СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ БУЙ Российский патент 1997 года по МПК B63B22/18 

Изобретение относится к области плавучих конструкций для естественных водоемов, а более конкретно к стабилизированным буям, и может быть использовано, например, в автономных станциях для гидрометеорологической информации и контроле загрязнения водной и воздушной сред, а также может быть использовано в системах гидрографического обеспечения водоемов.

Известен стабилизированный буй, содержащий плавучий цилиндрический корпус с мачтой для размещения на ней измерительных устройств, а также демпфирующую платформу, связанную с нижней частью цилиндрического корпуса и ориентированную плоскостью максимального сечения ортогонально к оси этого корпуса (патент США N 3727248, В 63 B 21/52, 1973). Причем в этом известном буе платформа связана с корпусом буя жестким креплением, а мачта также жестко скреплена с корпусом.

Динамические свойства известной конструкции буя соответствуют свойствам динамических систем 1-го порядка. У таких систем крутизна затухания на срезе амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) не превышает 6 дБ/октаву. Т.е. граница между отслеживаемыми и демпфируемыми колебаниями поверхности оказывается сильно "растянутой". При необходимости проведения измерений вариаций гидрометеорологических величин в частотной области, близкой к частоте среза АЧХ буя, эта особенность становится очень важным недостатком, поскольку обуславливает резкое возрастание погрешности измерения этих вариаций.

Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении крутизны затухания на срезе амплитудно-частотной характеристики буя с одновременным улучшением стабилизации мачты в области демпфируемых частот колебаний.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированном буе, содержащем плавучий цилиндрический корпус с мачтой и размещенными на ней измерительными устройствами, а также демпфирующую платформу, связанную с нижней частью цилиндрического корпуса и ориентированную плоскостью максимального сечения ортогонально к оси этого корпуса, эта демпфирующая платформа связана с корпусом буя посредством демпфирующих элементов, выполненных, например, в виде цилиндрических пружин, а мачта расположена соосно корпусу, при этом суммарная жесткость демпфирующих элементов определена соотношением

где
m_б полная масса буя;
τ_в задаваемый минимальный период отслеживаемых буем колебаний поверхности водоема.

Мачта может быть установлена в продольном осевом отверстии корпуса буя с возможностью свободных перемещений вдоль оси этого отверстия и скреплена своим нижним концом с демпфирующей платформой.

Сущность изобретения пояснена на чертеже.

Стабилизированный буй содержит цилиндрический корпус 1 с положительной плавучестью. В продольном осевом отверстии корпуса 1 соосно с ним установлена мачта 3 с размещенными на ней измерительными устройствами, например, 4 и 5. С нижней частью корпуса 1 связана демпфирующая платформа 6, ориентированная плоскостью максимального сечения ортогонально к оси корпуса. Платформа 6 связана с корпусом 1 посредством демпфирующих элементов 7, выполненных, например, в виде цилиндрических пружин. Возможно выполнение их также в варианте гидравлических систем, обладающих характеристикой, эквивалентной жесткости цилиндрической пружины. Эта жесткость W₀ в соответствии с указанным выше соотношением одназначано связана с массой буя m_б и минимальным периодом τ_в отслеживаемых колебаний поверхности 8 водоема от среднего положения 2.

Демпфирующие элементы 7 целесообразно разместить по окружности платформы 6 через одинаковые дуговые расстояния, например четыре демпфера через 90^o. Внутри пружин 7 также целесообразно установить направляющие 9, свободно перемещающиеся в соответствующих соосных с ними отверстиях платформы 6. Это позволяет устранить горизонтальные смещения платформы 6 относительно оси корпуса при воздействии на платформу гидродинамических факторов.

Своей верхней частью демпферы 7 закреплены в жесткой кольцевой опоре 10, скрепленной набором штанг 11 с нижней частью корпуса 1 буя.

Для некоторых решаемых с помощью буя задач мачта 3 может быть непосредственно скреплена с корпусом 1 буя, в частности это целесообразно при использовании распределенных в пределах приводного слоя интегральных гидрометеорологических преобразователей. Для большинства же обычно решаемых задач наиболее целесообразна повышенная стабилизация только одной мачты, а не мачты совместно с корпусом буя. Для обеспечения такой повышенной стабилизации мачты 3 в области демпфирующих частот колебаний поверхности 8 эту мачту 3 наиболее целесообразно установить в осевой цилиндрической прорези корпуса 1 с возможностью перемещений вдоль его оси, например, с помощью группы подпружиненных подшипников 12. Своей нижней частью мачта 3 закрепляется на платформе 6. Это закрепление целесообразно выполнить нежестким, например, с использованием карданной системы 13, чтобы избежать деформаций места закрепления при нарушениях ортогональности плоскости максимального сечения платформы 6 и оси мачты из-за неравномерного действия на платформу 6 и корпус 1 гидродинамических факторов. Буй может быть использован как свободно-дрейфующий, так и заякоренный посредством буйрепа 14, эквивалентная масса которого учитывается при расчете жесткости демпфирующих элементов.

Буй функционирует следующим образом.

При колебаниях поверхности водоема на корпус 1, имеющий положительную плавучесть, действует периодически изменяющаяся архимедова сила. Возрастание этой силы приводит к стремлению буя двигаться вверх, однако этому движению препятствует наличие платформы 6, обладающей большим гидродинамическим сопротивлением. При этом ограничены также боковые движения (наклоны) благодаря существенному превышению центра плавучести системы корпус платформа над центром тяжести.

Наличие демпфирующих элементов 7, делает динамические свойства стабилизированного буя эквивалентными свойствам системы второго порядка с затуханием на срезе амплитудно-частотной характеристики буя не менее 12 дБ/октаву.

Сущность изобретения: стабилизированный буй содержит плавучий цилиндрический корпус с мачтой для размещения на ней измерительных устройств, а также демпфирующую платформу, связанную с нижней частью корпуса посредством демпфирующих элементов и ориентированную плоскостью максимального сечения ортоганально к оси этого корпуса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стабилизированный буй преимущественно для гидрометеорологической станции, содержащий плавучий цилиндрический корпус с мачтой для измерительной аппаратуры, а также демпфирующую платформу, связанную с нижней частью цилиндрического корпуса и ориентированную плоскостью максимального сечения ортогонально продольной оси этого корпуса, отличающийся тем, что демпфирующая платформа связана с корпусом посредством демпфирующих элементов, выполненных преимущественно в виде цилиндрических пружин, а мачта расположена соосно с корпусом, при этом суммарная жесткость W₀ демпфирующих элементов определена соотношением

где m_б полная масса буя;
τ_в - задаваемый минимальный период отслеживаемых буем колебаний поверхности водоема. 2. Буй по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический корпус выполнен с продольным осевым отверстием, а мачта установлена с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия и связана своим нижним концом с демпфирующей платформой.