CC BY
8Многогранная двухцепная У-образная опора
и
у
а
г
*
а о
Хорошкеев Евгений Вячеславович
соискатель, АСИ «Самарский Государственный Технический Университет», khoroshkeev@mail.ru
Вот уже более полувека, как широко внедряются тонкостенные конструкции в электроэнергетки в виде опор линий электропередач, опор освещения. Обладая огромным преимуществом над конструкциями из решеток, стремительной вытесняя их. И даже единственный недостаток, а именно большой вес опоры, не останавливает техническое развитие такой конструкции, а наоборот, стремительно продвигает ее в развитии техники. На сегодняшний день актуальность применение опор линии электропередачи (ЛЭП) на многогранной гнутой стойке (МГС) растет с каждым днем. Основным недостатком опор подобного рода - большой вес. Но, несмотря на это, опоры ЛЭП на МГС обладают высокой надежностью, долговечностью и вандалоустойчивостью, а также хорошим экономическим эффектом. Учитывая многократное преимущество в жесткости и устойчивости опор на МГС, нам дает большую возможность найти ту необходимую геометрию конструкции, которая могла бы значительно снизить вес конструкции опор. Работая именно в этом направлении мне удалось найти геометрическую схему, позволившая достичь уменьшения веса на 25 %, по сравнению с существующими аналогами. Данная схема позволила сократить высоту опоры, и разместить провода в один ярус. Научная новизна заключается в том, что данная схема позволила снизить вес опоры, и ее высоту. А нововведенный узел, позволяет облегчит технологию изготовления узла соединения, уменьшить количество отходов металла, а также облегчить вес самой опоры. На данное изобретение получен патент на полезную модель №170640. Ключевые слова: V-образная геометрическая схема, многогранная гнутая стойка (МГС), трос раскрепления, метод конечных элементов (МКЭ), относительный прогиб, напряженно-деформируемое состояние (НДС), нормальные напряжения, максимальный изгибающий момент.
На сегодняшний день известны множества одно цепных промежуточных опора разного напряжения, ствол которых состоит из секций, на стволе по ярусно закреплены траверса с консолями для крепления фазы проводов и верхняя траверса с консолями для крепления грозотро-са. Ствол таких опор стальной и может иметь замкнутое многогранное сечение или замкнутое овальное сечение, а также может быть выполнен решетчатым с раскосной или без раскосной решеткой. Недостатками известной конструкции являются наличие дополнительных траверс, увеличение высоты опоры и, как следствие, ее металлоемкости, усложнение монтажа опоры и эксплуатации воздушных линий электропередач.
Эффективным и экономичным способом, давшим хороший результат по целесообразности, явился способ по снижению высоты опоры путем размещения фазы проводов в один ярус. Такое размещение позволило сократить изгибающий момент у основания, повысить прочность и и снизить деформации.
Учитывая все вышеперечисленные факторы, мной была разработана многогранная двухцеп-ная V-образная опора (рис.1) с одноярусным расположением проводов по три провода на каждой траверсе и узлами соединения из наклонных фланцев, отвечающая всем требованием норм и правил.
Дорогие друзья, в данной статье я расскажу Вам о напряженно деформационном состоянии данной конструкции, подробно рассмотрим, как распорный трос значительно влияет на вертикальные отклонения траверс, а многогранный ствол обладая своими высокими прочностными характеристиками обеспечивает хороший запас по общей и местной устойчивости. Расчет узла требует более сложного и углубленного анализа, который мы рассмотрим в следующей статье.
Двух цепная промежуточная стальная опора с однорядным расположением проводов на наклонных траверсах трехфазной воздушной линии 110-220 кВ, содержащая ствол из нижней, и верхней секций, на котором закреплены и раскреплены тросом наклонные траверсы, и на-
клонные траверсы троса закрепленные к траверсам провода отличающаяся тем, что на каждую консольную траверсу подвешивается по три провода, а на каждую консольную тросостойку по одному грозотросу, а секции ствола скреплены болтовым соединением через наклонные безреберные фланцы имеющие преломление у края оболочки, и консольные траверсы под провода и троса скреплены болтовым соединением через наклонные безреберные фланцы.
Рис. 1. Общий вид опоры. 3Д визуализация.
В теории тонких оболочек результаты исследований, отчетливо изложены в научных трудах Власова В.З. «Общая теория оболочек и ее приложение в технике» [1], Вольмира А.С "Гибкие пластинки и оболочки» [3], Гольденвейзер А.А. «Теория упругих тонких оболочек» [4], Лурье А.И. «Общая теория упругих тонких оболочек» [9] и многих других авторов. Все их исследования получены в основном на основании следующих гипотез Киргофа - Лява:
- прямолинейные нормали, перпендикулярные к срединной поверхности оболочки по деформации, остаются после деформации прямолинейными и перпендикулярными к деформированной срединной поверхности;
- нормальным напряжениями, действующими на площадках, параллельных срединной поверхности оболочки, можно пренебречь по сравнению с другими напряжениями.
