УДК 693. 827: 624. 042. 41

ПІДБІР ПАРАМЕТРІВ ВУЗЛІВ ВЕЖОВИХ ГОДИННИКІВ

В УМОВАХ КЛІМАТИЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

О. Бурнаєв, к. ф.-м. н, С. Лопатка, к. т. н.,

С. Рогульський, студент

Львівський національний аграрний  університет

В. Смичок, к.т.н.

Львівський обласний держкомгідромет

Ключові слова: вітрове навантаження, ожеледь, вимірювання, вежовий годинник.

Key words: wind loads, ice load, measuring, tower clock.

The geometrical sizes of Ukraine tower clocks, height of establishment, loading from wind, variable on the height of building, ice-storm are appraised, conclusions are done about the parameters of compatible mechanisms for restoration works.

Постановка проблеми. З відновленням незалежності України та ростом економіки активізувалась діяльність із реставрації архітектурної історичної спадщини – церков, костелів, ратуш, готелів, банків. Значна їх частина була обладнана вежовими годинниками великих розмірів із курантами, що у 90% випадків знаходяться в розкомплектованому стані або відсутні зовсім. Як для споруд, де годинники відсутні, так і для більшості існуючих годинників існує нагальна потреба їх заміни через відпрацювання ресурсу, що часом складає кілька сотень років, внаслідок встановлення нового механізму і винесення історичних механізмів в експозиції краєзнавчих музеїв. Аналогічну практику широко застосовують і за кордоном для цілком справних годинників з метою вивільнення персоналу від щоденної рутинної праці. Ремонт заміною вузлів вбачається винятково трудомістким, дорогим і неефективним, оскільки при цьому годинник втрачає історичну цінність, а іноді ремонт просто неможливий через поганий стан механізму, зношення, корозію, старовинну технологію виготовлення, нестандартний розмір зубів, для якого відсутні модульні різці тощо. При цьому значні складнощі в роботі становить розмаїття умов встановлення механізмів, що практично не повторюються і повністю заперечують серійне виробництво. Проблемою, поставленою для вирішення в цій роботі, є визначення уніфікованих параметрів механізму годинника, що придатні для статистично обґрунтованої більшості споруд України, за винятком малих підвісних вуличних годинників діаметром до 1 метра та особливо великих, із потужними механізмами, що трапляються вкрай рідко, (рис. 1) і виготовлення механізмів такого калібру для уніфікації реставраційних робіт вважається недоцільним.

Встановлення уніфікованих параметрів дозволить значно зменшити затрати праці й вартість робіт внаслідок виготовлення дрібносерійної партії механізмів, придатних із певним запасом міцності для всіх типових споруд.

Рис. 1. Різноманітні типи старовинних механізмів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Розрахунок параметрів механізмів можна провести, знаючи навантаження на них. Основними видами навантажень на механізми вежового годинника є вітрове на висоті годинника та вага ожеледі. Критичні значення ваги відкладення мокрого снігу чи ожеледі встановлені на основі [9]. Локалізація явища – нерівномірно в Україні в зоні Карпат, Криму та вздовж великих річок. Беремо максимальне і з спостережених значень за 30 років – тривалість 136 годин, діаметр 120 мм, вага 1380 г/м.п. Тривалість сильного вітру – максимум 51 година, максимум швидкості – 46 м/с, але за 95% забезпеченості не перевищує 32 м/с. Локалізація – близька до ожеледі. Щодо розмірів типових вежових годинників літературні дані повністю відсутні, а офіційні дані про висоту веж отримати не вдалося.

Постановка завдання. Метою роботи є зниження трудозатрат, вартості та прискорення виконання робіт внаслідок переходу з індивідуального на дрібносерійне виробництво механізмів для реставрації вежових годинників із курантами історичних споруд в Україні встановленням обґрунтованих параметрів їх уніфікованих типорозмірів в умовах розмаїття типів споруд, значних зовнішніх навантажень та обмеження щодо потужності електроприводу годинника (для тривалої роботи безперебійного живлення у разі відключень електроенергії).

Виклад основного матеріалу. Геометричні розміри годинників (діаметр або ширина для квадратних) заміряні для наявних у західному регіоні України. Циферблати діаметром до 600 мм і понад 2000 мм практично не трапляються, найбільша частота – діаметри 1100…1300 мм, що було обумовлено потужністю наявних на час їх створення механізмів. Окреме місце займає годинник львівської ратуші діаметром 3700 мм, його до розгляду не брали, оскільки має два відокремлені механізми – невеликий точного ходу і потужний для прокрутки стрілок за командою першого.

Випадків

Діаметр (ширина)  циферблата, см

рис. 2. діаграма частоти повторюваності розмірів годинників.

