Мачта со стабилизированной по направлению верхней рабочей площадкой
MAST WITH DIRECTION STABILIZED UPPER WORKING PLATFORM

Изобретение относится к высотным сооружениям для размещения технических средств, требующих для своей нормальной работы установки с определенной направленностью, а именно для: антенн, с узкой диаграммой направленности; устройств воздушной оптической связи; оптических приборов наблюдения типа камер видимого и инфракрасного диапазонов, используемых для охраны различных объектов и государственной границы в том числе.
Известно, что удержание направления для любого изделия, расположенного на высотном сооружении (далее будем называть его «мачтой»), является сложной задачей в условиях реальной ветровой нагрузки. В частности, при размещении на мачтах приборов технического зрения (видеокамер или тепловизионных камер) в ветреную погоду оператору невозможно вести наблюдение из-за постоянного движения картинки на экране, вызванного качанием мачты. Причина качания есть не что иное, как деформация (изгиб) мачты под действием ветровой нагрузки. Мачта под напором ветра изгибается и ее верхняя площадка, на которой установлено изделие, смещается по координатам, а главное по углу места. Вместе с верхней площадкой мачты смещается изделие и изменяется его направленность.
Так, например, для мачты-фермы с поперечным сечением 0.8×0.8 м, изготовленной из стального уголка 50×50 мм, и высотой 10 мс растяжками, смещение верхней площадки при ветре 25 м/с составляет около ±0,1 м. При этом площадка наклоняется на угол порядка ±1°. Современные оптические приборы, позволяющие вести наблюдение на дистанции до 10 км, имеют угол зрения менее одного градуса. Соответственно при наклоне мачты под действием ветра на 1° удаленный объект просто выйдет из поля зрения оператора. При этом скорость движения картинки на экране будет настолько большой, что оператор не сможет на ней ничего толком разглядеть.
Есть две простые возможности улучшить ситуацию: во-первых, можно усилить мачту, увеличив ее сечение до нескольких метров (уменьшить отношение поперечного размера к высоте); во-вторых, можно установить на верхней площадке мачты гиростабилизированную платформу для размещения изделия. Однако в первом случае мачта станет многократно более тяжелой и ее доставка в труднодоступные районы станет проблематичной. Во втором случае гиростабилизированная платформа существенно увеличит стоимость изделия и, кроме того, потребует дополнительное энергоснабжение, что опять-таки проблематично в условиях малонаселенной местности. Кроме того, гиростабилизированная платформа потребует периодических регламентных работ и технического обслуживания. Таким образом, появление дешевой, легкой, мало обслуживаемой при эксплуатации конструкции мачты, верхняя площадка которой не наклоняется под ветровой нагрузкой, существенно улучшает ситуацию в данном вопросе.
Поэтому мачта, которую предполагается использовать для дистанционного контроля, должна соответствовать ряду следующих жестких требований.
Во-первых, мачта должна надежно функционировать круглосуточно и круглогодично в любых погодных условиях, в том числе при сильных ветровых знакопеременных нагрузках.
Во-вторых, мачта должна обеспечивать достаточную для установки приборов вертикальную нагрузку и не требовать технического обслуживания в режиме длительных сроков эксплуатации (срок службы мачты не менее 10 лет). Это связано с необходимостью ее установки в труднодоступных районах, куда имеется возможность попасть не чаще чем раз в год в силу природных условий и плохих дорог.
В-третьих, мачта не должна существенно отличаться по массогабаритным характеристикам от традиционных мачт, используемых в настоящее время. В противном случае, применимость такой мачты окажется весьма ограниченной из-за ее массогабаритных показателей и, соответственно, сложностей, возникающих при доставке и монтаже на месте эксплуатации.
В-четвертых, мачта должна иметь простую конструкцию, предусматривающую ее непосредственную сборку на месте установки, что существенно упрощает ее использование в труднодоступных районах.
В-пятых, мачта не должна требовать для своего функционирования дополнительного энергообеспечения, что особенно важно в условиях удаленных, малонаселенных районов.
