УСТРОЙСТВО УДАЛЕНИЯ ЛЬДА ДЛЯ ОБОЛОЧКИ КОНСТРУКЦИОННОГО ТРОСА И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С КОНСТРУКЦИОННОГО ТРОСА
ICE REMOVAL DEVICE FOR THE SHELL OF A STRUCTURAL CABLE AND A METHOD FOR REMOVING ICE FROM A STRUCTURAL CABLE

Изобретение относится к устройству удаления льда для оболочки конструкционного троса. Изобретение также относится к способу удаления льда с оболочки посредством такого устройства удаления льда. Конструкционные тросы применяют в гражданском строительстве, например, в вантовых мостах. Изобретение применимо, в частности, к оболочке таких тросов, используемых для поддержания, усиления или стабилизации конструкций.
Предшествующий уровень техники
Вантовые тросы широко применяют для поддерживания подвесных конструкций, таких как настилы мостов или крыши. Их также можно применять для стабилизации возведенных конструкций, таких как башни или мачты.
Типичный вантовый трос включает в себя пучок жил, например, проволок или прядей, заключенных в общую оболочку. Оболочка предназначена для защиты металлических жил пучка.
По своей конструкции оболочка предназначена для контакта с окружающей средой. Таким образом, она подвержена образованию на ней изморози, инея, льда или снега.
Устранение этого явления важно, так как наличие изморози, инея, льда или снега на оболочке может значительно изменить аэродинамические свойства вантового троса, что, в свою очередь, может привести к вибрации троса. Куски льда, падающие с тросов, также могут вызывать определенные проблемы.
Для решения этой проблемы было разработано несколько подходов, таких как подход, основанный на металлическом кольце, приспособленном для сбивания льда и инея при его перемещении по оболочке. Однако такой подход не совсем хорош, поскольку имеет тенденцию разрушать оболочку, и при определенных обстоятельствах он может стать непригодным для применения.
Другой подход известен из документа WO2019064042A1, при котором оболочка содержит нагревательные компоненты. Однако решение, раскрытое в этом документе, не применимо к тросам, уже установленным на мостах.
Документ WO2018142174A раскрывает оболочку с полостью, которая может принимать модуль вибрации для разрушения поверхностных отложений льда или инея.
Кроме того, в документе US10113278B1 описан модуль удаления льда с оболочки троса с помощью массы и вибратора. Это решение вызывает вибрации вдоль троса, которые удаляют лед или снег, покрывающий трос. Однако вибрирующая масса может ударять по жилам троса и повреждать их. К тому же такое решение требует много энергии.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в создании устройства удаления льда для оболочки конструкционного троса, которое может улучшенным способом удалять с нее лед, изморозь, иней или снег. С этой целью изобретение относится к устройству удаления льда для оболочки конструкционного троса, содержащего жилы, размещенные в оболочке, включающему в себя основание, опорный элемент и приводную систему, выполненную с возможностью прижимания опорного элемента к жилам, в то время как основание контактирует с внутренней поверхностью оболочки.
Это приводит к тому, что устройство удаления льда прочно опирается на жилы. Кроме того, давление, оказываемое на жилы, приводит к локальной деформации оболочки, которая, в свою очередь, может сопровождаться временным и обратимым изменениям формы секции оболочки, что может привести к локальному отрыву льда.
Таким образом, устройство удаления льда предотвращает повреждение жил за счет ограничения перемещений основания перед приведением в действие вибратора. Кроме того, вибрации оптимально передаются на оболочку через основание с низким рассеянием энергии.
В одном из вариантов осуществления устройство удаления льда включает в себя приводную систему, дополнительно приспособленную для генерирования вибраций между опорным элементом и основанием.
В другом варианте осуществления опорный элемент выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном внутренней поверхности оболочки, с ходом в диапазоне от 3 до 75 мм.
Приводная система может содержать исполнительный механизм для перемещения опорного элемента в перпендикулярном направлении, причем исполнительный механизм прикреплен к основанию и к опорному элементу.
В другом варианте осуществления основание имеет выпуклую поверхность, обращенную к внутренней поверхности оболочки, причем выпуклая поверхность имеет кривизну, большую, чем кривизна внутренней поверхности оболочки.
