Новое колесо со старыми ошибками.
Все, наверное, уже давно знают, что в парке "30 лет ВЛКСМ" (парк культуры и отдыха) монтируется 35 метровое колесо обозрения. Впервые на страницах новостных сайтов информация о решении строительства появилась в конце июля. Странно, но о нём до сих пор никто не вспоминает - как идет стройка, что сделано, а что нет - ничего не известно.
Я решил заполнить этот пробел, но не просто так, а с заключением настоящего профессионала, конструктора-машиностроителя Добжинского Даниил Павловича. Его работы для меня, молодого, но уже перспективного инженера-проектировщика, были откровением. Этот человек создал замечательный сайт "Правильное строение машин", где доступным языком изложена вся суть, основы проектирования подвижных и неподвижным механизмов. В то время, когда я работал инженером-проектировщиком нестандартного оборудования, я понимал что такое принцип самоустанавливаемости, этот принцип невозможно было не заметить, пропустить в своих расчетных и кинематических схемах, но всё же мои знания были не такими глубокими, как требовалось для успешной работы, я периодически сталкивался с проблемами устанавливаемости, сборки и разборки узлов и механизмов. После прочтения сайта я понял, что во многих вещах был не прав, много было принято неверных решений. Но после усвоения материала всё встало на свои места как паззлы - я стал намного профессиональнее и успешнее. Так что читаем и усваиваем кому интересно.
Давайте вернёмся к нашему колесу :).
В настоящее время сама конструкция уже смонтирована, остались только некоторые мелочи в виде благоустройства, обустройства посадочной площадки и т.д.
01. Общий вид конструкции. Красота.
02. Это абсолютно новое колесо. Наверно, первое новое колесо со времен СССР в нашем городе.
Первый раз мне удалось увидеть колесо когда был закончен монтаж опор и была установлена главная ось. В тот момент я заметил, что все соединения опор с фундаметном выполнены не совсем правильно. Цилиндрические шарниры не обеспечивают необходимую самоустанавливаемость всей конструкции, слишком много наложено избыточных связей в шарнирах - конструкция колеса получилась статически неопределима. При такой схеме опоры будут чутко реагировать на изменения положения независимых фундаментных плит, неизбежно возникнут вредные напряжения, и опоры будут работать друг против друга, как бы борясь между собой.
03. У каждой опоры собственный фундамент - это очень плохо.
04. Опора стойки с цилиндрическим шарниром. Это не обеспечивает требуемую гибкость (подвижно только в одной плоскости).
В таком случае желательно сделать общий для всех опор фундамент, который бы обеспечил более стабильную работу опорных стоек и исключил бы вредные явления. Хотя общим фундаментом всё равно невозможно полностью исключить вредные внутренние напряжение, которые невозможно учесть, но можно было значительно их снизить. В случае раздельных фундаментных плит, что сейчас и наблюдается, конструкцию монтировать очень сложно, невозможно обойтись без "пригонки по месту", что только увеличивает трудоёмкость и стоимость монтажа, общий фундамент значительно бы облегчил эту задачу.
Куда лучше сразу использовать соответствующие сферические шарниры, которые обеспечили бы полную устанавливаемость конструкции. Почему этого не было сделано, я не знаю. Удивительно, но и старые колёса выполнены по такому принципу и стоят уже не один десяток лет...
05. Кабинка. Круглый год эксплуатировать не получится - будет холодно.
После этого я решил получить комментарий у Даниила Павловича по поводу нашего колеса. И вот, что он пишет:
---
"Учитывая, что колесо вращается очень медленно, можно сказать, что это что-то среднее между строительными конструкциями и механизмами, причем ближе к первым. Поэтому к нему в значительной мере применимо то, что сказано в разделе «Неподвижные соединения» основной статьи сайта о строительных конструкциях (допустима как внутренняя, так и внешняя статическая неопределимость).
