Лабораторный стенд для проведения прецизионных измерений перемещений элементов конструкции зданий и сооружений от внешних динамических воздействий

Полезная модель относится к области технических решений, применяющихся в лабораторных, научных и промышленных условиях для устранения динамических воздействий по одному направлению на располагаемое на ней измерительное оборудование.
Из существующего уровня техники известна вибрационная площадка (SU 408796 A2, опубл. 1973.11.30), которая относится к устройствам для уплотнения различных материалов. Устройство состоит из рамы с жесткими опорными плитами, установленной на пружины. На раме смонтирован вибровозбудитель и другие упругие элементы, соединенные между собой сплошными перемычками. Вибрационная площадка предназначена для виброизоляции основания от возбуждаемых колебаний вибровозбудителя за счет применения пружин. Данное техническое решение может быть применено для обратной виброизоляции площадки от основания.
Недостатками данного технического решения является использование упругих элементов (пружин) и развитие при вынужденных колебаниях основания собственных колебаний площадки, которые могут привести к резкому увеличению амплитудных значений смещений при резонансных частотах. Кроме того, такое решение может приводить к перекосам площадки при несовпадении центра тяжести располагаемого на площадке оборудования с геометрическим центром жесткости пружин.
Проблема перекоса площадки решена в техническом решении виброизолированной площадки (SU 783517 A1, опубл. 1980.11.30), которая содержит плиту, связанную с основанием через цилиндрические пружины и рычаги, шарнирно связанные с основанием. С целью обеспечения пространственной виброизоляции плиты и независимости ее углового положения от размещения груза, рычаги выполнены двуплечими, на одних концах которых установлены ролики, взаимодействующие с плитой, и другие концы рычагов соединены с плитой посредством гибких связей, охватывающих блоки, неподвижно установленные на основании.
Недостатком данного технического решения остается использование упругих элементов (пружин) и развитие при вынужденных колебаниях основания собственных колебаний площадки, которые могут привести к резкому увеличению амплитудных значений смещений при резонансных частотах.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является виброизоляционная платформа для высокочувствительного оборудования и источников вибраций (RU 2 657 154 C1, опубл. 2018.06.08), которая содержит основание и панель с опорной поверхностью, связанные между собой посредством упругих элементов. Упругие элементы образуют последовательно расположенные с заданным интервалом по периметру конструкции звенья, каждое из которых выполнено в виде по меньшей мере трех упруго-диссипативных демпферов, шарнирно установленных одним концом на основании, а другим концом - на панели с опорной поверхностью. Обеспечивается снижение воздействия толчков и вибраций во всех плоскостях, которые исходят как со стороны установочных участков, воздействуя на чувствительное и высокоточное оборудование, так и со стороны источников толчков и вибраций, воздействующих на сопряженные опорные участки и окружающую среду.
Недостатками данного технического решения является более сложная для предлагаемого использования схема работы и наличие большего числа подвижных частей механизма, что в свою очередь ведет к меньшей надежности всей системы в целом и повышение ее стоимости. Кроме того, свобода перемещений в отличном от измеряемого направлении может привести к смещению визирного луча и искажения получаемых измерений, т.е. нет возможности прицельного измерения расстояния до заданной фиксированной точки.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является создание кинематической развязки основания с платформой - носителем сенсоров внешних динамических воздействий для проведения прецизионных измерений перемещений элементов конструкции зданий и сооружений от внешних динамических воздействий (ударов, толчков, вибраций и т.п.) в виде колебаний и апериодических смещений.
