Устройство для динамических испытаний сооружений Советский патент 1961 года по МПК G01M7/02 G05D19/00 

Известны устройства для динамических испытаний сооружений, наиример. зданий в натуральную величину. Известные устройства включают возбудитель колебаний в виде кривошипно -шатунного механизма с изменяемым радиусом вращения концов шатуна, установленный на отдельном фундаменте.

Недостатком известных устройств является то, что ири 1сиытанин с их помощью сооружений нельзя в широких пределах менять режим динамического воздействия передаваемого на испытуемое сооружение.

Устройство, выполненное согласно изобретению, лишено этого недостатка. Сущность изобретения заключается в том. что передача возмущающих усилий или моментов испытуе.мому сооружению осуществляется посредством тяг. В тяги включены сменные упругие элементы, например пружины.

Кроме того, в предложенном устройстве обеспечено поддержание стабильности частотного режима динамического воздействия при малых числах оборотов кривошипно-шатунного механизма за счет присоединения к кривошипно-щатунному механизму, например перпендикулярно к основным тягам, дополнительных упругих тяг. Дополнительные тяги заанкерены в станине устройства.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства; на фиг. 2то же, при передаче на испытываемое сооружение возмущающего момента (пары сил); на фиг. 3 - схема увеличения плеча пары; на фиг. 4 - схема регулирования эксцентрицитета; на фиг. 5 - схема устранения поперечных колебаний тяг; на фиг. 6 - схема постановки дополнительных упругих тяг.

При натурных динамических испытаниях строительных конструкций весьма важно установить частоты собственных колебаний зданий, массивных фундаментов под машины с динамическими нагрузками, высотных сооружений, виброизолированных фундаментов и т. п.

№ 1398572

Наиболее четко частоты собственных колебаний выявляются путем воздействия на сооружение гармонической возмущающей силы с медленно изменяющейся частотой колебаний.

Чаще всего для этой цели ирименяются вибраторы направлениого действия, представляющие собою два параллельных вала с неуравновешенными грузами, вращающимися в противоположных друг к дру1-у направлениях.

Предлагаемое устройство представляет собою вал 1 с двумя дисками 2, эксцентричные пальцы 3, с обойма,ш 4, имеющими подщипники. Обоймы соединены гибкими тягами 5 е жесткой планкой 6. К жесткой планке присоединена одним концом пружина 7, а другой конец пружины соединен с гибкой тягой 8, которая прикрепляется к элементу испытываемой конструкции. При вращении дисков на иснытываемую конструкцию будет передаваться гармоническая возмуп1аклцая сила.

/ Р„ Sin (.)/ гК Si:i ,0/.

где г--эксцентрицитет пальца;

К - жесткость пружины;,

(О --- круговая частота возмуи1ающей силы {угловая скорость вращения дисков).

Амплптуду возмущающей силы Po iK. можно варьировать в широких иределах путем изменепия эксцентрицитета г и жесткости пружины К.

В тех случаях, когда на исследуемую конструкцию требуется передавать возмущающий момент (пару сил), устройство работает по схеме, изображенной iia фиг. 2.

В этом случае палец на втором диске должен находиться по отпощению к пальцу первого диска на другой стороне от оси вала.

Гибкие тяги 5, соединенные последовательно с пружинами 7 и тягами 8, присоединяются к двум точкам испытываемой конструкции.

Для увеличеиия плеча пары сил можно применить блоки 9.

Предлагаемый возбудитель найдет примепен-ие главным образом при возбуждении низких частот колебаний (примерно от О до 10 гц). Вращение вала может осуществляться или вручную через зубчатую (МОЖНО ременную) передачу, или от мотора через редуктор с плазпой регулировкой.

В большинстве равномерное и л.едленное изменение частоты БОЗмуидающей силы может быть получено путем медлеппой оетановки вращающихся дисков, имеюьцнх большой момент инерции. Для этого диски доводятся до некоторого наперед заданного числа оборотов с помощью мотора или вручную, а затем возбудитель медленно останавливается, вызывая максимальные амплитуды колебаний испьггываемой конструкции при совиаде 1ии частоты вынужденных колебаний е одной из частот ее собственных колебаний.

При современной высокочувствительной виброизмерительпой аппаратуре предлагаемый возбудитель может быть иенользован не только для исследования высотных сооружений, но и для исиытапия многоэтажных зданий, если применить достаточно больщие диски.

Для регулирования величины эксцентрицитета можно применять устройство, изобралсенпое па фиг. 4.

На основных дисках 2 укрепляютея негюдвижиые пальцы 3 с эксцептрпиптетом го. На этот палец надевается вспомогательный диск /О с центральным отверстием и подвижным пальцем //, имеющим также эксцентрицитет го, по отпощению к оси вспомогательного диска.

