книги из ГПНТБ / Каландадзе В.А. Колебания вагонов подвесных канатных дорог
.pdfвия, связанные, главным образом, с розой ветрсхв данной местности.
К сожалению, наиболее сильные ветровые нагрузки ха рактерны как раз для горной местности, где эти дороги име
ют наибольшее |
распространение. |
|
|
В свете сказанного ясна |
необходимость |
объективного |
|
научного и конструктивного подхода к этому |
актуальному |
||
вопросу. |
|
|
|
Имеющиеся |
в 'Специальной |
литературе материалы носят |
|
отрывочный характер. В основном это отдельные конструк тивные предложения ,и патенты, <к рассмотрению 'которых мы перейдем ниже.
К основньї'М причинам, вызывающим .колебания вагонов
ППКД |
можно |
отнести: |
|
|
|
||
|
1. Инерционные силы, особо ошютимые в период ускоре |
||||||
ния .и |
замедления |
дороги. |
|
|
|
||
|
2. |
Возмущения, |
вызываемые |
ветром. |
Этот вид |
возму |
|
щений |
особенно |
трудно поддается |
'количественной |
оценке |
|||
151, |
62]. Амплитуда |
раскачивания |
вагона |
зависит не |
только |
||
от |
скорости ветра, но и от целого |
ряда сопутствующих фак |
|||||
торов: угла между осью дорога и направлением ветра, аэро динамических свойств вагона, его загрузки и т. д.
Меры |
борьбы |
с |
возмущающим воздействием ветра |
в |
||||
настоящее |
время |
сводятся к |
приданию |
вагону |
обтекаемой |
|||
формы и, при возможности, |
к выбору |
трассы |
дороги |
в |
от |
|||
носительно защищенных от ветра местах 14, 14]. |
|
|
||||||
Действующими правилами [41] запрещается , работа до |
||||||||
роги при скорости |
ветра свыше 15 м/сек для маятниковых и |
|||||||
до 10 м/сек для кольцевых |
ППКД. |
|
|
|
|
|||
3. Искривление трассы в плане, иногда применяемое в |
||||||||
зарубежной |
практике |
(напр. на французской дороге |
Эгиль |
|||||
дю Миди искривление трассы в плане ,на одной из опор сос тавляет 9°), а также ряда второстепенных причин (переме щение пассажиров в вагоне и пр.).
Рассматривая причины, вызывающие колебания, можно сделать заключение о множественности влияющих факторов,
причем, некоторые из них практически |
не устранимы. Поэто |
|
му нам представляется целесообразным обратить |
основное |
|
внимание на уменьшение амплитуды колебания вагона. |
||
§ 2. Основные предпосылки к анализу |
процесса |
колебаний |
вагона |
|
|
Вагон совместно с подвеской, ходовой тележкой, несу щим и тяговым канатами представляет довольно сложную механическую систему.
В этой системе можно выделить две части. К одной из
этих частей относятся несущий и тяговый канаты с натяжны ми устройствами и приводом, к другой — вагон, колеблю щийся вокруг точки подвеса. В результате взаимодействия этах частей, точка подвеса вагона не является неподвижной и кроме поступательного движения вдоль оси каната, опре деляемого программой управления, испытывает еще колеба ния в трех плоскостях. Наиболее значительным 'колебаниям подвержена эта точка подвеса в плоскости, перпендикуляр кой к оси несущего каната. Провес каната приводит к коле баниям точки подвеса и самого вагона вдоль его вертикаль ной оси. Однако эти колебания не представляют опасности для движения и ввиду большого периода не ощущаются пас сажирами. Поэтому, в дальнейшем они нами не рассматри ваются.
Некоторую опасность представляют поперечные 'колеба ния несущего и тягового канатов, которые осложняют кар тину поперечных колебаний вагона. Вагон колеблется вокруг точки подвеса, .которая в свою очередь совершает колебания с другой частотой и амплитудой, определяющимися, в ос новном, величиной стрелы провеса несущего каната.
Анализ подобной системы осложняется тем, что. несущий канат представляет собой элемент сложной кривизны с рас пределенной массой н гибкостью, причем, кривизна каната яв ляется довольно сложной функцией как веса каната, так и веса и положения вагона на трассе. Даже при статических расчетах канатных дорог приходится делать ряд допущений, значительно упрощающих действительную .картину работы каната.
В первом приближении можно представить систему в виде двойного маятника, в котором роль верхней части ис полняет несущий канат, а нижней — подвеска вагона.