Известна конструкция высотной мачты, на которой могут быть размещены изделия, требующие для своей нормальной работы установки с определенной угловой направленностью (см. авторское свидетельство СССР №403835, кл. Е04Н 12/34, 1973 г.). Уменьшение отклонения вершины известной мачты основано на установке подкосов, жестко прикрепленных к неразрезному кольцу, размещенному вокруг нижней части мачты, а в верхней части подкосы соединены вместе еще одним кольцом меньшего диаметра и имеющим в зазоре между мачтой и этим кольцом распорки в виде серьги, шарнирно прикрепленные и к мачте и к кольцу. Верхнее кольцо располагается на некоторой высоте от земли. Этим достигается более жесткая фиксация мачты, по сравнению с фиксацией растяжками, в месте расположения кольца.
Основным недостатком известного устройства является то, что фиксация мачты происходит на каком-то одном уровне, тогда, как ее части, находящиеся выше и ниже этого второго кольца, продолжают испытывать ветровые нагрузки и изгибаются. Разница заключается лишь в том, что изгибаются более короткие отрезки мачты. То есть, задача стабилизации по направлению верхней площадки мачты решена лишь частично. Наклон верхней площадки мачты, при воздействии ветровой нагрузки, лишь слегка уменьшится.
Еще одним серьезным недостатком известного устройства является то, что оно существенно более материалоемко по сравнению с традиционной мачтой. Подкосы и нижнее неразрезное кольцо должны представлять собой достаточно мощные конструкции, способные выдерживать не только собственный вес, но и ветровые нагрузки. Соответственно, такой способ решения проблемы ведет к сильному увеличению массогабаритных характеристик мачты.
Кроме того, установка такой мачты с подкосами существенно более трудоемка и требует более высокой точности при производстве работ в полевых условиях. Неразрезное кольцо должно быть установлено на фундаменте, на него должны быть установлены подкосы с верхним кольцом, а саму мачту необходимо разместить строго вертикально в середине кольца.
Наиболее близким к заявляемому решению является выбранное в качестве прототипа техническое решение, предназначенное для размещения антенного оборудования радио и радиорелейных каналов связи (см. авторское свидетельство СССР №459824, кл. H01Q 1/12, 1975 г.). Устройство должно обеспечивать стабильную направленность антенн с узкой диаграммой. Известное устройство состоит из трех мачт традиционной конструкции (мачты-фермы), имеющих общее основание и антенную платформу, шарнирно закрепленную на вершинах всех трех мачт. К вершинам каждой мачты прикреплены боковые растяжки. Для большей стабильности, мачты соединены на нескольких уровнях жесткими горизонтальными шарнирно закрепленными распорками.
Основным недостатком известного устройства является то, что оно не способно обеспечить высокую угловую стабильность положения верхней площадки. Связано это с тем, что антенная платформа шарнирно прикреплена к вершинам мачт, а горизонтальные распорки - к боковым поверхностям мачт. Соответственно платформа, мачты и распорка в проекции образуют трапецию, в вершинах которой расположены шарниры. Из курса геометрии известно, что трапеция - фигура жесткая и при нагрузках она деформируется, как сплошное тело. То есть, известная конструкция будет изгибаться как единое целое, так же, как обычная мачта-ферма, но большего размера.
Другим недостатком известного устройства является то, что растяжки прикреплены к каждой мачте отдельно. Вся устойчивость известного устройства основана на его симметричности. То есть, все три мачты строго одинаковы, размещены строго симметрично на местности, при этом все растяжки и поперечные распорки одной длины и тоже размещены симметрично. Однако силы со стороны растяжек могут быть неодинаковыми при ветровой нагрузке за счет того, что они были натянуты неравномерно при установке устройства на местности, или изменили свое состояние от времени, или от погодных условий (например, обледенение, неравномерный нагрев за счет солнца, ветер). В этом случае, горизонтальные проекции сил, действующих на мачты, частично будут выровнены за счет верхней площадки, но вертикальные составляющие сил со стороны растяжек будут для каждой мачты разными. Они, в частности, будут зависеть от ветровой нагрузки. Такая неодинаковость приведет к тому, что при ветре площадка будет наклоняться (изменять угол места) или поворачиваться по азимуту.