Эти колеса действительно «стоят не один десяток лет», как многие десятилетия и даже столетия стоят старинные каменные дома без температурных швов. Однако достаточно часто можно видеть, как на таких домах появляются сквозные трещины в стенах, хотя сама по себе кирпичная кладка еще очень крепка.
Ситуация с колесом обозрения напомнила мне ситуацию с нефтяными станками-качалками, которые «крутятся» также довольно медленно. Там почти все сделано правильно, кроме схемы опирания на фундамент. И подавляющее большинство станков безбедно работают многие годы. Однако мне достоверно известно о случаях серьезных аварий с такими станками. Особенно это характерно для Западной Сибири, где они часто стоят на болотистом грунте на свайных фундаментах. В устранении последствий одной такой аварии я когда-то сам принимал косвенное участие. Тогда лопнул очень прочный корпус мощного редуктора привода. Не «пополам», но с большой трещиной, через которую уходило масло. Причина была именно в статической неопределимости крепления этого редуктора к фундаменту и в неравномерной осадке фундамента или с пучением грунта при промерзании. Будь схема опирания правильной, аварии бы не было.
Видимо, для колес обозрения допустима внешняя статическая неопределимость, хотя она придает всей конструкции существенные недостатки. Но допустима она только для металлоконструкций и неприемлема для компоновки привода колеса. Насколько знаю, на больших колесах чаще всего ставят фрикционный привод (приводные катки тянут обод колеса). Из-за невозможности обеспечить высокую точность формы и положения огромного обода, очень важно устанавливать привод без избыточных связей. То, что мне доводилось видеть, сделано правильно или почти правильно.
А на уровне металлоконструкций недостатки рассматриваемой системы следующие:
- Цилиндрические шарниры в основаниях стоек, по сравнению с жестким креплением к фундаменту без каких-либо шарниров, немного уменьшают количество избыточных связей. Но именно немного, - полной самоустанавливаемости они не дают. Тем более такие шарниры как здесь (по типу шарниров цепи Галя). Отсюда и все следующие недостатки. Правда, от таких шарниров может быть другая польза. С ними можно смонтировать опоры без использования подъемного крана с большой стелой. Достаточно иметь простые (даже с ручным приводом) лебедки и несложную монтажную мачту. Так, например, ставят высокие опоры линий электропередач.
- При такой системе нельзя обойтись без «пригонки по месту». Как минимум на уровне соединений с бетоном фундамента. Там делаются относительно большие колодцы под анкерные болты, которые заливаются после установки нижних частей шарнира. «Подливается» и сама опорная плита шарнира. По-хорошему надо бы дать бетону какое-то время, чтобы он набрал прочность и только затем нагружать анкерные болты и бетонную заливку. А как это сделать, если установленная на место стойка уже сама по себе нагружает анкерные болты какой-то сдвигающей нагрузкой и сжимает заливку. Во всяком случае, не следует сразу после монтажа опробовать или запускать колесо в работу. А ждать от момента заливки анкеров придется долго, если использовать обычный бетон. Он набирает полную расчетную прочность за 28 суток, а опалубку снимать не рекомендуется раньше 7 суток. Если сделать опорные узлы по статически определимой схеме, можно будет готовить фундамент заранее и ставить в него анкеры без колодцев, например, по изготовленному на заводе разборному шаблону, доставленному на объект еще до поступления частей всего колеса. А опробовать и запускать в работу сооружение можно сразу после монтажа.
- Скорее всего, предусмотрена предварительная сборка опор, самого колеса, и всего сооружения на заводе. При этом стыковочные элементы металлоконструкций привариваются по месту, а все сварные части маркируются, для последующей сборки на объекте по этой маркировке. Этот прием существенно снижает вредное влияние избыточных связей, но не устраняет его полностью. Поэтому какие-то «лишние» напряжения неизбежно возникают уже при сборке и действуют в течение всего времени эксплуатации. Эти напряжения практически невозможно точно оценить, следовательно, при расчете металлоконструкций приходится принимать заведомо завышенный запас прочности.