Первым кто попытался вывести уравнения теории оболочек, основываясь на уравнениях теории упругости и методе Кирхгофа, в XIX веке
(1874) осуществил Х.Арон (H.Aron) [11]. При вычислении кривизн и выражений для энергии изгиба, как в последствии выяснилось Х. Арон допустил неточность. Развитие теории оболочек после Х.Арона продолжали А. Ляв (A.E.H. Love), А. Бэссет (A.B. Basset), Х.Лемб (H. Lamb) и другие ученые. Они внесли огромный вклад в теорию расчета оболочек. Единственным недостатком является непоследовательное обращение с малыми членами и неясная область применения. После чего, развитие теории оболочек двигалось по двум направлениям: исследований по выводу соотношений теории оболочек из уравнений пространственной теории упругости и прямой подход к построению теории оболочек. Большую роль в исправлениии погрешности гипотез Кирхгофа - Лява, сыграли работы А.И. Лурье, В.В [9]. Новожилова [6] и Р.М. Финкель-штейна. Позже, А.Л. Гольденвейзер сформулировал и предложил новую формулировку кинематических и статических положений, отличную от гипотиз Кирхгофа - Лява. С помощью асимптотического анализа уравнений теории упругости, А.Л. Гольденвейзер получил новое соотношение упругости. Данное соотношение отличалось от выражений А.И. Лурье.
При определении НДС (напряженного деформируемого состояния) конструкций, образованных из оболочек, одной из самых важных проблем механики твердого деформируемого тела является задача развития и использования современных численных методов расчета оболочек. является главным методом наиболее часто используемых методов для исследования НДС (напряженного деформируемого состояния) является метод конечных элементов (МКЭ). C помощью этого метода мы выполним расчеты и анализ расчетов.
В этой статье я привел анализ расчета двух цепной опоры в вычислительном комплексе SCAD. Расчет был выполнен с помощью про-ектно-вычислительного комплекса SCAD. Комплекс реализует конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку общей устойчивости, выбор невыгодных сочетаний усилий, проверку несущей способности стальных конструкций Метод конечных элементов, с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы, положен в основу расчета. В связи с этим идеализация конструкции выполнена в форме, приспособленной к использованию этого метода, а именно: система представлена в виде набора тел стандартного типа (стержней, пластин, оболочек и т.д.), называемых конечными элементами и присоединенных к узлам.
Выявленная мной схема опоры позволила мне сократить высоту конструкций, что привело
О R
К*
£
55 т П 1
к снижению усилий в опорной части при одних и тех же нагрузках от проводов и тросов, облегчить монтаж конструкций в целом, а узел соединения секций и траверс через наклонный фланец позволили упростить технологию производства, тем самым удешевляя изготовление и монтаж, и уменьшая отходы металла.
Все элементы опоры, выполненные из многогранного гнутого листа, работают не на пределе даже в упругой стадии. Введенные требования по деформациям как к самому ствол, так и к траверсам оказались виной тому. Согласно нормативным требованиям, разность отклонения для промежуточных опор не должна превышать 1/50. Для того чтобы удовлетворить эти требования, пришлось в самом стволе повысить жесткость путем увеличения диаметра, а в наклонные траверса раскрепить горизонтальным тросом.
В результате всех изменений, были достигнуты необходимые требования по деформациям (рис. 2).
На рисунке видно, что на высоте 24,5 м отклонение траверсы составило 456 мм, что составило 0,018 < 0,02=1/50. Требования по деформации в горизонтальном направлении выполнены. По мимо отклонений в горизонтальном направлении, требования предъявляются к разности отклонений траверс по вертикали. На рис. 3 изображены вертикальные отклонения траверс в режиме нагрузок «Ветер максимальный под 90° к линии вдоль траверсы.
Анализируя данные перемещения, можем сказать следующее. Общая сумма длин траверс составляет 21,6 метров. Относительный прогиб траверсы к длине консоли составляет 1/59, что менее требуемого прогиба 1/50. Отсюда видно, что подобранные сечения оболочек самого ствола и раскрепленных тросом траверс обладают необходимой жесткостью, обеспечивающую требуемого значения для промежуточных опор.
