Шарнирно подвижная опора реакции: Шарнирно-подвижные опоры. Реакции в ШПО

Содержание

Шарнирно-подвижная и неподвижная опоры

Н

Рис. 1.21

а рис. 1.21 изображена горизонтальная балка, опирающаяся на шарнирно-подвижную и неподвижную опоры в точках А и В.

Реакция RA шарнирно-подвижной опоры направлена по нормали к опорной поверхности в сторону балки. Шарнирно-подвижная опора поставлена на катки, которые не препятствуют перемещению балки вдоль опорной поверхности. Если не учитывать трения катков, то линия действия реакции RA проходит через центр шарнира перпендикулярно опорной поверхности.

Шарнирно-неподвижная опора препятствует поступательным перемещениям балки вдоль координатных осей, но дает ей возможность поворачиваться относительно оси шарнира. Линия действия реакции RB шарнирно-неподвижной опоры проходит через центр шарнира, но модуль и направление реакции заранее неизвестны.

На рис. 1.22 изображена балка АВ. По аксиоме параллелограмма сил, которая допускает обратное толкование, реакцию

RВ можно разложить на составляющие, параллельные координатным осям.

С

Рис. 1.22

илыYВ, ZВ называют компонентами реакции RВ по координатным осям.

Более сложные виды связей и их реакции рассматриваются позднее, когда будут введены понятия пары сил и моментов сил относительно точки и оси.

Аксиома связей – всякое несвободное тело можно рассматривать как свободное, если отбросить связи и заменить их действие реакциями этих связей.

На рис. 1.23 изображена балка АВ, рассматриваемая как несвободная механическая система, на которую наложены внешние связи.

Шарнирно-неподвижная опора в точке В не позволяет балке перемещаться поступательно параллельно координатным осям и позволяет поворачиваться в плоскости рисунка. Исходя из этого, реакцию RВ раскладывают на её составляющие YВ, ZВ, параллельные координатным осям.

Шарнирно-подвижная опора в точке А не позволяет балке совершить перемещение на опорную поверхность, поэтому её реакция

RА направлена по нормали.

Рис. 1.23

В

Рис. 1.24

инженерной практике принято реакции связей показывать непосредственно на исходном рисунке. Это позволяет избежать дополнительных чертёжных работ. На рис. 1.24 балка АВ считается свободным телом, которое может совершать в плоскости OXY два поступательных перемещения, параллельные координатным осям, и вращение в этой плоскости.

Балка АВ находится в равновесии под действием активных сил F1, F2 и реакций ZB, YB, RA внешних связей. Реакцию RA целесообразно разложить на составляющие силы по координатным осям.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что разложение силы на составляющие силы производится только в точке приложения силы.

Вопросы и задания для самоконтроля

  1. Сформулировать определение термина «несвободное тело»

    .

  2. Сформулировать определение термина «связи».

  3. Сформулировать определение термина «реакции связей».

  4. Сформулировать определение термина «гладкая связь».

  5. Сформулировать определение термина «гибкая связь».

  6. Сформулировать определение термина «невесомый стержень».

  7. Сформулировать определение термина «свободное тело».

  8. Сформулировать аксиому связей.

Шарнирно подвижная опора под углом. Соединение тел с помощью шарниров

Под расчетной схемой к задаче в дальнейшем мы будем понимать: схематическое изображение тела (или системы тел), равновесие которого рассматривается в задаче, с действующими на тело заданными (активными) силами и силами реакций наложенных на тело связей, с введенной для решения задачи системой координатных осей, со всеми необходимыми данными о геометрических размерах и углах, которые должны быть либо известны, либо определены для решения задачи.

Грамотная и четкая расчетная схема - это первое и всегда необходимое условие успешного решения любой задачи и..... не только в механике.

При составлении расчетной схемы необходимо быть предельно внимательным и аккуратным - внимательным при изучении условия и чертежа к задаче, при нанесении на расчетную схему заданных сил, сил реакций связей и.... аккуратным при оформлении расчетной схемы.

На этом этапе решения для быстрого составления расчетной схемы к задаче необходимо отлично знать условные обозначения типов связей и реакции этих связей (то есть плакат 4с ), уметь заменять любые распределенные нагрузки сосредоточенными силами, уметь определять положение центра тяжести любого тела.

Среди заданных сил в задачах могут быть: сосредоточенные наг рузки , изображенные на чертежах к задачам в виде векторов сил; веса элементов конструкций; распределенные нагрузки с заданной интенсивностью. Еще в задачах на тело или систему тел могут действовать заданные пары сил. Они обычно задаются величиной момента и направлением вращения. Точки приложения сосредоточенных нагрузок всегда указываются в условии к задаче. Точки приложения сил тяжести, как правило, не указываются. Считается, что каждый, решающий задачу, приложит эту силу в центре тяжести рассматриваемого тела.

На распределенных нагрузках необходимо остановиться более подробно. Различают нагрузки, распределенные по некоторой площади, и нагрузки, распределенные по некоторой длине. К первым относят силы ветрового давления на стены зданий, снеговую нагрузку на плиты перекрытия зданий, давление жидкостей на стенки резервуаров, плотин и т.д.. Характеризуется эта нагрузка интенсивностью (р), измеряемой в единицах давления - т.е. в Н/м 2 . При равномерной нагрузке на единицу площади величина равнодействующей силы, которой заменяют эту нагрузку, определяется произведением интенсивности нагрузки на площадь поверхности, находящуюся под нагрузкой.

В задачах статики обычно рассматриваются нагрузки, распределенные по некоторой длине. Величина равнодействующей силы, которой заменяют нагрузку, в данном случае зависит от длины участка, на котором действует нагрузка, и от характера распределения нагрузки. Характеризуется такая нагрузка также интенсивностью, но измеряемой в ньютонах на единицу длины - то есть, в Н/м. Обозначается, как правило, символом q. На действие распределенных по длине нагрузок рассчитываются балки и конструкции самого различного назначения.

Графическое изображение изменения интенсивности нагрузки по длине балки в механике и сопротивлении материалов принято называть эпюрой распределения нагрузки. Для рассмотренных случаев по эпюре распределения нагрузки величину сосредоточенной силы, заменяющей нагрузку, и положение линии действия силы определяют в соответствии с простым правилом.

ВЕЛИЧИНА СИЛЫ РАВНА ПЛОЩАДИ ЭПЮРЫ, ИЗОБРАЖАЮЩЕЙ НАГРУЗКУ.

ЛИНИЯ ДЕЙСТВИЯ СИЛЫ ПРОХОДИТ ЧЕРЕЗ ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ ПЛОЩАДИ ЭПЮРЫ.

Кроме заданных сил на расчетной схеме изображаются силы реакций наложенных на тело (систему тел) связей.

Очень коротко о связях было сказано в главе 1. Здесь же на типах связей и их реакциях необходимо остановиться более подробно. Взглянем сначала на плакат 4с, который автор предлагает, желающим научиться решать задачи статики, запомнить на оценку «Отлично». И, как минимум, на четыре года последующей учебы в вузе.

1. Гладкая поверхность - поверхность, при определении реакции которой силами трения можно пренебречь. Вектор реакции гладкой поверхности приложен в точке касания тела с поверхностью и направлен по нормали к поверхности - т.е. перпендикулярно плоскости, касательной к данной поверхности.

Разновидностью рассматриваемого типа связи является опора тела на уступ или острие - т.е. точечную опору. Гладкой в этом случае считается поверхность самого тела. Вектор реакции направляется по нормали к поверхности тела.

2. Шероховатая (негладкая) поверхность - поверхность, где по условию задачи силами трения пренебречь нельзя. Шероховатость поверхности в данном случае специально оговаривается в условии задачи.

Реакция шероховатой поверхности отличается от реакции гладкой поверхности тем, что эта реакция изображается в виде совокупности двух сил - нормальной реакции поверхности и силы трения в плоскости касания тел. Сила трения направляется в сторону, противоположную возможному перемещению тела по поверхности.

Величина f (коэффициента трения) либо задается в задаче, либо является искомой величиной. В связи с тем, что сила трения по вышеприведенной формуле определяется только при достижении силой трения ее максимального значения

, в задачах с трением тела

рассматриваются В ПОЛОЖЕНИИ ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ!

3. Невесомый стержень с идеальными шарнирами на концах - идеализированная связь в виде прямолинейного или криволинейного тела, имеющего вид стержня, с шарнирами в точках его крепления к другим телам и с весом, величиной которого при решении рассматриваемой задачи можно пренебречь.

Считается, что в идеальных шарнирах, соединяющих стержень с другими телами, отсутствует трение.

Стержень может быть или сжат, или растянут. При растянутом стержне сила, с которой прямолинейный стержень действует на тело, направлена вдоль стержня от тела, к которому крепится стержень. При сжатом стержне сила его реакции направлена к точке крепления.

Характер напряжения в стержне обычно неизвестен. Поэтому вектор реакции стержня принято направлять от узла его крепления к телу, считая стержень растянутым. Если при расчете усилия в стержне его значение получается положительным, то стержень действительно растянут.

Если при расчете усилие в стержне получилось отрицательным, то стержень сжат.

Определять характер напряжения с помощью знаков (-) - сжат, (+) - растянут удобно и просто.

Эта условность в обозначении характера напряжений используется далее также и

при решении задач дисциплины “Сопротивление материалов”.

В некоторых задачах встречаются криволинейные невесомые стержни. Реакции таких стержней направляются вдоль линии, соединяющей оси шарниров. Это следует из условия равновесия твердого тела под действием системы из двух сил, приложенных в шарнирах.

4. Гибкая нить - связь, у которой много и других наименований - трос, канат, веревка, цепь и т.д.

Нить, как связь, может работать только тогда, когда она натянута. При отбрасывании нити вектор реакции нити изображают приложенным в точке, где нить привязана к телу, равновесие которого рассматривается, и направляют вдоль нити.

Часто встречается случай, когда тело удерживается нитью, переброшенной через идеальный блок с некоторым грузом на конце. Так как идеальным считается блок, который может вращаться на оси без трения, то натяжение нити в точке ее крепления к телу считается равным весу груза на конце нити.

Чтобы не вводить новых обозначений, рекомендуется натяжение нити в этом случае обозначать тем же символом, что и вес груза на конце нити.

5. Шарнирно-подвижная опора - опора, позволяющая точке тела, которая связана с опорой, перемещаться без трения вдоль какой-либо поверхности. Реакция подвижной опоры направляется по нормали к поверхности, вдоль которой может перемещаться опора.

