Устройство сейсмической и вибрационной защиты

 

Сущность изобретения: устройство содержит стаканы с обращенными друг к другу плоскими или вогнутыми опорными поверхностями и элемент подвижной связи (ЭПС). ЭПС размещен между стаканами и выполнен в виде тела постоянной ширины или в виде цилиндра с нормальным сечением в виде фигуры постоянной ширины. Центр масс ЭПС изменяет свое высотное положение при перекатывании. В нейтральном положении ЭПС его центр масс расположен на минимальной высоте. 2 ил.

Изобретение относится к строительству и машиностроению, а именно к фундаментам зданий, сооружений, возводимых в сейсмически опасных районах, может быть использовано для фундаментов под виброактивное оборудование, для виброзащиты элементов и узлов агрегатов, машин и механизмов, в частности транспортных средств.

Известен свайный фундамент для сейсмостойкого здания, сооружения, включающий имеющие стаканы сваи и оголовки, между которыми установлены размещенные в стаканах промежуточные элементы со сферическими опорными поверхностями, причем стаканы каждой сваи и каждого оголовка имеют форму шарового сегмента, а промежуточный элемент выполнен в виде шара или эллипсоида вращения, причем радиус шарового сегмента превышает радиус шара или максимальный радиус эллипсоида вращения [1]. Недостатком известного устройства является то, что при малом радиусе поверхностей шаровых сегментов восстанавливающая сила слишком быстро нарастает, что приводит к эффекту, незначительно отличающемуся от жесткого фундамента.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, в котором указанный недостаток устраняется тем, что фундамент сейсмостойкого здания, сооружения, содержащий расположенные друг над другом стаканы с вогнутыми опорными поверхностями, образованными поверхностями тела вращения, и установленный между опорными поверхностями стаканов элемент подвижной связи, выполнен с опорными поверхностями стаканов, образованными вращением кривых клотоид, переходящих к середине стаканов в прямую линию, а к краям - в окружность [2]. Недостатком известного устройства является то, что при перемещении элемента подвижной связи между плоскими поверхностями, образованными отрезками прямой линии, не возникает возвращающей силы, и здание, сооружение (а также машина - в случае защиты фундамента от вибраций машины) могут остановиться в положении, отличном от проектного. При перемещении же элемента подвижной связи между вогнутыми, обращенными друг к другу поверхностями, величина возвращающей силы может оказаться недостаточной.

Общим недостатком приведенных технических решений является то, что в силу неравенства типа изометрического система виброзащиты является наиболее материалоемкой: в случае выполнения подвижного элемента в виде шара объем и масса элемента максимальны для тел с данным диаметром (Хадвигер Г. Лекции об объеме, площади поверхности и изопериметрии. - М.: Наука, 1966, с. 240) в случае выполнения подвижного элемента в виде кругового цилиндра объем и масса элемента максимальны для цилиндрических тел с данным диаметром нормального сечения (Бляшке В. Круг и шар. - М.: Наука, 1967, с. 147).

Цель изобретения - повышение эффективности гашения колебаний и снижение материалоемкости устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве сейсмической и вибрационной защиты, включающем расположенные друг над другом стаканы с обращенными друг к другу опорными поверхностями и установленный между опорными поверхностями перекатывающийся элемент подвижной связи в виде тела, имеющего сечение в направлении перекатывания в виде фигуры постоянной ширины, элемент подвижной связи выполнен по форме, при которой обеспечивается изменение высотного положения его центра масс при перекатывании, причем в нейтральном положении элемента его центр масс размещен на минимальной высоте, а опорная поверхность выполнена плоской или вогнутой.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки: выполнение элемента подвижной связи по форме, при которой обеспечивается изменение высотного положения его центра масс при перекатывании, причем в нейтральном положении элемента его центр масс размещен на минимальной высоте, а опорная поверхность выполнена плоской или вогнутой. Наличие отличной от прототипа подтверждает соответствие заявляемого решения критерию "Новизна".

В ходе проведенного по патентной и другой научно-технической литературе поиска не обнаружены известные технические решения, содержащие аналогичный заявляемому комплекс существенных признаков, решающий поставленную техническую задачу. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия".

