Способ сборки мачты сборной конструкции
METHOD FOR ASSEMBLING A FABRICATED MAST

Изобретение относится к конструированию и способу изготовления мачт, предназначенных для установки антенн, столбов электропередач и т.п.
Известна конструкция мачты, состоящая из двух или более полых конических модулей мачтовой секции, причем каждый модуль имеет первый открытый конец и противоположный второй открытый конец, при этом площадь поперечного сечения второго конца меньше, чем площадь поперечного сечения первого конца, и каждый модуль содержит композиционный материал, полученный намоткой пропитанного полимером армирующего волокна, и создание комплекта из двух или более модулей, чтобы образовать конструкцию удлиненной модульной мачты выбранной длины за счет сопряжения второго конца первого модуля с первым концом второго модуля (Патент RU 2376432, МПК Е04Н 12/00, 2009 г.).
Достоинствами данной конструкции мачты являются:
- возможность ее доставки к месту назначения в разобранном виде, что значительно облегчает и удешевляет процесс транспортировки;
- удобная и простая сборка мачты без использования дополнительных крепежных элементов, применение которых усложняет технологию сборки и, главное, ослабляет конструкцию мачты в тех местах, где расположены эти крепежные элементы.
К недостаткам данной конструкции мачты следует отнести следующее:
- каждая секция мачты такой конструкции требует свою оправку, то есть, тот технологический элемент, с помощью которого эта секция изготавливается путем намотки на оправку либо ткани, либо нити конструкционного материала (стекловолокно, базальтовое волокно, углеродное волокно), пропитанных специальными лаками или смолами, т.е. количество секций в мачте определяется количеством соответствующих оправок;
- очень высокие требования предъявляются к точности изготовления концов оправок (тех участков, на которых формируются зоны сопряжения соседних секций мачты), т.к. надежность данной конструкции мачты определяется тем, насколько качественно и плотно соприкасаются смежные секции в зоне их соединения;
- при возникновении необходимости внесения изменений в конструкцию мачты требуется изготовление целиком новой группы технологических оправок, предназначенных для изготовления всех секций мачты.
Цель изобретения - повышение надежности мачты сборной конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что мачта сборной конструкции, состоящая из двух или более полых конических модулей мачтовой секции, причем каждый модуль имеет первый открытый конец и противоположный второй открытый конец, при этом площадь поперечного сечения второго конца меньше, чем площадь поперечного сечения первого конца, и каждый модуль содержит композиционный материал, полученный намоткой пропитанного полимером армирующего волокна, и создание комплекта из двух или более модулей, чтобы образовать конструкцию удлиненной модульной мачты выбранной длины за счет сопряжения второго конца первого модуля с первым концом второго модуля, отличается тем, что все секции мачты имеют одинаковые размеры, то есть у них равны большие и малые площади поперечного сечения полых конических модулей, высота модулей и толщина стенки каждого модуля.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая конструкция мачты отличается наличием одинаковых полых конических модулей и единственной оправки для их производства.
Таким образом, заявляемая мачта сборной конструкции соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что перечисленные элементы, используемые для построения модульной мачты, являются известными, однако использование одинаковых полых конических модулей и единственной оправки для их производства приводит к унификации производства и уменьшению стоимости модульной конструкции.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена мачта сборной конструкции в сборе, на фиг. 2 - секция мачты сборной конструкции в разрезе, на фиг. 3 - секция мачты сборной конструкции, стенка оболочки которой является трехслойной (2, 3, 4); на фиг. 4 - секция мачты сборной конструкции, стенка которой является частично трехслойной (2, 3, 4), а частично выполнена целиком из конструкционного пластика (5), и подъемно-поворотная пятка (6) первой секции мачты; на фиг. 5 представлен разрез секции мачты; на фиг. 6 - конструкция основания подъемной системы, на фиг. 7 представлена схема подъемной системы, состоящей из лебедки 7, полиспаста 8, подъемного троса 9, блока 10, растяжек с натяжителем 11, рым-болтов 12, оголовника 13, откоса 14, опор стабилизаторов 15, струны-стропы 16, плиты подъемника 17, плиты конуса пятки 18; на фиг. 8 - узел подъемно-поворотного устройства.