При определенном конструктивном выполнении подвижная опора может препятствовать перемещению точки крепления тела в двух взаимно-противоположных направлениях. Следовательно, результат определения величины реакции опоры, как и в случае со стержнем, может быть как положительным, так и отрицательным.

6. Шарнирно-неподвижная опора или цилиндрический шарнир - связь, не позволяющая точке тела, скрепленной с такой опорой, перемещаться в плоскости, перпендикулярной оси вращения шарнира, но позволяющая телу при отсутствии других связей поворачиваться относительно этой оси. Условно подразумевается, что в шарнире отсутствует трение.

Конструктивное выполнение опор, условно обозначаемых названием “шарнирно-неподвижная опора” (а это могут быть и подшипники скольжения, и подшипники качения, и просто пальцевые соединения), может быть различным.

Реакцией опоры является равнодействующая сил, действующих со стороны закрепленной неподвижно части опоры, на связанное с этой опорой и рассматриваемое в положении равновесия тело.

Сила реакции шарнирно-неподвижной опоры расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения шарнира; проходит через центр шарнира; неизвестна ни по величине, ни по направлению.

Определяют эту силу при решении задач, находя еЁ проекции на оси координат.

На чертеже к задаче эти проекции изображают в виде векторов (компонент или составляющих силы) с соответствующими обозначениями.

Необходимо обратить внимание на то, что на чертежах к задачам возможны различные виды условных обозначений рассматриваемой связи. Основные виды условных обозначений шарнирно-неподвижных опор в задачах на ПСС и в задачах на ППСС приведены на рисунке и на плакате.

7. Шаровая опора или сферический шарнир - связь, не позволяющая одной из точек тела перемещаться ни в одном из направлений, а позволяющая телу поворачиваться в определенных пределах относительно любой из координатных осей, проходящих через эту точку.

Схематичное конструктивное выполнение такой опоры, ее условное обозначение и реакции приведены на рисунке.

Реакция опоры - неизвестная по величине и направлению в пространстве сила. Ее компоненты по осям координат и являются искомыми величи­нами.

Условные изображения сферических шарниров на чертежах к задачам и расчетных схемах такие же, как у цилиндрических в задачах на ПСС. Это не должно вводить в заблуждение. Сферические шарниры встречаются в задачах только на ППСС, где условные изображения цилиндрических шарниров являются иными.

8. Подпятник - связь, являющаяся комбинацией цилиндрического шарнира и опорной плоскости. Встречается в задачах на ППСС. Другой опорой тела, имеющего такую связь, является, как правило, цилиндрический шарнир.

Неизвестная по величине и направлению реакция подпятника, как и у сферического шарнира, определяется по ее составляющим, направленным вдоль трех координатных осей.

На рисунке приведены условное изображение подпятника и один из вариантов его конструктивного выполнения.

9. Защемляющая опора , называемая также жесткой заделкой - условное название связи, препятствующей заделанному телу перемещаться в любом из направлений и поворачиваться относительно любой из координатных осей. Примерами защемляющих опор являются: заделанные в стену дома плиты подоконников или балконов, кронштейны для крепления труб и батарей отопления, обычные вбитые в стену гвозди и так далее.

Необходимо отметить, что кроме жесткой заделки может встретиться и скользящая заделка - связь, не позволяющая закрепленному телу поворачиваться относительно точки закрепления и перемещаться лишь в одном из направлений. Реакции такого варианта связи показаны на рисунке в варианте б).

Запомнить для себя типы связей и их реакции лучше в виде некоторой таблицы, аналогичной приведенной на плакате 4с. Но если Вы сомневаетесь в определении направлении сил реакций той или иной связи на расчетной схеме к задаче, то направить эти реакции правильно Вам поможет знание следующих правил:

1. ЕСЛИ СВЯЗЬ ПРЕПЯТСТВУЕТ ПЕРЕМЕЩЕНИЮ РАССМАТРИВАЕМОЙ ТОЧКИ ТЕЛА ТОЛЬКО В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ, ТО СИЛА РЕАКЦИИ СВЯЗИ НАПРАВЛЕНА ПРОТИВОПОЛОЖНО ЭТОМУ НАПРАВЛЕНИЮ.

2. ЕСЛИ СВЯЗЬ ПРЕПЯТСТВУЕТ ПЕРЕМЕЩЕНИЮ РАССМАТРИВАЕМОЙ ТОЧКИ В ДВУХ (ТРЕХ) ВЗАИМНО-ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ, ТО РЕАКЦИЯМИ СВЯЗИ ЯВЛЯЮТСЯ ДВЕ (ТРИ) НЕИЗВЕСТНЫЕ СИЛЫ - СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОЛНОЙ РЕАКЦИИ ЭТОЙ СВЯЗИ ПО КООРДИНАТНЫМ ОСЯМ.

После изображения на чертеже к задаче заданных сосредоточенных сил, моментов пар сил; после замены действия распределенных нагрузок эквивалентными им по действию сосредоточенными силами и действия связей силами их реакций чертеж к задаче превращается в расчетную схему к задаче . Этот чертеж и схема могут либо помогать решать задачу, либо при небрежном отношении к чертежу просто провоцировать на ошибки.

Чтобы Ваши чертежи помогали решать задачи, необходимо знать следующее:

1. Никогда не следует экономить времени на оформлении чертежа (расчетной схемы) к решаемой задаче. Чем яснее чертеж, тем Вы быстрее решите задачу и с меньшей вероятностью ошибки.

2. Целесообразно расчетную схему выполнять непосредственно на чертеже к задаче (см. плакат 12с). Чертеж к задаче должен быть достаточно крупным, чтобы легко читались все заданные размеры, хорошо были видны углы, образуемые векторами сил или линиями чертежа с осями координат.

3. Очень важно, чтобы все векторы сил, стрелки моментов пар сил четко выделялись на фоне чертежа. “Плохо” выделенный вектор легко пропустить при составлении уравнений равновесия. Это влечет за собой и неверное решение задачи, и потери времени на поиск ошибки. Чертеж лучше рисовать карандашом, а векторы - чернилами.

4. Важно, чтобы зрительная пропорциональность размеров на чертеже соответствовала заданной в условии задачи.

Еще более важно, чтобы углы, которые образуют силы или линии чертежа с теми или иными осями координат, соответствовали заданным.

Углы в 30 0 , 45 0 , 60 0 и 90 0 желательно научиться рисовать достаточно точно от руки.

На рис. 1.21 изображена горизонтальная балка, опирающаяся на шарнирно-подвижную и неподвижную опоры в точках А и В.

Реакция R A шарнирно-подвижной опоры направлена по нормали к опорной поверхности в сторону балки. Шарнирно-подвижная опора поставлена на катки, которые не препятствуют перемещению балки вдоль опорной поверхности. Если не учитывать трения катков, то линия действия реакции R A проходит через центр шарнира перпендикулярно опорной поверхности.

Шарнирно-неподвижная опора препятствует поступательным перемещениям балки вдоль координатных осей, но дает ей возможность поворачиваться относительно оси шарнира. Линия действия реакции R B шарнирно-неподвижной опоры проходит через центр шарнира, но модуль и направление реакции заранее неизвестны.

На рис. 1.22 изображена балка АВ. По аксиоме параллелограмма сил, которая допускает обратное толкование, реакцию R В можно разложить на составляющие, параллельные координатным осям.

С


илыY В, Z В называют компонентами реакции R В по координатным осям.

Более сложные виды связей и их реакции рассматриваются позднее, когда будут введены понятия пары сил и моментов сил относительно точки и оси .

Аксиома связей – всякое несвободное тело можно рассматривать как свободное, если отбросить связи и заменить их действие реакциями этих связей.

На рис. 1.23 изображена балка АВ, рассматриваемая как несвободная механическая система, на которую наложены внешние связи.

Шарнирно-неподвижная опора в точке В не позволяет балке перемещаться поступательно параллельно координатным осям и позволяет поворачиваться в плоскости рисунка. Исходя из этого, реакцию R В раскладывают на её составляющие Y В, Z В, параллельные координатным осям.

Шарнирно-подвижная опора в точке А не позволяет балке совершить перемещение на опорную поверхность, поэтому её реакция R А направлена по нормали.


В


инженерной практике принято реакции связей показывать непосредственно на исходном рисунке. Это позволяет избежать дополнительных чертёжных работ. На рис. 1.24 балка АВ считается свободным телом, которое может совершать в плоскости OXY два поступательных перемещения, параллельные координатным осям, и вращение в этой плоскости.

Балка АВ находится в равновесии под действием активных сил F 1 , F 2 и реакцийZ B , Y B , R A внешних связей. Реакцию R A целесообразно разложить на составляющие силы по координатным осям.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что разложение силы на составляющие силы производится только в точке приложения силы.

Вопросы и задания для самоконтроля

    «несвободное тело» .

    Сформулировать определение термина «связи» .

    Сформулировать определение термина «реакции связей» .

    Сформулировать определение термина «гладкая связь» .

    Сформулировать определение термина «гибкая связь» .

    Сформулировать определение термина «невесомый стержень» .

    Сформулировать определение термина «свободное тело» .

    Сформулировать аксиому связей .

Шарниром называется устройство, связывающее тела и позволяющее совершать вращение одного тела относительно другого.

Цилиндрический шарнир допускает вращение тел вокруг одной оси (и скольжение вдоль нее).

Шарнирно-неподвижная опора препятствует любому поступательному движению, но дает возможность свободно вращаться вокруг оси шарнира.

Реакция шарнирно-неподвижной опоры проходит через центр шарнира О и лежит в плоскости перпендикулярной к оси шарнира, но ее модуль и направление неизвестны.

Условные обозначения:

Рис.1.10

Шарнирно-подвижная опора (шарнирно-неподвижная опора поставленная на катки) не препятствует перемещению параллельно опорной поверхности. Если не учитывать трения катков, то линия действия реакции такой опоры проходит через центр шарнира перпендикулярно опорной поверхности. Неизвестен только модуль этой реакции.

Условные обозначения:

Шаровой шарнир. Шаровым шарниром называется устройство, позволяющее сочлененным телам, имеющим общую точку сочленения, совершать вращение в пространстве относительно друг друга вокруг общей точки. Шаровой шарнир состоит из сферической чаши, находящейся на одном теле, и сферического выступа того же диаметра на другом. Реакция в шаровом шарнире может иметь любое направление в пространстве.

Жесткая заделка.