В еще одном варианте осуществления приводная система содержит вибратор, генерирующий колебания в диапазоне от 50 до 5000 Гц.
В другом аспекте изобретения предлагается конструкционный трос, содержащий оболочку, жилы, размещенные в оболочке, и по меньшей мере одно устройство удаления льда.
В другом аспекте предлагается способ удаления льда с оболочки конструкционного троса, содержащего жилы, размещенные в оболочке. Способ включает в себя этапы, на которых: вставляют устройство удаления льда внутрь оболочки конструкционного троса, содержащее основание и опорный элемент; прижимают опорный элемент к жилам, в то время как основание находится в контакте с внутренней поверхностью оболочки.
Прижимание опорного элемента к жилам может включать в себя перемещение опорного элемента в направлении, перпендикулярном внутренней поверхности оболочки.
Способ удаления льда может также включать в себя этап, на котором генерируют вибрации в устройстве для удаления льда в течение от 1 до 15 секунд.
Прижимание опорного элемента к жилам может включать в себя прикладывание импульса давления к жилам посредством опорного элемента.
Способ удаления льда может также включать в себя этапы, на которых перемещают устройство удаления льда вдоль оболочки и повторно прижимают опорный элемент к жилам, в то время как основание находится в контакте с внутренней поверхностью оболочки, в другом месте оболочки.
Если способ удаления льда включает в себя этапы, на которых перемещают устройство удаления льда вдоль оболочки и повторно прижимают опорный элемент к жилам, когда основание находится в контакте с внутренней поверхностью оболочки в другом месте оболочки, устройство удаления льда может перемещаться на расстояние, большее, чем длина устройства удаления льда.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества раскрытого устройства удаления льда станут очевидными из последующего описания не носящих ограничительного характера вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показан вантовый трос, схематичный вид сбоку;
на фиг. 2 – вантовый трос, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 3 – вантовый трос, показанный на фиг. 2, и пример устройства удаления льда, расположенного внутри вантового троса, когда опорный элемент находится в опорном положении, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 4 – вантовый трос и устройство удаления льда, показанные на фиг. 3, вид в продольном разрезе;
на фиг. 5 – вантовый трос, показанный на фиг. 3, когда опорный элемент находится в исходном положении, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 6 – вантовый трос с расположенным внутри него устройством удаления льда, с опорным элементом, находящимся в опорном положении, вид в перспективе;
на фиг. 7 – вантовый трос, показанный на фиг. 3, с другим примером устройства удаления льда, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 8 – вантовый трос, показанный на фиг. 7, когда опорный элемент находится в исходном положении, вид в поперечном разрезе.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 показан конструкционный трос 10, который может быть обеспечен оболочкой 20 согласно изобретению.
Трос 10, например, ванта, проходящий вдоль наклонного пути между первой и второй частями 12, 14, где он закреплен с использованием соответствующих крепежных устройств 16, 18. Вантовый трос используют для подвешивания второй части 14 (например, мостового настила) к первой части 12 (например, к пилону), или для стабилизации высокой конструкции, образующей первую часть 12, относительно земли или какой-либо нижней конструкции, образующей вторую часть 14.
Конструкционный трос 10 содержит жилы 22, расположенные параллельно друг другу (фиг. 2) и содержащихся в общей оболочке 20. Например, жилы могут быть стальными прядями, причем каждая прядь защищена веществом, например, смазкой или воском, и отдельно содержатся в соответствующей пластмассовой оболочке.
Общая оболочка 20 образует защитное покрытие для пучка жил 22. Она выполнена в виде трубы, внутри которой определена полость 24, проходящая вдоль длины троса 10, в которой расположены жилы 22. Поперечное сечение оболочки 20 обычно является круглым. Возможны и другие формы, например, многоугольная, эллиптическая и т.п. Оболочка 20 имеет внутреннюю поверхность 28, обращенную к жилам 22. Внутренняя поверхность 28 может быть круглой, как и поперечное сечение оболочки 20.
