Способ демпфирования сейсмоопасных и виброопасных сооружений и конструкций Российский патент 2023 года по МПК E04B1/98 E02D27/34 E04H9/02 

Область техники

Изобретение относится к области сейсмоопасных и виброопасных сооружений и конструкций, при эксплуатации которых требуется эффективное снижение вибраций.

Изобретение может быть использовано для демпфирования железнодорожных вагонов, мостов, промышленных и гражданских строительных сооружений.

Особенно эффективно применение изобретения в сейсмоопасных районах земли, где, с одной стороны, к инженерным сооружениям предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации конструкций, а с другой стороны, они являются дорогими и трудоемкими в изготовлении при повышении их сейсмостойкости.

Уровень техники

Перспективным направлением в настоящее время является развитие и освоение новых регионов, в т.ч. сейсмоопасных, богатых залежами полезных ископаемых. Эти районы в настоящее время активно осваиваются, ведется промышленное и гражданское строительство: возводятся производственные предприятия, мосты, железные дороги.

При проведении работ возникают проблемы обеспечения безопасной эксплуатации при наличии вибраций и сейсмической активности. Это требует особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств их защиты для обеспечения надежности их эксплуатации.

Для решение этих задач используются большое многообразие материалов, приспособлений, устройств. Основной недостаток такого подхода заключается в том, что каждое приспособление решает свой, ограниченный круг задач и, зачастую, может возникнуть аварийная ситуация.

Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводят к снижению надежности эксплуатации конструкций.

Как показывает статистика и зафиксировано Указом Президента Российской Федерации от 06.05.2018 г. №198 «Сравнительный анализ показателей аварийности за период с 2005 по 2019 год свидетельствует об общих тенденциях повышения уровня безопасности… Так, за указанный период общее количество аварий снизилось… на 32 процента, количество несчастных случаев… на 61 процент».

Вместе с тем 60-70 процентов оборудования, применяемого на опасных производственных объектах, отработало свои нормативные сроки службы. При таких условиях социально-экономический ущерб от аварий может оцениваться в 600-700 млрд. рублей в год, что негативно скажется на экономической стабильности Российской Федерации».

В этом же указе подчеркивается «Целями государственной политики в области промышленной безопасности являются предупреждение аварий и инцидентов… в т.ч. минимизация человеческого фактора…, внедрение научно-технических достижений и передового опыта в целях обеспечения промышленной безопасности, разработка и внедрение единых критериев оценки рисков аварий на промышленных объектах и т.п.».

В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время экономически затруднено.

В этой связи большое значение приобретают новые подходы к повышению сейсмо- и виброустойчивости.

Известны способы, устройства и материалы для повышения надежности эксплуатации конструкций в условиях сейсмической активности и вибраций.

Так виброшумопоглощающий листовой материал (RU 2368630, МПК C08L 95/ 00, C08K 3/26, опубл. 27.09.2009) выполнен из композиции на основе нефтяного битума, пластификатора, смолы, наполнителя - мела. Материал включает смолу стирольно-инденовую, получаемую из кубовых остатков ректификации сырого бензола и смолы пиролиза, а также из полимеров бензольного отделения, пластификатор - ди-(2-этилгексил)-фталат и дополнительно включает наполнители - слюду флогопит молотую для металлургической промышленности марки СМФФ-160 и слюду дробленую марки СДФ-3, микросферы, получаемые из водной суспензии золы тепловой электростанции, микроволластонит фракционированный, полученный путем измельчения, а также некондиционную базальтовую вату. Недостаток его - низкий коэффициент потерь и узкий температурный диапазон.

Герметизирующая мастика (RU 2421497, МПК C09K 3/10, C08L 23/20, C08L 23/28, C08K 3/22, В32В 15/06, В32В 25/18, опубл. 20.06.2011) включает хлорбутилкаучук, полиизобутилен, агент липкости - эфир глицериновый талловой канифоли, упрочняющий полимер - отходы полиэтилена, технический углерод П-803, тиксотропную добавку - асбест, пластификатор - трихлорэтилфосфат, антипирены меламин и борат цинка, наполнители, аппретированные синтетическими жирными кислотами - гидроксид алюминия и гидроксид магния, шунгит, вулканизующий агент - парахинондиоксим, оксид марганца. Вибропоглощающий полимерный материал на основе мастики включает основу из алюминиевой фольги и слоя герметизирующей мастики, защищенной антиадгезионной бумагой. К недостаткам известного материала относится обеспечение эффективного вибропоглощения только в диапазоне положительных температур.

Еще одна полимерная композиция вибродемпфирующих блоков, применяемых в транспортных средствах, включает бутилкаучук, этиленвинилацетат, регенерированный каучук, наполнители - волокна бумаги, акриловые волокна, мел, известь (US 4838939, C08K 07/02, Publication Date 06/13/1989).

Вибропоглощающий материал и автомобильный звукоизоляционный материал на его основе, включает битум, бутилкаучук, этиленвинилацетат, масло и наполнитель - мел (US 5094318, В32В 07/02, Publication Date 03/10/1992). К недостаткам импортных материалов следует отнести низкий коэффициент потерь и неэффективность вибропоглощения в области отрицательных температур.