В случае заделки одного тела в другое реакция связи состоит из силы и пары сил с моментом . Величина и направление реакции определяется из общих уравнений равновесия твердого тела.

1.5. Пример. На невесомую трехшарнирную арку действует горизонтальная сила . Определить линию действия реакции (реакции связи в точке А).

Решение: Рассмотрим правую часть арки отдельно. В точках В и С приложим силы реакции связей и . Тело под действием двух сил находится в равновесии. Согласно аксиоме о равновесии двух сил, силы и равны по величине и действуют вдоль одной прямой в противоположные стороны. Таким образом направление силы нам известно (вдоль линии ВС).



Рис.1.13

Рассмотрим левую часть арки отдельно. В точках А и С приложим силы реакции связей и . Сила , действие равно противодействию. На тело действуют три силы, направления двух сил (и .) известно. Согласно теореме о трех силах линии действия всех трех сил пресекаются в одной точке. Следовательно, сила направлена вдоль линии AD.

1.6. Пример. Однородный стержень закреплен шарнирно в точке А и опирается на гладкий цилиндр. Определить линию действия реакции (реакции связи в точке А).

Слушатели курса "Расчет строительных конструкций - с нуля! ", который я веду в проекте Dystlab Education, периодически просят меня объяснить им такие понятия, как "шарнир", "шарнирная опора". Видимо, понимание этих важных, с точки зрения работы сооружения, элементов вызывает у начинающих проектантов некоторые трудности.

Различные словари и вики определяют шарнир как "вращательную кинематическую пару", что терминологически больше относится к машиностроению (элементам машин и механизмов), нежели к строительным конструкциям, хотя принцип действия шарнира везде одинаковый. Шарнир - устройство, которое соединяет два элемента таким образом, чтобы они могли вращаться относительно одной точки или оси.

Различные схемы применения шарниров продемонстрированы в следующих видео. В первом видео, шарниры применяются для оконных и дверных систем, во втором - для гиростабилизации камеры (используется не один, а несколько шарниров):

Видео 1. Примеры шарнирных петель

Видео 2. Шарниры в составе сложного механизма

Из этих роликов должна стать понятной сама концепция: шарнир нужен там, где не требуется жестко фиксировать элемент, а нужно дать ему возможность вращаться.

Шарниры в строительных конструкциях

В зданиях и сооружениях шарниры применяются, как правило, в наиболее ответственных узлах - опорах. Иногда шарниры внедряют в какую-то "внутреннюю" часть конструкции:


Опорная часть пролетного строения моста


Крепление каната на временных опорах - тоже шарнирное


Шарнир как часть несущей конструкции в здании гражданского назначения


Пешеходный мост, реализованный по схеме "трехшарнирная арка" (редкая конструкция!)


Шарнирная опора аттракциона "колесо обозрения"

Шарниры в расчетных схемах

Так или иначе, проектирование конструкции начинается с разработки ее расчетной схемы . Рассмотрим несколько примеров простейших расчетных схем:


Рисунок 1. Примеры расчетных схем с шарнирными опорами

Удивляет вас это или нет, но на всех трех схемах изображен один и тот же тип опирания конструкции - шарнирное. Обратите внимание, что левая опора в каждой схеме "повернута" на какой-то угол. Это сделано лишь с целью подчеркнуть, что сейчас мы работаем не с реальной конструкцией, а с её виртуальным аналогом, упрощенной моделью (расчетной схемой). А на расчетной схеме важно отметить только те особенности, которые принципиально влияют на работу конструкции: в данном случае это два опорных стержня, которыми конструкция крепится к земле.

Вот еще пример расчетной схемы, взятый из пояснительной записки проекта путепровода 1905 года:


Рисунок 2. Шарнирно-опертая балка, проект 1905 г.

Справа (фиг. 8, рис. 2) показана простая балка на двух опорах, а черными треугольниками показаны шарнирно-подвижная и шарнирно-неподвижная опоры (правда, сложно узнать где какая, но это уже вопрос к авторам проекта, инженерам Е. О. Патону и П. Я. Каменцеву). Как видим, единого правильного варианта в обозначении шарнирной опоры нет, и как этот элемент показывать на схемах - решать вам.

Что означает кружок

Как легко убедиться, на схемах шарнир символизирует маленький кружок. Вокруг этого центра происходит вращение опорного сечения конструкции:

Рисунок 3. Сечения конструкции A, B вращаются при изгибе вокруг шарнирных опор

Перемещения и реакции

Шарнир допускает вращение сечения вокруг своего центра. Поскольку в этой точке разрешены угловые перемещения, то соответствующий опорный момент отсутствует. В этом состоит основное назначение шарнира в строительной конструкции - обнулять моменты, появляющиеся в процессе изгиба:


Рисунок 4. Жесткое защемление (1) и шарнирное опирание (2) балки

В чем разница между подвижной и неподвижной опорами?

Вы наверняка обратили внимание, что на рисунках 1, 3, 4 балки лежат на разных опорах: слева опора нарисована тремя кружка ми и двумя соединительными линиями, а справа - двумя кружка ми и одной линией. Почему так?

Каждая соединительная линия (короткий отрезок в изображении опоры) моделирует крепление данного узла к земле, поэтому линейные перемещения балки в этом направлении запрещены. Так, балка не может прогибаться вниз в опорных сечениях; и в начале, и в конце конструкции нарисованы вертикальные или наклонные стержни, поддерживающие балку. Напомню, что наклонную конструкцию всегда можно спроецировать на взаимно перпендикулярные оси (вертикальную и горизонтальную), поэтому схема 2 на рисунке 1 принципиально не отличается от остальных.

Важно также понимать назначение единственного горизонтального опорного стержня. Он запрещает горизонтальное перемещение балки (в направлении продольной оси), но только того сечения, в котором он установлен. Это классическая шарнирно-неподвижная опора:


Рисунок 5. Какие перемещения запрещают и разрешают шарнирные опоры

На рисунке 5 правая опора называется шарнирно-подвижной, так как допускает смещение правого конца балки в горизонтальном направлении. Это важное обстоятельство для учета удлинений и укорочений конструкции вследствие, например, температурных колебаний.

Выводы

Шарнир является важным элементом конструкции: он позволяет сечениям, которые к нему прикреплены, вращаться вокруг оси шарнира. Шарнир обнуляет опорные моменты.

На расчетной схеме шарнир показывают, как правило, кружком. Шарнирно-подвижная и шарнирно-неподвижная опоры являются одним из самых распространенных типов опирания балочных систем. Обе они имеют шарниры и допускают поворот опорного сечения, а шарнирно-подвижная опора допускает также горизонтальные перемещения соответствующего конца балки.

Принято говорить, что опоры крепятся "к земле", однако не следует понимать это буквально. Нередко "землей" служит другой элемент конструкции, большей жесткости.

Шарнирно-подвижная опора - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Шарнирно-подвижная опора

Cтраница 1

Шарнирно-подвижная опора ( рис. 104, а), которая допускает поворот сечения балки над опорой и поступательное перемещение вдоль опорной поверхности. Схематическое изображение такой опоры показано на рис. 104, б, опорная реакция в этом случае направлена перпендикулярно плоскости опирания катков.  [1]

Шарнирно-подвижная опора имеет одну, шарнирно-неподвижная - две, а жестко закрепленная - три связи. Каждой связи, приложенной в опоре, соответствует опорная реакция, направленная по направлению действия связи.  [2]

Шарнирно-подвижная опора налагает на конец балки только одну связь-она не дает возможности перемещаться концу балки в направлении, перпендикулярном к оси балки. Следовательно, шарнирно-подвижная опора дает лишь одну реакцию, неизвестную по величине, но известную по направлению.  [3]

Шарнирно-подвижная опора ( рис. 5.1, б - левая опора балки), ограничивающая лишь вертикальное перемещение опорного узла.  [4]

Шарнирно-подвижная опора представляет собой видоизменение свободного опирания.  [5]

Шарнирно-подвижная опора ( односвязная опора) схематически изображается, как показано на рис. 1.10 о. Реакция такой опоры всегда перпендикулярна опорной поверхности.  [6]

Шарнирно-подвижная опора допускает, помимо поворотов, также свободное перемещение в соответствующем направлении ( фиг. Таким образом, рассматриваемая опора препятствует лишь перемещению, перпендикулярному к определенному направлению. В соответствии с этим реакция такой опоры проходит через центр шарнира и направлена перпендикулярно к линии свободного перемещения опоры - обычно оси балки. Шарнирно-подвижная опора дает лишь одну неизвестную реакцию В.  [7]

Шарнирно-подвижная опора - опора, позволяющая точке тела, которая связана с опорой, перемещаться без трения вдоль какой-ли - Оо поверхности. Реакция подвижной опоры направляется по нормали к поверхности, вдоль которой может перемещаться опора. Обозначают реакцию такой связи обычно векторами R или N. Условные обозначения подвижных опор на чертежах к задачам и конструктивное выполнение подвижных опор t рис. 2.7) может быть весьма различным.  [8]

Шарнирно-подвижная опора допускает поворот вокруг оси шарнира и линейное перемещение параллельно опорной плоскости.  [9]

Шарнирно-подвижная опора допускает поворот вокруг оси шарнира и линейное перемещение параллельно опорной плоскости.  [10]

Цилиндрическая шарнирно-подвижная опора ( рис. 1.19 6) препятствует перемещению закрепленной точки тела по перпендикуляру к плоскости / - /; соответственно реакция такой опоры также имеет направление этого перпендикуляра.  [11]

Шарнирно-подвижной опорой можно считать концевой подшипник вала, если его длина меньше или равна диаметру вала.  [13]

Конструкции шарнирно-подвижных опор разнообразны: отверстия для штырей делаются овальными, что позволяет балке при деформациях перемещаться по плите; плита устанавливается на цилиндрические катки.  [14]

Условное обозначение шарнирно-подвижной опоры согласно ГОСТ 2.770 - 68 показано на рис. 1.15, в, г. Шарнирно-иеподвижная опора ( рис. 1.16) дает возможность телу свободно поворачиваться около шарнира, но препятствует поступательному перемещению тела в любом направлении, перпендикулярном оси шарнира.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Шарнирно подвижная опора - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Шарнирно подвижная опора

Cтраница 1

Шарнирно подвижная опора ( рис. 7.6) допускает перемещение и балки в горизонтальном направлении и поворот балки относительно опоры на некоторый угол ср. В соответствии с этим в шарнирно подвижной опоре возникает только вертикальная реакция, которую будем обозначать R. Закрепление балки с помощью такой опоры накладывает на нее одну связь.  [1]

