рабочей площадкой

Область техники

Изобретение относится к высотным сооружениям для размещения технических средств, требующих для своей нормальной работы установки с определенной направленностью, а именно для: антенн, с узкой диаграммой направленности; устройств воздушной оптической связи; оптическим прибо- рам наблюдения типа камер видимого и инфракрасного диапазонов, исполь- зуемых для охраны различных объектов и государственной границы в том числе.

Предшествующий уровень техники

Известно, что удержание направления для любого изделия, располо- женного на высотном сооружении (далее будем называть его «мачтой») яв- ляется сложной задачей в условиях реальной ветровой нагрузки. В частно- ста, при размещении на мачтах приборов технического зрения (видеокамер или тепловизионных камер) в ветреную погоду оператору невозможно вести наблюдение из-за постоянного движения картинки на экране, вызванного ка- чанием мачты. Причина качания есть не что иное, как деформация (изгиб) мачты под действием ветровой нагрузки. Мачта под напором ветра изгибает- ся и ее верхняя площадка, на которой установлено изделие, смещается по ко- ординатам, а главное по углу места. Вместе с верхней площадкой мачты смещается изделие и изменяется его направленность.

Так, например, для мачты-фермы с поперечным сечением 0.8x0.8 м, изготовленной из стального уголка 50x50 мм, и высотой Ю м е растяжками, смещение верхней площадки при ветре 25м/с составляет около ±0,1м. При этом площадка наклоняется на угол порядка ±1 градус. Современные опти- ческие приборы, позволяющие вести наблюдение на дистанции до 10 км, имеют угол зрения менее одного градуса. Соответственно при наклоне мач- ты под действием ветра на 1 градус удаленный объект просто выйдет из поля зрения оператора. При этом скорость движения картинки на экране будет на- столько большой, что оператор не сможет на ней ничего толком разглядеть. Есть две простых возможности улучшить ситуацию: во-первых, мож- но усилить мачту, увеличив ее сечение до нескольких метров (уменьшить отношение поперечного размера к высоте); во-вторых, можно установить на верхней площадке мачты гиростабилизированную платформу для размеще- ния изделия. Однако в первом случае мачта станет многократно более тяже- лой и ее доставка в труднодоступные районы станет проблематичной. Во втором случае гиростабилизированная платформа существенно увеличит стоимость изделия и, кроме того, потребует дополнительное энергоснабже- ние, что опять-таки проблематично в условиях малонаселенной местности. Кроме того, гиростабилизированная платформа потребует периодических регламентных работ и технического обслуживания. Таким образом, появле- ние дешевой, легкой, мало обслуживаемой при эксплуатации конструкции мачты, верхняя площадка которой не наклоняется под ветровой нагрузкой, существенно улучшает ситуацию в данном вопросе.

Поэтому мачта, которую предполагается использовать для дистанци- онного контроля, должна соответствовать ряду следующих жестких требо- ваний.

Во-первых, мачта должна надежно функционировать круглосуточно и круглогодично в любых погодных условиях, в том числе при сильных ветро- вых знакопеременных нагрузках.

Во-вторых, мачта должна обеспечивать достаточную для установки приборов вертикальную нагрузку и не требовать технического обслуживания в режиме длительных сроков эксплуатации (срок службы мачты не менее 10 лет). Это связано с необходимостью ее установки в труднодоступных рай- онах, куда имеется возможность попасть не чаще чем раз в год в силу при- родных условий и плохих дорог.

В-третьих, мачта не должна существенно отличаться по массогабарит- ным характеристикам от традиционных мачт, используемых в настоящее время. В противном случае, применимость такой мачты окажется весьма ог- раниченной из-за ее массогабаритных показателей и, соответственно, слож- ностей, возникающих при доставке и монтаже на месте эксплуатации. В-четвертых, мачта должна иметь простую конструкцию, предусматривающую ее непосредственную сборку на месте установки, что существенно упрощает ее использование в труднодоступных районах.

В-пятых, мачта не должна требовать для своего функционирования дополнительного энергообеспечения, что особенно важно в условиях удаленных, малонаселенных районов.