Вибродемпфирующий блок (RU 36869, МПК F16F 13/00, F16F 1/40, опубл. 27.03.2004) содержит пластины фольги и связанные с ними прослойки полимерной композиции, включающей в себя синтетический каучук, пластификатор, вулканизирующий агент, наполнитель Известное решение имеет недостаточный коэффициент потерь и узкий температурный диапазон эффективного вибропоглощения.

В патенте на полезную модель №57753 опубл. 27.10.2006 г. раскрыто покрытие, имеющее в своем составе слой, обладающий упругими свойствами и выполненный на основе резиновой крошки и полимерного связующего, отличающееся тем, что дополнительно содержит основу, выполненную из асфальта, или бетона, или металла, или плит дорожного покрытия, или дерева, или застывших строительных композиций, или синтетических рулонных материалов, а нанесенный на основание слой, обладающий упругими свойствами, имеет открытые сообщающиеся поры размером от 0,1 до 5 мм, его толщина составляет 5-80 мм и он получен уплотнением слоя резиновой крошки, частицы которой предварительно покрыты связующим с последующей полимеризацией связующего, при этом размер частиц основной фракции резиновой крошки составляет 0,5-10 мм, соотношение исходных компонентов составляет: на 100 мас. ч. резиновой крошки от 5 до 60 частей полимерного связующего.

Вибродемпфирующий блок (патент №2538270, опубл. 10.01.2015) для автомобилей содержит одну или несколько пластин фольги и связанных с ней прослоек полимерной композиции, включающей в себя синтетический каучук, пластификатор и наполнители. Полимерная композиция дополнительно содержит битум, модифицированную эпоксидную смолу, кислоту стеариновую техническую и смесь диатомита, модифицированного с тальком в соотношении 1:4, а в качестве наполнителя содержит мел, белила цинковые и технический углерод, при соответствующем соотношении компонентов. Толщина пластин фольги равна 0,1-0,3 мм. Полимерная композиция, имеющая толщину 1,0-2,0 мм, защищена с внешней стороны антиадгезионным покрытием. Изобретение позволяет повысить эффективность вибропоглощающих свойств в диапазоне от -20 до +60°С, упростить монтаж материала на различных покрытиях, уменьшить массу блока.

Из патента №2550777 известен «Сейсмостойкий мост», опубл. 10.05.2015, который включает пролетные строения, опоры и соединенные с ними сейсмоизолирующие устройства, по меньшей мере одно из которых выполнено составным, включающим не менее двух последовательно соединенных элементов. Хотя бы один из элементов выполняется гибким, податливым в горизонтальном направлении и обеспечивает сейсмоизоляцию и сейсмогашение колебаний при относительно частых расчетных землетрясениях, относимых к проектным, а соединение элементов выполнено скользящим и включает фрикционно-подвижные болтовые соединения из пакета стальных листов с овальными отверстиями, через которые пропущены высокопрочные болты. Технический результат - повышение надежности эксплуатации и срока службы строения, а также повышении эффективности гашения колебаний опоры моста, вызванных сейсмическими колебаниями в любом в заданном расчетном диапазоне уровня воздействия.

Как видно из приведенного выше перечня патентных документов в уровне техники имеется много решений вопрос для повышения сейсмо- и виброустойчивости. Однако их общий недостаток - узкая направленность, они предназначены для конкретного изделия или конструкции и не могут применяться к другим объектам, что вызывает необходимость для каждого защищаемого объекта проводить исследования и создавать свои системы защиты, что экономически нецелесообразно.

На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании универсального подхода к повышению надежности эксплуатации инженерных сооружений в условиях сейсмической и вибрационной активности.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании универсального способа защиты инженерных сооружений, эксплуатируемых в условиях сейсмической и вибрационной активности.

Т.е. изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в снижении влияния вибрационных и сейсмических нагрузок на инженерные конструкции.

Технический результат достигается за счет того, что способ демпфирования сейсмоопасных и виброопасных конструкций с использованием соприкасающихся объемных структур, заключается в том, что: выбирают материал объемных структур, соприкасающихся контактными поверхностями в демпфирующем объеме, выбирают топологию соприкасающихся объемных структур таким образом, чтобы обеспечить максимальную концентрацию контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур, создают демпфирующий объем из соприкасающихся объемных структур, укладывая соприкасающиеся объемные структуры между демпфируемыми поверхностями, в соответствии с топологией, равномерно обжимают демпфирующий объем из соприкасающихся объемных структур для регулирования величины его собственной частоты, обеспечивают условия для вывода жидкости из демпфирующего объема соприкасающихся объемных структур, размещая защитный материал, при этом контактные поверхности представляют собой поверхности соприкасающихся объемных структур, а также трещины и пустоты между ними, для выбора материала и топологии соприкасающихся объемных структур измеряют параметры готовых соприкасающихся объемных структур с использованием метода и аппаратуры неразрушающего контроля, фиксируют качественные и количественные параметры для этих структур, а материал и топологию выбирают по результатам измерений.

Технический результат усиливается за счет того, что материал и топологию объемных структур выбирают, исходя из линейных размеров одной объемной структуры не менее 25-40 мм. Для настройки аппаратуры неразрушающего контроля определяют эталонные значения параметров внутренних контактных поверхностей объемных структур.

