Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Основы проектирования антенных конструкций

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
4.47 Mб
Скачать

Аэродинамически неустойчивыми телами, т. е. таки­ ми, для которых в определенных интервалах углов ата­ ки (скольжения) удовлетворяется условие (3.6), являют­ ся формы сечения по табл. 3.1 и другие. Причиной не­ устойчивости может быть dmzfdа<0.

Прямоугольные волноводы являются в антенных устройствах примером таких аэродинамически неустой­ чивых тел. Заключение антенн укв и свч в радиопрозрачный экран может вызвать вибрацию.

Изменение начального профиля тела переводит его иногда в аэродинамически неустойчивое. В таком поло­ жении оказываются обледенелые провода, канаты, тру­ бы, когда преимущественно односторонне осевший на них лед (изморозь) приводит к появлению явно выра­ женной стационарной подъемной силы и удовлетворяет­ ся условие (3.7). Такие изгибно-крутильные колебания подобны вибрации плоского каната или ленты в окрест­ ностях углах атаки а=0° у опорных закреплений. В этих случаях применяют хорошо и кратко описывающий явле­ ние термин «галопирование».

Основной причиной вибрации гибкого цилиндра, на­

ходящегося по потоку за

передним любого диаметра,

т. е. в аэродинамическом

следе, или, иначе, в кильва-

торной струе, являются срывы вихрей с переднего ци­ линдра и сильная турбулизация потока, приводящие к значительному повышению неустойчивости заднего ци­ линдра. Для возбуждения колебаний расстояние между цилиндрами может быть до 50 й, где d — диаметр воз­ будителя, который может быть на порядок менее диамет­ ра возбуждаемого. С позиций теории колебаний этот вид вибрации можно рассматривать как асинхронное возбуждение потенциально-автоколебательной Системы, которой является круглый цилиндр в текущей жидкости.

Упругий цилиндр в возмущенной «возбудителем» (сбоку, спереди или сзади) зоне интенсивно вибрирует. Опыты в аэродинамической трубе подтверждают это, что и заставило отказаться от сплошностенчатых кон­ струкций шунтовых вибраторов коротких волн, трубча­ тый контррефлектор, установленный параллельно, воз­ буждал интенсивные колебания в широком диапазоне скоростей потока. Решетчатые вибраторы даже с труб­ чатым контррефлектором, как показали опыты, аэроди­ намически устойчивы (23].

В отличие от достаточно часто описываемых в лите­

101

ратуре поперечных к ветру колебаний труб наблюдаются нерегулярные качания по ветру вертикальных гибких конструкций антенн. Причиной качаний является поры­ вистость, объясняемая турбулентностью потока воздуха. Поведение штыревых антенн сложнее, потому что, наря­ ду с продольными — по потоку — колебаниями, Наблю­ даются и поперечные с несколькими (2-1-3 обычно) узла­

ми в пролете.

Вибрация многопрядных или многопроволочных про­ водов и канатов при направлении ветра под углом свив­ ки прядей или проволок объясняется несимметрией обте­ кания цилиндра, в результате чего появляется стацио­ нарная подъемная сила и выполняется условие (3.6). Оплетка провода тонкой лентой, сглаживая поверхность, устраняет эту причину колебаний, но возможность виб­ рации провода, как гладкого цилиндра, остается.

В антеннах СГД и других наблюдаются нерегуляр­ ные перемежающиеся колебания жестких решетчатых вибраторов. При порывистом ветре сначала начинают вибрировать одни вибраторы, затем другие.' Общая про­ должительность вибрации каждого становится большой, что в конечном счете приводит к обрыву проволок у мест закрепления, если не были приняты антивибрацион­ ные меры (рессоры, оплетки и др.). Опасными являются также концентраторы напряжений в местах крепления вибраторов к несущей опоре. Эти колебания являются следствием порывистости ветра, а не аэродинамической неустойчивости вибраторов, проявляющейся в попереч­ ной к ветру вибрации, а не по потоку.