Кроме того, известное устройство имеет сложную конструкцию и, соответственно, имеет место ее сложный монтаж. Фактически нужно установить не одну, а три мачты, жестко соединить их на нескольких уровнях горизонтальными распорками, а затем натянуть растяжки. Таким образом, к месту установки потребуется доставлять как минимум в три раза больше металлоконструкций или металлопроката (если предполагается сборка конструкции непосредственно на месте установки).
Технический результат заявляемого изобретения заключается в существенном повышении угловой стабильности положения верхней площадки мачты при любых допустимых в данной местности ветровых нагрузках и прочих негативных природных факторах (обледенение, неравномерный солнечный нагрев и т.п.) при одновременном существенном уменьшении металлоемкости конструкции и упрощении ее сборки на месте установки.
Указанный технический результат в мачте со стабилизированной по направлению верхней рабочей площадкой, включающей верхнюю рабочую площадку, вертикальные стойки, горизонтальные распорки, шарнирно связанные с вертикальными стойками, и боковые растяжки, соединенные с основанием, достигается тем, что мачта состоит из двух пар вертикальных стоек, при этом обе стойки каждой пары шарнирно соединены одинаковыми горизонтальными распорками, а пары вертикальных стоек, в свою очередь, соединены между собой либо шарнирно закрепленными парами одинаковых дополнительных горизонтальных распорок, либо площадками, шарнирно закрепленными на горизонтальных распорках пар вертикальных стоек.
Указанное выполнение пар вертикальных стоек, шарнирно скрепленных распорками, приводит к тому, что каждая пара стоек с распорками между ними образует прямоугольную клеть с возможностью ее наклона в плоскости клети в любую сторону до образования параллелограмма (прямоугольник не является жесткой фигурой в отличие от трапеции.) При наклонах все поперечные распорки остаются параллельными друг другу и основанию мачты.
Аналогичным образом, шарнирно скрепляя пары вертикальных стоек между собой горизонтальными площадками или распорками, мы получаем в проекции такую же прямоугольную клеть с возможностью ее наклона в любую сторону до образования параллелограмма. И так же, как и в случае пар вертикальных стоек, при наклонах все поперечные распорки и площадки остаются параллельными друг другу и основанию мачты.
Таким образом, за счет возможности наклонять мачту в двух направлениях, сохраняя при этом параллельность всех площадок и горизонтальных распорок друг другу и основанию мачты, удается стабилизировать по направлению и верхнюю рабочую площадку, на которой закреплено оборудование, требующее жесткой стабилизации по углу. В отличие от мачт-ферм, которые могут удерживаться в вертикальном положении только за счет собственной жесткости и фундамента, эта мачта удерживается от падения в основном боковыми растяжками, которые принимают на себя большую часть ветровой нагрузки.
Таким образом, высокая стабильность положения верхней площадки мачты достигается за счет того, что вся ее конструкция состоит из прямоугольников, которые, как известно, не являются жесткой фигурой и при наличии шарниров в вершинах свободно деформируются в параллелограммы, оставляя при этом противолежащие стороны параллельными друг другу. Такая мачта, под нагрузкой, ведет себя не как сплошное тело!
Для беспрепятственного перехода боковых прямоугольных структур мачты в параллелограммы, в качестве шарнирных соединений могут быть использованы как поворотные шарниры, так и упругие шарниры.
Преимущество поворотных шарниров заключается в том, что мачту при перевозке на место установки можно складывать в более компактную плоскую конструкцию. При этом вся конструкция может быть изготовлена в заводских условиях и на месте сборки необходимо провести только дополнительный монтаж (установить горизонтальные распорки или площадки) между парами вертикальных стоек.
Преимущество упругих шарниров заключается в том, что такой шарнир представляет из себя единую деталь, в связи с чем, в нем полностью отсутствует люфт. Поворот в таком шарнире осуществляется за счет упругой деформации материала шарнира. Угол поворота такого шарнира небольшой, но достаточный для надежного функционирования мачты, при этом он не имеет отдельных частей, а значит и возможных зазоров.
