АНТЕННАЯ ОПОРА С ПОНИЖЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ANTENNA SUPPORT WITH REDUCED COEFFICIENT OF HEAD RESISTANCE

Изобретение относится к антенным опорам башенного типа, в частности, для объектов связи, предназначенных для размещения различных антенн беспроводной связи, а также может использоваться для осветительных и других высотных сооружений промышленного назначения.
Известна антенная опора, выполненная в виде многогранной оболочки с переменным по длине поперечным сечением, увеличивающемся сверху вниз (RU 2280137 С2) и принятая за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при применении известной конструкции, принятой за прототип, относится повышенное аэродинамическое сопротивление.
Технический результат - уменьшение лобового аэродинамического сопротивления профиля антенной опоры путем придания ему подвижной каплевидной формы, что приводит к примерному десятикратному уменьшению аэродинамического сопротивления тех участков антенной опоры, где находится подвижный кожух каплевидной формы.
Технический результат достигается тем, что несущая часть антенной опоры выполнена в виде полого цилиндра, на верхней части опоры расположен подвижный кожух каплевидной формы, нижняя и верхняя опоры которого представляют собой шариковые подшипники. Кроме того, внутри несущей части антенной опоры по всей высоте закреплена ходовая лестница.
Подвижный кожух каплевидной формы может быть установлен на уже существующие опоры аналогичной конструкции.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
Перечень фигур.
На фиг.1 изображен общий вид антенной опоры с подвижным каплевидным кожухом;
на фиг.2 - разрез 1-1 фиг.1;
на фиг.3 - разрез 2-2 фиг.1;
на фиг.4 изображена расчетная схема антенной опоры;
на фиг.5 изображена расчетная схема стержня с положительными направлениями нагрузок в плоском случае;
на фиг.6 изображена амплитудно-фазочастотная характеристика узла Z антенной опоры (фиг.4) без подвижного каплевидного кожуха;
на фиг.7 изображена амплитудно-фазочастотная характеристика узла Z антенной опоры (фиг.4) с подвижным каплевидным кожухом;
на фиг.8 изображена кривая ветрового возмущения;
на фиг.9 изображен график переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.4) от ветрового возмущения (фиг.8) без подвижного каплевидного кожуха;
на фиг.10 изображен график переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.4) от ветрового возмущения (фиг.8) с подвижным каплевидным кожухом;
1
на фиг.11 изображен график переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.4) от ветрового возмущения (фиг.8) без подвижного каплевидного кожуха;
1
на фиг.12 изображен график переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.4) от ветрового возмущения (фиг.8) с подвижным каплевидным кожухом.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Антенная опора 1 (фиг.1) представляет собой полый цилиндр, часть которого покрыта подвижным кожухом 2 каплевидной формы. Нижняя и верхняя опоры подвижного кожуха 2 являются шариковыми подшипниками 3. Антенная опора 1 с установленными на ней подвижным кожухом 2 каплевидной формы и площадкой обслуживания 5 опирается на фундамент 4. Конструктивное исполнение антенной опоры 1 позволяет расположить ходовую лестницу 6 внутри антенной опоры 1. Кроме того, внутри конструкции антенной опоры 1 расположены электрические кабели и фидеры (не показаны).
При воздействии ветра на антенную опору 1 подвижный кожух 2 каплевидной формы подобно флюгеру поворачивается навстречу ветру, уменьшая тем самым аэродинамическое сопротивление покрытого им участка антенной опоры 1 примерно в 10 раз. Уменьшение аэродинамического сопротивления происходит за счет разницы коэффициентов лобового сопротивления тел в форме цилиндра и капли [Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А., Механика сплошных сред. Лекции - Издательство Физического факультета МГУ, 1998, с.80].
Изложенные выше соображения подтверждаются приведенным ниже расчетом.
Составляются уравнения равновесия узлов, которые представляют собой систему уравнений для неизвестных узловых перемещений, согласно методике, изложенной в [Санкин Ю.Н. Динамические характеристики вязкоупругих систем с распределенными параметрами / Ю.Н.Санкин // Саратов: Издательство Саратовского университета. - 1977. - 312 с.] и [Санкин Ю.Н. Нестационарные задачи динамики стержневых систем при внезапном нагружении и соударении с препятствием / Ю.Н.Санкин // Механика и процессы управления: Сборник научных трудов. 2005. С.67-80].
где ; ; ; ;
; ; ;
- вектор перемещений от местных нагрузок;
k - номер узла;
k
J - момент инерции сосредоточенной массы в k-ом узле;
k
Q - сосредоточенная сила, приложенная в k-м узле;
k
M - сосредоточенный момент, приложенный в k-ом узле;
Постоянные A, B, C, D, G, H определяются по начальным и краевым условиям на каждом конце стержня по формулам:
kk+1
kk+1
kk+1
kk+1
kk+1
kk+1
A=i·a; B=i·b; ; ;
; ; .
