Способ удаления льда с ванты (варианты)
METHOD FOR REMOVING ICE FROM THE STAY WIRE (OPTIONS)

Изобретение относится к строительству и эксплуатации вантовых систем инженерных сооружений и предназначено для предотвращения обледенения вант.
Проблема безаварийного использования вантовых систем мостов и иных инженерных сооружений в условиях возникновения на поверхности вант ледяной корки (обледенения) вплоть до настоящего времени решается только после окончания процесса обледенения. Наросший слой льда, как правило, ликвидируется вручную - обкалыванием. Это процесс длительный, небезопасный и дорогой, особенно с учётом простоев сооружений, например мостов.
Известны способы борьбы с обледенением вант с помощью их нагрева. Например, известен способ предотвращения обледенения ванты с помощью нагревательных элементов, встроенных в защитную оболочку ванты (US 2020/0263355 A1, 20.08.2020).
Недостаток такого способа заключается в огромном расходе электроэнергии, а также в том, что используемые в конструкции ванты полимеры и парафин нагревать крайне нежелательно.
Известны способы предотвращения обледенения вант путем создания вибраций упругой оболочки, расположенной поверх ванты, например, известен способ удаления обледенения с поверхности ванты путём применения одного или нескольких вибрационных модулей, расположенных с внутренней стороны оболочки, выполненной, например, из высокоплотного полиэтилена (US 2020/0308784 A1, 01.10.2020).
Недостаток данного способа заключается в том, что оболочка должна быть выполнена из достаточно толстого и жёсткого материала, чтобы по ней могли эффективно распространяться волны механических колебаний, вызываемые вибратором. Кроме того, на образовавшийся на поверхности оболочки слой льда воздействуют вибрационные колебания оболочки с амплитудой, величина которой должны превышать некие пороговые величины, гарантирующие разрушение и удаление слоя льда со всей поверхности оболочки. На практике же формирующаяся корка обледенения раз от раза может иметь существенно отличающиеся параметры, такие как плотность, однородность и т. д., и, очевидно, что для её надёжного разрушения и удаления пороговые величины параметров колебаний должны быть разными, а энергетические и конструктивные особенности вибрационного способа объективно накладывают на эти параметры существенные ограничения.
Наиболее близким к предложенному способу является способ удаления льда с поверхности ванты с помощью одного или более вибрационных модулей, перемещающихся по внутренней поверхности оболочки вдоль неё под действием веса, или с помощью тяги, или с помощью привода, при этом оболочка выполнена из высокоплотного полиэтилена или стали (US 10113278 B1, 30.10.2018). Данный способ выбран в качестве прототипа.
Способ по прототипу имеет следующие недостатки.
1) Оболочка должна быть выполнена из достаточно толстого и жёсткого материала, чтобы по ней могли эффективно распространяться волны механических колебаний, вызываемые вибратором с электроприводом.
2) Оболочка и, собственно, ванта, в силу их конструктивных особенностей, должны монтироваться на объекте совместно и одновременно и поэтому не приспособлены для ремонтных и сервисных работ, требующих демонтажа (полного или частичного) оболочки без демонтажа ванты.
3) Оболочка в верхней её части, более всего склонной к льдообразованию, опирается и лежит непосредственно на массивном теле ванты (не свободна), что затрудняет разрушение льда и требует для создания на её поверхности вибрационных микродеформаций вибратора существенно большей мощности, чем если бы она была свободна для колебаний и деформаций по всей её окружности.
4) Оболочка, опирающаяся своей верхней частью на тело ванты и имеющая снизу ванты существенное свободное пространство между ней и телом ванты на большей своей протяженности, склонна к раскачиванию под действием ветровых и иных возмущений, что потенциально грозит истиранием и повреждением соприкасающихся поверхностей оболочки и ванты, в отличие от предлагаемого нами варианта, в котором для раскачивания защитной оболочки относительно ванты и взаимного трения их поверхностей нет подходящих условий.
