятникового устройства демпфирования, представленном на фиг. 1, стойка 10 колеблется вокруг поворотной оси 11, установленной на кронштейне 12, который, в свою очередь, колеблется на каркасе 13, закрепленном на настиле 14 моста. Между нижней частью стойки 10 и каркасом 13 или настилом 14 установлены два гидравлических поршня 12, расположенных в виде X. Поршни 15 демпфируют вертикальные движения ванты 16, удерживаемой соединителем 17 в верхней части стойки 10, когда стойка 10 поднимается и опускается, при этом допускаются вертикальные перемещения поворотной оси 11 при наклоне кронштейна 12. Горизонтальные движения ванты 16 заставляют стойку 10 колебаться вокруг поворотной оси 11 и дифференциально демпфируются перекрещивающимися поршнями 15.
Маятниковое устройство обеспечивает сильное демпфирование на тросах, в частности, на длинных тросах. Обычно оно расположено в нижней части троса примерно на 2-3% его общей длины от нижнего крепления. Конструкция этого устройства позволяет демпфировать одновременно вертикальные и поперечные движения троса с большими значениями хода, как правило, порядка ±100-±150 мм.
Однако иногда отклонения тросов являются еще более значительными, в частности, когда сооружение является гибким. Необходимые значения хода являются еще более значительными, например, могут достигать ±700 мм.
При этом конструкция маятникового устройства имеет свои ограничения: поскольку домкраты имеют очень большой ход, устройство становится чрезмерно громоздким, как видно на фиг. 1. Как правило, демпфирующий поршень имеет длину, в три раза превышающую его ход, поэтому возникает необходимость в поршнях более 2 м длины. Установка такого габаритного маятникового устройства на мосту становится практически невозможной.
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование маятникового устройства и облегчение его установки в сооружении, в частности, если демпфируемые вибрации имеют большие амплитуды.
Предложено устройство для демпфирования вибраций троса, в частности, ванты моста, при этом указанное устройство содержит:
- стойку, колеблющуюся вокруг поворотной оси;
- первый демпфер для демпфирования по меньшей мере некоторых из колебаний стойки;
- соединитель, соединенный с тросом;
- второй демпфер линейного хода, верхний конец которого соединен с соединителем и нижний конец соединен со стойкой; и
- направляющую для обеспечения перемещения скольжением соединителя относительно стойки параллельно ходу второго демпфера таким образом, чтобы передавать движения троса, поперечные относительно хода второго демпфера, на стойку независимо от второго демпфера.
Направляющая образует подобие кулисы, которая осуществляет разделение движений троса, перпендикулярных к стойке, которые демпфирует первый демпфер, и движений, параллельных стойке, которые демпфирует второй демпфер. Второй демпфер может иметь относительно длинный ход, что не приводит к значительному увеличению габарита устройства и не влияет на его внешний вид. Направляющая позволяет ему избегать моментов прогиба, которые могут отрицательно сказаться на его работе.
В варианте выполнения устройства первый демпфер содержит по меньшей мере один поршень, расположенный поперечно к стойке и соединенный со стойкой под поворотной осью. Поршень можно расположить под верхней стороной конструкции, подвешенной при помощи троса, в частности, когда поворотная ось расположена относительно стойки таким образом, что расстояние между поворотной осью и точкой крепления соединителя на тросе превышает плечо рычага, относительно поворотной оси, силы, которой действует поршень на стойку. Разность плеча рычага относительно стойки между поперечными усилиями, создаваемыми вибрирующим тросом, и сопротивлением, которое оказывает поршень первого демпфера, позволяет этому поршню иметь меньший ход. Следовательно, он может иметь ограниченный габарит и помещаться в полость, выполненную в подвешенной конструкции. Предпочтительно эффект рычага увеличивается за счет того, что расстояние между поворотной осью и точкой крепления соединителя по меньшей мере в три раза превышает плечо рычага, относительно поворотной оси, силы, которой действует поршень на стойку.
Поворотная ось, будучи установленной в толщине конструкции, подвешенной при помощи троса, может быть невидимой для лиц, перемещающихся по этой конструкции. Предпочтительно она представляет собой шарнир с шаровой опорой или с карданом, что позволяет устройству допускать движения соединителя параллельно оси троса, связанные, например, с его тепловым расширением. Поворотная ось может быть по существу неподвижной относительно подвешенной при помощи троса конструкции.