Жилы 22 расположены внутри полости 24 так, что промежуточное пространство 26 остается доступным. Промежуточное пространство 26 имеет высоту H в диапазоне от 20 до 120 мм, например от 30 до 100 мм. Промежуточное пространство 26 проходит внутри оболочки 20 и по всей длине оболочки 20. Поскольку жилы 22 обычно поддерживают оболочку 20, промежуточное пространство 26 обычно располагается внутри оболочки 20 ниже жил 22.
Трос 10 может иметь длину до нескольких сотен метров. Пучок может содержать несколько десятков жил 22.
Оболочка обычно выполнена из пластмассового материала, например, полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).
На фиг. 3 и 4 показано устройство 30 удаления льда. Устройство 30 удаления льда действует локально изнутри оболочки 20, удаляя потенциально скопившийся на ее внешней поверхности лед, изморозь, иней или снег. Соответственно, следует понимать, что устройство удаления льда не ограничивается удалением льда: понятие «удаление льда» означает удаление любого вида замерзшей воды.
Устройство 30 удаления льда расположено в промежуточном пространстве 26 между внутренней поверхностью 28 оболочки 20 и нижней стороной жил 22. Устройство удаления льда имеет длину L32, которая находится в диапазоне от 50 до 500 мм, предпочтительно в диапазоне от 50 до 300 мм. Устройство 30 удаления льда содержит основание 32, опорный элемент 34 и приводную систему 36.
Основание 32 является опорой устройства 30 удаления льда. Основание 32 предназначено для укладки на внутреннюю поверхность 28 оболочки 20. Основание 32 представляет собой, например, металлическую деталь. Обычно основание 32 имеет выпуклую поверхность 33, которая контактирует с внутренней поверхностью 28 оболочки 20. Выпуклая поверхность 33 обращена к внутренней поверхности 28 оболочки 20. Другими словами, выпуклая поверхность 33 может быть вогнутой по отношению к стороне опорного элемента 34 и в то же время выпуклой по отношению к внутренней поверхности 28 стороны оболочки 20.
Выпуклая поверхность 33 имеет кривизну, превышающую кривизну внутренней поверхности 28. Таким образом, устройство 30 удаления льда может перемещаться вдоль оболочки 20 по внутренней поверхности 33. Точнее говоря, основание 32 является криволинейным и образует выпуклую поверхность 33. Ширина основания 32 определяется криволинейной длиной основания 32. Ширина основания 32 зависит от высоты H промежуточного пространства 26, доступного под жилами 22. Криволинейная длина должна быть как можно большей, чтобы не блокировать перемещение основания 32 вдоль оболочки 20 и не допускать переворачивания основания 32.
Кроме того, основание 32 может соединяться с системой перемещения. Система перемещения может быть подъемной системой, соединенной с верхним и нижним концами основания 32, и которая может тянуть устройство 30 удаления льда по оболочке 20. Подъемная система может располагаться вблизи крепежных устройств 16, 18 троса 10. В качестве альтернативы подъемная система непосредственно интегрирована в устройство 30 удаления льда. Например, подъемная система представляет собой ролики, окружающие направляющий канат/трос, при этом направляющий канат выполняет функцию направляющей и опоры для перемещения устройства 30 удаления льда по оболочке. Ролики могут иметь привод от двигателя, встроенного в устройство удаления льда. В случае вантового моста подъемная система может включать в себя лебедки грузоподъемностью от 50 до 500 кг, которые устанавливаются в нижней части троса 10 на мосту и в головке троса на или в пилоне. Кроме того, система перемещения может содержать направляющую проволоку, имеющуюся вдоль оболочки 20 и соединенную с устройством 30 удаления льда, чтобы предотвращать переворачивание устройства 30 удаления льда в промежуточном пространстве.