В действительности же колебания несущего каната силь но демпфируются благодаря тому, что возмущения, прило женные вдоль всей поверхности каната юередняются и до некоторой степени взаимно погашаются. При таком допу щении можно прийти к выводу об относительной безопас ности колебания несущего .каната.
Провес каната практически всегда намного больше дли ны подвески вагона. Величина провеса обычно бывает по рядка десятков метров, длина же подвески вагона состав ляет 2—3 м. Поэтому период •колебания каната всегда в несколько раз больше, чем период собственных колебаний вагона. Такие сравнительно медленные колебания оказыва ют меньшее физиологическое воздействие на пассажиров. Кроме того, эти колебания мопут проявляться, главным об разом, только в пролете, а на опорах полностью прекра щаются.
В 'Связи с "изложенным, представляется целесообразным ограничиться рассмотрением продольных и поперечных ко лебаний ваїтона и в первой приближении пренебречь коле баниями точки его подвеса.
Принципиальной особенностью рассматриваемого объек та является относительно небольшая величина равнодейст вующей сил трения, приведенной к центру тяжести вагона. Она складывается из аэродинамического сопротивления ва гона и трения в цапфах три продольном колебании, или тре
ки я на |
контакте между ходовыми роликами и несущим |
кана |
||||
том — |
при поперечном |
колебании. |
|
|
||
Обтекаемая форма |
вагонов, применяемая с целью умень |
|||||
шения |
лобового сопротивления и уменьшения ветровых |
на |
||||
грузок |
здесь приводит |
к нежелательному снижению |
коэф |
|||
фициента затухания |
свободных |
колебаний. |
|
|
||
Искусственное |
увеличение |
коэффициента |
затухания |
|||
сравнительно просто может быть достигнуто лишь для одной составляющей колебательного процесса, именно для про дольных колебаний. В этом случае ходовая тележка, удер живаемая весом вагона в фиксированном положении отно сительно оои несущего каната может воспринять реакцию демпферного устройства. В случае же поперечных колеба ний реакция демпферного устройства не может быть переда на канату.
Из изложенного уже ясно, что в первом случае вполне эффективным решением может быть применение механичес кого демпфера, связывающего вагон с ходовой тележкой или с тяговым канатом, который также способен восприни
мать реакцию демпфера. |
|
В случае же поперечных колебаний требуется |
изыска |
ние особых методов и конструктивных решений. |
|
Из-за принципиальной разницы в возможностях |
и путях |
•подхода к вопросу демпфирования продольных и поперечных колебаний в дальнейшем эти колебания рассматриваются раздельно.
§ 3. Пути уменьшения продольных колебаний вагонов
ППКД. Состояние вопроса
В разных отраслях техники широко применяются гаси тели колебаний, действие которых.основано на поглощении энергии колебаний резиспигаными устройствами: фрикцион ными, пневматическими, гидравлическими, электромагнит ными и др. Теория этих устройств детально разработана [8, 11, 13, 17, 40, 44, 45, 501.
Чаще других применяются механические фрикционы с трущимися поверхностями и .гйідравл'ичеакие депферы. И те
12
и другие получили применение на подвесных канатных до рогах для гашения продольных колебаний [61, 651.
Так, например, на пассажирской подвесной канатной дороге Унтербергбан под Зальцбургом (Автрия), на оси, соединяющей подвеску вагона с ходовой тележкой, уста новлен дисковый фрикционный гаситель [7]. Фрикцион состо
ит из нескольких подвижных и "неподвижных дисков, поме |
||||||||
щенных |
в |
закрытый корпус .и |
прижимаемых |
друг |
•к другу |
|||
пружиной |
и регулировочной гайкой. |
|
і |
|
||||
|
|
|
||||||
Наибольшее распространение |
получили |
|
|
|||||
гидравлические гасители демпферы. |
|
|
|
|||||
Для |
|
гашения |
продольных |
колебаний |
|
|
||
подвесных |
сидений кресельных |
одноканат- |
|
|
||||
ных дорог Т. Соудер [67] применил гидра |
|
|
||||||
влический демпфер, шток с поршнем кото- |
, |
|
||||||
рого жестко закреплен |
с тяговым |
(он же |
|
|
||||
несущий) |
|
канатом, |
а цилиндр с |
подвеской |
|
|
||
кресла. |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
При |
отклонении |
кресла от |
положения |
-і |
|
|||
равновесия |
изменяется |
расстояние |
между |
|
||||
|
|
|||||||
дном цилиндра н поршнем, что и приводит к эффекту гашения колебаний, зависящим от степени демпфирования гидравлической системы.