где а, b, с, d, g, h - коэффициенты метода перемещений, определяемые для случая колебаний тонкого сжатого стержня по методике, описанной в методике, изложенной в [Санкин Ю.Н. Динамические характеристики вязкоупругих систем с распределенными параметрами / Ю.Н.Санкин // Саратов: Издательство Саратовского университета. - 1977. - 312 с.].
kk+1
l - длина стержня, соединяющего k-й и k+1-й узел;
kk+1
kk+1
E·J - жесткость соответствующего стержня при изгибе;
kk+1
J, - момент инерции поперечного сечения стержня;
k
m - сосредоточенная масса в k-ом узле.
Для нулевого узла уравнение, учитывающее реакцию упругого основания, записывается следующим образом:
,
k
где ; C - жесткость боковой грани сечения при линейном перемещении; - жесткость боковой грани сечения при угловом перемещении.
Значения составляющих вектора перемещений от местных нагрузок находятся по формулам в соответствии с расчетной схемой стержня с положительными направлениями нагрузок (фиг. 5).
Полученные уравнения решаются при p=i·ω, где р - параметр преобразования Лапласа, ω - частотный параметр. Затем строятся амплитудно-фазочастотные характеристики (АФЧХ) для интересующих точек стержневой системы.
АФЧХ узла Z антенной опоры (фиг. 4) без подвижного каплевидного кожуха представлена на фиг. 6.
АФЧХ узла Z антенной опоры (фиг. 4) с подвижным каплевидным кожухом представлена на фиг. 7.
Известно, что каждому витку АФЧХ соответствует один член ряда в разложении по форме колебаний [Санкин Ю.Н. Случайные колебания виброзащитных систем / Ю.Н.Санкин, С.Л.Пирожков // Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет. - 2000. - 83 с.]. Между экстремальными точками АФЧХ и коэффициентами соответствующих членов ряда существует однозначная связь, которая используется для осуществления обратного преобразования Лапласа.
,
n
n1
n2
где k - коэффициент усиления; Т, Т - постоянные времени.
Для учета продолжительности действия ветровой нагрузки производится прямое преобразование Фурье, кроме того, для уменьшения погрешности расчета в уравнение формы ветрового воздействия вводится интервал нулевого нагружения (фиг. 8).
Обратное преобразование Фурье выполняется по формуле [Санкин Ю.Н. Случайные колебания виброзащитных систем / Ю.Н.Санкин, С.Л.Пирожков // Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет. - 2000. - 83 с.]:
,
ω
k
где Δ - шаг разбиения передаточной функции по частоте; N - число равных интервалов разбиения полосы пропускания передаточной функции; n - номер интервала разбиения полосы пропускания; Δt - шаг разбиения периода действия нагрузки по времени; М - число равных интервалов разбиения периода действия нагрузки; m - номер интервала разбиения периода действия нагрузки; t - дискретное значение момента времени, в котором определяются параметры переходного процесса; k - номер интервала разбиения временного периода.
График переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.4) без подвижного каплевидного кожуха представлен на фиг.9.
График переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.4) с подвижным каплевидным кожухом представлен на фиг.10.
Доминирующим фактором при оценке напряжений в антенной опоре является значение изгибающего момента у ее основания. Изгибающие моменты и поперечные силы для любой точки стержневой системы можно определить, воспользовавшись формулами метода перемещений [Санкин Ю.Н. Нестационарные задачи динамики стержневых систем при внезапном нагружении и соударении с препятствием / Ю.Н.Санкин // Механика и процессы управления: Сборник научных трудов. 2005. С.67-80]:
,
1
Определяется значение изгибающего момента в стержне 0-1 (узел 1 (фиг.4)) по заданным перемещениям и углам поворота концов того же стрежня. Следовательно, уравнение в развернутом виде таково:
.
Для решения этого уравнения строится АФЧХ по изложенной выше методике. Затем строятся графики переходного процесса по изгибающему моменту.
1
График переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.4) без подвижного каплевидного кожуха представлен на фиг.11.
1
График переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.4) с подвижным каплевидным кожухом представлен на фиг.12.
Произведенные расчеты показывают, что в результате установки на антенную опору подвижного кожуха каплевидной формы колебания и изгибающий момент в опасном сечении антенной опоры снижаются на 65%. Следовательно, несущая способность антенной опоры может быть увеличена до 50%, либо снижен ее вес по условию прочности до 30%. Кроме того, подвижный кожух каплевидной формы может быть установлен на уже существующие опоры аналогичной конструкции.
Исходные данные для произведенного расчета:
материал антенной опоры: стальная труба ⌀720×12 мм;
5
модуль упругости: Е=2·10 МПа;
высота антенной опоры: L=24 м;
z
масса площадки обслуживания: m=320 кг;
z
2
лобовая площадь площадки обслуживания: S=1.2 м;
ветровой район согласно СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»: III;
коэффициент постели грунтового основания: ;
размеры фундамента антенной опоры: ⌀0,8×4,5 м;
число участков разбиения: Z=12;
кож
кожухом каплевидной формы покрыта верхняя половина антенной опоры; масса кожуха каплевидной формы: m=250 кг.