Шарнирно подвижная опора ( опора В на рис. 118) дает возможность, помимо поворотов, перемещать конец балки параллельно опорной плоскости. В соответствии с этим реакция такой опоры проходит через центр шарнира и.  [2]

Первый тип - цилиндрическая подвижная или шарнирно подвижная опора. Она состоит из верхнего балансира, прикрепленного к системе, нижнего балансира, цилиндрического шарнира, помещенного между балансирами, и катков, могущих перемещаться по опорной плоскости. Такая опора допускает поворот системы вокруг шарнира и поступательное перемещение вдоль опорной плоскости.  [3]

Поперечное сечение бруса, проходящее через шарнирно подвижную опору, может смещаться параллельно опорной плоскости / - / и поворачиваться, но оно не может смещаться перпендикулярно к опорной плоскости. В опоре возникает только одна реакция - в виде силы R, перпендикулярной к опорной плоскости. Закрепление бруса с помощью такой опоры накладывает на него одну связь.  [4]

Поперечное сечение бруса, проходящее через шарнирно подвижную опору, может смещаться параллельно опорной плоскости / - / и поворачиваться, но оно не может смещаться перпендикулярно к опорной плоскости. В опоре возникает только одна реакция-в виде силы R, перпендикулярной к опорной плоскости. Закрепление бруса с помощью такой опоры накладывает на него одну связь.  [5]

При расчете балок различают три основных вида опор ( три вида закрепления концов балок): шарнирно подвижная опора; шарнирно неподвижная опора; жесткая заделка конца балки.  [6]

Тот факт, что главный параметрический резонанс возникает при 0 2Q, легко поддается объяснению - за то время, которое необходимо, чтобы любая точка оси балки совершила один цикл колебания, центр сечения, совпадающего с шарнирно подвижной опорой, совершает два цикла колебания вдоль оси стержня.  [7]

Правому свободному концу действительной балки в этом сечении фиктивной балки соответствует заделка. В сечении над шарнирно подвижной опорой прогиб действительной балки равен нулю, а угол наклона отличен от нуля. Следовательно, в это сечение фиктивной балки следует ввести шарнир, в котором фиктивный изгибающий момент М всегда равен нулю, а фиктивная поперечная сила Q отлична от нуля.  [8]

Шарнирно подвижная опора ( рис. 7.6) допускает перемещение и балки в горизонтальном направлении и поворот балки относительно опоры на некоторый угол ср. В соответствии с этим в шарнирно подвижной опоре возникает только вертикальная реакция, которую будем обозначать R. Закрепление балки с помощью такой опоры накладывает на нее одну связь.  [9]

Расчетные схемы валов и осей редукторов представляют в виде ступенчатых - или гладких балок на шарнирных опорах. Подшипники, одновременно воспринимающие осевые и радиальные нагрузки, заменяют шар-нирно неподвижными опорами, а подшипники, воспринимающие только радиальные силы - шарнирно подвижными опорами. Положение шарнирной опоры определяют с учетом угла контакта ос подшипника качения ( с. При а 0 для радиальных подшипников положение опоры принимают в середине ширины подшипника. Невращающиеся относительно вектора нагрузки оси сателлитов могут рассматриваться как статически неопределимые балки с упругой заделкой.  [11]

Расчетные схемы валов и осей редукторов представляют в виде ступенчатых или гладких балок на шарнирных опорах. Подшипники, одновременно воспринимающие осевые и радиальные нагрузки, заменяют шар-нирно неподвижными опорами, а подшипники, воспринимающие только радиальные силы - шарнирно подвижными опорами. Положение шарнирной опоры определяют с учетом угла контакта ос подшипника качения ( с. При а 0 для радиальных подшипников положение опоры принимают в середине ширины подшипника. Невращающиеся относительно вектора нагрузки оси сателлитов могут рассматриваться как статически неопределимые балки с упругой заделкой.  [13]

Рассмотрим теперь сечение действительной балки, имеющее промежуточный шарнир. В этом сечении прогиб и угол наклона не равны нулю. Более того шарнир допускает излом изогнутой оси балки, следовательно, углы наклона касательной слева и справа от шарнира должны быть различны. Чтобы удовлетворить указанным условиям, нужно в это сечение фиктивной балки ввести шарнирно подвижную опору. Тогда фиктивный изгибающий момент М над опорой будет отличен от нуля, следовательно, прогиб в этом сечении действительной балки будет также отличен от нуля.  [14]

Страницы:      1

Статика. Определение реакций опор | Термех решение задач

  Основной вид задач в разделе статика - это определение реакций опор. Есть много видов опор, но мы рассмотрим три основные которые и встречаются при решении задач.

Шарнирно подвижная опора

  Такая опора имеет связь только в одном направлении (сила R показывает направление ограничения движения), возможно вращение в шарнире и движение вдоль одной из осей. Шарнирно подвижная опора имеет два вида схемотческих изображений на рисунках А и Б показаны виды изображения.

Шарнирно неподвижная опора

У данного вида опоры две реакции связи (обозначены R и Ха), возможно вращение только в шарнире, освые перемещения не возможны.

Пример схематического изображения шарнирно неподвижной опоры:

  Жесткая заделка

  Данный вид опор не имеет степеней поэтому имеет три реакции: две осевых и один реактивный момент. Такую опору еще называют консольной.

Определение реакций опор

  Для определения реакций опор используют три уравнения статики и правило моментов. Самое интересное что правило моментов для термеха отличается от правила моментов в сопромате. Если в термехе момент по часовой стрелке считается со знаком "-", то в сопромате по часовой это знак "+".

Три уравнения статики

1) Сумма сил по оси Х
2) Сумма сил по оси У
3) Сумма моментов вокруг точки

  Рассмотрим на примере определение реакций опор в двухопорной балке:

Рассмотрим балку: балка на двух опорах, опора "А" шарнирно неподвижная, следовательно в ней возникает две реакции опоры по оси У и по оси Х, опора "В" шарнирно подвижная, в ней возникает одна реакции в вертикальной плоскости Уа. Всего получается три неизвестных следовательно балка статически определима и для определения нам достаточно трёх уравнений статики.

По оси Х нет действующих сил, следовательно реакция Ха=0

Для определения реакции опоры "В" составим уравнение моментов вокруг точки "А".  Вокруг точки "А" действуют три момента - это  сила F умноженная на плечо (знак минус т.к. вращает по часовой стрелке), момент М который (вращает против часовой стрелки следовательно знак "+") и реакция Rb умноженная на плечо (направить можно в любую сторону, направим вверх, если получится со знаком "+" значит направили верно, если со знаком "-" начальное направление нужно направить в противоположную сторону). Составим уравнение и выразим Rb.

Для определения вертикальной реакции опоры А воспользуемся уравнением суммы сил по оси У:

  Реакции опор определены!!!

 

 

 

 

 

Связи исп.5 - Связи и их реакции


Подборка по базе: Отчет НИРС реклама и связи с общественностью.docx, легендарный связист Новиков.docx, ДОСРОЧНЫЕ ПЕНСИИ ПО СТАРОСТИ В СВЯЗИ С ОСОБЫМИ УСЛОВИЯМИ ТРУДА П, КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА ВИТАМ.doc, Средства связи.doc, Ведомость имущества связи.docx, Введ. в связи с общ. и рек..docx, Введ. в связи с общ. и рек. (11) весна 202021.docx, Иммунологические реакции.docx, Тема №7 Острые стрессовые реакции. Работа с людьми в ОСР.docx

Оглавление
Введение 2

1. Связи и их реакции 3

2. Основные виды связей и их реакции 3

2.1. Гибкая связь 3

2.2. Невесомый стержень 3

2.3. Идеально гладкая поверхность 4

2.4 Точка соприкосновения 4

2.5. Шарнирно-подвижная опора 4

2.6. Шарнирно-неподвижная опора 5

2.7. Жёсткая заделка 6

Заключение 6

Список литературы 7

Введение
Научные достижения в области механики позволяют решать сложные практические проблемы в области техники, а также способствуют развитию фундаментальных наук.

Традиционно теоретическая механика состоит из трех частей: статики, кинематики и динамики.

В статике изучают свойства сил, приложенных к точкам твердого тела, и условия равновесия тел.

Основными задачами статики являются:


  • изучение методов преобразования сложных систем сил, приложенных к абсолютно твердому телу, в более простой вид, эквивалентный заданным;

  • установление условий равновесия тел при действии данной системы сил.

Тела, ограничивающие перемещение рассматриваемого тела в том или ином направлении, называются связями. Анализ связей позволяет понять, какие силовые факторы возникают в них при противодействии перемещению связанного тела. Эти силовые факторы называют силами реакции, или реакциями связей (их просто называют реакциями). Силы, которыми тело воздействует (давит) на связи, называют силами давления. Силы реакций и давлений приложены к разным телам, поэтому не представляют собой систему сил.
Данный реферат и посвящен связям и их реакциям.

1. Связи и их реакции
Тело называется свободным, если его перемещение в пространстве ничем не ограничено. В противном случае тело называется несвободным.

Все то, что ограничивает перемещение данного тела в пространстве, называется связью. Сила, с которой данная связь действует на тело, препятствуя его перемещениям, называется реакцией связи.

Силы, не являющиеся реакциями связей, принято называть активными (или заданными).

2. Основные виды связей и их реакции

2.1. Гибкая связь
Гибкая связь–нерастяжимые нить,трос,канат,ремень и т.д.,вес которых не учитывается. Связь не позволяет телу удаляться от точки подвеса. Поэтому реакции Т1 и Т2 направлены вдоль нити к точке её подвеса (рис. 1).

2.2. Невесомый стержень
Невесомый стержень(стержневая связь) –стержень,весомкоторого по сравнению с воспринимаемой нагрузкой можно пренебречь. Реакции S1 и S2 невесомого шарнирно прикреплённого прямолинейного стержня направлены вдоль оси стержня (рис. 2).

Рис. 1. Гибкая связь Рис. 2. Стержневая связь

2.3. Идеально гладкая поверхность
Идеально гладкая поверхность (опора) –материальное тело, имеющее поверхность, силами трения о которую рассматриваемого тела пренебрегают. Такая поверхность не даёт телу перемещаться по направлению общего перпендикуляра (нормали) к поверхностям соприкасающихся тел в точке А их касания. Такая реакция N называется нормальной (рис. 3).

2.4 Точка соприкосновения
Точка соприкосновения –реакции,,этой связи, направленные по нормали к другой поверхности (рис. 4).