Г а ш е н и е в и б р а ц и и к о н с т р у к ц и й . Недопу­ щение вибрации конструкций или снижения ее амплиту­ ды до безопасной величины является одной из основных задач повышения надежности антенных устройств. Аэро­ динамическая устойчивость выбранной конструкции (форма, размеры и жесткость) во всем диапазоне ско­ ростей ветра, наблюдаемых в данной местности, должна быть подтверждена опытами на моделях в аэродинами­ ческой трубе или водяном канале. Наглядные результа­ ты, поясняющие поведение прототипа при ветре, полу­ чают по наблюдениям за подвешенной на пружинах же­ сткой модели в трубе.

Картина распределения давления по поверхности сплошностенчатой модели даже в стационарном режиме может пролить свет на устойчивость прототипа так же,

J 02

как и аэродинамические характеристики тела в функции угла атаки или скольжения. Для этого используют мно­ гокомпонентные аэродинамические весы в трубе или при­ меняют тензометрирование.

Полное динамическое и аэродинамическое подобия трудно соблюсти, если учесть необходимость моделиро­ вания эффекта рассеяния энергии при колебаниях про­ тотипа, определяемое опытным путем, т. е. заранее не­ известное. Как минимум, геометрическое подобие долж­ но быть скрупулезно соблюдено даже в деталях, например, в радиусе скругления кромок, в размерах впадин или возвышений. Независимость от числа Рей­ нольдса у большинства строительных конструкций вы­ полняется, исключение — круглые и овальные трубы, а вообще тела с закругленными краями в их сечении, у которых возможен кризис обтекания. Гибкость жесткой модели при изгибе и кручении имитируют пружинными подвесками. Лишь в редких случаях удается эксперимен­ тировать с аэроупругой динамически подобной моделью

антенны.

Заключение об аэродинамической устойчивости со­ оружения теоретическим путем пока невозможно, ввиду особой сложности анализа, чисто математических труд­ ностей, а также недостаточности натурных и опытных данных. Чаще всего предлагаются полуэмпирические критерии устойчивости, справедливые, строго говоря, для определенного вида конструкций их размеров, частот колебаний и рассеяния энергии. На аэродинамическую устойчивость обращают особое внимание при разработ­ ке новых типов высоких, большепролетных или гибких металлических конструкций, больших отражателей.

Регулярные колебания при ветре решетчатых или ча­ сто перфорированных (не менее 20% пустот) конструк­ ций и не имеющих больших сплошных отражателей, на­ стилов, площадок, не наблюдались в натуре и на моде­ лях. Была замечена только вибрация отдельных стержней кругового профиля или плоских пластин. Даже частичная (20—40% отверстий), а не сплошная перфора­ ция любыми удобными для производства отверстиями оболочек сплошных экранов, настилов и т. п. понижает амплитуду колебаний. При обледенении эффект перфо­ рации пропадает.

Перфорация цилиндров, даже не по всей его длине— лучше у пучности колебаний, — гасит вибрацию, так

ЮЗ

как увеличивается аэродинамическое сопротивление и уменьшается суммарная подъемная сила.

Для гашения вибрации конструкций антенных устройств применяются различные пассивные приемы, основанные чаще всего на рассеянии энергии в дополни­ тельном демпфирующем устройстве или небольшой кон­ структивной модификации, не отражающейся на харак­ теристиках антенн. Малая частота свободных колебаний строительных конструкций (доли и единицы герц), боль­ шие массы, приходящие в движение при вибрации, не позволяют использовать разнообразные типы гасителей, распространенные в машинах, двигателях и механизмах, у которых частота на один-два порядка больше.

Энергия колеблющихся проводов, канатов и неболь­ ших цилиндров невелика, а частота — единицы и десят­ ки герц, поэтому их вибрацию гасят, включением потерь в дополнительном сопротивлении. Например, полые (пустотелые) провода антенн длинных воли заполняют легкой массой с большими удельными Потерями при ко­ лебаниях. Внутри провода помещают тонкий стальной канат, в соударениях с которым гасится вибрация. Такие провода 'обладают большой вибростойкостью при ветре. В стальных канатах с органическим сердечником интен­ сивно рассеивается энергия.

