книги / Основы проектирования антенных конструкций

'зонтальные. Вибрацйя проводов происходит при ветре 0,5—11 м/с, при большей силе ветра регулярные колеба­ ния редки, амплитуды пренебрежимо малы.

Опасность обрыва проводов возрастает с ростом среднего эксплуатационного напряжения. Например, для

жения быстро растет рассеяние энергии от взаимного ■трения проволок провода, являющееся основными поте­ рями, поэтому регулярная вибрация слабо натянутых проводов не возникает. С ростом диаметра проволок в шроводе обрывы их ускоряются.

Для оценки опасности вибрации проводов высоко­ вольтных линий электропередачи введен угловой кри­ терий вибростойкости а, равный отношению амплитуды колебаний к длине полуволны [26]. Опасная вибрация

угол ато ^ З б -гЗ б ' и более для проводов пролетом ■ЗОО-т-500 м. Это характерно также для антенн длинных

: волн.

Провода и стальные канаты вибрируют в попереч­ ном к потоку направлении, каждая точка движется по ‘сложной сильно вытянутой по нормали к скорости пото­ па кривой. Устойчивая вибрация проводов и канатов на­ блюдается минуты и десятки часов, амплитуда непос­ тоянна, что объясняется турбулентностью потока. Про­ должительность вибрации увеличивается с ростом длины

пролета.

При сильном порывистом ветре — до 30 м/с, а чаще при скорости 8-f-20 м/с, обледенелые провода или кана­ ты колеблются с амплитудой до нескольких единиц мет­ ров. Такие колебания называются «пляской» или «гало­ пированием»; они происходят с частотой в доли или еди­ ницы герц. По пролету устанавливается одна—три полу­ волны. «Галопирование» наблюдается при ветре под углом к оси провода ±70° и более, иногда оно продол­ жается несколько часов. Например, наклонные прово­ лочные вибраторы коротких волн обрушились через не­ сколько часов после обледенения. Скорость ветра была 7-7-15 м/с. Вибрация обледенелых 'оттяжек мачты высо-

81

той 350 м привела к искривлению весьма мощных сталь­ ных деталей их крепления к анкеру, которые пришлось усиливать. Такие колебания наблюдались на многих мачтах, но преимущественно без изоляторов в пролете оттяжек.1

Вибрирующие стальные канаты или провода больших сечений возбуждают параметрические колебания гибких элементов опор, к которым они подвешены, например, тяги траверсы фидерной опоры (рис. 3.2). Раньше всего

ном месте, т. е. в зажиме или детали крепления к опорной 'конструкции. Сначала разрушаются наружные проволо­ ки, как наиболее напряженные и, кроме того, деформи­ рованные нажимными деталями для закрепления про­ вода. Вибростойкость нити зависит во многом от кон­ струкции поддерживающей или концевой арматуры. Коррозия мест контакта провода с зажимом приводит к образованию трещин, которые развиваясь, ускоряют об­ рыв проволок.

Арматура оттяжечных изоляторов, канатные втулки (муфты), концевые крепления, закладные детали анке­ ров оттяжек мачт являются более уязвимыми элемента­ ми, чем стальные канаты. Разрушения механических де­ талей, подвергающихся циклическим изгибающим наг­ рузкам, ускоряются концентраторами напряжений (тех­ нологическими и конструкционными). Возникновение больших изгибающих моментов в элементах крепления оттяжки к анкеру и стволу мачты, что характерно при «галопировании», приводит к их поломке. Место разру­ шения имеет характерный усталостный излом.

Мачты с трубчатым стволом колеблются не так уж редко. Например, мачта без сети высотой 200 м со ство-

62

лом диаметром 1,7 м при скорости ветра 8-г 10 м/с стала вибрировать с частотой около одного герца (рис. 3.3). С наибольшей амплитудой, равной 0,7 м (визуально) вибрировал средний пролет. Одновременно со стволом вибрировали оттяжки двух нижних ярусов (диаметр ка­ ната 28 мм). Частота колебаний (одна полуволна в про-

Рис. 3.3. Схема колебаний трубчатой мачты высотой 200 м

лете) около 0,5 Гц, амплитуда — до 4 м. Ствол вызвал вибрацию шарового шарнира опорного изолятора, что выражалось в сильном звуке низкого тона (И]. На время монтажа мачты вибрацию погасили дополнительной оттяжкой, закрепленной на среднем пролете ствола.

