УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗГРУЗКИ БАЛКИ ИЛИ СТЕРЖНЯ
DEVICE TO UNLOAD BEAM OR BAR

Данное изобретение относится ко многим областям машиностроения и строительства.
В любом изделии для прочности применяются конструкции в виде балок и стержней (в дальнейшем балок) различных конфигураций и поперечного сечения - прямоугольного, круглого, в виде трубы, тавра, двутавра и др., имеющих различную массу и моменты сопротивления изгибу в разных плоскостях.
Известны методики расчета прочности балок, поэтому соотношение массы и прочности в любой конструкции остается достаточно определенным. Задачей изобретения является создание устройства балки с малой массой и большей прочностью.
Наиболее близким решением является устройство, описанное в патенте 2231493, МПК7 В66С, где осуществлена попытка разгрузить балку мостового крана с двумя опорами при помощи каната, соединяющего концы балки мостового крана, проходящего под балкой мостового крана и воспринимающего нагрузку мостового крана совместно с балкой. Это делается не только для разгрузки балки, но и для контроля нагрузки на мостовой кран, т.к. канат с одной стороны соединяется с датчиком контроля напряжения. Встала задача - создание устройства для разгрузки балки не только для мостового крана.
Технический результат - создание устройства разгрузки балки при помощи гибкой нити для балки любого сечения, любой конфигурации, любого назначения.
Данное изобретение относится ко многим областям машиностроения или строительства. Предлагается устройство для разгрузки балки любого сечения, любой конфигурации, любого назначения, характеризующегося тем, что балка имеет одну опору и свободный конец, гибкая нить закреплена каким-либо способом снаружи балки или снаружи или внутри полой балки между опорой и свободным концом с натяжением 0,01-0,02 усилия разрыва нити ближе к опоре и свободному концу и взаимодействует с нагрузкой совместно с балкой в виде растяжения гибкой нити.
На фиг.1-3, 8 изображены условные изображения балок с нагрузками, изгибами и т.д. и следующие простые конструкции балок (фиг.4, 5, 6, 7, 9, 10, 11).
На фиг.4 изображена балка в виде трубы, где гибкая нить 3 закреплена на стержне в точках 1 и проходит через устройство 2 для удержания нити в расчетном (постоянном) положении (при необходимости).
На фиг.5 изображена балка, где нагрузка может воздействовать со всех сторон.
На фиг.6 изображен стержень, стоящий на опоре. Его можно представить как конструкцию фигуры 5, поставленную вертикально.
На фиг.7 изображены конструкции фюзеляжа и крыла самолета, где 4 и 5 - силовые конструкции крыла и фюзеляжа, 3 - гибкая нить, закрепленная в точках 1 и закрытая внешней оболочкой.
На фиг.9 изображена балка в виде телескопа.
На фиг.10 изображено сечение корабля, где 6 - корпус корабля, 7 - палуба, 3 - гибкая нить.
На фиг.11 изображено сечение ракеты, где 8 - рули, 9 - корпус, 3 - гибкие нити.
Произведем приближенный расчет балки в виде трубы с канатом, закрепленным на концах трубы с натяжением 0,01-0,02 усилия разрыва нити (фиг.1).
Вначале возьмем для примера балку в виде стальной трубы с опорами на обоих концах и произведем приближенный расчет.
x
кр
4
Зададим условия: нагрузка Р - 500 Н, расположенная посередине трубы, D - диаметр трубы - 20 мм. δ - толщина стенки трубы - 2 мм. Масса - 8,87 H, E - модуль упругости стали,  f - прогиб трубы в см. J - осевой момент инерции - 0,4637 см. σ - предел прочности металла
Общеизвестно, что прогиб f определяется по формуле:
Проверка условий прочности:
Таким образом, верхняя часть трубы испытывает нагрузки -  (сжатие), а нижняя часть трубы  (расжатие).
Предположим, что канат (см. фиг.1) также прогибается на f=1,07 см и будет воздействовать на трубу по оси X.
кр
Поэтому проверим трубу на устойчивость Р.
Т.е. канат не должен создавать осевую нагрузку на трубу ≥9600 Н или на оба конца трубы по 4800 Н.
Выбираем по ГОСТу 3062-80 стальной канат ЛКО с наружным диаметром 3,7 мм, масса , усилие разрыва
кр
Определим N - нагрузку на опору каната (т.е. на трубу, д.б. ≤Р) (см. фиг.2).