Безпосередні вимірювання швидкості вітру на рівні встановлення годинників (див. рис. 3) не дали результату з багатьох причин: не вдалося встановити залежність між приземним вітром та вітром на висоті, оскільки в межах міської забудови часто спостерігався штиль, тоді як на висоті вежі (20-40 м) швидкість вітру сягала 6-12 м/с.

Рис. 3. Експериментальне визначення залежності між швидкостями вітру на різних висотах споруд.

З іншого боку, нерегулярними спостереженнями максимальні за швидкістю вітри встановити неможливо. Тому за вітрове навантаження біля землі брали дані літературних джерел [1; 4 – 6] і перераховували до висоти споруди. Головним джерелом були сучасні дані [9], оскільки решта створена для великих територій СРСР і застаріла. Оскільки достовірних даних про висоту веж немає, брали максимально можливе значення 40 м.

Відповідно до [4; 6] для опису вертикальних профілів середніх швидкостей вітру (без урахування турбулізації потоку, тобто лише статична складова навантаження) використовували ступеневий закон

,                                              (1)

де  – швидкість вітру на висоті z над землею (м/с); – швидкість вітру на стандартному рівні розташування анемометра (м/с);  – висота над землею (м);  – висота розташування анемометра (м, як правило, 10 м);  – показник шорсткості підстильної поверхні. Швидкісний напір на висоті z можна обчислити, використовуючи залежність (2) вітрового тиску, прийняту [6]:

,                                         (2)

де  – швидкісний напір на висоті z, Па;  – швидкісний напір на висоті 10м, Па;  – коефіцієнт експозиції;  – аеродинамічинй коефіцієнт форми споруди;  – коефіцієнт пориву вітру.

Під час розрахунках конструкцій за граничним станом беруть вітровий тиск

,                                           (3),

де  - коефіцієнт перевантаження, приймається 1,2 для будівель; у разі вітрового навантаження як головного 1,3; для димарів до  100 м – 1,4; вищих – 1,5.

Для побудови вертикальних профілів швидкісних напорів вітру залежно від приземного, що вимірюється метеостанціями, вводять 3 типи підстильної поверхні [6]: тип А – місцевість зі слабкою захищеністю; тип Б – місцевість із помірною захищеністю; тип В – місцевість із сильною захищеністю. Вказані типи деталізуються у чинних будівельних нормах, відповідно = 0,16; = 0,28; = 0,40.

Динамічна складова вітрового навантаження виникає внаслідок багатьох чинників, серед яких є поява турбулентності. Інтенсивність турбулентності задається виразом

,                                   (4),

де – показник інтенсивності турбулентності; – коефіцієнт лобового опору підстильної поверхні (0,005 для поля; 0,01 – ліс і приміська забудова; 0,04 – центр міст; 0,002 – відкрите море);– коефіцієнт профілю швидкості вітру; z – висота над землею.

Через відому інтенсивність турбулентності можна обчислити значення пульсації тиску на одиницю висоти висотної конструкції за (5):

,                                        (5)

де – інтенсивність пульсації тиску; – статична складова вітрового тиску; d – характеристичний переріз.

Формули (1-5) дозволяють встановити повне навантаження на годинниковий механізм на висоті z на основі спостережень середнього вітру у приземному шарі.

Підбір механізму виконується за умовами міцності валу на кручення зі згином. Тиск на циферблати цілком вивчений і забезпечений досвідом експлуатації вікон та рекламних щитів [2]. Крутний момент валу формується дотичним до циферблата потоком вітру та ожеледдю, причому несприятливі позиції повернуті на 90º між собою – в горизонтальному положенні стрілки вплив вітру відсутній, а вплив відкладень максимальний, за вертикального – вітер створює максимальний момент, відкладення не впливають. Згин валу та стрілки спричиняє перпендикулярний до циферблата вітер. Через брак дослідних даних нехтуємо зниженням тиску на стрілку через наявну позаду площину.

За сумісної дії згину з крученням підбір діаметра суцільного вала виконується за формулою з [7]:

,                                                (6),

де                                   ,

а для порожнистого вала годинної стрілки зовнішній діаметр:

;                                                                                                                (7),

де  - відношення внутрішнього до зовнішнього діаметрів.

За формулою ,                                                                               (8),

де М – згинальний момент, W – момент опору при згині, підбирались параметри каркасу стрілки на згин відносно ступиці.

Підбір потужності електроприводу проводили дослідним шляхом, моделюючи навантаження від вітру та ожеледі накладанням вантажу на тросик, намотаний на шків редуктора. Обертання проводилось електродвигуном постійного струму за допомогою джерела напруги, зниженням напруги до зупинки обертання і замірів струму. Порівняння з реальним механічним годинником результату не дає, оскільки за великих вантажів (у нашому випадку гиря вагою 60 кг рівномірно переміщується на 15 м за 36 годин) різко зростає опір тертя ковзання в механізмі (практично дорівнює опору тертя спокою), тоді як для електричного механізму рух стрілки відбувається періодично на 6 градусів за 6-8 секунд щохвилини.

