книги / Основы проектирования антенных конструкций
..pdfАэродинамически 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
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