5) В прототипе на образовавшийся на поверхности оболочки слой льда воздействуют волны вибрационных колебаний материала оболочки с небольшой амплитудой, параметры которой должны превышать некие пороговые величины, гарантирующие разрушение и удаление льда со всей поверхности оболочки. На практике же формирующаяся корка льда раз от раза может иметь существенно отличающиеся характеристики такие как плотность, однородность и т. д., и, очевидно, что для их надёжного разрушения и удаления пороговые величины параметров вибрационных колебаний должны быть разными, а энергетические и конструктивные особенности вибрационного способа объективно накладывают на эти параметры существенные ограничения.
6) В прототипе единственным видом энергии, обеспечивающим вибрационные деформации оболочки, является электрическая энергия, приводящая в действие вибратор. Для обеспечения возможности работы антиобледенительного устройства при его перемещении вдоль ванты вибратор предлагается снабжать электроаккумулятором. Но использование в качестве источника электроэнергии аккумулятора создаёт проблему его оперативной зарядки и периодической замены, помимо существенных ограничений времени работы вибратора, что может оказаться неприемлемым для длинных вант и в условиях низких температур и длительной непогоды.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании способа удаления льда с поверхности ванты, устраняющего перечисленные недостатки прототипа, обеспечивающего надежное удаление корки льда со всей поверхности оболочки, позволяющего использовать более тонкую и легкую оболочку и исключающего проблемы, связанные с использованием электроприводов вибрационных модулей.
Технический результат, достигаемый предложенным изобретением, позволяющий решить указанную техническую проблему, заключается в повышении эффективности удаления льда с поверхности оболочки за счет обеспечения заведомо достаточных для гарантированного разрушения корки льда параметров деформирования всей поверхности оболочки.
Технический результат достигается способом удаления льда по первому варианту, который заключается в том, что воздействуют механически на защитную оболочку с помощью устройств, размещенных в промежутке между вантой и защитной оболочкой, при этом, в отличие от прототипа, используют защитную оболочку из высокопрочного тонкого мягкого материала, а в качестве указанных устройств используют трубы из газонепроницаемого эластичного материала, расположенные равномерно вокруг ванты и своей длиной вдоль ванты, при этом каждая труба находится в зажатом состоянии между вантой и защитной оболочкой, и в исходном состоянии ширина поперечного сечения каждой трубы, равная ширине промежутка между вантой и защитной оболочкой, меньше длины поперечного сечения этой трубы, а механическое воздействие на защитную оболочку обеспечивается тем, что подают по меньшей мере в одну трубу газ или жидкость с избыточным давлением, обеспечивающим изменение формы защитной оболочки, достаточное для разрушения и последующего сброса льда, затем сбрасывают давление в этой по меньшей мере одной трубе и подают в другую по меньшей мере одну трубу газ или жидкость с избыточным давлением, повторяют сброс и подачу газа или жидкости до полного удаления льда с защитной оболочки.
В предпочтительном варианте осуществления способа подачу газа или жидкости с избыточным давлением осуществляют одновременно в две диаметрально расположенные трубы и далее осуществляют последовательную подачу в соседние пары диаметрально расположенных труб, соседних с предыдущими с обеспечением создания волны деформации защитной оболочки, обегающей вокруг ванты.
Технический результат также достигается способом удаления льда по второму варианту, который заключается в том, что на защитную оболочку, с целью последовательного деформирования формы её сечения, воздействуют механически с помощью по меньшей мере одного устройства, размещенного в промежутке между вантой и защитной оболочкой, которое перемещают вдоль ванты с помощью тяги, при этом, в отличие от прототипа, используют защитную оболочку из высокопрочного тонкого мягкого материала, а в качестве указанного по меньшей мере одного устройства используют охватывающую ванту каретку с закрепленными на ней элементами скольжения или качения, расположенными вдоль каретки со смещением друг относительно друга в окружном направлении и контактирующими с защитной оболочкой, при этом используют каретку, которая обеспечивает в зоне контакта элементов скольжения или качения с защитной оболочкой увеличение ширины промежутка между вантой и защитной оболочкой по сравнению с шириной этого промежутка вне зоны контакта и изменение вследствие этого формы защитной оболочки в зоне прохождения каретки при ее перемещении, достаточное для разрушения и последующего сброса льда.