Известна конструкция высотной мачты, на которой могут быть раз- мещены изделия, требующие для своей нормальной работы установки с оп- ределенной угловой направленностью (см. авторское свидетельство СССР Ν°403835, КЛ. Е04Н 12/34, 1973 г.). Уменьшение отклонения вершины из- вестной мачты основано на установке подкосов, жестко прикрепленных к неразрезному кольцу, размещенному вокруг нижней части мачты, а в верх- ней части подкосы соединены вместе еще одним кольцом меньшего диамет- ра и имеющим в зазоре между мачтой и этим кольцом распорки в виде серь- ги, шарнирно прикрепленные и к мачте и к кольцу. Верхнее кольцо распола- гается на некоторой высоте от земли. Этим достигается более жесткая фик- сация мачты, по сравнению с фиксацией растяжками, в месте расположения кольца.

Основным недостатком известного устройства является то, что фик- сация мачты происходит на каком-то одном уровне, тогда, как ее части, на- ходящаяся выше и ниже этого второго кольца продолжает испытывать вет- ровые нагрузки и изгибается. Разница заключается лишь в том, что изгиба- ются более короткие отрезки мачты. То есть, задача стабилизации по на- правлению верхней площадки мачты, решена лишь частично. Наклон верх- ней площадки мачты, при воздействии ветровой нагрузки, лишь слегка уменьшится.

Еще одним серьезным недостатком известного устройства является то, что оно существенно более материалоемко по сравнению с традиционной мачтой. Подкосы и нижнее неразрезное кольцо должны представлять собой достаточно мощные конструкции, способные выдерживать не только собст- венный вес, но и ветровые нагрузки. Соответственно, такой способ решения проблемы ведет к сильному увеличению массогабаритных характеристик мачты.

Кроме того установка такой мачты с подкосами существенно более трудоемка и требует более высокой точности при производстве работ в по- левых условиях. Неразрезное кольцо должно быть установлено на фунда- менте, на него должны быть установлены подкосы с верхним кольцом, а са- му мачту необходимо разместить строго вертикально в середине кольца.

Наиболее близким к заявляемому решению является выбранное в ка- честве прототипа техническое решение, предназначенное для размещения антенного оборудования радио и радиорелейных каналов связи (см. автор- ское свидетельство СССР JN<>459824, КЛ. H01Q 1/12, 1975г.). Устройство должно обеспечивать стабильную направленность антенн с узкой диаграм- мой. Известное устройство состоит из трех мачт традиционной конструкции (мачты-фермы), имеющих общее основание и антенную платформу, шар- нирно закрепленную на вершинах всех трех мачт. К вершинам каждой мачты прикреплены боковые растяжки. Для большей стабильности, мачты соеди- нены на нескольких уровнях жесткими горизонтальными шарнирно закреп- ленными распорками.

Основным недостатком известного устройства является то, что оно не способно обеспечить высокую угловую стабильность положения верхней площадки. Связано это с тем, что антенная платформа шарнирно прикреп- лена к вершинам мачт, а горизонтальные распорки к боковым поверхностям мачт. Соответственно платформа, мачты и распорка в проекции образуют трапецию, в вершинах которой расположены шарниры. Из курса геометрии известно, что трапеция фигура жесткая и при нагрузках она деформируется, как сплошное тело. То есть, известная конструкция будет изгибаться как единое целое, так же, как обычная мачта-ферма, но большего размера.

Другим недостатком известного устройства является то, что растяжки при-креплены к каждой мачте отдельно. Вся устойчивость известного уст- ройства основана на его симметричности. То есть, все три мачты строго оди- T RU2017/000446

5 наковы, размещены строго симметрично на местности, при этом все растяж- ки и поперечные распорки одной длины и тоже размещены симметрично. Однако силы со стороны растяжек могут быть неодинаковыми при ветровой нагрузке за счет того, что они были натянуты неравномерно при установке устройства на местности, или изменили свое состояние от времени, или от погодных условий (например, обледенение, неравномерный нагрев за счет солнца, ветер). В этом случае, горизонтальные проекции сил, действующих на мачты, частично будут выровнены за счет верхней площадки, но верти- кальные составляющие сил со стороны растяжек будут для каждой мачты разными. Они, в частности, будут зависеть от ветровой нагрузки. Такая не- одинаковость приведет к тому, что при ветре площадка будет наклоняться (изменять угол места) или поворачиваться по азимуту.