Рис. 3. Гладкая поверхность Рис. 4. Точки соприкосновения

2.5. Шарнирно-подвижная опора
Шарнирно-подвижная опора –опора без трения.РеакцииRAиRB направлены перпендикулярно к опорной поверхности(рис. 5).

Рис. 5. Шарнирно-подвижная опора

2.6. Шарнирно-неподвижная опора
Шарнирно-неподвижная опора –опора без трения.Реакция RA проходит через центр шарнира,но направление её неизвестно.Прирешении задач реакцию такой опоры удобно разложить на две составляющие Rx и Ry, направленные параллельно координатным осям. Каждая из этих составляющих считается неизвестной (рис. 6).

Рис. 6. Шарнирно-неподвижная опора

2.7. Жёсткая заделка
Жёсткая заделка –вид связи,которая полностью лишает теловозможности перемещаться в любом направлении и вращаться относительно какой-либо оси или точки (такое тело называется консольной балкой).При такой заделке тела в опоре возникает не только реактивная сила R, которую можно разложить на составляющие Rx и Ry, но и реактивный момент М этой пары сил (рис. 7).

Рис. 7. Схема сил и момента в заделке консольной балки

Заключение
В данном реферате мы рассмотрели связи и их реакции. Эти знания являются основной инженерного проектирования, поскольку все машины и механизмы ограничены в перемещении в той или иной форме одной или несколькими степенями свободы. Реакции этих связей в количественной форме определяют необходимость использования определенного вида подшипников, опор, станин, муфт и т.д. Реакции связей являются основой статики в теоретической механике.

Список литературы

  1. Механика: учеб. пособие / Б. А. Беляев; Владим. гос. ун -т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир: Изд-во ВлГУ, 2019.

Виды опор в плоском случае и их реакции.

 

а) шарнирно-подвижная опора.

Эта опора представляет из себя два шарнира, соединенных стержнем., причем один шарнир закреплен в основании (рис.1.2).

 

 

Рис.1.2

 

Наиболее простым и наглядным представлением шарнира является сустав человека, например, коленный сустав ноги. Совершенно ясно, что брус может свободно перемещаться влево - вправо и поворачиваться «по» и «против» часовой стрелки на шарнирах в этой опоре (рис.1.3.). Следовательно, в этих направлениях со стороны опоры не возникает опорных реакций.

 

 

Рис.1.3

 

Таким образом, данная опора не создает противодействия перемещению вдоль оси z и повороту вокруг верхнего шарнира.

В тоже время данная опора не дает возможности свободно перемещаться брусу вдоль оси y. Следовательно, со стороны опоры на брус действует опорная реакция именно в направлении оси у (заранее не известно в какую сторону она направлена, её действительное направление будет находиться из решения конкретной задачи).

Схематически это в дальнейшем будет изображаться следующим образом (рис.1.3.)

 

.Рис.1.3

 

Отметим, что левая часть рис.1.3 (с опорой) – исходная схема, а правая часть – расчетная схема. При решении задачи нельзя на исходной схеме изображать опорную реакцию, а на расчетной схеме рисовать опору. Отметим, что исходная и расчетная схемы эквивалентны.

 

б) шарнирно-неподвижная опора.

Эта опора представляет один шарнир, соединенный двумя стержнями с основанием (рис.1.4). Данная опора уже не позволяет брусу свободно перемещаться влево - вправо вдоль оси z и вверх-вниз вдоль оси у. Однако повороту вокруг шарнира она не противодействует и следовательно в такой опоре возникают только две опорные реакции: вдоль оси z и вдоль оси у.

Рис.1.4

 

 

 

Рис.1.6

 

в) жесткая заделка (жесткое защемление).

Эта опора представляет жесткое защемление в опоре бруса, которое не позволяет ему перемещаться ни в одном из вышеуказанных направлений (рис.1.7).

Следовательно, в данной опоре возникают все три опорных реакции.

Рис.1.7

 

Первоначально направление опорных реакций выбирается произвольно. Правильное направление устанавливается после нахождения решения. Если оно получится со знаком « - », то первоначальное направление надо изменить на противоположное.

Статически определимые задачи в плоском случае включают в себя брусья, закрепленные на двух опорах (шарнирно-подвижная и шарнирно-неподвижная) или в жесткой заделке. Поэтому, при решении задач надо определять три силовых фактора: 3 силы - опорные реакции или 2 силы - опорные реакции и 1 реактивный момент.

 

Торцовочная пила с дисковой пилой с возможностью поворота вверх и вниз и наклона влево и вправо

Настоящее изобретение относится к торцовочной пиле, имеющей секцию полотна циркулярной пилы с возможностью поворота вокруг первой оси, проходящей в направлении, параллельном оси вращения полотна циркулярной пилы, и с возможностью поворота вокруг второй оси, проходящей горизонтально и в направлении, перпендикулярном оси вращения. ось вращения.

Японская заявка на полезную модель Публикация №S62-11526 раскрывает торцовочную пилу, включающую в себя базовую секцию, держатель, отходящий от задней части базовой секции, скользящую штангу, поддерживаемую с возможностью скольжения в держателе, секцию поддержки пильного полотна, поддерживаемую на скользящей штанге, и секцию пильного полотна с возможностью поворота. подвижно опирается на опорную секцию пильного полотна. Секция полотна пилы включает полотно циркулярной пилы и двигатель для вращения полотна. Держатель выполнен с возможностью поворота в боковом направлении для изменения угла боковой поверхности полотна циркулярной пилы относительно верхней поверхности базовой секции.

В обычной торцовочной пиле все торцовочные пилы в целом становятся компактными, когда секция пильного полотна располагается впереди, то есть в стороне от держателя. Это облегчает транспортировку торцовочной пилы. Однако, если секция пильного полотна перемещается назад, ползун в значительной степени выступает назад из держателя. Следовательно, требуется большое установочное пространство между стеной и крайним задним концом направляющей штанги, чтобы можно было переместить направляющую штанги в ее крайнее заднее положение для выполнения операции резания для резки удлиненной заготовки.

Публикация японской патентной заявки

№ h21- раскрывает угловую пилу, включающую базовую секцию, направляющую планку, идущую от задней части базовой секции и поддерживаемую к базовой секции и с возможностью скольжения в направлении вперед / назад, с поддерживаемым держателем. к направляющей шине и с возможностью поворота в боковом направлении, и секция пильного полотна, подвижно поддерживаемая на держателе.

В обычной торцовочной пиле все торцовочные пилы становятся компактными, когда секция пильного полотна располагается впереди, т.е.Т.е. направляющая шина втягивается в базовую секцию. Это облегчает транспортировку торцовочной пилы. Однако в этих традиционных торцовочных пилах, если секция пильного полотна перемещается назад, держатель также перемещается назад от базовой секции. Следовательно, требуется большое установочное пространство между стеной и самым задним концом держателя, чтобы можно было переместить секцию пильного полотна в ее крайнее заднее положение для выполнения операции резания для резки удлиненной заготовки.

Кроме того, в обеих обычных торцовочных пилах большая нагрузка, распространяющаяся перпендикулярно направлению скольжения скользящей штанги или направляющей штанги, передается на принимающие части, принимающие скользящую штангу или направляющую штангу.Это ухудшает скольжение. Должны потребоваться дополнительные компоненты или должен быть выбран материал с низким коэффициентом трения для улучшения характеристик скольжения, что является дорогостоящим.

Целью настоящего изобретения является преодоление описанной выше проблемы и создание компактной торцовочной пилы, требующей уменьшенного рабочего пространства с высокой степенью удобства использования.

Эта и другие цели настоящего изобретения будут достигнуты с помощью торцовочной пилы, включающей в себя базовую секцию, опорную секцию направляющей шины, фиксирующий механизм, секцию направляющей шины, опорную секцию пильного полотна и секцию пильного полотна.Обрезаемая деталь удерживается на базовой секции. Базовая секция имеет переднюю и заднюю стороны, определяющие первое направление, и правую сторону и левую сторону, определяющие второе направление, перпендикулярное первому направлению. Опорная секция направляющей шины поддерживается с возможностью перемещения к задней стороне базовой секции и может поворачиваться во втором направлении. Механизм фиксации фиксирует поворотное положение опорной секции направляющей шины относительно базовой секции. Секция направляющей шины включает в себя, по меньшей мере, одну направляющую планку, опирающуюся на опорную секцию направляющей шины и проходящую в первом направлении.Опорная секция пильного полотна расположена с возможностью скольжения относительно, по меньшей мере, одной направляющей шины и с возможностью выборочной фиксации положения относительно, по меньшей мере, одной направляющей шины. Секция пильного полотна вмещает двигатель и вращается с помощью опоры для дисковой пилы, приводимой в движение двигателем. Секция пильного полотна шарнирно поддерживается опорной секцией пильного полотна и может перемещаться по направлению к базовой секции и от нее. Секция пильного полотна может перемещаться в первом направлении при перемещении опорной секции пильного полотна относительно по меньшей мере одной направляющей шины.

На чертежах:

РИС. 1 представляет собой вид сбоку торцовочной пилы с секцией полотна с возможностью бокового наклона согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, показывающий состояние, в котором секция полотна циркулярной пилы расположена в крайнем заднем и крайнем верхнем положениях;

РИС. 2 - вид сверху торцовочной пилы по фиг. 1;

РИС. 3 - вид сбоку торцовочной пилы согласно первому варианту осуществления, показывающий состояние, в котором секция пильного полотна расположена в своем крайнем переднем и крайнем нижнем положениях;

РИС.4 - вид спереди торцовочной пилы, в частности, показывающий вертикальную ориентацию опорной секции направляющей шины и секции пильного полотна;

РИС. 5 - вид спереди торцовочной пилы, в частности, показывающий состояние наклона вправо опорной секции направляющей шины и секции пильного полотна;

РИС. 6 - вид спереди торцовочной пилы, в частности, показывающий состояние наклона влево опорной секции направляющей шины и секции пильного полотна;

РИС. 7 - вид в разрезе по линии VII-VII на фиг.1, особенно показывающий опорную секцию для пильного полотна;

РИС. 8 - вид в разрезе по линии IX-IX на фиг. 1, особенно показывающий секцию пильного полотна;

РИС. 9 - вид сбоку торцовочной пилы с секцией полотна с возможностью бокового наклона согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, показывающий состояние, в котором секция полотна циркулярной пилы расположена в крайнем заднем и крайнем верхнем положениях; и

ФИГ. 10 - увеличенный вид, показывающий существенную часть механизма фиксации держателя в торцовочной пиле согласно второму варианту осуществления.