- Поскольку схема крепления стоек к фундаментам статически неопределимая, трудно, если вообще возможно, определить с приемлемой точностью реальные нагрузки на эти фундаменты. При схеме без избыточных связей эти нагрузки определяются достаточно точно и, следовательно, нет необходимости завышать запас несущей способности при расчете фундаментов.
Поэтому я бы рекомендовал делать статически определимую схему соединения стоек опор с фундаментом и соединения оси колеса с опорами. Для правильного выбора такой схемы важно знать конструкцию опорного узла самого колеса. Здесь, видимо, возможны два варианта: первый - неподвижная ось с подшипниками в ступице колеса, второй - ось вращается вместе с закрепленным на ней колесом, а подшипники установлены на опорах. На мой взгляд, предпочтителен первый вариант. Далее из него и будем исходить.
В части конструкции опор также возможны два варианта. Первый - такой как на фото, то есть две одинаковые опоры в форме трехгранных пирамид. В этом случае каждая из трех стоек обеих опор должна иметь свою конструкцию узла соединения с фундаментом.
Одна из стоек может опираться на шарнир А:
На рисунке показана только принципиальная схема шарнира. В реальности, это может быть, например, серийный шарнирный подшипник серии ШМ или ШМЛ (ГОСТ 3635-78).
Вторая стойка может опираться на узел Б, а третья - на узел В:
Каждый из этих двух узлов состоит из двух кинематических пар: первый из двух сферических пар третьего класса (одна пара накладывает на соединяемые элементы 3 связи). Второй состоит из одной такой же сферической пары и одной цилиндрической пары пятого класса (5 связей). В принципе, реальные конструкции пар могут быть различными, но, на мой взгляд, самым рациональным решением для сферических пар являются упомянутые шарнирные подшипники. Они обладают очень большой нагрузочной способностью, а основанная на них конструкция окажется не дороже, а, скорее всего, - дешевле шарнира, показанного на фото.
При таких опорных узлах нижней части обеих трехгранных (трехстоечных) опор, ось колеса должна соединяться с одной из опор шарниром А, а с другой - узлом В.
Во втором варианте исполнения опор одна из них остается такой же, как в первом, а вторая представляет собой плоскую треугольную конструкцию из двух стоек с перемычками между ними:
На схеме стрелками и буквами обозначены места и тип узлов соединения (шарнир А, узлы Б и В). Только не показано как ориентированы два узла В, что важно как для второго, так и для первого варианта (где таких узлов три). Тем, кому это покажется интересным, предлагаю найти оптимальную ориентацию этих узлов самим.
Второй вариант проще и дешевле первого, но, видимо, оптимален только для колес малой и средней высоты. При большой высоте возникает проблема потери устойчивости плоской «двуногой» опоры в плоскости YOZ (продольная устройчивость при осевом сжатии длинных стержней).
Помимо прочего, самоустанавливающиеся опоры имеют то преимущество, что их опорные узлы можно сделать регулируемыми по высоте. Тогда, уже после монтажа опор на месте, можно легко корректировать в достаточно широких пределах положение верхних точек опор, то есть места крепления оси колеса. При опорных узлах, показанных на фотографиях этого делать нельзя, так как после монтажа любое изменение высоты одной стойки, будет вызывать «заламывающие» нагрузки в опорных шарнирах двух других стоек и «лишние» напряжения в самих стойках.
Оценивая ситуацию в целом, можно сказать, что здесь задача устранения избыточных связей относительно не сложная, и любой специалист по строительной механике, быстро найдет такие решения или им подобные, если ему поручить обеспечить самоустанавливаемость этого сооружения. И давно уже мог бы найти, но видимо, такая задача не ставилась. А зря".
---
06. Внутреннее убранство кабинки. Не жирно.
07. Удивительно, но у них все шарниры выполнены подобным образом.