Кроме того, известное устройство имеет сложную конструкцию и, со- ответственно, имеет место ее сложный монтаж. Фактически нужно устано- вить не одну, а три мачты, жестко соединить их на нескольких уровнях гори- зонтальными распорками, а затем натянуть растяжки. Таким образом, к мес- ту установки потребуется доставлять как минимум в три раза больше метал- локонструкций или металлопроката (если предполагается сборка конструк- ции непосредственно на месте установки).

Технический результат заявляемого изобретения заключается в суще- ственном повышении угловой стабильности положения верхней площадки мачты при любых допустимых в данной местности ветровых нагрузках и прочих негативных природных факторах (обледенение, неравномерный сол- нечный нагрев и т.п.) при одновременном существенном уменьшении метал- лоемкости конструкции и упрощении ее сборки на месте установки.

Раскрытие изобретения

Указанный технический результат в мачте со стабилизированной по направлению верхней рабочей площадкой, включающей верхнюю рабочую площадку, вертикальные стойки, горизонтальные распорки, шарнирно свя- занные с вертикальными стойками, и боковые растяжки, соединенные с ос- нованием, достигается тем, что мачта состоит из двух пар вертикальных стоек, при этом обе стойки каждой пары шарнирно соединены одинаковы- ми горизонтальными распорками, а пары вертикальных стоек, в свою оче- редь, соединены между собой либо шарнирно закрепленными парами оди- наковых дополнительных горизонтальных распорок, либо площадками, шарнирно закрепленными на горизонтальных распорках пар вертикальных стоек.

Указанное выполнение пар вертикальных стоек шарнирно скреплен- ньгх распорками приводит к тому, что каждая пара стоек с распорками между ними образует прямоугольную клеть с возможностью ее наклона в плоскости клети в любую сторону до образования параллелограмма (прямоугольник не является жесткой фигурой в отличие от трапеции.) При наклонах все попе- речные распорки остаются параллельными друг другу и основанию мачты.

Аналогичным образом, шарнирно скрепляя пары вертикальных стоек между собой горизонтальными площадками или распорками, мы получаем в проекции такую же прямоугольную клеть с возможностью ее наклона в лю- бую сторону до образования параллелограмма. И так же, как и в случае пар вертикальных стоек, при наклонах все поперечные распорки и площадки ос- таются параллельными друг другу и основанию мачты.

Таким образом, за счет возможности наклонять мачту в двух направ- лениях, сохраняя при этом параллельность всех площадок и горизонталь- ных распорок друг другу и основанию мачты, удается стабилизировать по направлению и верхнюю рабочую площадку, на которой закреплено обору- дование, требующее жесткой стабилизации по углу. В отличие от мачт-ферм, которые могут удерживаться в вертикальном положении только за счет соб- ственной жесткости и фундамента, эта мачта удерживается от падения в ос- новном боковыми растяжками, которые принимают на себя большую часть ветровой нагрузки.

Таким образом, высокая стабильность положения верхней площадки мачты достигается за счет того, что вся ее конструкция состоит из прямо- угольников, которые, как известно, не являются жесткой фигурой и при на- личии шарниров в вершинах свободно деформируются в параллелограммы, U2017/000446

7 оставляя при этом противолежащие стороны параллельными друг другу. Та- кая мачта, под нагрузкой, ведет себя не как сплошное тело!

Для беспрепятственного перехода боковых прямоугольных структур мачты в параллелограммы, в качестве шарнирных соединений могут быть использованы как поворотные шарниры, так и упругие шарниры.

Преимущество поворотных шарниров заключается в том, что мачту при перевозке на место установки можно складывать в более компактную плоскую конструкцию. При этом вся конструкция может быть изготовлена в заводских условиях и на месте сборки необходимо провести только допол- нительный монтаж (установить горизонтальные распорки или площадки) между парами вертикальных стоек.

Преимущество упругих шарниров заключается в том, что такой шар- нир представляет из себя единую деталь, в связи с чем, в нем полностью отсутствует люфт. Поворот в таком шарнире осуществляется за счет упру- гой деформации материала шарнира. Угол поворота такого шарнира не- большой, но достаточный для надежного функционирования мачты, при этом он не имеет отдельных частей, а значит и возможных зазоров.