В качестве эталонных значений параметров контактных поверхностей объемных структур принимают минимальные значения, которые определяют следующим образом: осуществляют исследование материалов соприкасающихся объемных структур в области контактных поверхностей объемных структур с шагом интервала Δs от начала контактной поверхности i=1, до ее окончания i=Ν, где i - номер интервала, N - количество интервалов, на каждом i-м интервале измеряют толщину δ_ji реального зазора между контактными поверхностями с шагом Δа от начала выявленного зазора до его окончания в точках j=1, 2, 3, …, j_max, где j_max - количество точек измерения толщины величины зазора на i-м интервале, из измеренных значений δ_ji выбирают максимальное δ_ji(max) и минимальное δ_ji(min) значения, разбивают подинтервал {δ_ji(mix); δ_ji(max)} на «Ρ» интервалов, k=1, 2, 3, …, Р, где k - номер интервала, определяют значение протяженности внутреннего зазора между контактными поверхностями объемных структур S_k(i.j), соответствующее k-му интервалу толщины внутреннего зазора

- формируют зависимость F(S δ,)=0 или

где F - функция зависимости величины площади внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур от их толщины, решая уравнение F(S,δ)=δ_min определяют значение минимальной протяженности внутреннего зазора контактных поверхностей объемных структур S_min, соответствующее минимальной толщине δ_min внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур в демпфирующем объеме.

Для повышения эффективности демпфирования объем одного демпфирующего пласта в составе демпфирующего объема выбирают в 15-20 раз меньше общего демпфирующего объема на основе соприкасающихся объемных структур.

Количество и тип материалов, топологию соприкасающихся объемных структур и соответствующую им величину демпфирования обеспечивают, исходя из технологической безопасности конструкции.

Увеличивают общую площадь контакта конструкции и демпфирующего объема в зоне демпфирования.

Соприкасающиеся объемные структуры имеют прямоугольную, округлую форму.

Контактные поверхности представляют собой поверхности соприкасающихся объемных структур, а также трещины и пустоты между ними.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где:

на фиг. 1 приведена фотография стенда для экспериментальных исследований демпфирующей среды в виде слоя гравия;

на фиг. 2 приведена фотография стенда для экспериментальных исследований демпфирующей среды в виде многослойного композитного материала;

фиг. 3 - это фотография процесса обжатия (расклинцовка) соприкасающихся объемных структур системы в виде гравия;

фиг. 4 - фотография железнодорожного моста реального внедрения заявляемого способа демпфирования сейсмоопасных и виброопасных сооружений и конструкций для натурных исследований эффективности способа;

фиг. 5 - графики прогиба моста под действием проходящих грузовых поездов до и после укладки демпфирующей среды в соответствии с заявляемым способом;

фиг. 6 - схема действия усилий на соприкасающиеся объемные структуры в процессе экспериментальных исследований;

фиг. 7 - график в условных единицах характеристики импульсных вибрационных воздействий от источника возбуждения;

фиг. 8 - график в условных единицах - характеристики импульсных вибрационных воздействий после демпфирующей среды;

на фиг. 9 приведена, в качестве примера, фотография разреза материала соприкасающихся объемных структур на одном из исследуемых интервалов;

на фиг. 10 приведена методика определения параметров внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур;

на фиг. 11 приведены, в качестве примера, графики распределения размеров внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур, определенных в соответствии с предлагаемым способом;

фиг. 12 - график демпфирования амплитуды;

фиг. 13 - график демпфирования частот;

фиг. 14 - график влияния обжатия на эффект демпфирования;

фиг. 15 - гистограмма распределения пустот в слое щебенки;

фиг. 16 - фотография среза слоя щебенки;

фиг. 17 - график отношения амплитуд от размеров пустот в щебенке;

фиг. 18 - фотография участка рельсового пути с демпфирующим слоем;

фиг. 19 - различные виды внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур в композитном материале;

фиг. 20 - пласты демпфирующего материала;

фиг. 21 - график распределения ударных нагрузок.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - стенд вибрационного нагружения;

2 - исследуемая соприкасающаяся объемная структура в виде гравия;

3 - пульт управления;

4 - исследуемая соприкасающаяся объемная структура в виде многослойного композитного материала с внутренними зазорами между контактными поверхностями объемных структур в композитном материале;

5 - механизм автоматического обжатия (расклинцовка) соприкасающихся объемных структур в виде гравия с вибрационным способом;

6 - протяженность импульса;

7 - период импульса;

8 - импульс периодического воздействия;

9 - толщина зазора;

10 - точка пересечения графиков;

11 - площадь внутренних зазоров (пустот) ;

12 - участок рельсового пути;

13 - демпфирующий объем;

14 - область пластов эффективного демпфирования;

Ρ - усилие нагружения;

d - величина демпфирования;

f - частота циклического нагружения;

Гц - герц (единица измерения частоты);

L - общая толщина соприкасающихся объемных структур в виде гравия;

Η - ширина основания;

i - номер интервала;

j - номер точки измерения зазора между контактными поверхностями на i-м интервале исследования;

N - количество интервалов;

S - протяженность дефекта;

ΔS - шаг интервала;

Δа - шаг измерения толщины зазора;

δ - толщина зазора в измеряемом сечении;

F - функция зависимости величины площади внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур от их толщины;

А_вх - амплитуда импульса до слоя демпфирования;

А_вых - амплитуда импульса после прохождения слоя демпфирования;

N - количество нарушений сплошности (расслоений) в слое демпфирования;

f_вых - частота воздействия периодических усилий после демпфирования;

f_вх - частота периодических усилий до демпфирования;

знак _(эксп) - экспериментальная зависимость;

знак _(аппр) - зависимость после аппроксимации;

с - секунда;

Д1…Д12 - номера датчиков - волоконных брэгговских решеток;

знак _(до) - экспериментальная зависимость до выполнения действия обжатия;

знак _(после) - экспериментальная зависимость после выполнения действия обжатия;

Ρ - относительные единицы;

W - площадь среза щебенки;

Μ - количество пластов композитного материала.