С целью облегчения мачты сборной конструкции и унификации производства каждого ее элемента, все секции мачты или часть секций изготовлены полностью или частично в виде трехслойной усеченной конической оболочки таким образом, что внешний (2) и внутренний (4) слои стенки оболочки выполнены из конструкционного пластика (стеклопластик, базальтопластик, пластик на основе углеродных волокон), а средний слой (3) стенки оболочки выполнен из облегченного материала (пенопласта, сотопласта, заполнителя в виде гофра, складчатого заполнителя).
Модуль мачты (фиг. 5) выполнен из композитного материала трехслойной структуры в виде конуса. Длина модуля составляет 2500 мм. Все модули мачты имеют одинаковый линейный размер. Нижний внутренний конус модуля и верхний наружный конус модуля составляют соединительный конус модулей мачты на длине 200 мм. Силовой контур конуса имеет длину 250 мм для применения конусного крепления растяжек мачты. Внутренний диаметр конуса 64 мм на 92 мм. Угол конуса имеет значение 0,0056 по всей длине модуля. Внутренний слой модуля выполнен из стекловолокна с чередующейся намоткой в 10°…15° и 75°…80° по длине модуля. Толщина слоя 2 мм. Внешний слой структуры намотки состоит из слоя толщиной 2,5 мм со структурой укладки 75°…80° на 10°…15°. Внутренняя структура композитного материала выполнена в виде прямоугольной гофры со стороной 7 мм. Общая толщина композитного слоя на модуле мачты составляет 11,5 мм. Вес одного модуля мачты 4850 грамм.
На фиг. 1 представлена мачта сборной конструкции, при сборке которой использовались секции 1 с одинаковыми геометрическими размерами. Данное техническое решение позволяет использовать для изготовления всех секций мачты одну или несколько одинаковых оправок. Это значительно удешевляет стоимость мачты. Кроме того, использование одной оправки для изготовления всех секций мачты позволяет быстрее добиться качественного сопряжения секций мачты на этапе отработки конструкции мачты, т.к. точность изготовления обеих концов одной оправки контролировать гораздо проще, чем добиться хорошего совмещения по концам смежных секций, изготовленных на оправках с разными геометрическими размерами. А именно, высокое качество сопряжения соседних секций определяют общую надежность конструкции мачты.
На фиг. 2 представлена секция мачты в разрезе. Для сборки мачты данной конструкции необходимы секции (1), отвечающие определенным геометрическим требованиям, а именно, соотношение между большим - D1 и малым - D2 наружными диаметрами усеченной конической оболочки, толщиной ее стенки - 1, длинной участка сопряжения соседних секций - b и высотой секции - h, определяются формулой:
Соотношение длины участка сопряжения и высоты усеченной конической оболочки выбрано из условия надежности собранной конструкции мачты и равно:
Подставив выражение (2) в формулу (1), получим следующее соотношение:
Именно такие соотношения геометрических размеров усеченной конической оболочки необходимы для того, чтобы изготовить секцию для мачты, у которой все секции будут иметь одинаковые геометрические размеры.
На фиг. 3 представлена секция (1) мачты сборной конструкции, у которой для облегчения стенка усеченной конической оболочки выполнена трехслойной, т.е. стенка оболочки состоит из трех слоев: наружный (2) и внутренний (4) слои выполнены из конструкционного пластика (стеклопластик, базальтопластик, пластик на основе углеродных волокон), а средний слой (3) - из облегченного материала (пенопласт, сотопласт, заполнитель в виде гофра, складчатый заполнитель). Соотношение между частями стенки из конструкционного пластика и из облегченного материала определяется условиями и средой эксплуатации - это характер и величина прикладываемых к мачте нагрузок, температурный режим, влажность, длительность эксплуатации мачты без профилактических проверок и ремонта.
