Способ подвеса колокола (варианты)

Изобретение относится к колоколам большой массы и размеров, в частности к способам их подвеса. Один из вариантов подвеса осуществляют с использованием внутренней опорной фермы в форме усеченной пирамиды, на верхушке которой установлен подпятник, который изнутри упирается в макушку колокола и выполнен с отверстиями для выхода воздуха и с возможностью подключения к нему компрессора для устранением трения скольжения путем воздушной смазки. Другой вариант осуществляют с использованием воздушной подушки путем создания под колоколом избыточного давления воздуха или магнитной подушки путем установки колокола на сдвоенную кольцевую платформу, содержащую неодимовые магниты, обе части которой отталкиваются друг от друга. Изобретения позволяют отказаться от наружного подвесного устройства. 3 н. и 1 з.п. ф-лы.

 

Группа изобретений относится к способам подвески церковных колоколов без использования наружных подвесных устройств.

Способы подвеса колокола: с использованием внутренней опорной фермы (механическая подвеска), а также безопорная подвеска на магнитной и воздушной подушках, предложены впервые и аналогов в мировой технике не имеют.

Все три способа будут рассмотрены применительно к русскому историческому памятнику литейного искусства 18 века - Царь-колоколу.

Одним из самых простых способов подвесить колокол - это соорудить под ним металлическую ферму в виде четырехугольной пирамиды, вершина которой будет изнутри упираться в макушку колокола, поддерживая его на весу. Ферма должна состоять из 4 вертикальных наклонных балок - ребер пирамиды, которые будут сходиться вверху, образуя закругленный выступ размером (диаметром) 5 - 10 см. Чем меньше его размер, тем меньше влияние трения в этом узле (подпятнике) на свободу колебаний колокола, и тем дольше и естественней будет его звучание. Но сделать его бесконечно малым на практике не получится, - слишком велико будет напряжение в металле. В идеале лучше вообще обойтись без трения, применив для него воздушную смазку с использованием компрессора высокого давления. В этом случае целесообразно увеличить размеры подпятника, доведя его диаметр до полуметра, что позволит снизить давление в компрессоре до 100 атмосфер. Тогда конструкцию фермы придется изменить, подрезав у нее верхушку до формы усеченной пирамиды с квадратной вершиной размерами 0,5×0,5 м. Сверху на эту квадратную площадку будет крепиться сферический подпятник (с отверстиями для выхода воздуха) и заходить в другую полусферу, расположенную внутри макушки колокола. Под площадкой должен располагаться крюк, предназначенный для подвешивания языка колокола.

Также в конструкцию фермы можно ввести дополнительный элемент - надувную подушку, изготовленную из эластичного и прочного материала, расположив ее между площадкой и подпятником, которая, надуваясь от компрессора, будет выполнять функцию домкрата, поднимая колокол на высоту в десять сантиметров без помощи автокрана (с последующей установкой под него упоров). Можно поступить и по-другому: изготовить вертикальные балки из четырех пневмо- или гидроцилиндров, что позволит значительно увеличить амплитуду хода домкрата. Наличие такой подъемной системы позволит разгружать несущую ферму от веса колокола и свободно обслуживать различные ее части.

Высоту подвеса колокола (зазор между его низом и постаментом) можно установить в пределах одного сантиметра, - этого будет вполне достаточно, учитывая, что амплитуда колебаний колокола весьма небольшая. Чтобы под него не попадал всевозможный мусор эту щель, по всей окружности колокола, необходимо будет закрыть эластичной прокладкой, поместив ее непосредственно в сам зазор, как это принято делать с окнами и дверями.

Кроме опорного способа подвески Царь-колокола, существует и безопорный способ, в частности, с использованием воздушной подушки, при котором, под всей площадью колокола или его частью, создают повышенное атмосферное давление.

Из двух разных способов воздушной подвески самый простой вариант - это поднять давление воздуха под колоколом на 60%, доведя его до 160 кПа. Для выполнения этой задачи, при высоте висения колокола в 1 мм, для привода воздушного компрессора потребуется двигатель мощностью 330 кВт, что довольно много. Уровень шума при работе такой установки будет весьма приличным и значит актуальным станет вопрос его снижения, который может решаться по-разному: как путем установки звукоизолирующего экрана на компрессор с двигателем, так и путем снижения расхода воздуха, который напрямую зависит от высоты висения колокола. И возникает вопрос о ее минимальном значении. Если условно принять, что колокол, при ударе в него языка, движется строго по горизонтали, то его минимальная высота висения будет зависеть от шероховатости поверхностей: низа колокола и верха постамента, которые можно сделать очень малыми и тем самым добиться зазора в десятые доли миллиметра. При этом необходимо позаботиться, чтобы аэродинамический центр подвеса колокола совпадал с геометрическим центром его масс, что достигается путем его балансировки. В реальности же, кроме линейного перемещения, колокол, при ударе в него языка, будет совершать еще и вращательное движение в вертикальной плоскости относительно центра масс, что приведет к касанию низом колокола постамента и значит к ухудшению его звучания. Так что такой путь борьбы с шумом истекающего воздуха на практике будет малоэффективным.