при прогибе гибкой нити на 1,07 см нагрузка на нить должна быть
3
1
2
Поскольку труба и канат имеют общую опору и нагрузка приложена в одной точке, то общую нагрузку можно определить простым сложением нагрузок на трубу и канат, Р=Р+Р=500+230=730 Н.
Следовательно, нагрузка на усиленную балку в виде стальной трубы с закрепленным на ней канатом м.б. увеличена в соотношении 730/500, в 1,46 раза при увеличении общей массы за счет каната на 0,7 Н.
2
Но поскольку канат крепится снаружи балки, то здесь необходимо рассмотреть внецентренное сжатие, хотя бы в точках А и В (фиг.3), от действия нагрузки Р.
x
y
При i=i=0,64 см,
, при значении n=±1, m=0
Напряженность в точке А с координатами x=0, y=-1:
В точке В, с координатами x=0, y=1:
Для нахождения общей напряженности необходимо сложить напряженности от чистого изгиба и внецентренного сжатия, т.е. в точке А:
а в точке В:
Таким образом, мы видим, что балка недогружена. Есть смысл изменить материал (конструкционную сталь заменить на малоуглеродистую).
Расчеты стержня (балка, у которой один или два размера малы по сравнению с третьим) также известны, но стержень можно представить как конструкцию, представленную на фиг.5, стоящую вертикально и имеющую дополнительные опоры в виде устройства для поддержания нити в расчетном положении.
Аналогичные расчеты могут применяться для балки с одной опорой и свободным концом, например крыло самолета.
1
1
1
Рассмотрим условное изображение балки с одной опорой и свободным концом с гибкой нитью, т.е. крыло самолета и гибкую нить (см. фиг.8). Их можно представить как линию АВ с длиной L (крыло) и линию АВ с длиной R (гибкая нить), закрепленные на т. А и А опоры на расстоянии h. Даже в статическом состоянии гибкая нить АВ незначительно пропорциональна углу φ, поддерживает крыло АВ от провисания под собственной тяжестью.
1
1
Под воздействием турбулентного потока воздуха возникает дополнительная нагрузка Р, которая прогибает крыло АВ, и точка В крыла перемещается в т. В по кривой, при этом АВ=АВ.
1
1
1
1
1
2
1
2
Поскольку гибкая нить AB жестко связана с крылом AB, то т. B гибкой нити также должна переместиться в т. B, при этом изменив длину R гибкой нити АВ на длину ΔR, поскольку гибкая нить АВ без нагрузки переместилась бы по линии АВ. Таким образом, гибкая нить подвергается растяжению на величину ВВ.
1
3
В результате взаимодействия нагрузки Р и растяжения нити крыло прогнется не до точки В, а до какой-то т. В, т.е. прогиб крыла будет меньше.
Такие же рассуждения можно отнести к кораблю во время большого волнения или шторма, когда нос корабля находится на гребне волны, а корма - во впадине волны. В этом случае сила собственной тяжести на корме будет больше, чем на носу, и корабль можно представить как балку с опорой на носу и с нагрузкой на корме, которая заставит корабль изгибаться. Гибкая нить, закрепленная на носу и корме и протянутая по днищу внутри корабля, укрепит корпус корабля (см. фиг.10).
Ракету также можно представить как балку с опорой в виде хвостовых рулей и свободным концом в виде корпуса. Изменение положения рулей заставляет ракету менять траекторию движения, при этом корпус испытывает перегрузки, заставляющие корпус изгибаться. Гибкие нити, закрепленные между передним и задним концами внутри или снаружи корпуса, будут уменьшать действие перегрузок (см. фиг.11).
В другом варианте осуществления балка имеет 2 свободных конца, опора находится между свободными концами, гибкая нить закреплена между свободными концами и проходит дальше от опоры для максимального воздействия на гибкую нить.
Такая балка в виде телескопа изображена на фиг.9, где 1 - точка закрепления нити, 3 - гибкая нить. Собственный вес обоих концов телескопа растягивает гибкую нить, которая уменьшает действие собственного веса, т.е. меньше искажается оптическая схема.
Такие же рассуждения можно отнести и к фюзеляжу самолета, где опорой являются крылья или шасси самолета, гибкая нить закреплена в передней и задней частях самолета внутри на нижней части фюзеляжа (см. фиг.7).
Источники информации
1. «Справочник металлиста», том 2, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, под рук. Ачеркана Н.С. Москва, 1958 г.
2. Патент 2231493, МПК7 В66С.