Другим объектом настоящего изобретения является вантовый мост, содержащий по меньшей мере один пилон, настил, ванты, представляющие собой тросы, проходящие под наклоном между пилоном и настилом, поддерживая настил, и описанное выше устройство демпфирования, установленное между по меньшей мере одним тросом и настилом.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительного примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема известного маятникового устройства демпфирования.
Фиг. 2 - схематичный вид сбоку вантового моста.
Фиг. 3 - кинематическая схема примера заявленного устройства демпфирования.
Фиг. 4 - вид сбоку части ванты, оснащенной устройством для демпфирования согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 5 - вид в разрезе устройства демпфирования, показанного на фиг. 4, по плоскости V-V, показанной фиг. 4.
Фиг 6-8 - схемы, иллюстрирующие возможные версии устройства демпфирования.
Изобретение описано ниже в своем не ограничительном варианте применения для вантовых мостов. При этом тросы, колебания которых необходимо демпфировать, являются вантами 16, которые проходят между пилоном 20 моста и его настилом 14 для подвешивания настила 14.
Одна или несколько вант 16 оснащены устройством 22 для демпфирования, содержащим стойку, расположенную поперечно к ванте 16 между точкой P крепления, находящейся вблизи ее нижнего крепления (например, в нескольких % общей длины ванты), и настилом 14. Как правило, стойка устройства 22 демпфирования находится по существу в той же вертикальной плоскости, что и ванта 16, с которой она связана. Вместе с тем, стойка может слегка отклоняться от этой плоскости.
На фиг. 3 схематично представлена кинематика устройства 22 демпфирования, показанного на фиг. 2. Стойка 25 устройства 22 ориентирована в направлении, обозначенном X, и шарнирно соединена с настилом моста при помощи поворотной оси 26, например, с шаровой опорой. Таким образом, она может колебаться вокруг поворотной оси 26, и ее колебательное движение (стрелки F на фиг. 3) демпфируют при помощи первого демпфера 30.
В примере, представленном на фиг.3, первый демпфер 30 является гидравлическим поршнем, первый конец которого соединен с неподвижной точкой настила 14, а второй конец соединен со стойкой 25 в точке Q, близкой к ее нижнему концу. Первый демпфер 30 расположен по существу перпендикулярно к стойке 25. Для первого демпфера 30 можно предусмотреть другие конструктивные варианты: он может иметь несколько гидравлических поршней, или гидравлический поршень (или один из поршней) может находиться над поворотной осью 26, или эффект демпфирования можно получить посредством перемешивания вязкой среды, в которую погружен нижний конец стойки 25 (аналогично тому, что описано в FR 2 664 920 A1), и т.д. Если первый демпфер 30 является демпфером линейного типа, предпочтительно его соединения со стойкой 25 и с неподвижной точкой настила 14 являются шарнирными соединениями, например, с шаровой опорой. Таким образом, на линейный демпфер 30 не действуют нежелательные моменты прогиба, когда направление X колеблется вокруг поворотной оси 26 по причине поперечных или осевых движений ванты 16. Расположение линейного демпфера 30 не обязательно должно быть горизонтальным. Кроме того, точка Q его шарнирного соединения со стойкой 25 может принадлежать к продолжению стойки 25, образующему с ней колено.
Между стойкой 25 и соединителем 27, установленным на ванте 16 в точке Р крепления, находится кулисная направляющая 28, которая позволяет соединителю 27 оставаться на одной линии со стойкой 25. Второй демпфер 31 линейного хода, такой как гидравлический поршень, установлен между соединителем 27 и стойкой 25. Этот демпфер 31 демпфирует движения точки Р крепления ванты 16 параллельно стойке 25.
В конфигурации, представленной на фиг.2, стойки устройств 22 демпфирования ориентированы перпендикулярно к соответствующим вантам 16, движения которых они демпфируют. Это обеспечивает максимальную эффективность устройства демпфирования. Вместе с тем, возможны и другие варианты расположения, например, стойки 25 могут быть расположены вертикально (то есть под не прямым углом относительно их соответствующих вант). Чтобы гасить вибрации ванты 16, устройство 22 может также иметь две стойки, расположенные с двух сторон от вертикальной плоскости, содержащей ванту 16.
