Типовые проекты Скачать проект
Форма обратной связи
8 (800) 444-22-51 Звонок по России бесплатный snabsbit@cesis.ru Отдел продаж
Форма обратной связи

Совершенствование конструкции ПТУ

Применение амортизаторов в конструкциях противотаранных устройств значительно снижает усилия, возникающие в основных силовых элементах барьера, и передаваемые на фундамент нагрузки

Основными силовыми элементами противотаранного устройства шлагбаумного типа (ПТУ, барьер), воспринимающими ударную нагрузку и передающими ее посредством опор на фундамент, являются стальные канаты, расположенные внутри стрелы барьера. Расчетная схема ПТУ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Расчетная схема противотаранного устройства: 1 – стальные канаты; 2 – опоры

Известно, что при одинаковых напряжениях в материале растянутый элемент воспринимает нагрузку в несколько раз большую, чем изгибаемый элемент того же поперечного сечения. Чем больше пролет изгибаемого элемента, тем больше он проигрывает в сопоставлении с растянутым. Стальные канаты приняты основными силовыми элементами ПТУ, так как они работают только на растяжение.

Определение усилий в стальных канатах от действия произвольной нагрузки в общем случае является задачей достаточно сложной вследствие их большой упругой деформативности и геометрической изменяемости.

Так, одной из главных особенностей работы стальных канатов под действием произвольной поперечной нагрузки является их способность существенно изменять начальные очертания при изменении характера внешнего воздействия.

Еще одной особенностью рассматриваемых элементов является наличие в любом сечении, перпендикулярном к оси, только растягивающих равномерно распределенных напряжений, и это ведет к более экономичному использованию прочностных свойств материала. Следовательно, вектор, соответствующий усилию в стальном канате, всегда направлен по касательной к его оси.

Определение возникающего усилия в стальном канате, в сущности, сводится к определению его распора – перпендикулярной составляю щей этого усилия к действующей нагрузке, так как определение продольной составляющей не вызывает никаких трудностей:

где Н – распор в стальном канате; R – продольная составляющая, определяется как поперечная сила в шарнирно-опертой балке тем же пролетом и нагруженная точно так же как стальной канат.

Стальной канат, первоначально прямолинейный, имеющий начальную длину, не превышающую величину пролета, и работающий по восприятию поперечной нагрузки, является струной.

При нагружении струны поперечной нагрузкой распор может быть определен по формуле:

где D – характеристика нагрузки; Е – модуль упругости материала; А – площадь поперечного сечения; l – величина пролета.

Если опоры струны упруго-податливые, то распор можно определять по той же формуле (2), но вместо пролета следует подставлять:

где v – упругая податливость опор.

Значение характеристики нагрузки для равномерно распределенной по проекции струны определяется по формуле:

где q – равномерно распределенная нагрузка по проекции струны.

Подставив приведенный пролет из формулы (3) и характеристику нагрузки из формулы (4) в выражение (2), получим распор в струне при равномерно распределенной нагрузке:

Перемещение в середине пролета при равномерно распределенной нагрузке по проекции струны зависит от распора:

Проанализируем приведённые выше выражения. Из формулы (5) видно, что при постоянных значениях нагрузки, пролета и жесткостных характеристик струны распор зависит только от упругой податливости опор. Из равенства (6) видно, что перемещение в середине пролета струны увеличивается с уменьшением значения распора.

Физический смысл упругой податливости опор определяет расстояние, на которое смещаются опоры от единичной нагрузки.

Величина единичной нагрузки составит одну тонну.

Для оценки влияния упругой податливости опор на прогиб в середине пролета и распор в струне с заданными физическими и геометрическими параметрами от приложенной статической нагрузки построим график зависимости на интервале значений от 0 до 10 мм/т.
а)

б)

Рисунок 2. График зависимости:
а – распор в струне от упругой податливости опор;
б – перемещение в середине пролета струны от упругой податливости опор.

Из рисунка 2а видно, что с незначительным увеличением упругой податливости опор распор резко уменьшается.

Подставляя полученные значения распора в выражение (6), построим график зависимости перемещения в середине пролета при равномерно распределенной нагрузке по проекции струны от упругой податливости опор. Из рисунка 2б видно, что прогиб увеличивается почти по линейному закону. Соответственно увеличивается допустимая энергия останавливаемого транспортного средства.

Выявленные зависимости диктуют применение новых конструктивных решений для основных элементов и их узлов сопряжения, обеспечивающих требуемую прочность и жесткость конструкции противотаранных устройств шлагбаумного типа.