В тексте описания изобретения использованы термины, которые имею следующие значения:

Под соприкасающимися объемными структурами понимают следующее.

Соприкасающиеся объемные структуры - условные объемы (блоки) из материалов различных фракций, например, из совокупности зернистых (гравий, щебень, трещиноватые горные породы с размером зерна от 1 до 10 см), полимерных композитных (слоистых, рубленых) и иных материалов, формируемые послойно с толщиной слоя, равной размеру фракции конкретного материала.

Совокупность таких блоков формируют демпфирующий объем, после чего осуществляют его обжатие для обеспечения технологической безопасности конструкции. Размер такого блока может быть сравнительно небольшим для формирования демпфирующего объема без привлечения дорогостоящей тяжеловесной техники, что актуально, например, для демпфирования железнодорожных мостовых сооружений, находящихся в труднодоступных местах, где, в частности, могут отсутствовать подъездные пути, либо иметь иные габариты, удовлетворяющие требованиям демпфирования конкретной конструкции. Блок может быть выполнен как в виде прямоугольного параллелепипеда, так и в виде объемной фигуры сложной формы, ограничивающейся криволинейными поверхностями, что, например, может быть актуально при создании систем демпфирования непосредственно на границе демпфируемая конструкция - основание. Для обеспечения необходимой формы блоков могут применяться стандартные каркасы из металлических, композитных и иных материалов.

Внутренние нарушения сплошности - это нарушение внутренней структуры материала, которые не предусмотрены нормативными документами на материал. Например, наличие в материале пустот и т.п.

Топология - топология соприкасающихся объемных структур - это схема укладки таких структур (блоков) различного размера и формы с учетом конструктивных особенностей демпфируемых конструкций. Топология для каждой конкретной конструкции будет своя.

Эталонные значения - это такие характеристики того или иного объекта, с которыми сравнивают измеренные характеристики аналогичных объектов, чтобы определить соответствие подобных объектов эталону.

Количественные параметры внутренних контактных поверхностей - это количественные характеристики нарушения внутренней структуры. В частном случае это могут быть диаметры пор, зазоры между соприкасающимися объемными структурами, площади и толщины расслоений и т.п.

Способ демпфирования сейсмоопасных и виброопасных сооружений и конструкций реализуется следующим образом.

Выбирают материал объемных структур, соприкасающихся контактными поверхностями в демпфирующем объеме.

Материал определяется, исходя из условий эксплуатации, технологии укладки материала, климатических факторов эксплуатации, обеспечения оптимальной топологии соприкасающихся объемных структур и др. условий.

Например, для железнодорожной насыпи, как показала практика, наиболее предпочтительным материалом является щебенка. Для повышения сейсмической устойчивости строительных сооружений наилучшим являются композитные конструкции. В любом случае для выбора материала предварительно проводятся исследования.

Выбор топологии соприкасающихся объемных структур осуществляют из условий обеспечения максимальной концентрации контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур.

Это условие обеспечивает наилучшие условия демпфирования (см. далее) сейсмоопасных инженерных сооружений.

Для выбора материала и топологии соприкасающихся объемных структур измеряют параметры готовых соприкасающихся объемных структур с использованием метода и аппаратуры неразрушающего контроля, фиксируют качественные и количественные параметры для этих структур, а материал и топологию выбирают по результатам измерений.

По результатам измерения выбирают материал и топологию соприкасающихся объемных структур, исходя из максимальной концентрации контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур, исходя из линейных размеров одной объемной структуры не менее 25-40 мм. Такие параметры обусловлены наилучшим затуханием сейсмических волн, как с точки зрения отражения от границ контактных поверхностей, так и меньшим их огибанием.

Сейсмические волны, обусловленные колебаниями основания, затухают на контактных поверхностях демпфирующего материала и чем больше контактных поверхностей, тем сильнее затухание. Аналогичные процессы происходят и в случае демпфирования колебаний.

Для настройки аппаратуры неразрушающего контроля определяют эталонные значения параметров внутренних контактных поверхностей объемных структур.

В качестве эталонных значений параметров контактных поверхностей объемных структур принимают минимальные значения, которые определяют следующим образом.

Осуществляют исследование материалов соприкасающихся объемных структур в области контактных поверхностей объемных структур с шагом интервала Δs от начала контактной поверхности i=1, до ее окончания i=Ν, здесь i - номер интервала, N - количество интервалов.

На фиг. 9 приведена фотография разреза материала соприкасающихся объемных структур на одном из исследуемых интервалов.

Исследование композитного материала соприкасающихся объемных осуществляется, как правило, посредством тонкой алмазной фрезы (метод распила по пластам), либо путем снятия пласта материала между пластами с заданным шагом. Далее исследуемый пласт промывается, например, ацетоном для вымывания отходов операции механической обработки препарации и выявления контуров дефектов.