Опорный элемент 34 предназначен для контакта с одной или более жилами 22. Например, опорный элемент 34 представляет собой башмак с внешней поверхностью 38. Башмак прижимается к жилам 22. Точнее говоря, его внешняя поверхность 38 контактирует с жилами 22. Внешняя поверхность 38, например, изготовлена из пластмассы. В другом примере внешняя поверхность 38 выполнена из резины или любого другого материала, который может предотвращать повреждение жил 22. Фактически, опорный элемент 34 при контакте с жилами 22 прикладывает прижимное усилие к жилам 22, так что устройство 30 удаления льда прочно опирается на пучок жил 22. Под «прижимным усилием» следует понимать прикладывание опорным элементом 34 к жилам 22 ненулевого усилия (то есть усилия, отличного от нуля). Например, усилие, прикладываемое к жилам, составляет более 10 Н и предпочтительно находится в диапазоне от 100 Н до 10 кН. Прикладываемое усилие измеряться, например, с помощью динамометра, встроенного в устройство 30 удаления льда. Когда прикладываемое усилие превышает пороговое значение, соответствующее достаточному прижимному усилию, прикладываемому к жилам 22, может привестись в действие вибратор 42 устройства 30 удаления льда.
Опорный элемент 34 может перемещаться между исходным положением (фиг. 5) и опорным положением (фиг. 3). В исходном положении опорный элемент 34 не контактирует или почти не контактирует с жилами 22. Другими словами, в исходном положении опорный элемент 34 не оказывает прижимного действия на жилы 22. В опорном положении опорный элемент 34 контактирует с жилами 22 и прикладывает к ним прижимное усилие. Перемещение опорного элемента 34 между исходным положением и опорным положением происходит в направлении Y, причем направление Y перпендикулярно внутренней поверхности 28 оболочки. Перемещение опорного элемента 34 является радиальным (и поперечным) по отношению к продольному направлению жил 22 и оболочки 20. Более точно, что касается устройства 30 удаления льда, то опорный элемент 34 может перемещаться относительно основания 32 перпендикулярно выпуклой поверхности 33. Таким образом, опорный элемент 34 может перемещаться в сторону основания 32. Таким образом, происходит относительное перемещение между опорным элементом 34 и основанием 32. Перемещение опорного элемента 34 осуществляется приводной системой 36, как это подробно описывается далее.
Приводная система 36 выполнена с возможностью прижимать опорный элемент 34 к жилам 22, в то время как основание 32 находится в контакте с внутренней поверхностью 28 оболочки 20. В одном из вариантов осуществления приводная система дополнительно сконфигурирована для генерирования вибрации между опорным элементом 34 и основанием 32. Для этого приводная система 36 содержит исполнительный механизм 40 для перемещения опорного элемента 34. Исполнительный механизм 40 может быть, например, цилиндром. Цилиндр предпочтительно является электрическим, гидравлическим или пневматическим. Исполнительный механизм 40 также может быть ножничным или пантографическим механизмом, эллиптическим кулачком, вращаемым низкоскоростным двигателем, или любой другой механической системой, вызывающей перемещение.
Ход U исполнительного механизма 40 находится в диапазоне от 3 до 75 мм, предпочтительно в диапазоне от 5 до 30 мм.
Приводная система 36 может получать питание от удаленного источника питания, находящегося на конце троса 10. В этой конфигурации силовой трос может наматываться вместе с подъемной системой в случае, если подъемная система имеется. Согласно другому варианту осуществления приводная система 36 может питаться от батареи, встроенной в устройство 30 удаления льда. В этом случае основание 32 может содержать встроенную схему управления и питания. В качестве альтернативы, устройством 30 удаления льда можно управлять с помощью пульта дистанционного управления, например, с пульта управления, расположенного рядом со строением.
Исполнительный механизм 40 жестко прикреплен к опорному элементу 34 и к основанию 32. Исполнительный механизм 40 позволяет прижимать опорный элемент 34 к жилам 22. Поскольку основание 32 находится в контакте с оболочкой 20, давление, прикладываемое к жилам 22, приводит к локальной деформации оболочки 20. Точнее говоря, исполнительный механизм 40 прикладывает радиальное усилие к жилам 22, предпочтительно вертикальное, вплоть до небольшой деформации оболочки 20, которая, в свою очередь, может вызывать временное и обратимое изменение круглого сечения S1 оболочки 20 на, по существу, эллиптическое или овальное сечение S2, показанное на фиг. 6. Учитывая разницу в жесткости льда и оболочки 20, на поверхности контакта троса со льдом может образовываться тонкий слой воздуха, в результате чего лед отлипает от троса. Соответственно, такая деформация может быть первым этапом локального отслоения льда от оболочки.