Вертикальные стойки мачты могут изготавливаться практически из любого вида проката, что делает мачту технологически простой и экономи- чески выгодной. Наиболее целесообразно изготавливать стойки из металли- ческой трубы круглого или прямоугольного сечения, из швеллера или из двутавра. Указанные виды проката не нуждаются в дополнительной меха- нической обработке и имеют высокие характеристики по скручиванию. Из- вестно, что максимальную жесткость на кручение, при одной и той же массе погонного метра, имеет тонкостенная круглая труба.

Для повышения жесткости стойки мачты на кручение при сохранении минимальных массогабаритных характеристик, вертикальные стойки мачты могут быть выполнены из металлических сварных ферм.

Для достижения требуемой высоты мачты, что связано с рельефом окружающей местности, мачта может быть выполнена из нескольких по- следовательно установленных друг на друга однотипных вертикальных секций, каждая вертикальная стойка которой снабжена соединительным элементом. Поэтому нет особо смысла в разработке ряда индивидуальных конструкций мачты различной высоты. Можно просто наращивать требуе- мую высоту за счет дополнительных однотипных секций. К тому же, ука- занные невысокие секции проще транспортировать к месту установки.

Если массогабаритные характеристики не являются критичными, а требуется обеспечить максимальную жесткость конструкции в заданных га- баритах, стойки мачты могут быть выполнены из железобетона. Изготавли- вать указанные стойки можно непосредственно на месте установки мачты, доставив на место только опалубку, арматуру и цемент. Заливку бетона можно проводить в съемную или несъемную опалубку, например, в сталь- ную трубу. В случае применения съемной опалубки, в местах установки го- ризонтальных распорок выполняются металлические закладные пластины. В случае применения несъемной опалубки в виде стальной трубы, монтаж горизонтальных распорок можно проводить непосредственно к стальной трубе.

Для повышения вертикальной устойчивости заявляемой мачты, бо- ковые растяжки установлены на нескольких уровнях высоты мачты.

Таким образом, заявляемое техническое решение, благодаря наличию двух пар вертикальных стоек, образующих прямоугольные клети и допус- кающие их трансформацию под действием ветровых нагрузок в параллело- граммы, позволяет стабилизировать по направлению верхнюю площадку, на которой закреплено оборудование с жесткой стабилизацией по углу, что не имеет аналогов среди известных устройств, созданных для противодействия ветровой нагрузке на мачту, а, значит, соответствует критерию «изобрета- тельский уровень».

Краткое описание чертежей

На фиг.1-14 представлены различные варианты выполнения заявляе- мой мачты или ее основных конструктивных элементов.

На фиг.1 представлен вариант выполнения заявляемой мачты, стойки которой выполнены из трубы прямоугольного сечения с верхней рабочей площадкой, горизонтальными распорками и боковыми растяжками, где: стойки 1а и 16 составляют первую пару вертикальных стоек соединенных горизонтальными распорками 2а; стойки 1в и 1г с распорками 26 образуют вторую пару; обе пары вертикальных стоек, в свою очередь, соединены ме- жду собой либо парами одинаковых дополнительных горизонтальных рас- порок За и 36, либо площадкой 4 (одной или несколькими); все соединения распорок 2а, 26 и За, 36 между собой выполнены при помощи упругих шарниров 5а и 56, а с вертикальными стойками - при помощи упругих шар- ниров 6а и 66; площадка 4 тоже присоединена при помощи упругих шарни- ров 7а и 76; к центральной перекладине верхней площадки 4 крепятся боко- вые растяжки 8а - 8г.

На фиг.2 представлен вариант выполнения заявляемой мачты, стойки которой выполнены из трубы прямоугольного сечения, состоящей из двух пар вертикальных стоек 9а, 96 и 9в, 9г, соединенных горизонтальными рас- порками 10а - Юг при помощи упругих шарниров 11.

