АНТЕННАЯ ОПОРА С ДИНАМИЧЕСКИМ ГАСИТЕЛЕМ
ANTENNA SUPPORT WITH DYNAMIC DAMPER

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 переменны 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: невозможность снижения амплитуды колебания верхней точки антенной опоры от ветровых возмущений.
Технический результат - уменьшение амплитуды колебания верхней точки антенной опоры от ветровых возмущений примерно на 20% путем установки динамического гасителя.
Технический результат достигается тем, что несущая часть антенной опоры выполнена в виде полого цилиндра, в верхней точке антенной опоры расположен динамический гаситель, который представляет собой коническую массу на шаровой опоре, снабженную упругими горизонтальными растяжками. Кроме того, внутри несущей части антенной опоры по всей высоте закреплена ходовая лестница.
Динамический гаситель может быть установлен на уже существующие опоры аналогичной конструкции с проведением соответствующих расчетов.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
Перечень чертежей
На фиг.1 изображен общий вид антенной опоры с динамическим гасителем;
на фиг.2 - разрез 1-1 фиг.1;
на фиг.3 - разрез 2-2 фиг.1;
на фиг.4 - разрез 1-1 фиг.2;
на фиг.5 изображена расчетная схема антенной опоры;
на фиг.6 изображена расчетная схема стержня с положительными направлениями нагрузок в плоском случае;
на фиг.7 изображена амплитудно-фазочастотная характеристика узла Z антенной опоры (фиг.5) без динамического гасителя;
на фиг.8 изображена амплитудно-фазочастотная характеристика узла Z антенной опоры (фиг.5) с динамическим гасителем;
на фиг.9 изображена кривая ветрового возмущения;
на фиг.10 изображен график переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.5) от ветрового возмущения (фиг.9) без динамического гасителя;
на фиг.11 изображен график переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.5) от ветрового возмущения (фиг.9) с динамическим гасителем;
1
на фиг.12 изображен график переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.5) от ветрового возмущения (фиг.9) без динамического гасителя;
1
на фиг.13 изображен график переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.5) от ветрового возмущения (фиг.9) с динамическим гасителем;
Сущность изобретения заключается в следующем.
Антенная опора 1 (фиг.1) представляет собой полый цилиндр, в верхней части которого расположена площадка обслуживания 2 с динамическим гасителем, состоящим из корпуса 3, конической массы 5 и упругих горизонтальных растяжек 4. Антенная опора 1 с площадкой обслуживания 2 и установленным на ней динамическим гасителем опирается на фундамент 6. Коническая масса 5 выполнена в виде перевернутого конуса, опирающегося на шаровую вершину для снижения трения при перемещении массы. Конструктивное исполнение антенной опоры 1 позволяет расположить ходовую лестницу 7 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 все ее точки перемещаются в соответствии с направлением ветра. Коническая масса 5 динамического гасителя за счет своей инертности временно остается в покое, сжимая (растягивая) соответствующую упругую горизонтальную растяжку 4. Жесткости упругих горизонтальных растяжек 4 и коническая масса 5 подобраны в соответствии с собственной частотой антенной опоры 1 таким образом, что движение конической массы 5 за счет потенциальной энергии упругих горизонтальных растяжек начинается одновременно с движением в обратную сторону антенной опоры 1. Следовательно, антенная опора 1 и коническая масса 5 динамического гасителя двигаются в противофазе, что препятствует колебаниям антенной опоры 1.
Уменьшение амплитуды колебания верхней точки антенной опоры от ветровых возмущений происходит за счет разницы движений этой точки и конической массы гасителя, благодаря соединяющим их упругим элементам.
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 вязко-упругих 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-м узле;
k
Q - сосредоточенная сила, приложенная в А-м узле;
k
М - сосредоточенный момент, приложенный в А-м узле;
Постоянные А, В, С, D, G, Н 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 a, b, c, 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 вязко-упругих 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-м узле
Для нулевого узла уравнение, учитывающее реакцию упругого основания, записывается следующим образом:
где
k
C - жесткость боковой грани сечения при линейном перемещении;  - жесткость боковой грани сечения при угловом перемещении.
Для узлов Z и Z+1 уравнения равновесия узлов, учитывающие массу на упругом подвесе, в развернутом виде записываются так:
где  - соответственно жесткость упругого элемента, коэффициент демпфирования и масса гасителя.
Значения составляющих вектора перемещений от местных нагрузок находятся по формулам в соответствии с расчетной схемой стержня с положительными направлениями нагрузок (фиг.6).
.
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.5) без динамического гасителя представлена на фиг.7.
АФЧХ узла Z антенной опоры (фиг.5) с динамическим гасителем представлена на фиг.8.
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.9).
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.]:
k
где Δω - 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.5) без динамического гасителя представлен на фиг.10.
График переходного процесса по перемещениям узла Z антенной опоры (фиг.5) с динамическим гасителем представлен на фиг.11.
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.5)) 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.5) без динамического гасителя представлен на фиг.12.
1
График переходного процесса по изгибающему моменту узла 1 антенной опоры (фиг.5) с динамическим гасителем представлен на фиг.13.
Произведенные расчеты показывают, что в результате установки на антенную опору динамического гасителя, колебания и изгибающий момент в опасном сечении антенной опоры снижаются на 20%. Следовательно, несущая способность антенной опоры может быть увеличена до 15%, либо снижен ее вес по условию прочности до 10%. Кроме того, динамический гаситель 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=72;
жесткость упругого элемента гасителя: ;
г
масса гасителя: m=50 кг;
коэффициент демпфирования гасителя: .