Несмотря на недостатки, это колесо прослужит долго и безотказно, хотя могло бы служить ещё дольше и быть дешевле в монтаже и исполнении.
Скоро будем кататься на новом колесе... :)
Ну вот, как-то так.
Я решил заполнить этот пробел, но не просто так, а с заключением настоящего профессионала, конструктора-машиностроителя Добжинского Даниил Павловича. Его работы для меня, молодого, но уже перспективного инженера-проектировщика, были откровением. Этот человек создал замечательный сайт "Правильное строение машин", где доступным языком изложена вся суть, основы проектирования подвижных и неподвижным механизмов. В то время, когда я работал инженером-проектировщиком нестандартного оборудования, я понимал что такое принцип самоустанавливаемости, этот принцип невозможно было не заметить, пропустить в своих расчетных и кинематических схемах, но всё же мои знания были не такими глубокими, как требовалось для успешной работы, я периодически сталкивался с проблемами устанавливаемости, сборки и разборки узлов и механизмов. После прочтения сайта я понял, что во многих вещах был не прав, много было принято неверных решений. Но после усвоения материала всё встало на свои места как паззлы - я стал намного профессиональнее и успешнее. Так что читаем и усваиваем кому интересно.
Давайте вернёмся к нашему колесу :).
В настоящее время сама конструкция уже смонтирована, остались только некоторые мелочи в виде благоустройства, обустройства посадочной площадки и т.д.
01. Общий вид конструкции. Красота.
02. Это абсолютно новое колесо. Наверно, первое новое колесо со времен СССР в нашем городе.
Первый раз мне удалось увидеть колесо когда был закончен монтаж опор и была установлена главная ось. В тот момент я заметил, что все соединения опор с фундаметном выполнены не совсем правильно. Цилиндрические шарниры не обеспечивают необходимую самоустанавливаемость всей конструкции, слишком много наложено избыточных связей в шарнирах - конструкция колеса получилась статически неопределима. При такой схеме опоры будут чутко реагировать на изменения положения независимых фундаментных плит, неизбежно возникнут вредные напряжения, и опоры будут работать друг против друга, как бы борясь между собой.
03. У каждой опоры собственный фундамент - это очень плохо.
04. Опора стойки с цилиндрическим шарниром. Это не обеспечивает требуемую гибкость (подвижно только в одной плоскости).
В таком случае желательно сделать общий для всех опор фундамент, который бы обеспечил более стабильную работу опорных стоек и исключил бы вредные явления. Хотя общим фундаментом всё равно невозможно полностью исключить вредные внутренние напряжение, которые невозможно учесть, но можно было значительно их снизить. В случае раздельных фундаментных плит, что сейчас и наблюдается, конструкцию монтировать очень сложно, невозможно обойтись без "пригонки по месту", что только увеличивает трудоёмкость и стоимость монтажа, общий фундамент значительно бы облегчил эту задачу.
Куда лучше сразу использовать соответствующие сферические шарниры, которые обеспечили бы полную устанавливаемость конструкции. Почему этого не было сделано, я не знаю. Удивительно, но и старые колёса выполнены по такому принципу и стоят уже не один десяток лет...
05. Кабинка. Круглый год эксплуатировать не получится - будет холодно.
После этого я решил получить комментарий у Даниила Павловича по поводу нашего колеса. И вот, что он пишет:
---
"Учитывая, что колесо вращается очень медленно, можно сказать, что это что-то среднее между строительными конструкциями и механизмами, причем ближе к первым. Поэтому к нему в значительной мере применимо то, что сказано в разделе «Неподвижные соединения» основной статьи сайта о строительных конструкциях (допустима как внутренняя, так и внешняя статическая неопределимость).
Эти колеса действительно «стоят не один десяток лет», как многие десятилетия и даже столетия стоят старинные каменные дома без температурных швов. Однако достаточно часто можно видеть, как на таких домах появляются сквозные трещины в стенах, хотя сама по себе кирпичная кладка еще очень крепка.