Направляющая 28 позволяет избежать передачи на поршень 31 нежелательных усилий прогиба, возникающих при движениях ванты 16 перпендикулярно к стойке 25. Она обеспечивает разделение между демпфированием движений, параллельных стойке, которое обеспечивает демпфер 31, и демпфированием движений, перпендикулярных к стойке, которое обеспечивает демпфер 30. При этом оба демпфера 30, 31 могут быть выполнены и оптимизированы независимо друг от друга для достижения необходимых эффектов демпфирования.
На фиг. 4 и 5 показаны настил 14 моста, поддерживаемый вантовой подвеской, и зона крепления одной из вант 16 на этом настиле 14. Каждая ванта является тросом, как правило, состоящим из пучка металлических прядей типа пучка в вощеной оболочке или пучка в смазанной оболочке. Устройство 35 анкерного крепления установлено, например, в подстилающем слое настила 14, где оно опирается на поверхность 36, перпендикулярную к траектории ванты 16. Ванта 16 выходит из настила 14 в направляющей трубе 37, которая предохраняет ее нижнюю часть.
Точка P крепления устройства 22 демпфирования находится за пределами направляющей трубы 37. В этой точке P вокруг пучка прядей, образующего ванту 16, затянут хомут 40 для ее крепления на соединителе 27.
В примере выполнения, показанном на фиг. 4 и 5, кулисная направляющая 28 выполнена в виде полого металлического профиля, в котором установлен поршень 31. В этом примере резьбовой стержень 41 и гайки 42 обеспечивают крепление верхних концов поршня 31 и направляющей 28 на соединителе 27. Это крепление может быть шарнирным, например, с шаровой опорой. Другое соединение 43, например, с винтом или шплинтом, соединяет нижний конец поршня 31 с верхним концом стойки 25. Это другое соединение может быть шарнирным аналогично верхнему креплению.
Стойка 25 устройства демпфирования выходит из направляющей 28 на ее нижнем конце. Направляющая 28 может совершать относительно стойки 25 телескопическое движение, демпфируемое поршнем 31, и она не передает моментов прогиба на поршень 31. Между стойкой 25 и внутренней стороной направляющей 28 установлены колодки или подшипники 45 скольжения, направляющие телескопическое движение и сводящие к минимуму коэффициент трения между этими двумя деталями, чтобы не мешать работе устройства 22 демпфирования. Эти колодки или подшипники 45, закрепленные либо на стойке 25, либо внутри направляющей 28, выполнены, например, из политетрафторэтилена (ПТФЭ) или из сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ (UHMWPE, "Ultra High Molecular Weight Polyethylene").
Следует отметить, что второй демпфер 31 и кулисная направляющая 28 могут иметь самые разные конструкции.
Например, вместо гидравлического поршня 31 в центральном положении, охваченного направляющей 28, как показано на фиг. 4 и 5, направление телескопического движения относительно стойки 25 может обеспечивать центральная направляющая со вторым демпфером 31 линейного хода, содержащим один или несколько параллельных поршней в смещенном от центра положении, соединенных с площадками, которые соответственно неподвижно соединены с соединителем 27 и со стойкой 25.
В случае, представленном на фиг. 4 и 5, скользящий контакт (колодки 45), посредством которого направляющая 28 обеспечивает перемещение скольжением соединителя 27 относительно стойки 25, находится под нижним концом линейного демпфера 31. В варианте этот скользящий контакт может находиться над линейным демпфером 31. Например, соединитель 27 может быть установлен с возможностью скольжения вдоль направляющих, параллельных оси X и жестко соединенных со стойкой 25, колеблющейся вокруг поворотной оси 26.
Такой вариант выполнения схематично представлен на фиг.6. В этом примере стойка 25 выполнена в виде полого профиля, в котором установлен демпфирующий поршень 31. Этот поршень соединен, предпочтительно шарнирно, между соединителем 27, закрепленным на ванте 16, и точкой 62, неподвижной относительно стойки 25 и находящейся ближе к ее нижней части. Стойка 25 продолжена на своем верхнем конце рамкой 60, которая окружает ванту 16 и хомут 27. Эта рамка 60 выполняет в данном случае роль направляющей. Ее боковые стороны содержат две поверхности 61 скольжения, обращенные внутрь и взаимодействующие с соединителем 27 для направления его перемещения скольжением относительно стойки 25. Поверхности скольжения 61 образуют две направляющие, параллельные направлению X стойки, и покрыты материалом с низким коэффициентом трения для облегчения скольжения соединителя 27. Такой вариант выполнения позволяет использовать поршень 31 с относительно большим ходом.