3
3
При щадящих режимах эксплуатации мачты это соотношение толщины силовой части стенки к толщине слоя заполнителя может колебаться в пределах от 0.15 до 0.25, а в случае жестких режимов эксплуатации это соотношение находится в пределах от 0.5 до 0.7. Чтобы примерно оценить насколько таким образом может уменьшится вес секции мачты, примем, что силовая часть стенки выполнена из стеклопластика, у которого удельный вес примерно равен - 1.85 г/см, а заполнитель имеет удельный вес - 0.15 г/см. Умножив толщину каждого из слоев на величину удельного веса получим, насколько уменьшится вес секции мачты по отношению к секции, выполненной целиком из стеклопластика. Для изделия, режим эксплуатации которого «щадящий», вес уменьшится более чем в 3 раза, а для жесткого режима эксплуатации вес уменьшится на 40%-60%. Такая конструкция позволяет значительно облегчить секцию мачты, а значит и всю мачту в целом.
На фиг. 4 представлена секция мачты сборной конструкции, у которой часть стенки усеченной конической оболочки выполнена трехслойной, а часть - целиком из конструкционного пластика (5) - это или стеклопластик, или базальтопластик, или пластик на основе углеродных волокон. Такая конструкция позволяет придать большую жесткость и прочность корпусу оболочки в тех местах, где это необходимо, например, на концах секций, участках по которым соединяются соседние секции мачты. По сравнению с облегченной трехслойной оболочкой вес секции увеличивается незначительно, а выигрыш в надежности и прочности такой конструкции очевиден.
Основание мачты состоит из металлической рамы в форме квадрата (фиг. 6), сторона которого равна 2500 мм. В каждом углу рамы установлены эксцентрики установки рамы на 4 винтовые опоры. Винтовая опора заглубляется в землю на 1500 мм, сверху опоры имеется резьбовое соединение для эксцентрика. Эксцентрик применен для упрощения конструкции соединения рамы мачты с опорами из-за из технологического разброса при установке опоры в землю. На каждом углу рамы размещены парные точки крепления каната растяжки в виде пары типа рым-болт и натяжителя.
По центру рамы размещается подъемно-поворотная пятка (фиг. 8), выполненная в виде конусного основания на платформе, которая в свою очередь имеет возможность изменения вертикального положения в рабочем положении на горизонтальное при развертывании мачты (фиг. 7). Кроме того, пятка имеет возможность изменения вертикального положения конуса в горизонтальной плоскости на 360 градусов, которое необходимо при юстировке азимутального положения вибратора антенны. В рабочем состоянии пятка жестко фиксируется от возможных перемещений. По углам пятки установлены 4 рым-болта 12 и 4 натяжителя струн-строп 16.
Необходимая высота мачты антенны выбирается расчетным числом колен в мачте.
На высоте 0,75 от максимальной высоты мачты на одно из модулей устанавливается промежуточная опора для крепления 4 растяжек мачты через внешние отверстия в опоре. Конструкция опоры подобна оголовнику мачты без элементов крепления конструкции антенны. Два яхтенных каната обеспечивают 4 точки крепления на раме. Середина каждого каната проходит через опору на мачте. Канат имеет одну фиксированную точку крепления на раме мачты типа рым-болт 12, вторая точка для регулировки натяжения. Подобным образом обеспечивается фиксация мачты из пакета модулей и через оголовник 13 мачты.
На верхнем модуле мачты устанавливается оголовник 13 мачты из композита. В состав конструкции оголовника 13 входят элементы установки антенной системы, система фиксации мачты в конусных соединениях модулей и места крепления струн-строп 16 для сборки мачты в пакет. Для фиксации модулей мачты в оголовник 13 мачты пропускаются две стропы яхтенного каната, которые образуют цепь натяжения сборки из колен от подъемно-поворотной пятки до оголовника. Канат в оголовнике 13 проходит через симметричные отверстия типа «коуш» и фиксируется на опорно-поворотной пятке в рым-болтах и натяжителе, одна точка крепления каната имеет регулировочно-натяжительную функцию. Оголовник выполнен как единый элемент с конусным окончанием, аналогичным по конструкции с нижним конусом колена.