Торцовочная пила, имеющая механизм для бокового наклона полотна циркулярной пилы согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, будет описана со ссылкой на фиг. 1–9. Если не указано иное, термины ориентации, такие как левый, правый, передний, задний, верхний и нижний, используются по отношению к нормальной ориентации устройства при нормальном использовании.

Как показано на фиг. 1-3, торцовочная пила 1 обычно включает в себя базовую секцию 10 , секцию опоры направляющей шины 20 , секцию направляющей шины 30 , опорную секцию пильного полотна 40 и секцию пильного полотна. 50 .Базовая секция 10, приспособлена для установки на ней обрабатываемой детали W. Опорная секция направляющей шины , 20, проходит вверх от базовой секции и шарнирно поддерживается базовой секцией и может наклоняться вбок, как показано на фиг. 4-6. Секция направляющей шины 30 опирается на опорную секцию направляющей шины 20 и проходит в горизонтальном направлении и в направлении вперед / назад. В изображенном варианте осуществления секция 30, направляющей шины прикреплена к опорной секции 20 направляющей шины.Опорная секция 40 пильного полотна поддерживается на опорной секции 20 направляющей шины и может перемещаться между ее крайним задним положением, показанным на фиг. 1 и крайнее переднее положение, показанное на фиг. 3. Секция 50 пильного полотна шарнирно поддерживается опорной секцией 40 пильного полотна и может перемещаться между ее самым верхним поворотным положением, показанным на фиг. 1, и его крайнее нижнее положение поворота, показанное на фиг. 3.

1. Базовая секция 10

Базовая секция 10 включает в себя основание 11 для установки на полу или столе и поворотный стол 12 , вращающийся на основании 11 в горизонтальная плоскость.Верхняя поверхность поворотного стола , 12, находится заподлицо с верхней поверхностью основания 11 . Заготовка W, такая как дерево, устанавливается на основании 11 и поворотном столе 12 . Пара ограждений 13 проходит в линию в боковом направлении (направление вправо / влево) и выступает из верхней поверхности основания 11 для позиционирования заготовки W путем прилегания вертикальной поверхности заготовки W к вертикальным опорным поверхностям. 13 а заборов 13 .Пластина входа лезвия, сформированная с канавкой (не показана), прикреплена к центральной части верхней поверхности поворотного стола , 12, . Пластина входа полотна приспособлена для предотвращения образования ворса или вздутия поверхности среза заготовки W за счет того, что крайний край лезвия дисковой пилы 51 (описанный ниже) входит в канавку, когда крайний нижний конец лезвия находится в канавке. расположен ниже верхней поверхности поворотного стола. Поворотный стол 12 имеет крайнюю заднюю вертикальную часть 12 A.Ручка 14 расположена на передней стороне поворотного стола 12 для углового поворота поворотного стола 12 вокруг своей оси и для фиксации углового положения поворота поворотного стола 12 относительно основания 11 . В задней части поворотной платформы 12 и около самой задней вертикальной части 12 A сформировано сквозное отверстие 12, , , , проходящее в направлении вперед / назад.

2.Секция опоры направляющей штанги 20

Опорная секция направляющей штанги 20 поддерживается с возможностью поворота на задней оконечной части поворотной платформы 12 . Следовательно, вращением поворотного стола 12 относительно основания 11 , положения опорной секции направляющей шины 20 , секции направляющей шины 30 , опорной секции пильного полотна 40 и пильного полотна сечение 50 относительно ограждений 13 изменено.Таким образом, угол между опорной поверхностью , 13, , , и круглой боковой поверхностью пильного диска 51, изменяется. Соответственно, заготовку W можно разрезать под желаемым углом относительно направления вперед / назад (резка под углом). Опорная секция направляющей шины 20, обычно включает в себя стержень держателя 21 , держатель 22 и крепление держателя. механизм 70 описан позже. Ось держателя 21 проходит в направлении вперед / назад на задней стороне поворотного стола 12 .Вал держателя , 21, имеет ось, по существу совпадающую с верхней поверхностью поворотного стола , 12, . Держатель 22 имеет нижнюю концевую часть, шарнирно поддерживаемую на валу держателя 21 . Следовательно, держатель 22, может перемещаться в боковом направлении относительно поворотного стола , 12, вокруг вала держателя 21 . Держатель 22 имеет верхнюю часть, к которой прикреплена секция 30 направляющей шины.

Как показано на фиг. 4-6, упорные части 22 A и 22 B сформированы на боковых торцевых поверхностях держателя 22 для регулирования угла бокового наклона держателя 22 . Кроме того, стопорные болты 15 A, 15 B проходят вертикально от верхней задней поверхности поворотной платформы 12 в положении на геометрическом месте упорных частей 22 A, 22 B. Стопорные болты 15 A, 15 B ввинчиваются в поворотный стол 12 .Если держатель 22 наклонен в боковом направлении, упор 22 A или 22 B упирается в головку стопорного болта 15 A или 15 B, в результате чего угол наклона держателя 22 можно установить. Обычно предусмотрены стопорные болты 15 A, 15 B для бокового наклона держателя 22 под углом 45 градусов при упоре в упор 15 A, 15 B.

Штифт 23 проходит через сквозное отверстие 12 a поворотного стола 12 и может перемещаться между крайним передним и крайним задним положениями для регулирования вертикальной ориентации держателя 22 . Стопорный болт 24 проходит горизонтально через держатель 22 . Верхний конец стопорного болта 24 расположен упираясь в внешней периферийной поверхности пальца 23 , когда палец 23 расположен в крайнем переднем положении и когда держатель 22 находится в вертикальном положении.Кончик стопорного болта 24, смещен от внешней периферийной поверхности пальца 23 , когда палец 23 перемещен в свое крайнее заднее положение. Механизм фиксации держателя , 70, приспособлен для фиксации угла наклона держателя 22 вбок. Детали механизма крепления держателя , 70, будут описаны позже. После фиксации угла поворота держателя , 22, угол наклона пильного диска 51, фиксируется, тем самым выполняя резку под наклоном.

3. Секция направляющей шины 30

Как показано на фиг. 2-4, верхняя концевая часть держателя 22 расположена со смещением в боковом направлении от бокового центра C базовой части 10 и образована парой отверстий 22 a , 22 a , проходящий параллельно боковой поверхности дисковой пилы 51 , как показано на ФИГ. 2 и параллельно верхней поверхности основания 11 , как показано на фиг.3. Когда держатель 22 находится в вертикальном положении, показанном на фиг. 4 пара отверстий 22 a , 22 a расположены в вертикальной плоскости, как показано на фиг. 4.

Секция направляющей шины 30 обычно включает пару направляющих стержней 31 , 31 и переднюю торцевую крышку 32 . Направляющие стержни , 31, имеют одинаковую длину и короче продольной длины поворотной платформы , 12, (продольная длина проходит в направлении вперед / назад).Направляющие стержни , 31, имеют трубчатую форму и круглое поперечное сечение, внешний диаметр которого по существу равен внутреннему диаметру пары отверстий 22 a , 22 a . Направляющие стержни 31 обеспечивают достаточную жесткость.

Каждый задний конец каждой направляющей шины 31 вставляется в каждое отверстие 22 a . Во избежание случайного высвобождения направляющих стержней 31 из отверстий 22 a или во избежание случайного поворота направляющих стержней 31 вокруг их осей в отверстиях 22 a , пара внутренняя резьба, сообщающаяся с соответствующими отверстиями , 22, , и , сформирована в держателе 22 в радиальном направлении направляющей шины 31 , а крепежные болты 33 входят в резьбовое соединение с соответствующими внутренними резьбами, поэтому что концы фиксирующих болтов 33 могут прижиматься к внешним периферийным поверхностям направляющих стержней 31 .Таким образом, направляющие стержни , 31, проходят параллельно боковой поверхности дисковой пилы 51 , как показано на фиг. 2 и параллельно верхней поверхности основания 11 , как показано на фиг. 4. Когда держатель 22 находится в вертикальном положении, показанном на фиг. 4 направляющие стержни , 31, расположены в вертикальной плоскости, как показано на фиг. 4. В качестве альтернативы, внешний диаметр направляющих стержней 31 немного больше внутреннего диаметра пары отверстий 22 a , 22 a .В последнем случае направляющие стержни , 31, с усилием подогнаны к отверстиям 22 и , и можно отказаться от крепежных болтов 33 .

Каждый передний конец направляющей шины 31 прикреплен к передней торцевой крышке 32 . Для этого передняя торцевая крышка 32 сформирована с парой отверстий 32 a , 32 a , проходящих параллельно друг другу и имеющих внутренний диаметр, по существу равный внешнему диаметру направляющей. бар 31 .Кроме того, пара внутренних резьб, сообщающихся с соответствующими отверстиями , 32, , и , сформирована в торцевой крышке 32 в радиальном направлении направляющей шины 31 , и крепежные болты , 34, зацепляются с резьбой. соответствующие внутренние резьбы, так что концы фиксирующих болтов , 34, могут прижиматься к внешним периферийным поверхностям передней концевой части направляющих стержней , 31, . Таким образом, предотвращается вращение направляющих стержней , 31, относительно передней торцевой крышки , 32, , и передняя торцевая крышка , 32, жестко прикреплена к каждому переднему концу направляющей шины 31 .Таким образом, задние концы и передние концы направляющих стержней , 31, прикреплены к держателю 22 и передней торцевой крышке 23 соответственно.

4. Секция опоры пильного полотна 40

Опорная секция пильного полотна 40 приспособлена для шарнирно-подвижной поддержки секции пильного полотна 50 и подвижна относительно направляющих стержней 31 между крайним задним положением определяется держателем 22 и крайним передним положением, определяемым передней торцевой крышкой 32 .Кроме того, опорная секция 40 пильного полотна может быть выборочно прикреплена к направляющим стержням 31 .

Опорная секция пильного полотна 40 включает в себя опорный сегмент 41 с возможностью скольжения между держателем 22 и передней торцевой крышкой 32 . Секция пильного полотна 50 подвижно поддерживается на опорном сегменте 41 . Более конкретно, как показано на фиг. 7, опорный сегмент 41 образован с верхним отверстием 41 a и нижним отверстием 41 b , через которые проходят верхняя направляющая штанга 31 и нижняя направляющая штанга 31 соответственно. .Верхнее отверстие , 41, , и по существу концентрично верхней направляющей штанге 31 и имеет внутренний диаметр больше, чем внешний диаметр верхней направляющей штанги 31 . Нижнее отверстие 41 b по существу концентрично нижней направляющей штанге 31 и имеет внутренний диаметр больше, чем внешний диаметр нижней направляющей штанги 31 .