Кроме того, исполнительный механизм 40, в случае, когда приводная система 36 дополнительно содержит вибратор 42 (подробно описываемый далее), ограничивает движения основания 32 перед приведением в действие вибратора 42, чтобы предотвращать повреждение жил 22 под действием этого движения основания 32 вследствие вибрации. Прижимание основания 32 и опорного элемента 34 может быть оптимальным, например, благодаря динамометру, как подробно описано выше. В положении прижима устройство 30 удаления льда и кожух 20 жестко соприкасаются друг с другом. Другими словами, жесткость регулируется усилием, прикладываемым к жилам 22. Таким образом, вибратор 42 жестко соединен с оболочкой 20, обеспечивая оптимальную передачу вибраций снегу, инею или льду, которые покрывают трос, через основание 32 и оболочку 20, с малым рассеиванием энергии.
Приводная система 36 может также содержать вибратор 42. Вибратор 42 генерирует колебания, например, в диапазоне от 50 до 5000 Гц, предпочтительно в диапазоне от 100 до 1000 Гц. Вибратор 42 представляет собой, например, электромагнитный динамик мощностью предпочтительно от 50 до 500 Вт. Вибратор 42 также может быть пьезоэлектрическим элементом. В другом примере вибратор 42 представляет собой эксцентрик или кулачок, вращающийся с частотой в диапазоне от 5000 до 35000 об/мин, предпочтительно от 10000 до 30000 об/мин (т.е. от 166 Гц до 500 Гц).
Кроме того, узлы вибратора 42 и исполнительного механизма 40 с основанием 32 имеют значительную жесткость, чтобы минимизировать рассеяние энергии во время работы вибратора.
Устройство удаления льда не ограничивается описанными выше особенностями. Действительно, устройство удаления льда может иметь другие особенности, взятые отдельно или в комбинации:
– основание 32 может содержать множество опорных точек по своей длине L32, т.е. основание 32 контактирует с внутренней поверхностью 28 оболочки 20 этими опорными точками;
– устройство 30 удаления льда может содержать множество оснований 32 и опорный элемент 34;
– устройство 30 удаления льда может содержать множество опорных элементов 34 и основание 32;
– устройство удаления льда может содержать множество приводных систем 36.
Кроме того, устройство удаления льда может соединяться с другими устройствами удаления льда, выровненными в одну линию в продольном направлении оболочки 20, то есть выровненными друг за другом в продольном направлении оболочки 20. В другом примере устройства удаления льда могут располагаться в промежуточном пространстве 26, но каждое устройство удаления льда имеет отличающееся радиальное положение.
На фиг. 7 и 8 показан другой пример устройства 30 удаления льда. В этом примере опорный элемент 34 отличается от опорного элемента ранее описанного устройства 30 удаления льда. Действительно, в этой конфигурации основание 32 и опорный элемент 34 идентичны: таким образом, как основание 32, так и опорный элемент 34 имеют криволинейную форму, которая позволяет размещать основание 32 и опорный элемент 34 индифферентно относительно внутренней поверхности 28 или жил 22. Опорный элемент 34 и основание 32 предпочтительно выполняются из одного и того же материала, такого как пластмасса, например полиамид. Соответственно, устройство 30 удаления льда может размещаться внутри промежуточного пространства 26 без необходимости совмещения основания 32 с внутренней поверхностью 28, а опорного элемента 34 – с жилами 22. В этой конфигурации опорный элемент 34 и основание 32 могут быть определены как таковые только относительно положения устройства 30 удаления льда в промежуточном пространстве 26.