Вертикальные стойки мачты могут изготавливаться практически из любого вида проката, что делает мачту технологически простой и экономически выгодной. Наиболее целесообразно изготавливать стойки из металлической трубы круглого или прямоугольного сечения, из швеллера или из двутавра. Указанные виды проката не нуждаются в дополнительной механической обработке и имеют высокие характеристики по скручиванию. Известно, что максимальную жесткость на кручение, при одной и той же массе погонного метра, имеет тонкостенная круглая труба.
Для повышения жесткости стойки мачты на кручение при сохранении минимальных массогабаритных характеристик, вертикальные стойки мачты могут быть выполнены из металлических сварных ферм.
Для достижения требуемой высоты мачты, что связано с рельефом окружающей местности, мачта может быть выполнена из нескольких последовательно установленных друг на друга однотипных вертикальных секций, каждая вертикальная стойка которой снабжена соединительным элементом. Поэтому нет особо смысла в разработке ряда индивидуальных конструкций мачты различной высоты. Можно просто наращивать требуемую высоту за счет дополнительных однотипных секций. К тому же, указанные невысокие секции проще транспортировать к месту установки.
Если массогабаритные характеристики не являются критичными, а требуется обеспечить максимальную жесткость конструкции в заданных габаритах, стойки мачты могут быть выполнены из железобетона. Изготавливать указанные стойки можно непосредственно на месте установки мачты, доставив на место только опалубку, арматуру и цемент. Заливку бетона можно проводить в съемную или несъемную опалубку, например, в стальную трубу. В случае применения съемной опалубки, в местах установки горизонтальных распорок выполняются металлические закладные пластины. В случае применения несъемной опалубки в виде стальной трубы, монтаж горизонтальных распорок можно проводить непосредственно к стальной трубе.
Для повышения вертикальной устойчивости заявляемой мачты, боковые растяжки установлены на нескольких уровнях высоты мачты.
Таким образом, заявляемое техническое решение, благодаря наличию двух пар вертикальных стоек, образующих прямоугольные клети и допускающие их трансформацию под действием ветровых нагрузок в параллелограммы, позволяет стабилизировать по направлению верхнюю площадку, на которой закреплено оборудование с жесткой стабилизацией по углу, что не имеет аналогов среди известных устройств, созданных для противодействия ветровой нагрузке на мачту, а, значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1-14 представлены различные варианты выполнения заявляемой мачты или ее основных конструктивных элементов.
На фиг. 1 представлен вариант выполнения заявляемой мачты, стойки которой выполнены из трубы прямоугольного сечения с верхней рабочей площадкой, горизонтальными распорками и боковыми растяжками, где: стойки 1а и 1б составляют первую пару вертикальных стоек, соединенных горизонтальными распорками 2а; стойки 1в и 1г с распорками 2б образуют вторую пару; обе пары вертикальных стоек, в свою очередь, соединены между собой либо парами одинаковых дополнительных горизонтальных распорок 3а и 3б, либо площадкой 4 (одной или несколькими); все соединения распорок 2а, 2б и 3а, 3б между собой выполнены при помощи упругих шарниров 5а и 5б, а с вертикальными стойками - при помощи упругих шарниров 6а и 6б; площадка 4 тоже присоединена при помощи упругих шарниров 7а и 7б; к центральной перекладине верхней площадки 4 крепятся боковые растяжки 8а-8г.
На фиг. 2 представлен вариант выполнения заявляемой мачты, стойки которой выполнены из трубы прямоугольного сечения, состоящей из двух пар вертикальных стоек 9а, 9б и 9в, 9г, соединенных горизонтальными распорками 10а-10г при помощи упругих шарниров 11.