Как показано на фиг. 7 шарикоподшипник 42 расположен в нижнем отверстии 41 b .Шарикоподшипник 42 имеет внутренний диаметр, приблизительно равный внешнему диаметру нижней направляющей шины 31 , и имеет внешнюю периферийную поверхность в скользящем контакте с нижним отверстием 41 b . Нижнее отверстие 41 b имеет осевую длину, примерно равную осевой длине шарикового подшипника 42 . Эта осевая длина является минимальной длиной для поддержания достаточных характеристик скольжения опорного сегмента 41 относительно направляющих стержней 31 .

Два скользящих сегмента 43 a , 43 b расположены в верхнем отверстии 41 a и находятся в скользящем контакте с внешней периферийной поверхностью верхней направляющей шины 31 . Болты 44 a , 44 b проходят в радиальном направлении верхней направляющей штанги 31 и входят в резьбовое соединение с опорным сегментом 41 . Болты 44 a , 44 b имеют внутренние концы, поддерживающие скользящие сегменты 42 a , 43 b .Таким образом, скользящие сегменты 43 a , 43 b могут перемещаться в радиальном направлении верхней направляющей шины 31 за счет осевого перемещения болтов 44 a , 44 b вызвано резьбовым зацеплением. Ручка 45 резьбовым соединением с опорным сегментом 41 и зацепляется с верхней направляющей штангой 31 . Посредством закрепления ручки 45 движение опорного сегмента 41 относительно верхней направляющей шины 31 может быть остановлено.

На ФИГ. 7, путем управления осевым положением болтов 44 a и 44 b , вызванных продвижением или отводом резьбы, положения двух скользящих сегментов 43 a , 43 b можно поменять. Таким образом, относительное положение между опорным сегментом , 41, и верхней направляющей штангой , 31, может быть изменено.

То есть может быть выполнено минутное поворотное движение опорного сегмента 41 вокруг оси нижней направляющей шины 31 .Чтобы быть более конкретным, на фиг. 7, перемещая два скользящих сегмента 43 a , 43 b влево, левый конец верхнего направляющего отверстия 31 перемещается к верхнему отверстию 41 a , т. Е. опорный сегмент , 41, вращается и плавно перемещается по часовой стрелке на фиг. 7 относительно оси нижней направляющей шины 31 . Следовательно, секция пильного полотна 50 и его пильное полотно 51 также повитально перемещаются вокруг оси нижней направляющей шины 31 .Таким образом, можно точно регулировать угол боковой поверхности диска 51 циркулярной пилы относительно верхней поверхности основания 11 . Конструкция, показанная на фиг. 7, можно уменьшить размер опорного сегмента 41 , чтобы получить компактную торцовочную пилу, сохраняя при этом достаточное перемещение секции 50 пильного полотна относительно секции 30 направляющей шины.

Крайнее заднее положение опорной секции пильного полотна 40 определяется примыканием опорного сегмента 41 к держателю 22 , а крайнее переднее положение опорной секции пильного полотна 40 определяется прилегание опорного сегмента 41 к передней торцевой крышке 32 .Кроме того, отсоединение опорного сегмента 41 от направляющих стержней 31 может быть предотвращено передней торцевой крышкой 32 . Между прочим, поскольку только опорный сегмент 41 , поддерживающий секцию пильного полотна 50 , скользит по направляющим стержням 31 , только небольшая нагрузка передается на шарикоподшипник 42 в направлении, перпендикулярном оси. направление скольжения. Кроме того, нагрузка постоянна независимо от положения скольжения опорного сегмента , 41, относительно направляющих стержней , 31, .Соответственно, доступен компактный шариковый подшипник 42 .

Как показано на фиг. 7, ось поворота , 46, в боковом направлении проходит через опорный сегмент 41 в направлении, перпендикулярном осевому направлению направляющих стержней 31 . Секция пильного полотна 50 может вращаться вокруг оси поворотного вала 46 . Выемка 41 c сформирована в опорном сегменте 41 в позиции под осью поворота 46 .Лазерный генератор 47 расположен в выемке 41 c . Лазерный генератор 47 может перемещаться внутри выемки 41 c по меньшей мере в осевом направлении полотна циркулярной пилы 51 , так что лазерный луч может проходить вдоль боковой поверхности полотна циркулярной пилы 51 . Таким образом, линия разреза, которая является продолжением боковой поверхности, может быть освещена на обрабатываемой детали W. Это облегчает распознавание положения диска 51 циркулярной пилы перед резкой, тем самым повышая удобство использования.

Внутри выемки 41 c расположена пружина 48 . Пружина 48 расположена над поворотным валом 46 и имеет один конец, воздействующий на опорный сегмент 41 , а другой конец, воздействующий на секцию пильного полотна 50 , для нормального принуждения секции пильного полотна 50 к перемещению. шарнирно отодвинут от верхней поверхности основания 11 вокруг оси шарнирного вала 46 . Предусмотрен стопорный механизм (не показан) для удержания секции 50, пильного полотна в ее крайнем верхнем положении в нерабочем состоянии.Для операции резки секция пильного полотна 50 перемещается вниз с возможностью поворота против смещающей силы пружины 48 .

Как описано выше, направляющие стержни 31 не перемещаются выступающими назад из держателя 22 во время резки, а держатель 22 не перемещается от базовой части 10 в направлении вперед / назад во время резки . Таким образом, торцовочная пила 1 становится компактной даже во время резки.Таким образом, раскройные работы можно выполнять в узком пространстве. Другими словами, нет необходимости оставлять лишнее пространство между внешней стеной и самым задним концом торцовочной пилы 1 .

5. Секция пильного полотна 50

Секция пильного полотна 50 включает в себя редуктор 52 , шарнирно поддерживаемый опорным сегментом 41 посредством поворотного вала 46 . Как показано на фиг. 8, крышка 53 пильного полотна выполнена за одно целое с корпусом редуктора 52 для закрытия верхней половины пильного полотна 51 .Крышка пильного полотна 53 образована отверстием для отвода стружки 53 a (фиг. 3), открытым в сторону держателя 22 . Мешок для сбора пыли 66 (фиг. 1) может быть прикреплен к выпускному отверстию 53 a . В качестве альтернативы, шланг (не показан) вакуумного устройства может быть присоединен к выпускному отверстию 53, , и для предотвращения разбрасывания стружки.

Кстати, задний конец мешка для сбора пыли 66 расположен спереди от самого заднего компонента торцовочной пилы 1 .(На фиг. 1 самый задний компонент представляет собой зажимной рычаг 71, , описанный ниже). При такой компоновке эффективный сбор пыли может выполняться, даже если стена или окружающий объект существует непосредственно рядом с задней стороной держателя 22, . Такая компоновка может быть реализована путем изменения размера пылесборного мешка , 66, или путем наклона выпускного отверстия 53 a относительно боковой поверхности полотна циркулярной пилы 51 .В результате мешок для сбора пыли 66 не влияет на пространство для установки торцовочной пилы 1 .

Вал пильного полотна 57 поддерживается с возможностью вращения на корпусе редуктора 52 . Полотно циркулярной пилы 51 установлено соосно на валу пилы 57 . Защитный кожух 58 шарнирно закреплен на кожухе зубчатого колеса 52 для защиты части диска циркулярной пилы 51 , выступающей из кожуха 53 пилы.Защитная крышка , 58, приспособлена для закрытия выступающей части дисковой пилы 51 , когда секция 50 пилы находится в верхнем поворотном положении, показанном на фиг. 1, и чтобы подвергать выступающую часть воздействию атмосферы, когда секция 50, пильного полотна находится в нижнем поворотном положении, показанном на фиг. 3. Для этого предусмотрен рычажный механизм (не показан) для поворота с возможностью втягивания предохранительной крышки 58 в крышку 53 пильного полотна.

Корпус двигателя 59 закреплен на крышке редуктора 52 . В корпусе двигателя 59 находится двигатель 56 , который имеет вал двигателя 60 , проходящий параллельно валу 57 пильного полотна и поддерживаемый с возможностью вращения на корпусе редуктора 52 . Двигатель 56 расположен так, что воображаемая плоскость, содержащая боковую поверхность диска 51 циркулярной пилы, пересекает часть двигателя 56 .Кроме того, ручка 54 выполнена как единое целое с корпусом двигателя 59 . Ручка 54 расположена на воображаемой плоскости, содержащей боковую поверхность дисковой пилы 51 . При такой компоновке сила реакции, передаваемая на секцию пильного полотна 50 через пильный диск 51 во время резки, может быть должным образом воспринята ручкой 54 . Другими словами, сила реакции от пильного диска 51 линейно передается на ручку 54 без каких-либо отклонений.Переключатель 55 предусмотрен на ручке 54 для приведения в действие двигателя 56 .

Дополнительная рукоятка 67 встроена в корпус двигателя 59 . Вспомогательная ручка 67 проходит в направлении, параллельном направляющим стержням 31 , когда секция пильного полотна 51 поворотно перемещается в свое самое нижнее положение, как показано на фиг. 3.

Корпус двигателя 59 снабжен фиксирующим устройством (не показано) для фиксации самого нижнего положения поворота секции 50 пильного полотна относительно опорного сегмента 41 .Установив крайнее нижнее положение поворота, пользователь может легко переносить торцовочную пилу 1 , взявшись за вспомогательную ручку 67 .

Механизм передачи мощности предусмотрен в корпусе редуктора 52 для передачи вращения вала двигателя 60 на вал пильного полотна 57 . Механизм трансмиссии включает в себя шкив вала двигателя 61 , промежуточный вал 62 , шкив промежуточного вала 63 , бесконечный ремень 64 , шестерню 62 a и шестерню 65 .Шкив вала двигателя 61 прикреплен к верхнему концу вала двигателя 60 , на котором закреплен вентилятор. Промежуточный вал 62 расположен рядом с валом 57 пильного полотна и параллельно ему и поддерживается с возможностью вращения на корпусе редуктора 52 . Шкив промежуточного вала , 63, может вращаться за одно целое с промежуточным валом 62 и расположен на стороне, противоположной полотну циркулярной пилы 51 .Бесконечный ремень 64 установлен на шкиве вала двигателя 61 и шкиве промежуточного вала 63 .