Ситуация с колесом обозрения напомнила мне ситуацию с нефтяными станками-качалками, которые «крутятся» также довольно медленно. Там почти все сделано правильно, кроме схемы опирания на фундамент. И подавляющее большинство станков безбедно работают многие годы. Однако мне достоверно известно о случаях серьезных аварий с такими станками. Особенно это характерно для Западной Сибири, где они часто стоят на болотистом грунте на свайных фундаментах. В устранении последствий одной такой аварии я когда-то сам принимал косвенное участие. Тогда лопнул очень прочный корпус мощного редуктора привода. Не «пополам», но с большой трещиной, через которую уходило масло. Причина была именно в статической неопределимости крепления этого редуктора к фундаменту и в неравномерной осадке фундамента или с пучением грунта при промерзании. Будь схема опирания правильной, аварии бы не было.
Видимо, для колес обозрения допустима внешняя статическая неопределимость, хотя она придает всей конструкции существенные недостатки. Но допустима она только для металлоконструкций и неприемлема для компоновки привода колеса. Насколько знаю, на больших колесах чаще всего ставят фрикционный привод (приводные катки тянут обод колеса). Из-за невозможности обеспечить высокую точность формы и положения огромного обода, очень важно устанавливать привод без избыточных связей. То, что мне доводилось видеть, сделано правильно или почти правильно.
А на уровне металлоконструкций недостатки рассматриваемой системы следующие:
- Цилиндрические шарниры в основаниях стоек, по сравнению с жестким креплением к фундаменту без каких-либо шарниров, немного уменьшают количество избыточных связей. Но именно немного, - полной самоустанавливаемости они не дают. Тем более такие шарниры как здесь (по типу шарниров цепи Галя). Отсюда и все следующие недостатки. Правда, от таких шарниров может быть другая польза. С ними можно смонтировать опоры без использования подъемного крана с большой стелой. Достаточно иметь простые (даже с ручным приводом) лебедки и несложную монтажную мачту. Так, например, ставят высокие опоры линий электропередач.
- При такой системе нельзя обойтись без «пригонки по месту». Как минимум на уровне соединений с бетоном фундамента. Там делаются относительно большие колодцы под анкерные болты, которые заливаются после установки нижних частей шарнира. «Подливается» и сама опорная плита шарнира. По-хорошему надо бы дать бетону какое-то время, чтобы он набрал прочность и только затем нагружать анкерные болты и бетонную заливку. А как это сделать, если установленная на место стойка уже сама по себе нагружает анкерные болты какой-то сдвигающей нагрузкой и сжимает заливку. Во всяком случае, не следует сразу после монтажа опробовать или запускать колесо в работу. А ждать от момента заливки анкеров придется долго, если использовать обычный бетон. Он набирает полную расчетную прочность за 28 суток, а опалубку снимать не рекомендуется раньше 7 суток. Если сделать опорные узлы по статически определимой схеме, можно будет готовить фундамент заранее и ставить в него анкеры без колодцев, например, по изготовленному на заводе разборному шаблону, доставленному на объект еще до поступления частей всего колеса. А опробовать и запускать в работу сооружение можно сразу после монтажа.
- Скорее всего, предусмотрена предварительная сборка опор, самого колеса, и всего сооружения на заводе. При этом стыковочные элементы металлоконструкций привариваются по месту, а все сварные части маркируются, для последующей сборки на объекте по этой маркировке. Этот прием существенно снижает вредное влияние избыточных связей, но не устраняет его полностью. Поэтому какие-то «лишние» напряжения неизбежно возникают уже при сборке и действуют в течение всего времени эксплуатации. Эти напряжения практически невозможно точно оценить, следовательно, при расчете металлоконструкций приходится принимать заведомо завышенный запас прочности.