При ветре 4,5-ь5,1 м/с наблюдались колебания с ча­ стотой 0,69 Гц трубчатой мачты (диаметр ствола 1,5 м), высотой 154 м, с двумя ярусами оттяжек. При ветре 12 м/с ствол вибрировал по другой форме, частота по­ высилась до 1,63 Гц. В обоих случаях число Струхаля,

83

характеризующее поведение круглого цилиндра в пото­ ке, было 0,2 [27].

Трубчатая мачта высотой 200 м, расчаленная тремя ярусами оттяжек, продолжительное время колебалась с амплитудой 50-М00 мм. Скорость ветра З-т-7 м/с, из­ меренная частота 0,92 Гц (рис. 3.4а). Рядом расположен-

Рис. 3.4. Схема трубчатых мачт с гасителями:

а — с консолью (1), б — с дополнительной оттяж­ кой (2) I

ная такая же мачта, но с вибраторного типа телевизион­ ными антеннами наверху, не вибрирует.

Телевизионная башня высотой 182 м в виде слегка конической тонкостенной стальной оболочки, расширяю­ щейся к основанию (фундаменту), и с цилиндрической кабиной диаметром 8 м до установки гасителей-интер­ цепторов колебалась с амплитудой около 1 м [30]. Ско­ рость ветра была 10,7 м/с, частота 0,26 Гц, Ъисло Струхаля 0,2 (рис. 3.5а). Стрелками на рис. 3.5а указаны тре­ щины в оболочке, образовавшиеся вследствие вибрации. Интересно отметить, что подобной конструкции телеви­ зионная башня высотой 185 м, но без кабины, не колеб­ лется (рис. 3.56). Это можно объяснить меньшим диа: метром ствола, критическая скорость которого примерно 4 м/с, что оказалось недостаточно для возбуждения виб-

84

рации. Кроме того, колебания гасились наверху уста­ новленной решетчатой этажеркой с антеннами.

В стальных башнях с трубчатыми распорками, свя­ зями и диафрагмами с узловым закреплением их в виде горизонтальной фасонки (листовой шарнир), т. е. эле-

Рис. 3.5. Схемы телевизионных башен: а — высотой 182 м; б — 185 м

ментов с гибкостью 110 и более, стали замечать их виб­ рацию при скорости ветра 1-г-5 м/с (рис. 3.6). Например, у башни-антенны высотой 200 м распорка диаметром 273 мм и длиной 14,5 м колебалась с частотой 3 Гц и амплитудой 80 мм. Динамическое напряжение в трубе оказалось 12 кГ/мм2, что не мало для строительной ста­ ли. Подобные колебания трубчатых диафрагм диамет­ ром 152 мм с гибкостью 110^250 наблюдались у башен высотой до 125 м антенн СГД. Коротковолновые верти­ кальные трубчатые вибраторы диаметром 175 мм и дли­ ной до 18,5 м (выдвижные) не вибрируют в широком диапазоне скоростей ветра. Объяснением этому служит малая величина скорости — 0,23 м/с, необходимая для

85

возбуждения колебаний трубы по первой форме, колеба­ ния по второй (скорость 1,4 м/с) и третьей формам не наблюдались.

Штыревые антенны, характерные большими гибко­ стями (много сотен), вибрируют по второй и третьей формам, а не с основной часто­ той. -Нерегулярные качания их в направлении ветра или движения суммируются с 'поперечными, чем усложняется форме колебаний.

В решетчатых конструкциях башен ,и фидерных опор стали за­ мечать вибрацию, а затем и раз­ рушение узлов гибких стержней, выполненных из двух стальных •угольников тавром. Например,

тяга траверсы (ом. |рис. 3.2) вибрирует при .слабом вет­ ре, что довольно быстро приводит к разрушению свар­ ного узлового соединения. Интенсивная вибрация заме-

чема у гибкого раскоса из двух угольников -крестом. Э р и формы поперечного сечения гибких стержней являются аэродинамически неустойчивыми. Вибрация их особен­ но опасна, потому что она наблюдается в широком диа­ пазоне скоростей ветра, начиная е малых.