Правда существует способ как обойти этот недостаток. Для противодействия моменту вращения можно установить на колокол (внутри него) мощные гироскопы, или закрутить его вокруг вертикальной оси, что увеличит его устойчивость.

К этому надо добавить, что из-за повышенного давления под колоколом на постамент будут действовать разрывающие силы, достаточно большие, чтобы повредить его, и поэтому постамент необходимо будет усилить, а возможно и доработать его конструкцию: скруглить углы внутреннего восьмигранника, сделав его полностью круглым.

Существует еще одна разновидность воздушной подушки - это когда повышенное давление создают не под всей площадью колокола, а только под его нижним краем (или губой) колокола. Для реализации такого варианта потребуется кольцевая платформа диаметром 6,6 м и шириной около полуметра, состоящая из нижней и верхней частей, между которыми подают сжатый воздух. Поскольку ее площадь будет в несколько раз меньше площади проекции колокола (10 м² против 34 м²), то давление под ней придется увеличить до 3 атмосфер, что, с учетом возросшего периметра, - это отрицательно скажется на энергетических показателях воздушной подвески. Так расход воздуха вырастет пятикратно, а мощность электропривода компрессора увеличится в 9 раз и составит 3 МВт. Соответственно и уровень шума подскочит почти на порядок, что делает такой вариант, даже с учетом его плюсов, полностью бесперспективным.

Ну и наконец существует третий вариант воздушной подушки - это комбинация двух основных вариантов, только с одним отличием: под днищем колокола создают не повышенное, а наоборот, пониженное давление. В результате этого на колокол снаружи станут действовать сжимающие силы атмосферного давления, которые по направлению будут противоположны силе удара языка колокола, тем самым компенсируя его воздействие. Такой режим работы колокола может быть полезен, когда существует опасение за целостность его конструкции во время звона. Например, когда он имеет небольшие трещины, но при этом еще находится в рабочем (удовлетворительном) состоянии, т.е. им можно пользоваться какое-то время до следующего капитального ремонта.

Еще один вариант безопорного подвеса колокола - это использование магнитной левитации, возникающей при взаимном отталкивании однополярных полюсов магнитотвердых материалов. Конструктивно такая подвеска будет выглядеть также как и воздушная, с использованием кольцевой платформы, только на верхней и нижней ее частях, по всей площади поверхности, должны быть установлены мощные неодимовые магниты.

Как и в случае воздушной подушки, у магнитной тоже имеются свои недостатки:

1) Первый - это неустойчивое положение колокола, что является особенностью магнитной подвески: даже при незначительном смещении осей колец магнитной платформы, появляется горизонтальная составляющая сил отталкивания магнитов, совпадающая по направлению со смещением ее верхней части, под действием которой колокол начнет двигаться с ускорением от центра постамента к его краю, что может закончится его падением. Устраняется этот недостаток достаточно просто - путем установки внутренних ограничителей перемещения из упругого материала. В простейшем варианте - это обычные металлические пружины, а в более сложном - пневмомеханические с переменной жесткостью.

2) Второй недостаток магнитного подвеса - это достаточно большая толщина магнитной платформы - 5 - 10 см, что намного превышает этот же показатель у платформы с воздушной подушкой, и своей толщиной, пусть и немного, но изменяет исторический облик Царь-колокола. К сожалению устранить этот недостаток никак не получится. Можно только замаскировать край платформы, чтобы она не сильно бросалась в глаза, сделав ее одного цвета с колоколом.

3) Еще одним недостатком магнитной подвески, который невозможно никак устранить, является значительный вес верхней части платформы, массой несколько тонн, которая жестко связана с низом колокола, и во время звона совершает колебания вместе с ним, из-за чего несколько меняется тональность его звучания, что является нежелательным явлением.

4) Еще к недостаткам такой подвески можно отнести опасность, связанную с ее ремонтом, которая возникает из-за очень мощных сил взаимодействия магнитов и вытекающая из этого сложность в обслуживании платформы: малейшая неосторожность в обращении - и это может закончится травмой для обслуживающего персонала.

А большим плюсом магнитной подвески является простота ее конструкции, отсутствие энергетических затрат на создание в ней магнитного поля и сопутствующего для этого оборудования, а также ее полная бесшумность.

Техническим результатом трех изобретений: механической подвески с опорной фермой, безопорной подвески на воздушной и магнитной подушках, является возможность эксплуатировать Царь-колокол без использования внешнего подвесного устройства, что позволит сохранить историческое место и сам памятник в неизменном виде.