На фиг.З представлен рисунок (фрагмент фиг.2), поясняющий соеди- нение вертикальной стойки с горизонтальной распоркой при помощи упру- гого шарнира, где: 9а - вертикальная стойка; 10а - горизонтальная распорка с упругим шарниром 11 (ослабленный конец распорки 10а), соединенным сварными швами 12 и 13 со стойкой 9а.

На фиг.4 представлен рисунок поясняющий соединение вертикаль- ной прямоугольной стойки с горизонтальной распоркой при помощи пово- ротного шарнира, где: 14 - вертикальная стойка; 15 - горизонтальная рас- порка, соединенная с вертикальной стойкой 14 при помощи поворотного шарнира 16, образованного проушинами 17а и 176 и осью 18, проходящей через стойку 14.

На фиг.5 представлен рисунок поясняющий соединение двух верти- кальных прямоугольных стоек с горизонтальной распоркой и площадкой, где: 19а и 196 - вертикальные стойки, соединенные с горизонтальной рас- поркой 20 при помощи поворотных шарниров 21а и 216; 22 - площадка, со- единенная с горизонтальной распоркой 20 при помощи поворотных шарни- ров 23а и 236.

На фиг.6 представлен рисунок поясняющий соединение вертикаль- ной стойки в форме швеллера 24 с горизонтальной распоркой 25 и площад- кой 26 при помощи поворотного шарнира 27 с осью вращения 28, проходя- щей через стойку 24 и поворотного шарнира 29 вокруг распорки 25.

На фиг.7 представлен рисунок поясняющий соединение вертикаль- ной стойки в форме двутавра 30 с горизонтальной распоркой 31 и площад- кой 32 при помощи поворотного шарнира 33 с осью вращения 34, проходя- щей через стойку 30 и поворотного шарнира 35 вокруг распорки 31.

На фиг.8 представлен рисунок поясняющий соединение вертикаль- ной стойки в форме трубы круглого сечения 36 с горизонтальной распоркой 37 и площадкой 38 при помощи поворотного шарнира 39 с осью вращения 40, проходящей через стойку 36 и поворотного шарнира 41 вокруг распорки 37.

На фиг.9 представлен рисунок, поясняющий соединение вертикаль- ной стойки в форме трубы 42 круглого сечения через промежуточную пла- стину 43 с горизонтальной распоркой 44 при помощи упругого шарнира 45 и сварных швов 46а и 466.

На фиг.10 представлен рисунок, поясняющий крепление боковых растяжек 8а - 8г (см. фиг.1, вид снизу) к верхней Н - образной площадке 4 при помощи крепежных элементов 47а-47г, с закрепленными на них верх- ними концами боковых растяжек 8а - 8г.

На фиг.1 1 представлен рисунок, поясняющий стыковочное соедине- ние двух вертикальных стоек мачты, что необходимо для увеличения ее вы- соты за счет последовательного соединения нескольких секций, где: 48а и 486 - две установленные друг на друга вертикальные стойки в форме дву- тавра, на торцах которых при помощи сварных швов 49а и 496 закреплены монтажные пластины 50а и 506, соединяемые друг с другом четырьмя со- единительными болтами (на рисунке болты не показаны) через монтажные отверстия 51. На фиг.12 представлен рисунок (плоская проекция фрагмента мачты), поясняющий конструкцию мачты, стойки которой выполнены из металли- ческих сварных ферм, где: 52а и 526 - сварные фермы, соединенные между собой горизонтальными распорками 53 с поворотными шарнирами 54а и 546.

На фиг.13 представлен рисунок, поясняющий соединение вертикаль- ной круглой железобетонной стойки с горизонтальной распоркой с упругим шарниром, где: 55 - вертикальная железобетонная стойка с металлической несъемной опалубкой (трубой) 56, внутри которой расположен металличе- ский каркас из прутков арматурной стали 57, залитый бетоном 58; снаружи к трубе 56 приварена металлическая пластина 59, к которой сварными шва- ми 60а и 606 крепится своим упругим шарниром 61 горизонтальная распор- ка 62.

На фиг.14 представлен вариант выполнения заявляемой мачты боль- шой высоты, когда для повышения вертикальной устойчивости мачты бо- ковые растяжки устанавливают на нескольких уровнях высоты, где: 63а - 63г вертикальные стойки; 64 - верхняя рабочая площадка, на которой за- креплены боковые растяжки 65а - 65г; 66 - промежуточная площадка, на которой закреплены боковые растяжки 67а - 67г.