В последующем описании описывается способ удаления льда с оболочки 20. В способе используется описанное выше устройство 30 удаления льда. В одном из вариантов осуществления способ включает в себя следующие этапы, на которых:
– вставляют устройство 30 удаления льда в оболочку 20 конструкционного троса 10;
– перемещают устройство 30 удаления льда в первое требуемое положение вдоль троса 10 и оболочки 20;
– прижимают опорный элемент 34 к жилам 22, в то время как основание 32 находится в контакте с внутренней поверхностью 28 оболочки 20. Этап прижимания может выполняться путем перемещения опорного элемента 34 в направлении Y, например, путем прикладывания давления к опорному элементу 34;
– в качестве альтернативы в устройстве 30 удаления льда генерируют вибрации в течение от 1 до 15 секунд;
– снимают давление, приложенное к жилам 22;
– перемещают устройство 30 удаления льда вдоль оболочки 20, например, на расстояние, превышающее длину L32 устройства 30 удаления льда; и
– повторно прижимают опорный элемент 34 к жилам 22 в другом месте оболочки 20.
В качестве альтернативы, когда опорный элемент 34 прижат к жилам 22, способ включает в себя этап, на котором прикладывают импульс давления посредством опорного элемента 34. Импульс давления прикладывают в виде возможно быстрого изменения усилия давления для передачи давления льду или снегу, покрывающему оболочку троса, что полезно, например, на первом этапе локального отделения льда. Импульс давления на самом деле представляет собой изменение усилия давления на жилы 22. Таким образом, прижимное усилие всегда выше порогового значения, соответствующего достаточному прижимному усилию, постоянно прикладываемому к жилам 22 приводной системой 36 посредством опорного элемента 34. Например, минимальное значение прижимного усилия выше 10 Н, а его максимальное значение остается в диапазоне от 100 Н до 10 кН. Кроме того, к тросу может прикладываться один или более импульсов давления, когда опорный элемент 34 прижат к жилам 22.
Например, способ состоит в том, что сначала устанавливают устройство 30 удаления льда в одном из положений вдоль оболочки 20. Точнее говоря, устройство удаления льда размещают в промежуточном пространстве 26 оболочки 20, например, не касаясь жил 22, при этом основание 32 устройства 30 удаления льда лежит на внутренней поверхности 28 оболочки 20. В неактивном состоянии устройства 30 опорный элемент 34 находится в исходном положении. Когда требуется противообледенительная обработка (или удаление снега, изморози или инея), устройство 30 удаления льда приводят в действие. До этого, если устройство удаления льда находится в неподходящем для противообледенительной обработки месте, устройство 30 удаления льда перемещают вдоль внутренней поверхности 28 оболочки 20. При приведении в действие исполнительного механизма 40, он перемещает опорный элемент 32 в перпендикулярном направлении Y от основания 32 к жилам 22. Таким образом, опорный элемент 34 прижимается к жилам 22, в то время как основание 32 контактирует с внутренней поверхностью 28 оболочки 20. Соответственно, опорный элемент 32 находится в опорном положении. Исполнительный механизм 40 таким образом прижимает опорный элемент 34 к жилам 22, так что устройство 30 удаления льда плотно прижимается к оболочке 20 и жилам 22.
После того, как устройство 30 удаления льда будет помещено между жилами 22 и внутренней поверхностью 28 оболочки 20 (и, следовательно, когда опорный элемент 34 прижимает жилы 22), вибратор 42 может быть приведен в действие на несколько секунд, например от 1 до 15 секунд, предпочтительно от 1 до 10 секунд. Приведение в действие вибратора 42 исполнительного механизма приводит к фрагментации льда на длине от 20-200 см оболочки 20 до нескольких метров, например, до 5 метров.
Чтобы охватить всю длину оболочки 20, устройство 30 удаления льда может перемещаться шаг за шагом вдоль оболочки 20 с помощью системы перемещения, предпочтительно автоматизированной и управляемой дистанционно. Перед перемещением устройства 30 удаления льда вдоль оболочки 20 исполнительный механизм 40 прекращает прикладывать давление к жилам 22 посредством опорного элемента 34, перемещая опорный элемент 34 в перпендикулярном направлении Y от жил 22 к основанию 32. Поэтому опорный элемент 34 снова находится в исходном положении. Затем устройство 30 удаления льда перемещается в другое место вдоль оболочки 20, где требуется противообледенительная обработка.
Следует иметь в виду, что описанные выше варианты осуществления являются всего лишь пояснением раскрытого изобретения, и что могут быть выполнены различные модификации без отклонения от объема изобретения, определенного формулой изобретения.