На вспомогательном диске имеются отверстия 12, расположенные по окружности. Такие же отверстия с резьбой имеются и на основном диске. Поворотом вспомогательного диска можно изменять эксцентрицитет пальца // по отношению к оси вращения основных дисков в пределах от О до 2гй.

Для устранения поперечных колебаний самых тяг 8 (при совпадении частоты их собственных колебаний с частотой возмущающей силы) следует применять прикрепленные к ним по длине дополнительные упругие тяги 13, дающие возможность перемещаться основной гибкой тяге вдоль ее направления и препятствующие поперечному отклонению ее в одну сторону в точке крепления тяг 13.

При низкой частоте возмущающей силы, т. е. при малом числе оборотов дисков в минуту, кинетическая энергия их мала и переход части ее в потенциальную энергию деформированной пружины может вызвать неравномерную скорость вращения дисков.

Для устранения неравномерности вращения при низщих частотах возбуждаемых колебаний следует применить систему дополнительных пружин, т. е. помимо основной пружины с л ;есткостью Kt ставится пружина Обе пружины тягами присоединены к обойме, причем пружина растянута на величину, превосходящую эксцентрицитет пальца г. Отверстие в обойме после натял ения пружин должно находиться на оси вращения маховиков. Две другие вспомогательные пружины /Сг и Лз присоединены к обойме В. Отверстие обоймы В при натяжении пружин регулировкой длины тяг должно находиться также на оси вращения маховиков.

После регулировки положения отверстий в обоймах и натяжения пружин обоймы А и В надеваются на палец С. При перемещении обоймы А на расстояние г в пружинах К; и Al будет накоплена дополнительная потенциальная энергия

W . Г(к Если сообщить маховику угловую скорость вращения w, то дальнейщее вращение (пренебрегая трением в подщипниках и гистерезисом в пружинах) будет происходить с этой угловой скоростью равномерно.

Действительно, если принять за начальное положение маховиков в момент времени положение, изображенное на фиг. 6, то перемещения обоймы А будут происходить по закону cos cot а перемещения обоймы В - по закону «2 г Sin юг .

Соответственно количество () потенциальных энергий ,ь Wnr накопленных вертикальными и горизонтальными пружинами (имея в виду их расположение на чертеже) при отклонении от положения равновесия будет равно

, a(K, + .-K

nhT nr -2

При fl, 02 И Л /Ci -- Л2 - Л

Г„, Г„, (cos2 О/ + Sin2 „)П : Кг2--.-const

Таким образом, прт работе возбудителя (без учета потерь на трение и на гистерезис) не будет происходить перехода кинетической энергии в

- 3 -№ 139857

№ 139857- 4 потенциальную и обратно. Будет лишь периодический nepexo;i потенциальной энергии из одной пары пружин в другую. Следовательно вращение маховиков будет происходить с равномерной угловой скоростью. В результате потери энергии иа трение в подшипниках и па гистерезис в пружинах кинетическая энергия маховиков будет уменьшаться и при достаточном моменте инерции маховиков угловая скорость их медленно и равномерно будет убывать.

Строго говоря, потери энергии на трение и lia гистерезис будут иметь периодическую зависимость от времени, но всо едствие того, что эти потери за цикл весьма малы по отношению к общему количеству кинетической энергии маховиков, практически вполне можно считать их вращение равномерно замедленным.

Следует отметить, что пружины Ki и /С не обязательно располагать перпендикулярно по отношению к пружинам Kz и Kz. Важно лишь, чтобы деформации одной пары пружин отставали по фазе от деформации второй пары пружин на 90°.

Предмет изобретения

1.Устройство для динамических испытаний сооружений, например, зданий, в натуральную величину, включающее установленный на отдельном фундаменте возбудитель колебаний в виде кривошипно-шатунного механизма с изменяемым радиусом вращения концов шатунов, отличающееся тем, что, с целью изменения режима динамического воздействия в широких пределах передача возмундающих уси.лий или моментов сооружению осуществлена посредством гибких тяг, включающих сменные упругие элементы, например пружины.

2.Устройство но пункту 1, отличающееся тем, что, с целью поддержания стабильности частотного режима динамического воздействия при малых числах оборотов кривощипно-шатунного механизма к последнему присоединены, например перпендикулярно основным рабочим тягам, дополнительные упругие тяги, заанкеренные в станине уст ройства.

-,/77777777

/ I

.2.

12

1 10

Раг.4

сриг.З

8/

Г г-«

Риг 5

WTTTT:.

Vfjl1