На тбилисской ППКД «пл. Руставели
— плато Мтацминда» проектной организацией первоначально был установлен гидра влический демпфер двойного действия, прин цип работы которого заключался в следую щем (рис. 1). Цилиндр демпфера 1 шарнирно закреплен с крышей вагона, а шток 2— с ходовой тележкой вагона. В процессе колебания вагона, рабочая жидкость (масло) перетекает поочередно в нижнюю или верх нюю полость цилиндра. При этом в случае
k.
№<5
3
у/
Рис.1. Гидравлический демпфер двойного действия
движения поршня вниз, жидкость из нижней полости через пат рубок 4 и вентиль 5 перетекает в верхнюю полость, а при дви жении поршня вверх—в нижнюю.
Основным недостатком фрикционных демпферов, при менительно к вагонам ППКД является нелинейная завиеи-
мость между силой прения и скоростью. |
Эта |
зависимость |
||
имеет вид характеристики сухого трения, ввиду |
чего |
демпфер |
||
приобретает подвижность лишь при определенных |
усилиях. |
|||
Если фрикционный демпфер отрегулировать для случая, |
||||
когда вагон загружен максимально, |
то |
при |
минимальном |
|
числе пассажиров вагон, отклоняясь в начале |
движения, из- |
|||
за большого сопротивления демпфера |
останется в |
'наклон |
||
ном положении. Бели же демпфер отрегулировать на мини мальную нагрузку вагона, то он при максимальной загрузке вагона окажется малоэффективным.
В гидравлических демпферах зона сухого трения сведе на к минимуму и в целом их характеристика гораздо более благоприятна. Сравнительно проста и их регулировка.
|
Серьезным недостатком известных конструкций гидрав |
||
лических димпферов является утечка масла через |
сальники, |
||
в результате чего демпфер требует частых ревизий |
и |
налад |
|
ки |
гл. |
|
|
|
Отмеченный недостаток устранен в предложенной |
нами |
|
09, |
24] и внедренной на ряде дорог конструкции |
гидравли |
|
ческого демпфера, которая будет рассмотрена в гл. I I I .
§ 4. Пути уменьшения поперечных колебаний вагонов ППКД.
|
Состояние |
вопроса |
|
В вопросах гашения продельных и поперечных колеба |
|
ний, |
как отмечалось выше, имеется принципиальная разница. |
|
|
Если гашение продольных колебаний можно осущест |
|
вить |
пользуясь демпферными |
устройствами в системе «сва- |
гон-ходовая тележка-кават», |
то возможность применения |
|
таких устройств для гашения поперечных колебаний исклю чается ввиду отсутствия «точки опоры» (точка приложения демпфера). В этом случае задача осложняется. Вагон, ходо вая тележка и ка«ат представляют одну колеблющуюся сис тему.
Колебания вагона во многом схожи с колебаниями (кач кой) морских судов, что дает нам повод привести здесь крат кий обзор инженерных решений этой задачи: защиты экипа
жа, пассажиров и самого судна от качки |
во время шторма. |
|||
Гибель |
большого |
числа судов из-за |
бортовой |
качки |
привлекало |
внимание |
большого числа ученых, инженеров и |
||
изобретателей, которые неоднократно |
пытались |
создать |
||
устройство для уменьшения качки всего |
судна или |
отдель |
||
ных его помещений. |
|
|
|
|
Исторически первым успокоителем качки оказались вы ступающие части судна в виде килей разных типов ПО]. На пример, боковые кили в виде плоских продольных ребер ус танавливались на судах уже в первой половине XIX века и
14
заслужили репутацию весьма эффективных и конструктивно
простых устройств. С тех пор |
они применяются без |
каких-ли |
||||||
бо принципиальных изменений. |
|
|
|
|
||||
К. Сулас (1904 г.) изобрел качающуюся постель с пово |
||||||||
ротными цапфами, а Е. Паперный |
(1929 г.) — |
пароходный |
||||||
стул, |
обеспечивающий |
вертикальное |
положение |
сидящего |
||||
[56, |
57]. |
|
|
|
|
|
|
|
Однако |
приоритет |
стабилизации |
отдельных |
элементов |
||||
судна принадлежит не им. Еще в 1875 |
году Бессемер сделал |
|||||||
попытку защитить от бортовой качки |
каюту |
на |
пароходе, |
|||||
названном |
его именем |
«Бессемер» |
(рис. 2). А |
через 27 лет |
||||
инженер Шмидт разработал |
конструкцию, уменьшающую и |
|||||||
Рис. 2. Стабилизатор качки судов Бессемера
вертикальные колебания. Каюта покоится на штоках порш ней, а цилиндры установлены в качающихся около цапф рамах. Нижняя полость цилиндров сообщается с резервуа ром постоянного давления.