Для обеспечения равномерности натяжения радиокабеля по высоте мачты в конструкции колена мачты введен элемент фиксации радиокабеля, который обеспечивает крепление радиокабеля внутри колена мачты и его равномерное натяжение от собственного веса.
Процесс сборки мачты
Процесс сборки мачты из колен выполняется из горизонтального положения поворотно-подъемной пятки, на которую устанавливается один из модулей (фиг. 7). Радиокабель предварительно маркируется установочными метками по длине, в которых будет происходить крепления радиокабеля. В отверстие конуса пятки пропускается радиокабель и далее во все модули на всю установочную высоту мачты. После установки последующего модуля мачты в конусное соединение между собой в верхний внутренний диаметр модуля устанавливается фиксатор, натягивается радиокабель до обозначенного места крепления, и он фиксируется установочной планкой фиксатора. Последующая операция сочленения модулей в посадочном конусе завершается фиксацией радиокабеля в колене мачты планкой фиксатора. Такие операции повторяются до достижения вершины мачты с модулем, на который устанавливается оголовник 13 мачты. В оголовнике также фиксируется радиокабель, что позволяет исключить весовую нагрузку на радиоразъем антенной системы.
Через отверстия в оголовнике пропускается струна - стропа 16, которая предварительно фиксируется на одной из 4-х точек крепления подъемно-поворотной опоры. В середине каната фиксируется защитная трубка из фторопласта, которая остается в оголовнике в U-образной форме и обеспечивает свободное движение каната. По завершению операции сборки мачты из модулей и установки оголовника с канатами выполняется натяжение струн-строп 16 до полного сочленения модулей в конусных соединителях.
После сборки мачты в горизонтальном положении выполняется ее подъем в вертикальное положение через опорную А-образную схему. В качестве опорной точки на мачте выбирается точка установки растяжек, за канаты которой производится подъем мачты.
Вертикальную стабилизацию мачты при подъеме обеспечивает опорная рама и опорно-поворотная пятка.
По завершению операции подъема фиксируется положение антенной системы по азимуту и закрепляются канаты на раме основания мачты с обеспечением необходимого натяжения растяжек мачты.
Операция опускания мачты в горизонтальное положение выполняется в обратной последовательности.
При эксплуатации конструкции мачты следует контролировать величину натяжения канатов строп и канатов растяжек.
К устройству подъема
Устройство подъема построено на основе анкерной стрелы с фиксированным креплением (фиг. 7).
Основание анкера фиксируется на рым-болтах 12 рамы мачты. На верху мачты размещен опорный блок 10, через который проходит подъемный трос 9. Для фиксирования анкера и придания ему жесткости служат опоры стабилизаторы 15 и откос 14. Опоры крепятся на рым-болты рамы и обеспечивают жесткую конструкцию треугольника с откосом.
Подъемный трос 9 зацепляется за растяжки мачты и через блок анкера соединяются с полиспастом 8, который обеспечивает плавность подъема мачты с нулевого угла. При исчерпании размерности полиспаста 8 он выступает как элемент подъемного троса.
В качестве опор анкера могут выступать модули мачты при их наличии в составе мачты. Подъем выполняется с помощью лебедки 7 или автомобиля, необходимой массы по отношению к массе мачты.
По завершению подъема растяжки мачты фиксируются на рым-болтах 12 и натяжителях.
Таким образом, изготовление модулей мачты сборной конструкции обеспечивает большую надежность за счет использования единственной оправки с заданной точностью изготовления ее концов (тех участков, на которых формируются зоны сопряжения соседних секций мачты), так как надежность всей конструкции будет определяться тем, насколько качественно и плотно соприкасаются смежные секции в зоне их соединения.