В примере, показанном на фиг. 6, стойка 25 содержит под поворотной осью 26 изогнутое продолжение 63, один конец которого шарнирно соединен с первым демпфирующим поршнем 30 в точке Q. Такое изогнутое продолжение позволяет предусматривать разные возможные положения демпфера 30 в зависимости от условий габарита вблизи краев настила 14.
Вариант, представленный на фиг. 4 и 5, является предпочтительным с эстетической точки зрения, учитывая, что из верхней стороны настила 14 выступает только колеблющаяся стойка 25, заходящая затем в направляющую 28. Поворотная ось 26 находится в толщине настила 14 так же, как и поршень первого демпфера 30, который расположен в подстилающем слое настила 14. Нижняя часть колеблющейся стойки 25 может двигаться в выемке 48 соответствующей формы, выполненной на нижней стороне настила 14. Аналогичные преимущества обеспечивает вариант выполнения, показанный на фиг. 6.
Поворотная ось 26 расположена вдоль стойки 25 с целью получения эффекта рычага для действия первого демпфера 30, что обеспечивает ему компактную конфигурацию. Для этого расстояние D между поворотной осью и точкой P крепления соединителя 27 превышает плечо рычага поршня 30, которое равно расстоянию d между поворотной осью и точкой Q соединения поршня со стойкой 25 в конкретной конфигурации, показанной на фиг. 5 (или приблизительно равно длине изогнутого продолжения 63 в конкретной конфигурации, схематично показанной на фиг. 6). Разумеется, вышеупомянутое расстояние D может меняться в зависимости от удлинения поршня 31. Если указано, что D≥d, это значит, что D всегда превышает d, даже когда поршень 31 имеет свою минимальную длину. Для увеличения эффекта рычага предпочтительно стойку 25 располагают таким образом, чтобы D≥3d.
Выполнение поворотной оси 26 с шаровой опорой позволяет устройству 22 допускать движения точки Р крепления ванты в направлении, перпендикулярном к стойке 25, в плоскости, содержащей ванту 16 и стойку 25. Эти движения могут быть связаны либо с вибрациями ванты, если стойка 25 не является строго к ней перпендикулярной, либо с ее удлинением по причине теплового расширения.
В варианте поворотную ось 26 можно выполнить при помощи шарнирного соединения типа кардана между настилом 14 и стойкой 15, то есть с двумя взаимно перпендикулярными шарнирными осями. Такой вариант схематично представлен на фиг. 7. Одна из двух осей является собственно поворотной осью 26, будучи неподвижной относительно настила 14 и по существу параллельной вертикальной плоскости, содержащей ванту 16, поэтому допускаемые ею колебания передаются на первый поршень 30, который их гасит. Вторая ось 71 карданного шарнира является неподвижной относительно стойки 25 и по существу перпендикулярной к вертикальной плоскости, содержащей ванту 16, поэтому допускаемые ею колебания поглощаются и не передаются на первый поршень 30. При этом стойка 25 имеет нижнюю часть 70, которая шарнирно соединена с ней вокруг оси 71 и, в свою очередь, шарнирно установлена относительно настила 14 вокруг перпендикулярной оси 26. Точка Q соединения первого демпфера 30 находится на нижнем конце нижней части 70 стойки 25.
Другая возможная конструкция первого демпфера 30 схематично показана на фиг.8. В этом примере первый демпфер 30 соединен со стойкой 25 в настиле 14 под поворотной осью 26 через две тяги 80, 81. Один конец тяги 80 шарнирно соединен с ножкой стойки 26, а другой конец шарнирно соединен с первым концом тяги 81. Второй конец тяги 81 имеет шарнирную связь с первым демпфером 30. Кроме того, тяга 81 имеет дополнительное шарнирное соединение относительно неподвижной точки настила 14 в промежуточном положении между первым и вторым концами. В примере, представленном на фиг. 8, тяга 80 расположена перпендикулярно к стойке 25, когда последняя находится в состоянии покоя, тогда как тяга 81 расположена по существу параллельно стойке 25. В случае необходимости, тяги 80, 81 образуют механизм понижения силы демпфирования. Следует отметить, что можно предложить самые разные конфигурации для использования плеч рычага, связанных с силами, которыми действует поперечно на стойку 25 подвергающаяся динамическим воздействиям ванта 16, с одной стороны, и демпфирующий поршень 30, с другой стороны.
Описанные выше варианты выполнения иллюстрируют настоящее изобретение. В них можно вносить различные изменения, не выходя за рамки изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.