На фиг. 3 представлен чертеж (фрагмент фиг. 2), поясняющий соединение вертикальной стойки с горизонтальной распоркой при помощи упругого шарнира, где: 9а - вертикальная стойка; 10а - горизонтальная распорка с упругим шарниром 11 (ослабленный конец распорки 10а), соединенным сварными швами 12 и 13 со стойкой 9а.
На фиг. 4 представлен чертеж, поясняющий соединение вертикальной прямоугольной стойки с горизонтальной распоркой при помощи поворотного шарнира, где: 14 - вертикальная стойка; 15 - горизонтальная распорка, соединенная с вертикальной стойкой 14 при помощи поворотного шарнира 16, образованного проушинами 17а и 17б и осью 18, проходящей через стойку 14.
На фиг. 5 представлен чертеж, поясняющий соединение двух вертикальных прямоугольных стоек с горизонтальной распоркой и площадкой, где: 19а и 19б - вертикальные стойки, соединенные с горизонтальной распоркой 20 при помощи поворотных шарниров 21а и 21б; 22 - площадка, соединенная с горизонтальной распоркой 20 при помощи поворотных шарниров 23а и 23б.
На фиг. 6 представлен чертеж, поясняющий соединение вертикальной стойки в форме швеллера 24 с горизонтальной распоркой 25 и площадкой 26 при помощи поворотного шарнира 27 с осью вращения 28, проходящей через стойку 24, и поворотного шарнира 29 вокруг распорки 25.
На фиг. 7 представлен чертеж, поясняющий соединение вертикальной стойки в форме двутавра 30 с горизонтальной распоркой 31 и площадкой 32 при помощи поворотного шарнира 33 с осью вращения 34, проходящей через стойку 30, и поворотного шарнира 35 вокруг распорки 31.
На фиг. 8 представлен чертеж, поясняющий соединение вертикальной стойки в форме трубы круглого сечения 36 с горизонтальной распоркой 37 и площадкой 38 при помощи поворотного шарнира 39 с осью вращения 40, проходящей через стойку 36, и поворотного шарнира 41 вокруг распорки 37.
На фиг. 9 представлен чертеж, поясняющий соединение вертикальной стойки в форме трубы 42 круглого сечения через промежуточную пластину 43 с горизонтальной распоркой 44 при помощи упругого шарнира 45 и сварных швов 46а и 46б.
На фиг. 10 представлен чертеж, поясняющий крепление боковых растяжек 8а-8г (см. фиг. 1, вид снизу) к верхней Н-образной площадке 4 при помощи крепежных элементов 47а-47г с закрепленными на них верхними концами боковых растяжек 8а-8г.
На фиг. 11 представлен чертеж, поясняющий стыковочное соединение двух вертикальных стоек мачты, что необходимо для увеличения ее высоты за счет последовательного соединения нескольких секций, где: 48а и 48б - две установленные друг на друга вертикальные стойки в форме двутавра, на торцах которых при помощи сварных швов 49а и 49б закреплены монтажные пластины 50а и 50б, соединяемые друг с другом четырьмя соединительными болтами (болты не показаны) через монтажные отверстия 51.
На фиг. 12 представлен чертеж (плоская проекция фрагмента мачты), поясняющий конструкцию мачты, стойки которой выполнены из металлических сварных ферм, где: 52а и 52б - сварные фермы, соединенные между собой горизонтальными распорками 53 с поворотными шарнирами 54а и 54б.
На фиг. 13 представлен чертеж, поясняющий соединение вертикальной круглой железобетонной стойки с горизонтальной распоркой с упругим шарниром, где: 55 - вертикальная железобетонная стойка с металлической несъемной опалубкой (трубой) 56, внутри которой расположен металлический каркас из прутков арматурной стали 57, залитый бетоном 58; снаружи к трубе 56 приварена металлическая пластина 59, к которой сварными швами 60а и 60б крепится своим упругим шарниром 61 горизонтальная распорка 62.
На фиг. 14 представлен вариант выполнения заявляемой мачты большой высоты, когда для повышения вертикальной устойчивости мачты боковые растяжки устанавливают на нескольких уровнях высоты, где: 63а-63г вертикальные стойки; 64 - верхняя рабочая площадка, на которой закреплены боковые растяжки 65а-65г; 66 - промежуточная площадка, на которой закреплены боковые растяжки 67а-67г.