Вибрация трубчатых вибраторов (антенны укв и свч) гасится при частичном заполнении их гранулированной синтетической массой или песком. Этот прием удачно применен для гашения вибрации трубчатых стоек ароч­ ных мостов (Норвегия, Чехословакия). Роль наполни­ теля в этом случае не ограничивается увеличением по­ терь, одновременно понижается частота колебаний ци­ линдра, что повышает его вибростойкость, поскольку энергия для возбуждения вибрации, пропорциональная квадрату скорости потока, стала меньше. Это следует из ф-лы (2.8). Перфорация концов трубчатых вибраторов или пустотелых гибких стержней не допускает возникно­ вения регулярной вибрации. Введение дополнительного затухания в систему, у которой возможны связанные (изгибно-крутильные) колебания, может дать отрица­ тельный эффект, потому что этим усиливается перекачи­ вание энергии. Лучше повышать крутильную жесткость конструкции, т. е. уходить дальше от частоты изгибных колебаний конструкции,

104

Наиболее распространен способ гашения вибрации проводов динамическими гасителями с рассеянием в них энергии различными способами. Демпферы устанав­ ливают на небольшом расстоянии от места, закрепления провода или каната на опоре. На линиях электропереда­ чи напряжением 35—500 кВ применяют виброгасители проводов ГВН (9 типов) и ГВПН (6 основных типов) по рис. 3.12.

L

Рис. 3.12. Виброгаситель проводов:

L - 300—650 мм, d—9-Т-13 мм. Вес — 2,56—9,69 кГ; диаметр провода в-т-38 мм

Гасители уменьшают амплитуду вибрации провода примерно в 10 раз [24]. Рассеяние энергии происходит в рессоре из стального каната.

Оптимальное гашение вибрации провода получается при подвеске гасителя на расстоянии от зажима (места закрепления):

где Ят<я — минимальная длина волны провода при вибрации;

d — диаметр провода, мм;

ГСр — среднее эксплуатационное тяжение провода при средней температуре воздуха, кГ;

q — вес провода на единицу длины, кГ/м.

На проводе с длиной пролета до 150 м ставят по одному гасителю у каждой опоры, при большей длине—

по два. При среднем эксплуатационном напряжении о' сталеалюминиевых проводов менее 4 кГ/мм2, медных — 10 кГ/мм2 и стальных — 18 кГ/мм2 гасители не ставят1 [26]. Второй — более легкий — гаситель ставят на рас^ стоянии от зажима провода:

/ * « 0,0022

(3.9)

L0&

Эти рекомендации по гашению вибрации относятся к проводам линий электропередачи, подвешенным на от­ крытой местности. Их можно распространить и на антен­ ны радиостанций. Более детальные сведения о гашении вибрации проводов имеются в Методических указаниях (25] или в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ). В сетях антенн дв и сдв, в проводах которых поддержи­ вается постоянное высокое напряжение, установка виб­ рогасителей обязательна.

Для защиты от вибрации проводов реже применяют крутильного типа гасители, энергия вибрации с помощью которых гасится при закручивании самого защищаемого провода, и ударные, рассеивающие энергию в соударе­ ниях груза с подставкой, и др.

Концевые и поддерживающие зажимы для проводов выполняют с нажимными деталями, обеспечивающими небольшие напряжения местного смятия проволок; раз­ меры канавок и радиусы закруглений арматуры должны соответствовать диаметрам провода и проволок, провод при колебаниях не должен касаться кромок зажима.