Какой же из трех способов подвески Царь-колокола самый лучший? Ответ на этот вопрос будет зависеть от режима его эксплуатации, в частности: будет ли он полностью неподвижным или же вращаться с небольшой скоростью, и когда это будет происходить - только во время звона или на постоянной основе. При этом скорость вращения колокола может колебаться в больших пределах, которую можно условно разделить на три уровня:

- самая низкая скорость - несколько сантиметров в секунду, - ее применяют только во время звона, что позволит менять место удара языка колокола и тем самым распределять динамическую нагрузку равномерно по всей площади его поверхности, что повысит сохранность колокола и удлинит срок его службы.

- средняя скорость вращения - несколько дециметров в секунду, - ее применяют как во время звона, так и на постоянной основе, что позволит осматривать снаружи весь колокол, оставаясь при этом неподвижным. Такой режим вращения может быть удобным для туристов - посетителей Московского Кремля. Конечно, постоянное вращение Царь-колокола может понравится не всем туристам и поэтому вопрос о его применении является дискуссионным.

- большая скорость вращения - несколько метров в секунду, - ее применяют только во время звона с целью купирования вращающего (опрокидывающего) момента, возникающего от удара языка колокола о его поверхность. Такой режим вращения является самым спорным ввиду его очевидных недостатков: сомнительная эффективность в решении задачи стабилизации колокола, отрицательное действие центробежных сил, которые будут растягивать корпус колокола, дополнительно нагружая его, затраты энергии и времени на его разгон и последующее торможение.

Если в качестве основного режима вращения мы принимаем первый вариант - несколько см/сек, то предпочтительнее является механическая подвеска, а воздушная остается запасным вариантом.

Если в качестве основного режима вращения мы принимаем второй вариант - несколько дм/сек, то основным критерием выбора будет малошумность подвески, и опять на первое место выходит ее механическая разновидность, а запасным вариантом остается магнитная подушка.

В любом случае механическая подвеска с опорной фермой должна рассматриваться в качестве основного варианта, как достаточно простая и имеющая меньше минусов, хотя ее подвариант с воздушной смазкой подпятника, по мощности и энергозатратам, приближается к варианту с воздушным подвесом колокола. Но даже в этом случае ее плюсом является более низкий уровень шума, т.к. истечение воздуха будет происходить внутри колокола и шум от него заглушится его толстыми стенками.

Также не стоит сбрасывать со счетов и вариант с воздушным подвесом, поскольку от главного его недостатка - повышенного шума, можно частично избавиться, применив такой метод: в режиме покоя колокола, когда он будет играть роль активного экспоната, вращаясь с небольшой скоростью, мощность компрессора снижают до минимума с уменьшением высоты висения колокола до долей миллиметра, а в режиме звона, когда рядом отсутствуют туристы, мощность компрессора поднимают до максимума, добиваясь увеличения зазора, но при этом его повышенный шум будет заглушаться очень сильными и громкими ударами в колокол, и фактически станет не различим на его фоне. Также компрессор можно разместить отдельно от колокола в подсобном помещении, а воздух к нему подавать по трубопроводу, что еще дополнительно снизит уровень шума.

Возможна также и комбинация описанных вариантов подвеса. Например: механическая опора + воздушная подушка, которые можно применять как по отдельности, так и оба одновременно, что позволит на практике оценить преимущество каждого из них и выбрать самый наилучший.

В общем выбор способа подвеса колокола представляет собой не такую простую задачу, как кажется на первый взгляд, поскольку каждый из них имеет свои плюсы и минусы, и их анализ достаточно сложен даже для специалистов.

1. Способ подвеса колокола, включающий установку колокола на металлическую ферму в виде четырехугольной пирамиды с усеченной вершиной, на квадратной площадке которой размещают подпятник сферической формы, который изнутри упирается в макушку колокола, имеющего в этом месте углубление, по форме совпадающее с подпятником, который выполнен с отверстиями для выхода воздуха и с возможностью подключения к нему компрессора, при этом под упомянутой площадкой устанавливают крюк для подвешивания языка колокола.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между подпятником и упомянутой площадкой дополнительно устанавливают пневматический домкрат для подъема колокола.

3. Способ подвеса колокола, включающий безопорный подвес колокола с использованием воздушной подушки, формируемой под его корпусом за счет повышения атмосферного давления до расчетной величины с помощью воздушного компрессора, или путем установки его на кольцевую платформу, состоящую из верхнего и нижнего колец, между которыми под давлением подают воздух, при этом для купирования вращающего момента во время звона внутри колокола устанавливают гироскоп или вращают колокол вокруг собственной оси.

4. Способ подвеса колокола, включающий безопорный подвес колокола с использованием магнитной подушки, получаемой путем его установки на кольцевую платформу, состоящую из верхнего и нижнего колец со встроенными неодимовыми магнитами, одноименные полюса которых создают отталкивающие силы, позволяющие верхней части платформы парить в воздухе.