на каждом i-м интервале измеряют толщину δ_ji реального зазора между контактными поверхностями с шагом Δа от начала выявленного зазора до его окончания в точках j=1, 2, 3, …, j_max, где j_max - количество точек измерения толщины величины зазора на i-м интервале.

На фиг. 10 приведена схема измерений для определения минимального зазора между контактными поверхностями.

Из измеренных значений δ_ji выбирают максимальное δ_ji(max) и минимальное δ_ji(min) значения.

Разбивают подынтервал {δ_ji(min); δ_ji(_max)} на «Ρ» интервалов, k=1, 2, 3, …, Р, где k - номер интервала.

Определяют значение протяженности внутреннего зазора между контактными поверхностями объемных структур S_k(i.j), соответствующее k-му интервалу толщины внутреннего зазора

- формируют зависимость F(S,δ)=0 или

решая уравнение F(S,δ)=δ_min определяют значение минимальной протяженности внутреннего зазора контактных поверхностей объемных структур S_min, соответствующее минимальной толщине δ_min внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур в демпфирующем объеме,

На фиг. 11 представлены два графика данной зависимости:

зависимость распределения протяженности зазора между контактными поверхностями объемных структур от его толщины:

и интегральная зависимость протяженности зазора между контактными поверхностями объемных структур от его толщины:

Из зависимости (2) можно сделать, например, вывод, что наибольшая плотность контактных поверхностей объемных структур приходится на толщину зазора в районе 0,4 мм, что предполагает определенные действия технологического характера по исключению таких зазоров.

Из зависимости (3) определяются минимальные статистические размеры реальных зазоров путем решения уравнения (4) или уравнения (5):

Решение уравнений (4), (5) можно производить различными способами. Наиболее простой, имеющий достаточную для практики погрешность - графический способ. Пример решения уравнения данным способом приведен на фиг. 11.

В системе координат, где сформировано уравнение функции

графически строится уравнение

где const - постоянная величина.

Точка пересечения (точка 1, фиг. 3) графиков (6) и (7) и есть искомое решение уравнения, которое определяет минимальную толщину зазора и его минимальную протяженность, соответствующую минимальной толщине.

Например, на диапазон толщин зазоров от 0 мм до 0,4 мм приходится, ориентировочно, дефекты протяженностью от 0 до 9 мм, или 81% зазоров имеют размеры: толщина более 0,4 мм, протяженность более 9 мм.

Таким образом, чтобы выявить 81% всех зазоров необходимо настраивать дефектоскоп на эталонном зазоре, имеющем толщину 0,4 мм и протяженность 9 мм.

Экспериментальные исследования показали, размеры эталонного зазора, определенные по предлагаемому способу, являются оптимальными для проведения контроля исследуемого изделия: увеличение размеров эталонного зазора снижает процент выявленных зазоров, а уменьшение размеров эталонного зазора несущественно повышает процент выявленных зазоров, но при этом возрастает трудоемкость изготовления эталонного зазора.

Далее изготавливают эталонный зазор с параметрами δ_min, S_min и проводят контроль.

Далее производится, собственно, создание демпфирующего объема. Этот процесс заключается в укладывании соприкасающихся объемных структур между демпфируемыми поверхностями в соответствии с топологией с непрерывным обжатием (фиг. 3).

Экспериментально установлено, что для повышения эффективности демпфирования объем одного демпфирующего пласта в составе демпфирующего объема выбирают в 15-20 раз меньше общего демпфирующего объема на основе соприкасающихся объемных структур.

Количество и тип материалов, топологию соприкасающихся объемных структур и соответствующую им величину демпфирования обеспечивают, исходя из технологической безопасности конструкции.

Последний этап - обеспечение условия для вывода жидкости из демпфирующего объема соприкасающихся объемных структур путем размещения защитного материала. Это обусловлено тем, что вода, попадая в зазоры между контактными поверхностями соприкасающихся объемных структур, при отрицательных значениях температуры замерзает и может вызвать разрыв соприкасающихся объемных структур. Это повредит целостность демпфирующего объема и снизит эффективность реализации предлагаемого способа.

Экспериментальные исследования предлагаемого способа

Экспериментальные исследования предлагаемого способа проводились на трех объектах:

- стендовые испытания на циклических нагрузочных машинах. Объекты испытаний гравий (фиг. 1), слоистый композит (фиг. 2),

- реальные испытания на железнодорожном мосту (фиг. 4). Процесс испытаний заключался в следующем.

В процессе стендовых испытаний на поверхность объектов испытаний производились воздействия: циклические переменные усилия с заданной частотой (фиг. 6). На противоположной поверхности объектов испытаний проводились измерения передаваемых через них усилий и величин частот.

В процессе испытаний изменялось количество слоев композитного материала. Всего было уложено последовательно 25 слоев.

Для выбора композитного материала для проведения экспериментальных исследований были проведены исследования их внутренних зазоров ультразвуковым дефектоскопом АД-50К контактным ультразвуковым методом.

Предварительно в соответствии с предлагаемой заявкой определен минимальный зазор в композитном материале, он имеет размеры: по площади 14x14 мм, раскрытие (толщина) 0,2 мм (фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11).

Проведя настройку на таком зазоре был проведен неразрушающий контроль композитных пластин и выбраны пластины, имеющие наибольшее количество зазоров (расслоений) по количеству и площади.