Возможен вариант, когда используют более одной каретки, соединенные друг с другом, а перемещение кареток осуществляют попеременно в противоположных направлениях на расстояние, обеспечивающее перекрытие зон деформирования защитной оболочки соседними каретками.
В предпочтительном варианте способа используют по меньшей мере одну каретку, в которой элементы скольжения или качения расположены по одному или группами равномерно по длине каретки и со смещением друг относительно друга в окружном направлении таким образом, что в проекции на поперечное сечение ванты с защитной оболочкой элементы скольжения или качения перекрывают всю окружность с центром на оси ванты.
В частности, элементы скольжения или качения или их группы могут быть расположены по спирали.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показаны ванта с защитной оболочкой и эластичными трубами между ними (по первому варианту способа).
На фиг. 2 и фиг. 3 показано изменение формы сечения защитной оболочки под действием размещённых в зазоре между ней и вантой эластичных труб, раздувающихся при подаче в них сжатого газа или жидкости под давлением (по первому варианту способа).
На фиг. 4 показано изменение формы сечения защитной оболочки под действием механического устройства, размещённого в зазоре между оболочкой и вантой и перемещающегося вдоль ванты (по второму варианту способа).
На фиг. 5-8 показаны поперечные сечения А-А, Б-Б, В-В и Г-Г ванты с защитной оболочкой, представленной на фиг. 4.
Одним из основных свойств нарастающего на поверхностях слоя льда является его высокая хрупкость, особенно в тонком слое. Поэтому, даже сравнительно небольшие деформации этих поверхностей способны разрушать формирующуюся на них ледяную корку. Однако ванты имеют жёсткую конструкцию и находятся в весьма напряжённом состоянии. Поэтому сбрасывать нарождающуюся на них ледяную корку путем деформирования непосредственно вант не представляется возможным. Но, если поверх основной конструкции вант сформировать защитные оболочки, пригодные для управляемого изменения их диаметра и/или формы, то появится возможность сравнительно просто деформировать поверхности этих оболочек, являющиеся подстилающей основой для нарастающего на них в процессе обледенения льда. Основным параметром, меняя который локально или по всей длине ванты, можно обеспечить изменение формы поверхности защитной оболочки, является величина зазора между телом ванты и этой дополнительной оболочкой. Изменение геометрических параметров зазора можно осуществлять как локально (например, перемещением в зазоре одного или нескольких деформирующих оболочку механических устройств), так и протяжённо (например, пневматически - подачей в зазор газа (воздуха) или гидравлически - подачей в зазор жидкости под давлением).
Способ удаления льда с ванты подвесного сооружения по первому варианту изобретения осуществляется следующим образом.
Разрушение и сбрасывание корки льда ванты 1 путём принудительного изменения формы поверхности (сечения) защитной оболочки 2 ванты 1, достигается наддувом одной или нескольких из размещённых вдоль всей ванты 1 в промежутке между телом ванты 1 и защитной оболочкой 2 герметичных эластичных труб 3 (фиг. 1).
Конструктивно задача решается тем, что вдоль всей ванты 1 в промежутке между телом ванты 1 и окружающей её на некотором расстоянии цилиндрической защитной оболочкой 2, выполненной из высокопрочного мягкого материала, размещают равномерно по окружности несколько труб 3, изготовленных из газонепроницаемого эластичного материала. Материал защитной оболочки 2 должен быть достаточно тонким и мягким, способным менять форму под внешним воздействием на него, и может быть выполнен, например из высокопрочной ткани, например - кевлара, пропитанной специальным, увеличивающим прочность ткани полимерным связующим. Трубы 3 могут быть выполнены из резиноподобного материала, например силиконового эластомера. Размеры промежутка между телом ванты 1 и защитной оболочкой 2 и диаметры заполняющих промежуток труб 3 подбирают такими, что, в отсутствие наддува части из труб 3 они, прилегая друг к другу своими боковыми поверхностями, оказываются приплюснутыми (но не до полного отсутствия просвета в них), будучи зажатыми между телом ванты 1 и защитной оболочкой 2. При этом ширина поперечного сечения каждой трубы 3, равная ширине промежутка между вантой 1 и защитной оболочкой 2, меньше длины поперечного сечения этой трубы 3. При монтаже системы, вплоть до окончания монтажа, для облегчения монтажа защитной оболочки 2 вокруг и вдоль ванты 1 трубы 3 могут принудительно временно сплющиваться путём выкачивания из них воздуха. В процессе борьбы с нарастающим на внешней поверхности защитной оболочки 2 слоем льда на первом этапе в одну или несколько труб 3 подают газ с избыточным давлением, обеспечивающим изменение формы труб 3 и изменение под их действием формы защитной оболочки 2, гарантирующую разрушение и последующий сброс корки льда (фиг. 2). Для создания избыточного давления в трубах 3 может также использоваться жидкость.