Не маловажной величиной при расчете одностоечных конструкций является максимальный изгибающий момент у подножья ствола. Его еще называют моментом опрокидывания в одностоечных конструкциях. И это самая большая величина в одностоечных конструкциях, способной потерять общую устойчивость всей конструкции, а также повернуть фундамент в вертикальной плоскости и опрокинуть его. В жестко заделанной конструкции опоры максимальные усилия при изгибе концентрируются у опорной части конструкций. Расчет многогранного ствола опоры проводился при расположении граней как в первом случае, когда удаленная грань параллельно плоскости изгиба так и во втором (наихудшем случае), когда оболочка повернута при максимальном удалении ребра двух граней от плоскости изгиба. Анализировались и проверялись такие расчетные величины как, нормальные и касательные напряжения, напряжения на поверхности грани оболочки, общая устойчивость конструкции, местная устойчивость стенки грани оболочки ствола и траверсы.
у
а
г
*
а б
Рис. 2. (Перемещение траверсы на отметке 24.5 метра по оси Х по 2пс. мм). Где: И -собственный вес опоры^Э - нагрузка от проводов и тросов(по 2пс), И-ветровая нагрузка на ствол опоры(по 2пс).
Перемещения 7 (мм). Комбинация аШП+ИЗТЬИТП) Уим 5447 Элементов №83
Рис. 3. Перемещения по 2 мм. Где: И -собственный вес опоры, Ь3 - нагрузка от проводов и тросов(по 2пс), И-ветровая нагрузка на ствол опоры(по 2пс).
Узлы соединения многогранных оболочек этой опоры мы будем рассматривать и сравнивать с фланцевым соединением более подробно в следующей статье. Вкратце данный узел не имеет аналога в мире и доказательством того является полученный патент на данную опору как на полезную модель №170640.
Рассмотрим напряженное состояние в оболочке ствола в районе максимального изгибающего момента, т.е. на отметке 0.000. Именно самые большие напряжения могут возникнуть у подножья опоры, и в оболочке траверсы в местах прикрепления ее к стволу. Многогранное замкнутое сечение позволяет обеспечить высокую прочность и надежность.
О В К* £
55 т П 1
Рис. 4. Эпюра напряжений Ых кН/м2 в оболочке ствола опоры на отм. 0.000. Комбинация нагрузок И*1+Ь2*1+Ь6*1 где: И-собственный вес опоры, Ь2- воздействие ветра на провода по 1пс, Ь6-воздействие ветра на конструкцию по 1пс (предельное состояние).
Рис. 5. Эпюра напряжений Ыу кН/м2 в оболочке ствола опоры на отм. 0.000. Комбинация нагрузок И*1+12*1+16*1 где: И-собственный вес опоры, Ь2- воздействие ветра на провода по 1пс, Ь6-воздействие ветра на конструкцию по 1пс (предельное состояние).
*
О
у
а
г
*
а б
Рис. 6. Эпюра напряжений Эх верх кН/м2 в оболочке ствола опоры на отм. 0.000. Комбинация нагрузок И*1+12*1+16*1 где: И-собственный вес опоры, Ь2- воздействие ветра на провода по 1пс, Ь6-воздействие ветра на конструкцию по 1пс (предельное состояние).
Рис. 7. Эпюра напряжений Эх низ кН/м2 в оболочке ствола опоры на отм. 0.000. Комбинация нагрузок И*1+12*1+16*1 где: И-собственный вес опоры, Ь2- воздействие ветра на провода по 1пс, Ь6-воздействие ветра на конструкцию по 1пс (предельное состояние).
0 в к* £
в
т П 1
Рис. 8. Эпюра напряжений Эу верх кН/м2 в оболочке ствола опоры на отм. 0.000. Комбинация нагрузок И*1+12*1+16*1 где: И-собственный вес опоры, Ь2- воздействие ветра на провода по 1пс, Ь6-воздействие ветра на конструкцию по 1пс (предельное состояние).
Рис. 9. Эпюра напряжений Эу низ кН/м2 в оболочке ствола опоры на отм. 0.000. Комбинация нагрузок И*1+12*1+16*1 где: И-собственный вес опоры, Ь2- воздействие ветра на провода по 1пс, Ь6-воздействие ветра на конструкцию по 1пс (предельное состояние).
*
О
у
а
s
*
а б
Анализ расчета напряжений показал, что нормальные напряжения (рис. 4,5), и не маловажные напряжения, возникающие в пластинах у поверхности каждой грани ребер, оболочки (рис. 6-9) не превышают допустимых напряжения для стали С345.
На основании проведенного анализа, можно отметить, напряженно деформированное состояние конструкций удовлетворяет всем требованиям. Разработанная схема самой опоры, превосходящей в весе аналогов на 25%, и узлов соединений способны выдержать все нагрузки от ветрового воздействия, а также нагрузки от проводов и тросов, действующие на опору. Конструкции опоры обладают достаточной прочностью, надежностью и устойчивостью с большим коэффициентом запаса. Раскрепленные тросом траверсы не отклоняются за требуемые параметры, а их относительный прогиб вдоль консолей не превышает требуемого значения. На данном этапе, конструкции опоры и ее узлы активно готовятся к испытаниям. Сам процесс и результаты испытания будем опубликовывать в последующих номерах журнала.