Исследования проводились для двух состояний материала: до обжатия и после обжатия.

Ниже приведены основные результаты экспериментальных исследований предлагаемого способа.

На фиг. 12 приведен график, иллюстрирующий эффективность демпфирования - зависимости амплитуды силового импульса от количества слоев композитного материала демпфирования. Эффективность демпфирования оценивалась по отношению амплитуды силового воздействия до и после прохождения импульсов (фиг. 7, фиг. 8) демпфирующего слоя.

Из графика видно, что в соответствии с предлагаемой заявкой эффект демпфирования увеличивается с увеличением количества слоев. Наглядно видно, что, начиная с 15-20 слоя (в соответствии с заявляемым способом), эффект демпфирования становится заметным. Поэтому можно утверждать, что демпфирующий материал должен включать не менее 15-20 отдельных демпфирующих слоев.

Аналогичные результаты показали экспериментальные исследования демпфирования частот (фиг. 13).

На фиг. 14 приведены зависимости влияния обжатия на эффект демпфирования.

Данные эксперименты проводились на демпфирующем материале - гравии. Предварительное обжатие осуществлялось посредством вибрации с усилием 10 кг.

Из приведенных графиков наглядно видно, что предварительно обжатие повышает эффект демпфирования, ориентировочно, на 25-30% в зависимости от количества слоев (при количестве слоев, в соответствии с предлагаемым способом более 15-20). Аналогичные результаты получены для других демпфирующих материалов.

Пример 1. Практическое применение заявляемого способа

Подтверждение эффективности практического применения заявляемого способа наглядно видно на примере укладки демпфирующего объема между шпалами и основанием моста в соответствии с предлагаемым способом на железнодорожном мосту через реку Любовша (Липецкая обл.) (фиг. 4).

Изначально, до проведения настоящих работ между «старым» демпфирующим слоем в виде гравия были проложены оптоволоконные линии с волоконно-оптическими датчиками (ВОД) в виде волоконных брэгговских решеток (ВБР), для измерения деформаций при прохождении железнодорожных составов. Это позволило получить значения деформации при использовании «старого» демпфирующего слоя заложенного в соответствии с описанными в заявке аналогами.

Укладка демпфирующего слоя в соответствии с настоящей заявкой на изобретение осуществлялась следующим образом.

Выбирают материал объемных структур, соприкасающихся контактными поверхностями в демпфирующем объеме.

Кроме этого условия материал должен обладать соответствующей твердостью и технологичностью для технологического процесса укладки железнодорожного полотна.

Предварительный анализ зависимости эффективности демпфирования (отношение амплитуды на поверхности демпфирующего слоя к амплитуде у основания) от средних размеров пустот (внутренних зазоров между контактными поверхностями соприкасающихся объемных структур) показал (фиг. 17), что наилучшим размером зазора, является размер от 25 мм до, ориентировочно, 40 мм.

Выбор наилучшего размера элементов щебенки из условий максимальной концентрации внутренних нарушений сплошности (расстояния между элементами щебенки) и обеспечения размера зазора от 13 мм до, ориентировочно, 40 мм проводился на основе анализа гистограмм.

Проведенные измерения размеров различных материалов показали, что наиболее приемлемым материалом для этих целей является щебень со средним размером элемента 18 мм.

На фиг. 15 в качестве примера приведена гистограмма среза слоя щебенки (фиг. 16). Размер среза 200 × 300 мм и размер одного элемента щебенки от 13 мм до 23 мм (средний размер 18 мм). Примем, для упрощения анализа, форму элемента щебня в плоскости в виде круга. Тогда площадь одного элемента щебня равна: 3,14 × 3,24 см²/4 = 2,5 см² (здесь использовалась формула вычисления площади через диаметр).

На основании результатов экспериментальных исследований (фиг. 15) примем, что количество щебня в слое составляет 0,7 от общей площади среза, пустот - 0,3.

Количество элементов щебня в слое:

20 см × 30 см × 0,7 : 2,5 см² = 170 элементов.

Примем, что один зазор (пустота) расположена между тремя элементами щебня. Тогда, количество пустот в щебне будет составлять:

170 : 3 = 57 пустот.

Размер площади одного зазора будет равен:

600 см² × 0,3 : 55 пустот = 3,3 см².

Для простоты анализа предположим, что площадь зазора (пустота) имеет форму круга.

Соответственно, используя формулу определения площади круга через известный диаметр, получаем средний размер площади зазора:

4 × 3,3 см²/3,14 = 4,2 см².

Это совпадает с результатами, приведенными на фиг. 17. Таким образом, выбранная щебенка пригодна для укладки в качестве демпфирующего объема под железнодорожный путь.

Демпфирующий объем укладывался пластами. Всего было уложено 40 пластов.

Каждый пласт подвергался обжатию (фиг. 3).

После этого была проложена железнодорожная колея.

Далее, с помощью оптоволоконной линии с ВОД на основе ВБР были проведены измерения деформаций при прохождении железнодорожного состава.

Далее было проведено сравнение эффекта демпфирования до ремонта и после ремонта моста.

На фиг. 5 приведены графики деформаций, передающихся на основание насыпи через демпфирующий объем при прохождении железнодорожного состава в различных точках насыпи. Из графиков фиг. 5 наглядно видно, что демпфирующий объем, подготовленный в соответствии с заявляемым способом, позволяет снизить ударную нагрузка, ориентировочно, на 15-50%.