Затем, после выполнения первого этапа разрушения корки льда избыточное давление в трубах 3, в которых оно присутствовало, сбрасывают через соответствующие клапаны, и начинается следующий второй этап разрушения корки льда на тех участках защитной оболочки 2, которые не прилегали к наддувавшимся на предыдущем этапе трубам 3. Газ под избыточным давлением подают в трубы 3, в которые он не подавался на предыдущем этапе, тем самым деформируя поверхность защитной оболочки 2 в зонах, прилегающих к вновь наддуваемым трубам 3 (фиг. 3). Изменение формы защитной оболочки 2 приводит к выдавливанию через открытые клапаны газа из труб 3, задействовавшихся на предыдущем этапе. Клапаны дистанционного автоматического управления подачей газа в трубы 3 под избыточным давлением открыты на свободный проход газа всегда, кроме промежутка времени, когда газ в данной трубе 3 должен быть под избыточным давлением.
Таким образом, управляя последовательностью срабатывания клапанов и величиной давления газа, подаваемого в трубы 3, можно обеспечить волну деформации оболочки 2, обегающую ванту 1 по окружности, что гарантирует полную очистку ванты 1 от обледенения. На фиг. 1 показан частный случай осуществления способа, когда подачу газа с избыточным давлением осуществляют одновременно в две диаметрально расположенные трубы 3 и далее осуществляют последовательный сброс избыточного давления в этой паре труб и подачу сжатого газа в другие пары диаметрально расположенных труб 3, соседних с предыдущими с обеспечением создания волны деформации защитной оболочки 3, обегающей вокруг ванты 1.
При этом важно отметить, что при таком решении системы защиты не требуется герметичность защитной оболочки 2, сравнительно несложной становится задача "надевания" оболочки 2 на ванту 1 и её замены в случае необходимости, отсутствует необходимость в подаче электрического напряжения на какие-либо механические устройства (вибрационные модули), а сама задача наддува труб 3 может решаться устройствами, размещаемыми как внутри подвесных конструкций (например, мостов), так и вообще вне самих мостов - на территориях вне их. Запасы сжатых/сжижженых газов могут заранее создаваться при наступлении "угрожающего" периода, что дополнительно снижает требования к мощности оборудования, необходимого для обеспечения потребных объёмов сжатого газа. И, в принципе, получение потребных объёмов сжатых газов может осуществляться оперативно (без накопления заранее) с помощью химических или электрохимических генераторов сжатых газов.
Способ удаления льда с ванты подвесного сооружения по второму варианту изобретения осуществляется следующим образом.
Разрушение и сбрасывание корки льда на начальной стадии обледенения ванты 1 путём принудительного изменения формы поверхности защитной оболочки 2 ванты 1, выполненной из того же материала, что и защитная оболочка 2 в способе по первому варианту, на локальных участках достигается перемещением вдоль ванты 1 в промежутке между телом ванты 1 и защитной оболочкой 2 каретки 4, выполненной в виде охватывающей тело ванты 1 конструкции (фиг. 4-8), имеющей размещённые на её наружной части со смещением по длине и в окружном направлении элементы скольжения (выступы) или элементы качения (ролики 5). Выступы или ролики 5 могут быть расположены по одному или группами (на фиг. 4-8 показано размещение группами) равномерно по длине каретки 4 и со смещением друг относительно друга в окружном направлении таким образом, что в проекции на поперечное сечение ванты 1 с защитной оболочкой 2 группы выступов или роликов 5 перекрывают всю окружность с центром на оси ванты 1. В частном случае, группы выступов или роликов 5 могут быть расположены по спирали.