Для вексельного механізму розмір модуля зуба визначаємо [8] з формули , (9) ближче до стандартного за ГОСТ 9563-60 значення, уникаючи не рекомендованих,

де ,=0,2…0,4 для прямозубих коліс,       u – передатне число, = 1 в даному випадку, К – коефіцієнт навантаження; – номінальний момент руху стрілки проти вітру з відкладеннями снігу;  – допустиме контактне напруження.

Підбір типорозміру проводили за умовою сумісності діаметрів внутрішнього і зовнішнього валів з урахуванням технологічно допустимої товщини стінки підшипника ковзання та з наявних на базі металопрокату виробів.

Висновки. 1. З метою підвищення ефективності реставраційних робіт доцільно уніфікувати механізми приводу вежового годинника одним типорозміром, що забезпечує 95% об’єктів реставрації, що складає діаметр циферблату від 900 мм до 1800 мм. 2. Звести отримані результати до наявних на ринку металопрокату виробів: - вал хвилинної стрілки виконати з каліброваної сталі Х20 діаметром     10 мм; - вал годинної стрілки порожнистий виконати і з Ст.3, діаметр 22,5 мм, товщина стінки 3 мм; - модуль зуба циліндричних трибів вексельного механізму m = 2, прямозубий, виконати з листової сталі завтовшки 5 мм, марка не регламентується через низьку кількість обертів. 3. Стрілки виконувати за модульним принципом – декоративний елемент, під ним профіль з дюралюмінієвої прямокутної труби 15х36х2 мм, до нього кріпиться ступиця хвилинної стрілки, виконана наваркою до ступиці валу смуги 30х4 мм довжиною 350 мм, матеріал Ст.3. 4. Відстань між стрілками та до циферблату в напрямку валу (для уникнення впливу відкладень ожеледі) – не менше 50 мм. 5. Потужність автономного електроприводу годинника за 4-стороннього компонування – 15 Ват. 6. У роботі через брак даних не вдалось розглянути галопування стрілок і флаттер цифр у потоці, паралельному до циферблата, хоча такі явища візуально спостерігались, а сліди від них – вібраційні тріщини оздоблення стрілок і цифр (виконаних із мідної жерсті), аж до повного руйнування протягом тривалого часу, під час реставрації виявляються часто.

Рекомендацій щодо демпферування коливань стрілок отримати не вдалось, для цифр і нерухомого оздоблення рекомендується жорстке кріплення, що виключає вібрацію під час простукування.

Бібліографічний список

1.    Анапольская Л. Е. Режим больших скоростей ветра на территории СССР для учета ветровых нагрузок на сооружения / Л. Е. Анапольская,       Л. С. Гандин // Вопросы прикладной климатологии. – Л. : Гидрометеоиздат, 1966. – 56 с.

2.    Барштейн М. Ф. Воздействие ветра на большеразмерные стекла витрин / М. Ф. Барштейн, А. С. Бернштейн, П. К. Шкляревский // Труды ЦНИИСК. – Вып. 56. – М., 1975. – С. 60-66.

3.    Ветровые и гололедные воздействия на конструкции горных высоковольтных линий передач : сборник трудов / ЭНИН им.                           Г. М. Кришацовского. – М., 1986. – 180 с.

4.    Заварина М. В. Расчетные скорости ветра на высотах нижнего слоя атмосферы / М. В. Заварина  – Л. : Стройиздат, 1971. – 112 с.

5.    Микитаренко М. А. Сравнительный анализ ветровых нагрузок на высотные сооружения по нормам СССР и проекту ДБН Украины «Нагрузки и воздействия» / М. А. Микитаренко, М. А. Горшколепова // Вісник Донецької державної академії будівництва і архітектури : будівельні конструкції, будівлі та споруди. – 2003. –№ 2(39), том. 2. – с. 14-18.

6.    Руководство по расчету сданий и сооружений на действие ветра. –М. : Стройиздат, ЦНИИ Строительных конструкций им. В. А. Кучеренко, 1978. – 223 с.

7.          Справочное пособие по сопротивлению материалов /                          [ М. Н. Рудицын  и др.]. – Минск. : Вышейшая школа, 1970. – 628 с.

8.          Проектирование механических передач [С. А. Черновский и др. ] –М. : Машиностроение, 1975, –608 с.

9.          Кінаш Р. Стихійні гідрометеорологічні явища в Україні / Р. Кінаш, О. Бурнаєв. – Львів : ВНТЛ, 2000. – 190 с.