Техническим результатом является уменьшение амплитуды истинных горизонтальных колебаний тележки с располагаемым на нем измерительным оборудованием от источника вибрационных воздействий, до величин, необходимых из условия обеспечения требуемого уровня точности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что лабораторный стенд для проведения прецизионных измерений перемещений элементов конструкции зданий и сооружений от внешних динамических воздействий, содержащий неподвижное массивное основание, выполненное в виде сварной металлической рамы, снабжен сварной металлической тележкой с шестью парными стальными колесами в виде подшипников качения, на которой установлена  платформа для размещения измерительного оборудования,  при этом сварная металлическая рама  имеет направляющие треугольного профиля.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема лабораторного стенда, на фиг. 2 представлен поперечный вид на лабораторный стенд, на фиг. 3 представлена схема испытаний по определению коэффициента гашения горизонтальных колебаний, на фиг. 4 графики измеряемых смещений и величины стандартных отклонений для двух проведенных опытов по определению коэффициента гашения горизонтальных колебаний.
Лабораторный стенд для проведения прецизионных измерений перемещений элементов конструкции зданий и сооружений от внешних динамических воздействий состоит из неподвижного массивного основания, выполненного в виде сварной металлической рамы 1, располагаемой на демпфирующих прокладках 2 из резины, с направляющими треугольного профиля 3, а также сварной металлической тележки 4 с шестью парными стальными колесами в виде подшипников качения 5. На тележку крепится платформа 6 - носитель для размещения измерительного оборудования 7. Вертикальная стенка 8, устанавливаемая на раме 1, требуется только для оценки эффективности работы лабораторного стенда и не применяется для последующих измерений. В качестве подшипников качения 5 можно использовать подшипники шариковые радиальные однорядные по ГОСТ 8338-75. Платформа 6 может быть выполнена в виде короба из фанеры, нагруженного песком или другим тяжелым мелкоштучным материалом для удобства перемещения и монтажа лабораторного стенда.
Лабораторный стенд для проведения прецизионных измерений перемещений элементов конструкции зданий и сооружений от внешних динамических воздействий работает следующим образом.
Измерительное оборудование 7 измеряет расстояние до исследуемой точки конструкции во временной области с заданной частотой дискретизации. При вибрационных воздействиях на исследуемые конструкции колебания передаются на металлическую раму 1, имеющую кинематическую развязку по направлению проводимых измерений с платформой 6, закрепленной на тележке 4. Благодаря низкомоментным подшипникам качения 5, двигающимся по направляющим 3, колебания платформы 6 меньше колебаний рамы 1 и, соответственно, исследуемых конструкций. Вертикальная составляющая вибрационных воздействий гасится за счет демпфирующих прокладок 2. Размещаемое на платформе 6 оборудование 7 фиксирует смещения исследуемой точки конструкции.
Для оценки эффективности лабораторного стенда проведено исследование, схема которого представлена на фиг. 3. Выполнено измерение горизонтальных перемещений S до вертикальной стенки 8, размещенной на раме, с помощью фазометрического комплекса на основе микроволновых интерферометров 7 во временной области в течение 10 секунд с частотой дискретизации 10000 Гц. Измерения смещений производились от шумового вибрационного воздействия в подвале административного здания вблизи трамвайных путей при размещении платформы на тележке (фиг. 3а) и непосредственно на раме (фиг. 3б). Измерения смещений в микрометрах с тележкой St и без тележки S0 представлены на фиг. 4. По результатам исследования вычислен коэффициент гашения колебаний k по формуле
k = sd(St)/sd(S0),
где sd(St) - стандартное отклонение по выборке для опытов с тележкой, мкм;
sd(S0) - стандартное отклонение по выборке для опытов без тележки, мкм.
Значение коэффициента k составило 1,46 при sd(St)=0,6398 мкм и sd(S0)=0,4386 мкм, что является достаточным для обеспечения требуемого уровня точности измерений колебаний конструкции.
Таким образом, предлагаемый лабораторный стенд для проведения прецизионных измерений перемещений элементов конструкции зданий и сооружений от внешних динамических воздействий обеспечивает кинематическую развязку основания с платформой для размещения измерительного оборудования за счет уменьшения амплитуды истинных горизонтальных колебаний тележки с располагаемым на нем измерительным оборудованием от источника вибрационных воздействий до величин, необходимых из условия обеспечения требуемого уровня точности измерений.