Лучший вариант осуществления изобретения

Перед началом рассмотрения работы заявляемой мачты, отметим некоторые особенности ее монтажа и транспортировки. Как уже говори- лось выше, секции мачты с поворотными шарнирами 16 (см. фиг.4), по- сле сборки на заводе могут складываться в более компактное состояние, упаковываться и отправляться на место установки. Секции с упругими шарнирами 1 1 (см. фиг.З), наоборот, при транспортировке не допускают чрезмерных усилий.

После доставки на место установки, секции мачты соединяются при помощи стыковочных узлов, например таких, как 50а и 506 (см.

фиг.1 1). После этого мачту устанавливают на основание любым извест- ным способом, например, при помощи лебедки: http://forca.m/knigi/oborudovanie/mehanizmv-i-prisposobleniy a-dlya- vozdushnvh-liniv-35-kv-i-vvshe-10.html

Установленное изделие закрепляют боковыми растяжками 8а-8г (см. фиг.1) в вертикальном положении. При большой высоте изделия бо- ковые растяжки 65а - 65г и 67а - 67г устанавливают на нескольких уровнях - площадках 64 и 66 (см. фиг.14). На верхней рабочей площадке 4 (или 64) размещают оборудование и ориентируют его в нужном на- правлении. Для определенности будем считать, что на мачте установле- на видеокамера с углом зрения по вертикали 1 градус.

Рассмотрим поведение заявляемой мачты в ветреную погоду. На мачту действует усилие ветровой нагрузки. Из-за чего, деформируются растяжки мачты и верхняя рабочая площадка смещается. Однако, за счет того, что вся мачта собрана их прямоугольных форм, в вершинах кото- рых стоят шарниры, смещение площадки приведет к превращению пря- моугольной клети, например, образованной стойками 1а, 16 и попереч- ными горизонтальными распорками 2а (см. фиг.1), в параллелограммы. При этом противолежащие стороны всех параллелограммов останутся параллельными друг другу, то есть просто сохранят свое первоначаль- ное направление, которое они получили в момент установки мачты.

Таким образом, расположенная на площадке 4 видеокамера строго сохранит направление своего видения. И это, при том, что сама верхняя площадка вместе с видеокамерой сместится на заметное расстояние. С учетом того, что обычно поле зрения камеры (размер территории, кото- рая входит в кадр на дальности 10 км) составляет порядка 100 метров, то смещение камеры относительно его в сторону даже на метр не затруднит работу оператора. Поле зрения сдвинется ровно на столько, на сколько сдвинулась сама видеокамера (площадка 4), то есть на 1м.

Техническая применимость

Для экспериментальной проверки заявляемой мачты на 3-D прин- тере были изготовлены два макета мачт одинакового поперечного сече- ния (6x6см) и высоты (90см) из пластмассы. Первая из них была мачта- ферма традиционной конструкции с жесткими связями между элемента- ми мачты и треугольными формами между стойками и распорками, го- ризонтальными и диагональными, а вторая - заявляемой конструкции. Сверху на них устанавливалась видеокамера. Имитацию ветровой на- грузки осуществляли при помощи веревки, воздействуя на вершины мачт. В обоих случаях силовое воздействие на мачты было подобрано так, что их верхние площадки смещалась одинаково. Мачта-ферма тра- диционной конструкции под действием веревки изгибалась как «сплош- ное тело» и первоначальное изображение полностью уходило из поля зрения камеры. Заявляемая мачта под нагрузкой сохраняла заданную на- правленность, что позволяло сохранять на экране монитора первона- чальное изображение в течение всего эксперимента. Присутствовавшее в ходе эксперимента легкое дрожание изображения (не более 1%), объяс- нялось несоразмерностью массогабаритных показателей установленной видеокамеры и мачты.

Таким образом, заявляемая мачта полностью подтвердила свои возможности по стабилизации строго заданного направления и, имея массогабаритные показатели близкие к традиционной конструкции мач- ты-фермы, позволила существенно расширить ее функциональные воз- можности, не прибегая к дорогостоящим и металлоемким конструкциям.