- Поскольку схема крепления стоек к фундаментам статически неопределимая, трудно, если вообще возможно, определить с приемлемой точностью реальные нагрузки на эти фундаменты. При схеме без избыточных связей эти нагрузки определяются достаточно точно и, следовательно, нет необходимости завышать запас несущей способности при расчете фундаментов.
Поэтому я бы рекомендовал делать статически определимую схему соединения стоек опор с фундаментом и соединения оси колеса с опорами. Для правильного выбора такой схемы важно знать конструкцию опорного узла самого колеса. Здесь, видимо, возможны два варианта: первый - неподвижная ось с подшипниками в ступице колеса, второй - ось вращается вместе с закрепленным на ней колесом, а подшипники установлены на опорах. На мой взгляд, предпочтителен первый вариант. Далее из него и будем исходить.
В части конструкции опор также возможны два варианта. Первый - такой как на фото, то есть две одинаковые опоры в форме трехгранных пирамид. В этом случае каждая из трех стоек обеих опор должна иметь свою конструкцию узла соединения с фундаментом.
Одна из стоек может опираться на шарнир А:
На рисунке показана только принципиальная схема шарнира. В реальности, это может быть, например, серийный шарнирный подшипник серии ШМ или ШМЛ (ГОСТ 3635-78).
Вторая стойка может опираться на узел Б, а третья - на узел В:
Каждый из этих двух узлов состоит из двух кинематических пар: первый из двух сферических пар третьего класса (одна пара накладывает на соединяемые элементы 3 связи). Второй состоит из одной такой же сферической пары и одной цилиндрической пары пятого класса (5 связей). В принципе, реальные конструкции пар могут быть различными, но, на мой взгляд, самым рациональным решением для сферических пар являются упомянутые шарнирные подшипники. Они обладают очень большой нагрузочной способностью, а основанная на них конструкция окажется не дороже, а, скорее всего, - дешевле шарнира, показанного на фото.
При таких опорных узлах нижней части обеих трехгранных (трехстоечных) опор, ось колеса должна соединяться с одной из опор шарниром А, а с другой - узлом В.
Во втором варианте исполнения опор одна из них остается такой же, как в первом, а вторая представляет собой плоскую треугольную конструкцию из двух стоек с перемычками между ними:
На схеме стрелками и буквами обозначены места и тип узлов соединения (шарнир А, узлы Б и В). Только не показано как ориентированы два узла В, что важно как для второго, так и для первого варианта (где таких узлов три). Тем, кому это покажется интересным, предлагаю найти оптимальную ориентацию этих узлов самим.
Второй вариант проще и дешевле первого, но, видимо, оптимален только для колес малой и средней высоты. При большой высоте возникает проблема потери устойчивости плоской «двуногой» опоры в плоскости YOZ (продольная устройчивость при осевом сжатии длинных стержней).
Помимо прочего, самоустанавливающиеся опоры имеют то преимущество, что их опорные узлы можно сделать регулируемыми по высоте. Тогда, уже после монтажа опор на месте, можно легко корректировать в достаточно широких пределах положение верхних точек опор, то есть места крепления оси колеса. При опорных узлах, показанных на фотографиях этого делать нельзя, так как после монтажа любое изменение высоты одной стойки, будет вызывать «заламывающие» нагрузки в опорных шарнирах двух других стоек и «лишние» напряжения в самих стойках.
Оценивая ситуацию в целом, можно сказать, что здесь задача устранения избыточных связей относительно не сложная, и любой специалист по строительной механике, быстро найдет такие решения или им подобные, если ему поручить обеспечить самоустанавливаемость этого сооружения. И давно уже мог бы найти, но видимо, такая задача не ставилась. А зря".
---
06. Внутреннее убранство кабинки. Не жирно.
07. Удивительно, но у них все шарниры выполнены подобным образом.
Несмотря на недостатки, это колесо прослужит долго и безотказно, хотя могло бы служить ещё дольше и быть дешевле в монтаже и исполнении.
Скоро будем кататься на новом колесе... :)
Ну вот, как-то так.