Перед началом рассмотрения работы заявляемой мачты, отметим некоторые особенности ее монтажа и транспортировки. Как уже говорилось выше, секции мачты с поворотными шарнирами 16 (см. фиг. 4), после сборки на заводе могут складываться в более компактное состояние, упаковываться и отправляться на место установки. Секции с упругими шарнирами 11 (см. фиг. 3), наоборот, при транспортировке не допускают чрезмерных усилий.
После доставки на место установки, секции мачты соединяются при помощи стыковочных узлов, например таких, как 50а и 50б (см. фиг. 11). После этого мачту устанавливают на основание любым известным способом, например, при помощи лебедки: http://forca.ru/knigi/oborudovanie/mehanizmy-i-prisposobleniya-dlya-vozdushnyh-liniy-35-kv-i-vyshe-10.html.
Установленное изделие закрепляют боковыми растяжками 8а-8г (см. фиг. 1) в вертикальном положении. При большой высоте изделия боковые растяжки 65а-65г и 67а-67г устанавливают на нескольких уровнях - площадках 64 и 66 (см. фиг. 14). На верхней рабочей площадке 4 (или 64) размещают оборудование и ориентируют его в нужном направлении. Для определенности будем считать, что на мачте установлена видеокамера с углом зрения по вертикали 1°.
Рассмотрим поведение заявляемой мачты в ветреную погоду. На мачту действует усилие ветровой нагрузки. Из-за чего, деформируются растяжки мачты и верхняя рабочая площадка смещается. Однако, за счет того, что вся мачта собрана из прямоугольных форм, в вершинах которых стоят шарниры, смещение площадки приведет к превращению прямоугольной клети, например, образованной стойками 1а, 16 и поперечными горизонтальными распорками 2а (см. фиг. 1), в параллелограммы. При этом противолежащие стороны всех параллелограммов останутся параллельными друг другу, то есть просто сохранят свое первоначальное направление, которое они получили в момент установки мачты.
Таким образом, расположенная на площадке 4 видеокамера строго сохранит направление своего видения. И это, при том, что сама верхняя площадка вместе с видеокамерой сместится на заметное расстояние. С учетом того, что обычно поле зрения камеры (размер территории, которая входит в кадр на дальности 10 км) составляет порядка 100 м, то смещение камеры относительно его в сторону даже на метр не затруднит работу оператора. Поле зрения сдвинется ровно на столько, на сколько сдвинулась сама видеокамера (площадка 4), то есть на 1 м.
Для экспериментальной проверки заявляемой мачты на 3-D принтере были изготовлены два макета мачт одинакового поперечного сечения (6×6 см) и высоты (90 см) из пластмассы. Первая из них была мачта-ферма традиционной конструкции с жесткими связями между элементами мачты и треугольными формами между стойками и распорками, горизонтальными и диагональными, а вторая - заявляемой конструкции. Сверху на них устанавливалась видеокамера. Имитацию ветровой нагрузки осуществляли при помощи веревки, воздействуя на вершины мачт. В обоих случаях силовое воздействие на мачты было подобрано так, что их верхние площадки смещалась одинаково. Мачта-ферма традиционной конструкции под действием веревки изгибалась как «сплошное тело» и первоначальное изображение полностью уходило из поля зрения камеры. Заявляемая мачта под нагрузкой сохраняла заданную направленность, что позволяло сохранять на экране монитора первоначальное изображение в течение всего эксперимента. Присутствовавшее в ходе эксперимента легкое дрожание изображения (не более 1%) объяснялось несоразмерностью массогабаритных показателей установленной видеокамеры и мачты.
Таким образом, заявляемая мачта полностью подтвердила свои возможности по стабилизации строго заданного направления и, имея массогабаритные показатели, близкие к традиционной конструкции мачты-фермы, позволила существенно расширить ее функциональные возможности, не прибегая к дорогостоящим и металлоемким конструкциям.