Сейсмозащитные и виброзащитные устройства могут быть активными (переменные во времени силы приложены к амортизируемому объекту, защищается основание) или пассивными (динамические воздействия вызываются движением основания, защищается амортизируемый объект). При этом в качестве элемента подвижной связи применялись шары или прямые круговые цилиндры. У каждого из таких тел сечение в направлении перекатывания представляет собой круг. Однако существуют плоские фигуры, отличные от круга, имеющие постоянную ширину (например, треугольник Релло или сумма Минковского треугольника Релло и круга). Аналогично, существуют тела постоянной ширины, отличные от шара (например, тело вращения, образованное вращением треугольника Релло вокруг его оси симметрии). Тело постоянной ширины, отличное от шара, а также цилиндрическое тело с нормальным сечением, являющимся фигурой постоянной ширины, обладает следующим свойством: при перекатывании обеспечивается изменение высотного положения его центра масс. Если в нейтральном положении элемента подвижной связи центр масс размещен на минимальной высоте, то при перекатывании его высотное положение повышается. При этом возникает возвращающий момент, что повышает эффективность гашения колебаний. Кроме того из упомянутых неравенств типа изопериметрического вытекает, что объем этого тела меньше, чем объем шара (для тела постоянной ширины), либо объем прямого кругового цилиндра (для цилиндрического тела с сечением в виде фигуры постоянной ширины). В случае, когда вибрационное воздействие может иметь произвольное направление (например, при сейсмической защите), целесообразно применять элемент подвижной связи в виде тела постоянной ширины; в случае, когда вибрационное воздействие может иметь определенное направление, целесообразно применять элемент подвижной связи в виде цилиндрического тела с сечением в виде фигуры постоянной ширины, причем образующие цилиндра нормальны направлению вибрационного воздействия. Итак, использование элемента высотного положения центра масс, при перекатывании, причем в нейтральном положении элемента его центр масс размещен на минимальной высоте, имеет два существенных преимущества по сравнению с прототипом.

Во-первых, если в нейтральном положении центр масс элемента подвижной связи находится на минимально возможной высоте, то при любом другом (не нейтральном) положении элемента возникает возвращающий момент, направленный так, чтобы возвратить тело в нейтральное положение (в случае выполнения опорных поверхностей плоскими). При выполнении опорных поверхностей вогнутыми возвращающий момент увеличивается по сравнению со случаем шара. Аналогичный эффект имеет место для цилиндрического тела с сечением в виде фигуры постоянной ширины. В случае конкретного выполнения элемента подвижной связи и нижнего стакана с плоской или вогнутой опорной поверхностью можно найти величину возвращающего момента М в зависимости от величины смещения х точки контакта элемента с опорной поверхностью. Например, в случае плоской опорной поверхности и при выполнении элемента в виде цилиндрического тела с нормальным сечением в виде треугольника Релло, имеют M = sin ,, где а - радиус дуг, образующих треугольник Релло. Имея величину возвращающего момента, можно исследовать динамику затухающих колебаний, гасящих вредные вибрации. Так, например, при колебаниях цилиндрического тела с сечением в виде треугольника Релло и опорной поверхностью в виде прямого кругового цилиндра T = 2Π , где Т - период колебаний, с; ρ - радиус инерции элемента подвижной связи, м; а - радиус дуги, ограничивающей треугольник Релло, м; R - радиус опоры, м. Аналогичные расчеты можно провести для иных типов элементов подвижной связи, иных типов опорных поверхностей и различных амортизируемых объектов. Появление или увеличение возвращающего момента означает, что по сравнению с прототипом повышается эффективность гашения колебаний, вызванных вибрациями земной коры или вибрацией, индуцированной в процессе работы машины или агрегата.