Для остановки перемещающихся масс в технике широко применяются промышленные амортизаторы – концевые буферы мостовых кранов, поглощающие аппараты в сцепках железнодорожного подвижного состава, ограничители хода перемещающихся возвратно-поступательных
механизмов. Назначение данных устройств – поглощение или рассеивание кинетической энергии и снижение нагрузок на конструкции крана или подвижного состава.

Амортизаторы характеризуются усилием и перемещением при сжатии, а также изменением усилия во время рабочего хода.

Наиболее простыми поглощающими устройствами являются буферы из материалов с низким модулем упругости и высоким относительным растяжением/сжатием (резины, полиуретана). Серийно выпускаются буферы с усилием сжатия до 235 тонн и ходом 450 мм. Кроме буферов, из указанных материалов выпускаются амортизационные листы, подбор площади и толщины которых обеспечивает требуемые усилия и перемещения при сжатии. Недостатком указанных материалов являются большие габариты изделий из них, а также отсутствие площадки текучести и увеличение модуля упругости при деформации, т.е. усилие сжатия увеличивается при деформации амортизатора и наибольший эффект возникает только в конце хода. Кроме того, полиуретан, в отличие от резины, практически не рассеивает энергию, а преобразует в энергию упругой деформации, отбрасывая в обратном направлении останавливаемый объект.

Указанный недостаток частично отсутствует у вспененных амортизационных материалов (полиуретан и алюминий). Данные материалы представлены в виде готовых изделий.

Буферы и амортизационные пластины находят применение в автомобильных бамперах, устройствах защиты строительных конструкций от столкновения с автомобилями (вспененный полиуретан), а также в противотаранных барьерах (вспененный алюминий (рис.3). Относительное удлинение при сжатии составляет 70 % у вспененного полиуретана и 30 % у вспененного алюминия при пределе текучести.

Рисунок 3. Пример конструктивного решения буфера

Значительное перемещение при сохранении усилий, соответствующих пределу текучести, повышает эффективность амортизатора приблизительно в 2 раза. Однако величина перемещения ограничена величиной относительного сжатия и толщиной материала.

Более эффективными амортизаторами являются фрикционные и гидравлические устройства. Благодаря значительному перемещению и практически постоянному сопротивлению данные устройства поглощают и рассеивают большую энергию. Фрикционные устройства широко применяются в механических тормозах и позволяют рассеивать значительную энергию при ограниченном усилии за счет значительного перемещения. Приведенные типы амортизаторов имеют существенное различие по характеристикам сжатия, допустимой скорости, а также сложности конструкции и стоимости.

Проектирование противотаранных устройств с амортизаторами выполняется в следующей последовательности.
1. По энергии останавливаемого автомобиля и допустимой величине пути его перемещения определяется усилие и требуемая величина податливости силовой системы.
2. Определяется тип и расположение амортизирующего устройства.
3. Проектируется или выбирается стандартный амортизатор.
4. Проектируется силовая несущая система с учетом характеристик амортизатора.

При проектировании амортизатора необходимо принимать во внимание его расположение, которое влияет на возникающие при остановке транспортного средства усилия, величины скорости и перемещений, а также их направление. В идеальном случае ход амортизатора должен соответствовать полной остановке с поглощением всей энергии транспортного средства. Или возможна последовательная работа нескольких амортизаторов, рассчитанных на разные скорости и массы транспортных средства, а также допустимые повреждения противотаранного устройства. Так, амортизатор, расположенный непосредственно на стреле противотаранного устройства, может быть спроектирован на поглощение энергии небольшого таранного удара без повреждения стрелы устройства. Его возможности ограничены допустимой нагрузкой на стрелу, а также габаритами и весом. Более мощные амортизаторы могут располагаться на опорах (в поперечном и осевом направлении стрелы) и взаимодействовать с балкой стрелы или ее тросовой системой.

Применение амортизаторов в конструкции противотаранных устройств позволит значительно снизить возникающие усилия в основных силовых элементах барьера и передаваемые нагрузки на фундамент. Все это позволит применить сечения элементов противотаранных устройств с наименьшей площадью, что повлечет за собой снижение материалоемкости и, как следствие, себестоимости изделия и фундамента для его установки.

 ­        
Авторы:
Денис Тарасов,                            Герман Большаков,
к.т.н., начальник отдела        к.т.н., доцент кафедры
инженерного                                      компьютерного
анализа конструкций                       проектирования
ЦеСИС                                            технологического
­                                                              оборудования
­                                      политехнического института
­                                   Пензенского государственного
­                                                               университета
 
Журнал “ТЕХНИКА ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА” • №4, 2018 г.