Пример 2. Второе практическое применение заявляемого способа

Как известно, упругие амортизирующие элементы оказывают существенное влияние на улучшение динамических процессов в общей системе «Подвижной состав - железнодорожный путь», плавности хода, повышения устойчивости против схода с рельсов. Причем, эффективность их работы в различных эксплуатационных условиях во многом зависит от правильного выбора соответствующего демпфирующего материала.

Наиболее важными в этом направлении являются материалы для прокладок рельсовых скреплений железнодорожного пути как между рельсами, так и в районе стрелок (фиг. 18).

В соответствии со своим назначение прокладки рельсовых скреплений должны обладать:

- оптимальным демпфированием динамических вибраций от проходящих железнодорожных составов для сохранения основания железнодорожных путей;

- механической прочностью, т.е. способностью не разрушаться под воздействием механических нагрузок;

- температуроустойчивостью, т.е. способностью сохранять свои механические свойства при воздействии высоких и низких температур;

- фрикционными свойствами, чтобы оказывать достаточное сопротивление перемещению рельса в продольном направлении.

Еще одним немаловажным фактором является дешевизна и доступность для снижения эксплуатационных расходов.

Анализ конструктивных решений амортизирующих элементов рельсовых скреплений показал, что прокладки изначально находятся в сжатом состоянии под действием прижимающего к рельсу усилия клемм и поездной нагрузки.

В аналогично сжатом состоянии под весом надрессорной части вагона находятся упругие элементы неподрессоренной части вагона и подпятниковой зоны.

Следовательно, основными параметрами, управляющими жесткостью упругих полимерных прокладок рельсовых скреплений являются толщина демпфирующего объема, тип и характеристики материала.

Как правило, прокладки-амортизаторы изготавливали из резины. Резина - эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального (НК) или синтетических каучуков (СК), которые и определяют основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты).

В связи с тем, что, как сказано выше, прокладки из демпфирующего слоя из резины изначально и постоянно находятся в сжатом состоянии под действием прижимающего к рельсу усилия клемм и поездной нагрузки, это существенно снижает их демпфирующие свойства. Что приводит к необходимости поиска новых способов демпфирования.

Ниже описан способ демпфирования рельсовых путей посредством способа, описанного в предлагаемой заявке на основе использования полимерных композитных материалов.

В качестве материала демпфирования выбран полимерный композитный материал (фиг. 19), позволяющий обеспечить соприкосновение контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур между демпфируемой конструкцией и основанием, на котором она расположена.

Для уточнения выбранного материала проведены измерения количества, протяженности и толщины внутренних трещин. Для этого в соответствии с заявкой был определен минимальный размер зазора между соприкасающимися контактными поверхностями в демпфирующем объеме - расслоение размером 15 × 15 мм и толщиной 0,23 мм (в разрезе расслоение можно представить трещиной с аналогичными размерами).

По результатам измерений был выбран композитный многослойный материал, имеющий 6 зазоров на различных пластах общей площадью 0,3 м².

Выбрана оптимальная топология соприкасающихся объемных структур таким образом, чтобы обеспечить максимальную концентрацию контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур. Схема топологии приведена на фиг. 20.

Для упрощения конструкции топологии был выбран не один массив композитного материала с внутренними зазорами, а несколько монослоев (М=40 слоев) полимерного композитного материала. Неплотно прилегая друг к другу, вследствие шероховатости поверхности, монослои образуют внутренние зазоры между соприкасающимися объемными структурами из полимерного композитного материала (39 внутренних зазоров). Геометрические параметры соприкасающихся объемных структур соответствовали геометрическим параметрам стандартных демпфирующих элементов, закладываемых под рельсовые пути.

Перед установкой на рельсовый путь демпфирующий объем был обжат под прессом с силой 80 кг.

Созданный согласно способу демпфирующий объем на основе соприкасающихся объемных структур был заложен под рельсовый путь, при этом, для сравнения величины демпфирования под тот же рельсовый путь был заложен демпфер на основе традиционно применяемых материалов из резины с аналогичной толщиной. Для измерения характеристик демпфирования между основанием (шпалой) и демпферами были заложены тензометрические датчики KELI LFSME.

После установки демпфирующий объем на основе соприкасающихся объемных структур был покрыт устойчивым влагозащитным покрытием.

Измерялись характеристики демпфирования - величина ударной нагрузки на шпалу - по результатам прохождения грузового железнодорожного состава.

На фиг. 21 приведено распределение удельной ударной нагрузки на шпалу после прохождения нескольких железнодорожных составов через демпфер из резины и в соответствии с предлагаемым способом.

Из анализа гистограмм (фиг. 21) ясно видно преимущества заявляемого способа: демпфирующий объем на основе соприкасающихся объемных структур в соответствии с заявляемым способом снижает ударную нагрузку по сравнению с закладываемым традиционным демпфером (резина), ориентировочно, на 30%. Кроме того, гистограмма (фиг. 21), описывающая заявляемый способ, ориентировочно, в два разу уже второй гистограммы, что также свидетельствует о лучшем демпфировании ударных нагрузок.

Таким образом, экспериментальные исследования и практическое применение показали эффективность предлагаемого способ демпфирования сейсмоопасных и виброопасных сооружений и конструкций по сравнению с существующими. Особенности способа заключаются в обеспечении универсального подхода к демпфированию различных по назначению инженерных конструкций.