Литература
1. Власов В.З. «Общая теория оболочек и ее приложение в технике»
2. Бате К. Численные методы анализа и метод конечных элементов [Текст] / К. Бате. - М.: Стройиздат, 1982.-448 с.
3. Вольмира А.С "Гибкие пластинки и оболочки»
4. Гольденвейзер А.А. «Теория упругих тонких оболочек»
5. Деклу, Ж. Метод конечных элементов [Текст] / Ж. Деклу. - М.: Мир, 1976.-96 с.
6. Новожилов, В.В. Теория тонких оболочек [Текст] / В.В. Новожилов. -Л.: Судостроение, 1962.-431 с.
7. Патент на полезную модель «Двухцепная промежуточная многогранная опора линий электропередач» № 170640
8. Качановская Л.И. Разработка и внедрение многогранных опор ВЛ и фундаментов для них //Современное состояние вопросов эксплуатации, проектирования и строительства ВЛ (МЭС-4). - М.: ИАЦ Энергия, 2009. - С.56-62.
9. Лурье А.И. «Общая теория упругих тонких оболочек»
10.Иванов В.Н. Основы метода конечных элементов и вариационно-разностного метода [Текст]: Учеб.пособие / В.Н. Иванов. - М.: РУДН, 2008. - 168 с.
11.Aron, H. Das Gleichgewicht und die Bewegung einer unendlich dünnen, beliebig gekrümmten elastischen Schale [Text] / H/ Aron -1874.-№ 78.-Р.136-174.
Multifaceted double-chain V-shaped support
Khoroshkeev E.V.
Samara State Technical University
It has been more than half a century now how thin-walled structures are widely introduced into power grids in the form of poles of power transmission lines, lighting poles. Possessing a huge advantage over the lattice structures, swiftly replacing them. And even the only drawback, namely the large weight of the support, does not stop the technical development of such a design, but, on the contrary, promptly promotes it in the development of technology. To date, the relevance of the use of power line supports (LEP) on a multi-faceted bent rack (MGC) is growing every day. The main disadvantage of these types of supports is a large weight. But, despite this, the power transmission lines on the MHS are highly reliable, durable and vandal-resistant, and also have a good economic effect. Given the multiple advantages in the rigidity and stability of the bearings on the MHS, we are given a great opportunity to find that necessary geometry of the structure, which could significantly reduce the weight of the support structure. Working in this direction, I managed to find a geometrical scheme that allowed to achieve weight reduction by 25%, in comparison with existing analogues. This scheme allowed to reduce the height of the support, and place the wires in one tier. Scientific novelty lies in the fact that this scheme allowed to reduce the weight of the support, and its height. A new node, allows you to simplify the technology of manufacturing the junction, to reduce the amount of metal waste, and to facilitate the weight of the support itself. For the present invention obtained patent No. 170640.
Key words: V-shaped geometric scheme, polyhedral bent pillar (MGC), pull-out cable, finite element method (MCE), relative deflection, stress-strain state (VAT), normal stresses, maximum bending moment. References
1. Vlasov V.Z. "General theory of shells and its application in
engineering"
2. Bate K. Numerical Analysis Methods and Finite Element Method [Text] / C. Bathe. - Moscow: Stroiizdat, 1982.-448 p.
3. Vol'mira A.S. "Flexible plates and shells"
4. Goldenweiser A.A. "The theory of elastic thin shells"
5. Declu, G. Finite element method [Text] / J. Declus. - Moscow:
Mir, 1976.-96 p.
6. Novozhilov, V.V. Theory of thin shells [Text] / V.V. Novozhilov.
-L .: Shipbuilding, 1962.-431s.
7. Patent for utility model "Double-chain intermediate polyhedral
support of power transmission lines" No. 170640
8. Kachanovskaya L.I. Development and implementation of multi-faceted supports of overhead lines and foundations for them // Current state of issues of operation, design and construction of overhead lines (MES-4). - Moscow: IAC Energia, 2009. - P.56-62.
9. Lurie A.I. "General theory of elastic thin shells"
10. Ivanov V.N. Fundamentals of the method of finite elements and the variational-difference method [Text]: Ucheb.posobie / VN. Ivanov. - Moscow: RUDN, 2008. - 168 p.
11. Aron, H. Das Gleichgewicht und die Bewegung einer unendlich dünnen, verbig gekrümmten elastischen Schale [Text] / H / Aron - 1874.-No. 78.-P.136-174.
О
R >
£
R
n
4