С появлением мачт с размещенной на них цилиндри­ ческой кабиной для оборудования радиорелейной линии прямой видимости (рис. 3.7) стали замечать «броски» кабины, аналогичные «рысканию» буксируемых судов (барж). Резкие перемещения кабины приводят к нару­ шению механической прочности оборудования и деталей его крепления. Вибрация кабины вызывает также не­ приятные физиологические воздействия на обслуживаю­ щий персонал. Частота и амплитуда вибрации оказы­ ваются иногда такими, при которых люди не могут находиться в кабине. Интенсивность «рыскания» зависит от податливости ближайшего к кабине узла яруса оття­ жек, с уменьшением которой амплитуда перемещений («бросков») кабины снижается.

У антенн со сплошным отражателем замечены регу­ лярные колебания при ветре. Срывы потока ветра с краев отражателя, периодически деформируя его поверх­ ность, снижают эффективность антенны. При углах отражателя 35-f-45° к потоку (см. рис. 2.4) возникают колебания всей конструкции, подобные срывному флат­ теру крыла самолета при критических углах атаки. Во­ обще у конструкций антенн с плоскими или слегка изог­ нутыми поверхностями возможны интенсивные вибрации их как тонкой пластинки в потоке жидкости. Местная вибрация оболочки не приводит сразу к ее поврежде­ ниям, но ухудшает как бы качество поверхности отража­ теля — он становится менее точным. Вибрация антенны, воздействуя на органы ее управления, понижает точ­ ность отсчетов положения, а при определенном соотно­ шении частот выводит из строя систему механизмов на­ ведения на корреспондента.

При несимметричном положении отражателя относи­ тельно направления ветра возникает момент, стремящий­ ся повернуть конструкцию вокруг вертикальной оси. В окрестности углов 70 и 130° к раскрыву антенны появ­ ляются пики момента. Снижение этого эффекта дости­ гается переходом к решетчатому отражателю, если это допустимо по технологическим соображениям [28 и 29].

У вращающихся антенн с отражателем в виде полного

87

или усеченного параболлоида возникают крутильные ко­ лебания вследствие появления при углах р около 60, 130, 250 и ЗОО-г-3200 четырех пиков крутящего момента относительно вертикальной оси. Этим понижается точ­ ность отсчетов положения антенны по азимуту. Внесение поправок в отсчеты затрудняется необходимостью учета воздействия любой комбинации положения антенны, ве­ личины скорости и направления ветра. Эффект сглажи­ вается обтекателями, закрылками, стабилизаторами в тыльной части, смещением оси вращения отражателя в направлении излучения, заключением антенны в радиопрозрачную оболочку [28 и 29]. Такой вид неустойчивости, не приводящий к поломкам конструкции и механизмов вращения, понижает надежность антенного устройства по деформациям. При некоторых скоростях ветра систе­ ма наведения антенны выходит из работы, если не были приняты необходимые меры.

А э р о д и н а м и ч е с к а я у с т о й ч и в о с т ь те л . Ре­ гулярная вибрация конструкций при ветре, т. е. явление аэродинамической неустойчивости, приводит к их разру­ шению, спустя несколько часов после ее возникновения или через больший 'промежуток времени, нонсе же во .'мно­ го раз меньше намеченного срока службы антенного устройства. Увеличение высоты и размеров антенны, об­ легчение конструкций в результате внедрения более проч­ ных материалов и совершенствования методики расчета привели ко всевозрастающему числу случаев аэродина­ мической неустойчивости. Отсутствие ясного представле­ ния о причинах и механизме вибрации строительных кон­ струкций приводит к увеличению запасов статической прочности. Такое мероприятие, не повышая существенно вибростойкости антенны, ведет лишь к непроизводитель­ ным тратам труда, материалов и средств.

Происхождение аэродинамической неустойчивости конструкций заложено в их форме, от которой в основ­ ном зависит их поведение в потоке. Даже небольшое из­ менение в деталях и 'очертании поверхности тела, ориен­ тации в потоке может перевести его из устойчивой области в неустойчивую и наоборот. Суждения об устой­ чивости, основанные на поведении аналогичных, но не тождественных даже в деталях, конструкций могут быть ошибочны. Например, достаточно было перейти к оттяж­ кам 'большего диаметра, как стала наблюдаться интен­ сивная вибрация их. Переход к стальным канатам с

68