Представленный способ имеет следующие преимущества:

- обеспечивает универсальный подход к построению демпфирующего объема конструкций и сооружений, эксплуатируемых в сейсмоопасных районах,

- повышает надежность функционирования сложных конструкций в условиях эксплуатации в сейсмоопасных районах,

- позволяет снизить вероятность аварий инженерных конструкций,

- повышает характеристики демпфирующего объема (как показали сравнительные испытания на 15-50%),

- практически не увеличивает стоимость изготовления демпфирующего объема (в сравнении с известными способами).

Изобретение относится к области сейсмо- и виброопасных сооружений и конструкций, при эксплуатации которых требуется эффективное снижение вибраций. Способ реализуется с использованием соприкасающихся объемных структур и заключается в том, что выбирают материал объемных структур, соприкасающихся контактными поверхностями в демпфирующем объеме, выбирают топологию соприкасающихся объемных структур таким образом, чтобы обеспечить максимальную концентрацию контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур, создают демпфирующий объем из соприкасающихся объемных структур, укладывая соприкасающиеся объемные структуры между демпфируемыми поверхностями, в соответствии с топологией. Равномерно обжимают демпфирующий объем из соприкасающихся объемных структур для регулирования величины его собственной частоты. Обеспечивают условия для вывода жидкости из демпфирующего объема соприкасающихся объемных структур, размещая защитный материал. Контактные поверхности представляют собой поверхности соприкасающихся объемных структур, а также трещины и пустоты между ними. Для выбора материала и топологии соприкасающихся объемных структур измеряют параметры готовых соприкасающихся объемных структур с использованием метода и аппаратуры неразрушающего контроля, фиксируют качественные и количественные параметры для этих структур, а материал и топологию выбирают по результатам измерений. Технический результат состоит в снижении влияния вибрационных и сейсмических нагрузок на инженерные конструкции. 8 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Способ демпфирования сейсмоопасных и виброопасных конструкций с использованием соприкасающихся объемных структур, заключающийся в том, что:

- выбирают материал объемных структур, соприкасающихся контактными поверхностями в демпфирующем объеме,

- выбирают топологию соприкасающихся объемных структур таким образом, чтобы обеспечить максимальную концентрацию контактных поверхностей в составе соприкасающихся объемных структур,

- создают демпфирующий объем из соприкасающихся объемных структур, укладывая соприкасающиеся объемные структуры между демпфируемыми поверхностями, в соответствии с топологией,

- равномерно обжимают демпфирующий объем из соприкасающихся объемных структур для регулирования величины его собственной частоты,

- обеспечивают условия для вывода жидкости из демпфирующего объема соприкасающихся объемных структур, размещая защитный материал,

- для выбора материала и топологии соприкасающихся объемных структур измеряют параметры готовых соприкасающихся объемных структур с использованием метода и аппаратуры неразрушающего контроля, фиксируют качественные и количественные параметры для этих структур, а материал и топологию выбирают по результатам измерений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что материал и топологию объемных структур выбирают, исходя из линейных размеров одной объемной структуры не менее 25-40 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для настройки аппаратуры неразрушающего контроля определяют эталонные значения параметров внутренних контактных поверхностей объемных структур.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве эталонных значений параметров контактных поверхностей объемных структур принимают минимальные значения, которые определяют следующим образом:

- осуществляют исследование материалов соприкасающихся объемных структур в области контактных поверхностей объемных структур с шагом интервала Δs от начала контактной поверхности i=1 до ее окончания i=Ν,

где i - номер интервала, N - количество интервалов,

- на каждом i-м интервале измеряют толщину δ_ji реального зазора между контактными поверхностями с шагом Δа от начала выявленного зазора до его окончания в точках j=1, 2, 3,…, j_max, где j_max - количество точек измерения толщины величины зазора на i-м интервале,

- из измеренных значений δ_ji выбирают максимальное δ_ji(max) и минимальное δ_ji(min) значения,

- разбивают подинтервал {δ_ji(min); δ_ji(max)} на «Р» интервалов, k=1, 2, 3,…, Р, где k - номер интервала,

- определяют значение протяженности внутреннего зазора между контактными поверхностями объемных структур S_k(i.j), соответствующее k-му интервалу толщины внутреннего зазора

- формируют зависимость F(S,δ)=0 или

где F - функция зависимости величины площади внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур от их толщины,

- решая уравнение F(S,δ)=δ_min, определяют значение минимальной протяженности внутреннего зазора контактных поверхностей объемных структур S_min, соответствующее минимальной толщине δ_min внутренних зазоров между контактными поверхностями объемных структур в демпфирующем объеме.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения эффективности демпфирования объем одного демпфирующего пласта в составе демпфирующего объема выбирают в 15-20 раз меньше общего демпфирующего объема на основе соприкасающихся объемных структур.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество и тип материалов, топологию соприкасающихся объемных структур и соответствующую им величину демпфирования обеспечивают исходя из технологической безопасности конструкции.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что увеличивают общую площадь контакта конструкции и демпфирующего объема в зоне демпфирования.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соприкасающиеся объемные структуры имеют прямоугольную, округлую форму.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контактные поверхности представляют собой поверхности соприкасающихся объемных структур, а также трещины и пустоты между ними.