Наиболее известны устройства, использующие энергию забортной воды.
К этой мысли изобретатели пришли давно; первые ус
покоительные цистерны системы |
Уотса были |
установлены |
еще в 80-х тодах прошлого века на британском |
броненосце |
|
«Инфлексити». Как только судно |
клонилось на |
бок, в них |
набиралась забортная вода. Когда ветер и волны начинали кренить корабль в противоположную сторону, наполненные цистерны становились своеобразным противовесом. После усовершенствования плоских цистерн Уотса И. Бубновым, они были установлены на ледоколе «Ермак» и применены на многих иностранных судах.
Известный флотоводец адмирал С. О. Макаров в работе «Рассуждения по вопросам морской техники», опубликован ной в 1894 году, сформулировал идею пассивных жидкостных
Рис. 3. Цистерны Фрама 1-го рода
U-образных успокоительных цистерн. Вначале их применяли
за границей, |
а позднее — |
при |
постройке |
крейсеров типа |
||||
«Измаил», |
«Адмирал |
Нахимов», |
эскадронных |
миноносцев |
||||
типа «Новик» |
— |
и в |
России. |
|
|
|
||
Идею |
С. |
О. |
Макарова |
впоследствии |
развил |
инженер |
||
Г. Фрам, который в 1908 году запатентовал пассивные цис
терны |
1-го рода |
(рис. 3), а затем цистерны |
2-го |
рода |
|
(рис. |
4). |
|
|
|
|
Источником стабилизирующего действия пассивных цис |
|||||
терн служит вес жидкости, |
перемещающейся с одного |
борта |
|||
к другому под влиянием качки. |
|
|
|||
Цистерны 1-го рода в нижней части соединяются водя |
|||||
ным каналом, а в |
верхней |
части — воздушным. |
Цистерны |
||
2-го рода отличаются тем, что вместо водяного соединитель ного канала они сообщаются с забортной водой.
Описанные успокоители качки называются пассивными,
поскольку в них |
перемещение воды пли грузов происходит |
иод действием |
силы тяжести. |
Наряду с ними создавались проекты активных успо коителей, в которых перемещения уравновешивающихся масс производились принудительно.
В 1933 году с целью дальнейшего усовершенствования жидкостных цистерн германская ф,ирм.а «Сименс» снабдила их механизмами, вызывающими принудительное протекание жидкости (турбовоздуходувки, насосы переменной произво дительности). Цистерны с этими механизмами были широко распространены в некоторых флотах 1361.
Еще в конце XIX века были изобретены успокоители с твердыми перемещающимися грузами, принцип действия ко торых в сущности такой же, как и у жидкостных цистерн.
Рис. 4. Цистерны Фрама 2-го рода
Но если у цистерн для создания противокренящих усилий приходится перемещать довольно большие .объемы жидкости, то объемы твердых грузов оказываются намного меньшими.
В 1930 году К- Розенштейн предложил устройство, в ко тором каналом для перемещения грузов служит труба с со леноидной обмоткой (рис. 5), включавшейся в электрическую цепь под действием качки. Магнитное поле увлекает сердеч ники в направлении крена судна, а его корпус реактивно стремится в обратную сторону.
Отто Шлик (1903 г.) предложил принципиально новый гироскопический успокоитель качки в виде маятника с двумя
степенями свободы. |
Его теорию впоследствии разработал |
А. Н. Крылов [32, |
37]. |
2. В. А. Каландадзе
В начале XX века гиростабилизаторы получили некото рое распространение. Одним из крупнейших судов, снабжен-
Рис. 5. Стабнзилатор качки судна Розенштейна
ных ими, был итальянский лайнер «Канте де Савойя». Ста билизаторы располагались в корпусе корабля несколько ни-
|
Рис. 6. Гироскопический стабилизатор Шлика |
||||
же |
ватерлинии |
под |
капитанским |
мостиком и |
весили около- |
300 |
т (1,5% от веса |
судна) (рис. |
6). |
|
|
|
Дж. Белл |
[59, |
60], рассматривая системы |
стабилизации |
|
качки кораблей, указывает на большое число попыток ис-
18