Для уменьшения смятия проволок под нажимными деталями зажима провод обматывают в один или два слоя (верхний навстречу) мягкой узкой лентой из ма­ териала провода или мягкой оцинкованной стальной лентой. Контакты деталей из разных металлов с боль­ шой разностью потенциалов не допускают цинкованием поверхности. Непосредственное касание меди с алюми­ нием не разрешается. Важное значение для вибростой­ кости проводов имеет высокое качество монтажа: «зало­ мы», выпрямленные петли — «барашки», повреждение проволок инструментом, небрежность при заделке про­ вода в зажимах сокращают его срок службы. После пайки удаляют (нейтрализуют) оставшиеся на проводе окислы.

Вибростойкость проводов повышают с помощью рес­ соры у зажима. При малом диаметре провода рессорой может служить отрезок проволоки или провода (рис. 3.13). Для проводов большого сечения рессору выпол­ няют в виде набора тонких пластин или круглых прут­ ков, утоньшающихся к концам.

Вибрацию близко расположенных проводов, находя­ щихся под одинаковым электрическим потенциалом (провода отражателей коротких волн и апериодического рефлектора антенн СГД-РА), гасят с помощью перевяз-

106

Рис. 3.13. Гашение вибрации тонких проводов с по­ мощью рессоры

Рис. 3.14. 'Схема гашения вибрации проводов по мето­ ду «узел—пучность—узел»:

а — перевязка струн, б — подвеска провода на несу­ щем канате

1 — несущий канат, 2 — провод, 3 — перевязка

ки их проволокой по методу «узел — пучность ■— узел» (рис. 3.14а). Сущность его заключается в противодейст­ вии перемычкой отклонениям 'струн, для чего соединяют поочередно узел колебаний одной с пучностью смежной. Зигзагообразная перевязка проводов вибраторов антенн СГД полностью прекратила ранее наблюдавшуюся ин­ тенсивную вибрацию, приводившую к частым обрывам. Неравные расстояния по пролету между подвесками к лееру повышают вибростойкость сети (рис. 3.146).

Вибрацию стальных канатов гасят динамическими гасителями, но с большей массой, чем у типовых виброга-

107

Рис. 3.15. Установка 'виброгаси­ телей на оттяжках мачты

сителей проводов линий передачи. В оттяжках мачт применяют широкополосные гасители, потому что диапа­ зон частот колебаний канатов очень большой из-за зна­ чительной разницы в тяжении наветренных и подветрен­ ных оттяжек. Типовые виброгасители проводов устанав-

анкера на расстояниях, определенных по ф-лам (3.8) л (3.9). При разных типах виброгасителей бо­ лее тяжелый ставят бли­ же к опоре (рис. 3.15).

й а оттяжках высоких мачт часто применяют 'спаренные типовые гаси­ тели. Изоляторы в оттяж­ ках мачт-антенн не поз­ воляют развиваться силь­ ной вибрации, поэтому га­ сители не ставят, но улуч­ шают механические де­ тали.

'Колебания обледене­ лых проводов и канатов -погасить труднее, потому что частота «галопирова­ ния» мала. Типовые гаси­ тели становятся не эф­ фективными. Успешное гашение таких колебаний оттяжек мачт достигается ■с помощью одной или двух дополнительных бо­ ковых расчалок неболь­ шого диаметра, закреп­

ленных в -разных места-х на оттяжке и на доступном рас­ стоянии от анкера. При необходимости расчалки секцио­ нируют изоляторами. Шарнирное закрепление каната на •опоре лучше, чем ограничивающее повороты.

Вибрацию сдвоенных (парных) оттяжек мачты гасят дистанционные распорки, расположенные на неравных расстояниях по пролету. Они в известной мере работают

икак демпферы крутильного типа. Если соединения рас­ порки с канатом «с зазором», то она становится также

идемпфером ударного типа.