Во-вторых, использование тела постоянной ширины, отличного от шара, или цилиндрического тела с сечением в виде фигуры постоянной ширины, отличной от круга, позволяет снизить материалоемкость устройства за счет уменьшения массы элемента подвижной связи. В самом деле, из (Хадвигер Г. Лекции об объеме, площади поверхности и изопериметрии. - М.: Наука, 1966, с. 240) вытекает, что для тела G постоянной ширины а, равной диаметру, его объем V(G) ≅ a³ ; в случае тела постоянной ширины, отличного от шара,V(G) < a³. Это означает, что при одинаковых расстояниях между опорными поверхностями, равном а, объем тела постоянной ширины, отличного от шара, меньше объема шара (для однородных тел, изготовленных из одинакового материала, получается экономия массы). Для цилиндрического тела Н с сечением в виде фигуры постоянной ширины а, равной диаметру фигуры, его объем V(H) ≅ a²l, где l - длина образующей тела,а в случае фигуры постоянной ширины, отличной от круга,V(H) ≅ a²l . Это означает, что при одинаковых расстояниях между опорными поверхностями, равных а, объем такого тела меньше объема прямого кругового цилиндра (вновь для однородных тел, изготовленных из одинакового материала, получается экономия массы). Например, для цилиндрического тела длиной l и с сечением в виде треугольника Релло ширины а получают объем V₁= (π - ) a²l 0,704771 a²l; для прямого кругового цилиндра длиной l и шириной а получают объем V₂ = πa²l 0,785398 a²l. Экономия объема (для однородных тел - массы) составляет 0,102658, т.е. экономия массы составляет примерно 10,3%. Эффект экономии массы становится особенно значимым при массовом производстве, например, при строительстве района сейсмостойких зданий с катками - элементами подвижной связи - из дорогостоящего материала.

Заявляемая совокупность существенных отличительных признаков (выполнение элемента подвижной связи по форме, при которой обеспечивается изменение высотного положения его центра масс при перекатывании, причем в нейтральном положении элемента его центр масс размещен на минимальной высоте, а опорная поверхность выполнена плоской или вогнутой) позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "Положительный эффект".

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство (сечение вертикальной плоскостью устройства сейсмической и вибрационной защиты с плоскими опорными поверхностями, проходящее через центр масс элемента подвижной связи в направлении перекатывания); на фиг. 2 - сечение вертикальной плоскостью устройства сейсмической и вибрационной защиты с вогнутыми опорными поверхностями, проходящее через центр масс элемента подвижной связи в направлении перекатывания.

Устройство сейсмической и вибрационной защиты включает расположенные друг над другом стаканы 1 с обращенными друг к другу плоскими опорными поверхностями 2 или вогнутыми опорными поверхностями 3 и установленный между этими поверхностями элемент 4 подвижной связи с центром 5 масс, причем при перекатывании элемента 4 по опорным поверхностям 2, 3 высотное положение его центра масс изменяется.

Сборка устройства производится следующим образом.

На поверхность нижнего стакана устанавливается элемент подвижной связи так, чтобы его центр 5 масс находился на минимально возможной высоте h. Сверху устанавливается верхний стакан, а на нем монтируется амортизируемый объект.

Устройство работает следующим образом.

При сейсмическом или вибрационном воздействии основания возбуждение через нижний стакан и элемент подвижной связи передается на верхний стакан и через него на амортизируемый объект (при пассивной защите); при вибрационном воздействии на амортизируемый объект возбуждение через верхний стакан и элемент подвижной связи передается на нижний стакан и через него на основание или фундамент машины, агрегата или сооружения (при активной защите). При этом элемент подвижной связи выводится из нейтрального; центр масс элемента поднимается, вследствие чего возникает возвращающий момент, стремящийся вернуть систему в нейтральное положение. При пассивной защите благодаря этому снижается уровень вибраций амортизируемого объекта, при активной защите - уровень вибраций основания или фундамента. Вследствие того, что величина возвращающего момента больше, чем в случае прототипа, уровень вибраций ниже, чем в случае прототипа. Кроме того, материалоемкость устройства ниже, чем у прототипа.

Применение предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность гашения колебаний и снизить материалоемкость системы сейсмической и вибрационной защиты.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО СЕЙСМИЧЕСКОЙ И ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ, включающее расположенные друг над другом стаканы с обращенными одна к другой опорными поверхностями и установленный между опорными поверхностями перекатывающийся элемент подвижной связи с нормальным сечением в направлении перекатывания в виде фигуры постоянной ширины, отличающееся тем, что элемент подвижной связи выполнен с изменяющимися при перекатывании высотным положением центра масс, причем в нейтральном положении элемента подвижной связи его центр масс размещен на минимальной высоте, а опорные поверхности стаканов выполнены плоскими или вогнутыми.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2