Расстояние от поверхности ванты до наиболее удалённой от неё поверхности каждого выступа или ролика 5 в радиальном направлении больше расстояния между вантой 1 и защитной оболочкой 2 при их соосном положении, что обеспечивает увеличение расстояния между участками наружной поверхности защитной оболочки 2 в местах контакта защитной оболочки 2 с выступами или роликами 5 и наружной поверхностью тела ванты 1.
Перемещение локально деформирующей оболочку 2 каретки 4 осуществляется механической тягой 6, например, тросом и/или системой тросов с приводом от электролебёдки, а движение каретки 4 вдоль ванты 1 с приемлемым усилием обеспечивается применением технологий качения или смазки, сводящих трение каретка-ванта и каретка-оболочка к минимуму.
Периметр сечения защитной оболочки 2 по всей длине ванты 1 является величиной постоянной в отличие от величины промежутка ванта 1-оболочка 2 в зонах, где между защитной оболочкой 2 и телом ванты 1 в данный момент размещается каретка 4. Вокруг ванты 1 в местах, где в защитную оболочку 2 изнутри упираются деформирующие выступы (ролики 5), расстояние между поверхностью ванты 1 и внутренней поверхностью оболочки 2 увеличивается на величину, достаточную для уверенного разрушения слоя льда за счёт возникающей локальной деформации оболочки 2. При этом периметр сечения защитной оболочки 2, прилегающей к каретке 4 в зоне её взаимодействия с деформирующими выступами/роликами 5, остаётся неизменным вследствие того, что расстояние от поверхности ванты 1 до защитной оболочки 2 в зоне, расположенной диаметрально соответствующему выступу каретки 4 за счёт конструкции каретки 4, уменьшается на соответствующую величину.
С целью уменьшения необходимой для гарантированной очистки ванты 1 ото льда длины перемещения каретки 4 вдоль ванты 1 целесообразным представляется увеличение количества размещаемых вдоль ванты 1 кареток 4, соединённых последовательно тягами или единой тягой 6 через равные промежутки с соответствующим кратным уменьшением расстояния перемещения единой для них тяги 6. Причём перемещение тяги 6 и, соответственно, кареток 4 осуществляют попеременно во взаимно противоположных вдоль ванты 1 направлениях на величину, обеспечивающую гарантированное перекрытие зон деформирования соседних кареток 4.
Предложенные варианты способа обладают следующими преимуществами перед прототипом.
Защитная оболочка 2 выполняется из тонкого и мягкого материала, который заведомо дешевле, транспортабельней и потенциально гораздо более пригоден для монтажа и замены в случае ремонта и сервиса на существующих объектах, чем толстая и жёсткая оболочка в прототипе.
При проведении ремонтных и сервисных работ возможен демонтаж (полный или частичный) оболочки 2 без демонтажа ванты 1.
Оболочка 2 не опирается на ванту 1, поэтому она свободна для деформаций по всей поверхности, что облегчает и повышает надежность удаления льда со всей её поверхности и требует меньшей мощности для деформирования оболочки 2.
В предложенных вариантах способа достаточно легко (во всяком случае - без значимого увеличения энергетических затрат) можно закладывать в конструкцию устройств для борьбы с обледенением такие величины деформаций поверхности защитных оболочек, которые гарантированно и многократно превосходят требуемые для разрушения и сбрасывания различных видов корки обледенения.
Пневматический способ деформирования защитной оболочки обеспечивается подачей через пневмоклапаны в систему (трубы 3) сжатого газа (воздуха, азота или иного) от компрессора, или через редукторы из баллонов (ресиверов) со сжатым газом. Механический способ последовательного деформирования оболочки 2 обеспечивается перемещением каретки 4 (кареток) с деформаторами (выступами, роликами 5) вдоль ванты 1 электролебёдкой с помощью тяг 6. Оба эти способа обеспечивают по сравнению с прототипом большую простоту реализации и гарантированную надёжность результатов.