Сооружение может быть устойчиво в силу выбранной аэродинамической формы, имен в виду реальный диа­ пазон скоростей ветра в данной местности. Увеличение жесткости конструкции для перехода в область более высоких частот, при которых возможны колебания при больших скоростях ветра, это путь, приводящий к зна­ чительным дополнительным затратам и не достигающий часто цели. Нарример, увеличение сечения ствола повы­ шает частоту колебаний трубчатой мачты, поэтому воз­ буждение становится возможным при скорости ветра, ве­ роятность которой меньше. Такое решение дорого. Про­ ще поставить дополнительный ярус расчалок из тонкого каната в середине первого пролета мачты и тем вывести конструкцию из неустойчивой области (см. рис. 3.46). Это с успехом осуществлено на ряде высоких мачт. Включение в расчалку гасителя колебаний еще больше повышает вибростойкость сооружения. Так же гасят вибрацию, например, стальных труб тепловых электро­ станций (США).

Подвеской тяжелой сети длинных волн к консоли мачты, а не у места крепления оттяжек к ее стволу, включаются потери на трение в блоках и противовесах сети, что, повышая затухание системы, приводит к пре­ кращению колебаний трубчатой мачты. Без сети — на стадии монтажа — наблюдалась интенсивная вибрация ствола и оттяжек (см. рис. 3.3).

Конструктивным решением удается погашать вибра­ цию отдельных стержней конструкций. Сущность его заключается в установке дополнительной подвески (см. рис. 3.6) или распорки на тяге (см. рис. 3.2), чем значи­ тельно повышается частота собственных колебаний эле­ ментов, для возбуждения которых нужна большая ско­ рость ветра, наблюдаемая реже. Повышение частоты стержней опоры понижает вероятность параметрического возбуждения подвешенным к ней вибрирующим прово­ дом или канатом.

Параметрические колебания решетчатой мачты, воз­ буждаемые вибрирующими оттяжками, что нередко на­ блюдается, не допускают гасителями, установленными на канатах у анкера.

Эффективным приемом гашения вибрации горизон­ тального цилиндра яцляется установка бнтерцептора под углом 90° к передней критической точке или, что

109

лучше, двух — под углами 0° и 180°, при которых ветро­ вая нагрузка не увеличивается.

Для вертикальных консольных труб ограничиваются спиральными интерцепторами только в верхней четвер­ ти или трети, что по опыту гашения также дымовых труб эффективно. Высота интерцептора 0,02 до 0,1 диаметра трубы, количество их не менее трех. Установку интер­ цепторов следует рассматривать как активный метод гашения вибрации, так как вмешиваются в источник вибраций, т. е. аэродинамически неустойчивую форму тела делают устойчивой.

На стальной трубе, служащей опорой телевизионных антенн, направляющие передвижных смотровых площа­ док выполняют минимальной высоты, развивая их в ши­ рину, если это надо по прочности.

Вибрация мачты с кабиной радиорелейной линии, вызывающая, кроме того, неприятные физиологические воздействия на обслуживающий персонал, гасится до­ полнительным ярусом оттяжек. Резкие броски кабины, аналогичные «рысканию» буксируемых судов, являются отчасти следствием малой величины предварительного напряжения оттяжек мачты, расчаленной на три направ­ ления (см. рис. 3.7). При действии ветра в плоскости одной из оттяжек напряжение подветренных падает, же­ сткость мачты поперек ветра становится малой, поэтому достаточно небольшого отклонения ветра по азимуту, чтобы произошел «бросок» кабины (см. рис. 3.76). В эксплуатируемых мачтах повышают предварительное напряжение оттяжек, чем снижается эффект «рыскания», коль скоро перемещения ствола в поперечном к ветру направлении становятся меньше.

В мачтах с четырьмя оттяжками в плане «рыскание» ствола не наблюдается, если напряжение канатов не мало.

Все большее распространение на телевидении полу­ чают антенны дециметровых волн (IV и V диапазоны), размещаемые внутри самонесущего радиопрозрачного круглого цилиндра из стеклопластика (диаметром 1,5— 2 м и длиной до 25 м). Такой цилиндр применяют также для защиты от обледененця вибраторов и питающих их линий. При небольшой силе ветра возникают колебания не только по первой (основной) форме колебаний кон­ сольного стержня, но и по второй. Для гашения вибра­ ции ставят маятниковые гасители с дополнительным рас-

•110