Шестерня 62 a сформирована на внешней периферийной поверхности промежуточного вала 62 и на стороне, противоположной шкиву промежуточного вала 63 . Шестерня 62 a расположена ближе всего к пильному диску 51 среди компонентов промежуточного вала 62 .Шестерня 65 принудительно установлена ​​на валу пильного полотна 57 . В результате шестерня , 65, может вращаться вместе с вращением вала 57 пильного полотна и совмещена с шестерней 62, , и для зацепления с ней.

Как показано на фиг. 4 и 8, верхняя и нижняя направляющие стержни , 31, , , 31, расположены в направлении, параллельном боковой поверхности пильного полотна 51 .То есть воображаемая линия L 1 , соединяющая оси верхней и нижней направляющих стержней 31 , 31 , проходит параллельно боковой поверхности полотна циркулярной пилы 51 . При таком расположении жесткость скользящих сегментов 43 a , 43 b и жесткость отверстий 22 a держателя 22 могут сохраняться, когда секция пильного полотна 50 шарнирно перемещается вниз, и когда торцовочная пила 1 переносится вручную, удерживая вспомогательную ручку 67 .

Как показано на фиг. 1, вал 57 пильного полотна расположен рядом с направляющими стержнями 31 , 31 , когда секция 50 пильного полотна находится в крайнем верхнем положении поворота. Таким образом, направляющие шины , 31, , , 31, не являются важным фактором или стержнем для уменьшения размеров всей торцовочной пилы 1 . Более того, поскольку расстояние между ручкой 54 и диском 51 в осевом направлении вала пильного диска 57 чрезвычайно мало, опорная секция 40 , несущая секцию пильного диска 50 может плавно скользить по направляющим стержням 31 , 31 , когда секция пильного полотна 50 поддерживается в самом нижнем положении для резки заготовки W, имеющей удлиненную длину в направлении вперед / назад торцовочной пилы 1 .Кроме того, из-за вышеописанного геометрического соотношения между двигателем 56 и боковой поверхностью пильного диска 51 и из-за геометрического соотношения в механизме передачи мощности, включая бесконечный ремень 64 , вся ширина сечение пильного полотна в осевом направлении пильного полотна 51 может быть уменьшено. Соответственно, опорная секция 20, направляющей шины и секция пильного полотна 50 могут быть наклонены до 45 градусов даже в сторону, где существуют направляющие стержни , 31, , как показано на фиг.5. Конечно, опорная секция 20 направляющей шины и секция 50 пильного полотна могут быть наклонены влево на угол до 45 градусов, как показано на фиг. 6. Кроме того, поскольку вал двигателя 60 и вал 57 пильного полотна проходят параллельно друг другу, высота секции пильного полотна 50 может быть уменьшена, тем самым уменьшая всю высоту торцовочной пилы 1 .

6. Механизм фиксации держателя 70

Далее будет описан механизм фиксации держателя 70 со ссылкой на фиг.1-6. Механизм фиксации держателя 70 приспособлен для крепления держателя 22 к базовой части 10 , чтобы зафиксировать положение поворота держателя 22 вокруг оси вала держателя 21 для фиксации угла наклона боковой поверхности дисковой пилы 51 относительно верхней поверхности основания 11 и поворотного стола 12 .

Как описано выше, самая задняя вертикальная часть 12 A выступает вертикально из задней оконечной части поворотного стола 12 и служит опорой держателя для фиксации угла наклона в поперечном направлении полотна циркулярной пилы 51 .Опора держателя 12 A образована дугообразной прорезью 12 a , центр радиуса которой совпадает с валом держателя 21 . Дугообразный паз 12 a совмещен с отверстием с внутренней резьбой 22 b , сформированным в держателе 22 . Зажимной рычаг 71 проходит через дугообразную прорезь 12 a . Зажимной рычаг 71, имеет концевую часть, образованную частью с наружной резьбой, с возможностью зацепления с отверстием с внутренней резьбой 22 b .После отстегивания зажимного рычага 71 , чтобы отсоединить часть наружной резьбы от отверстия для внутренней резьбы 22 a , держатель 22 можно наклонять в боковом направлении вокруг вала держателя 21 в пределах длины дугообразной прорези 12 а . Дугообразный паз 12, , и имеет длину, позволяющую максимально наклонять держатель 22 под 45 углами как вправо, так и влево. Если зажимной рычаг 71 закреплен, в то время как держатель 22 наклонен под желаемым углом, держатель 22 может быть закреплен на опоре держателя 12 A под желаемым углом наклона.

Для бокового наклона секции пильного полотна 50 зажимной рычаг 71 отстегивается для освобождения держателя 22 . Благодаря этому разжатию держатель 22 может свободно перемещаться с возможностью поворота относительно поворотной платформы , 12, вокруг оси вала держателя 21 . В результате держатель 22, можно наклонять вправо или влево. Затем снова выполняется зажим, пока пользователь удерживает секцию 50, пильного полотна в желаемом положении поворота.То есть, в то время как пользователь поддерживает желаемое положение поворота секции , 50, пильного полотна одной рукой, пользователь зажимает зажимной рычаг 71, своей оставшейся рукой.

Если держатель 22 наклонен вправо, упор 22 B (фиг.5) упирается в упор с помощью стопорного болта 15 B, так что угол наклона секции пильного полотна 50 установлен на 45 градусов. В этом положении зажимной рычаг 71 фиксируется для фиксации положения наклона держателя 22 .То же самое верно в отношении наклона держателя 22 влево при использовании упора 22 A и стопорного болта 15 A.

Для бокового наклона секции пильного полотна 50 , держателя 22 наклонен вправо или влево. В этом случае, поскольку центр тяжести двигателя 56 находится в вертикальном положении с валом держателя 21 , когда держатель 22 находится в вертикальной ориентации, секция пильного полотна 50 может наклоняться с постоянным усилие независимо от направления наклона.

Для резки заготовки W на двигатель 56 подается питание при нажатии переключателя 55 для вращения вала двигателя 60 , после чего диск циркулярной пилы 51 вращается через шкив 52 , трансмиссия ремень 64 , шкив промежуточного вала 63 и вал пильного полотна 57 . Поддерживая это состояние, оператор берет ручку 54 и толкает секцию пильного полотна 50 вниз, преодолевая смещающую силу пружины 48 .Полотно циркулярной пилы 51 входит в канавку пластины входа полотна поворотного стола 12 . Таким образом, можно разрезать заготовку W. Если резка заготовки W завершена, оператор поднимает ручку 54 , так что секция пильного полотна 50 может восстановить свое исходное крайнее верхнее положение за счет смещающей силы пружины 48 .

Для резки удлиненной заготовки W после того, как секция 50 пильного полотна поворачивается с возможностью поворота на заданную величину, как показано на фиг.3, поворотное движение может быть остановлено стопорным механизмом (не показан). Таким образом, для резки заготовки, имеющей удлиненную длину в направлении вперед / назад, опорный сегмент , 41, , несущий секцию пильного полотна , 50, , временно перемещается в свое крайнее переднее положение вдоль направляющих стержней , 31, . Затем, после того как секция 50 пильного полотна поворачивается вниз, секция 50 пильного полотна перемещается назад по направляющим стержням 31 , фиксируя поворотное положение вниз стопорным механизмом.В этом случае ручка 45 отпускается.

Для выполнения вертикального распила, при котором боковая поверхность пильного диска 51 проходит вертикально, зажимной рычаг 71 отстегивается, а штифт 23 смещается вперед. Затем держатель 22, поворачивается к его вертикальному положению. В результате штифт 23 упирается в стопорный болт 24 , после чего устанавливается вертикальная ориентация полотна циркулярной пилы 51 .Затем зажимной рычаг 71, закрепляют описанным выше способом.

Заготовка, имеющая большую площадь, может быть подвергнута резке под углом и под углом, а также вышеописанной вертикальной резке путем перемещения секции 51 пильного полотна вперед / назад. Резка под углом подразумевает, что линия реза на заготовке W наклонена по отношению к направлению вперед / назад. Такое резание под углом достигается поворотом под углом поворотного стола , 12, для изменения геометрического соотношения между ограждениями , 13, и боковой поверхностью пильного диска 51 .Наклонная резка подразумевает, что линия резки в направлении толщины заготовки наклонена за счет управления углом поворота держателя 22, относительно поворотного стола , 12, . Для этого ручка , 45, ослабляется для облегчения скользящего движения опорного сегмента , 41, относительно направляющих стержней , 31, . Таким образом, возможна резка композитных материалов, включая вертикальную резку, резку под углом и резку под наклоном.

Торцовочная пила согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения будет описана ниже со ссылкой на фиг.9 и 10. Второй вариант осуществления относится к модификации фиксирующего механизма 70, держателя первого варианта осуществления. Будет описан механизм крепления держателя , 170, в торцовочной пиле 101 согласно второму варианту осуществления.

Поворотный стол 12 имеет крайнюю заднюю вертикальную часть 112 A, верхняя концевая часть которой имеет дугообразную форму, выступающую вверх для образования области зацепления 171 . Держатель 122 снабжен выступающей частью 172 , включающей горизонтальную секцию 172 A, выступающую назад от задней поверхности 122 a держателя 122 и вертикальную секцию 172 B, идущую вниз от горизонтального участка 172 А.

Таким образом, часть зоны зацепления 171 окружена задней поверхностью 122 a держателя 122 и выступающей частью 172 . Кроме того, геометрическая точка выступающей части , 172, в соответствии с поворотным движением держателя , 122, соответствует дугообразной форме области зацепления , 171, .

Вертикальная секция 172 B имеет внутреннюю наклонную поверхность стенки 172 a , наклоненную таким образом, что расстояние между наклонной поверхностью стенки 172 a и задней поверхностью зоны зацепления 171 постепенно увеличивается. увеличена по направлению к оси держателя вала 21 .Кроме того, ползун , 173, подвижно расположен между зоной зацепления 171 и вертикальной секцией 172 B. Ползун , 173, имеет заднюю поверхность наклонной стенки, дополняющую поверхность наклонной стенки 172 a и в скользящем контакте с ним. Горизонтальный участок 172 A образован сквозным отверстием 172 b , проходящим по направлению к оси вала держателя 21 .

Зажимной болт 174 проходит через сквозное отверстие 172 b и может вращаться вокруг своей оси.Внутренний диаметр сквозного отверстия 172 b немного больше внешнего диаметра зажимного болта 174 . Зажимной болт 174 имеет кончик, навинчивающийся на ползун 173 . Пружина 175 расположена над зажимным болтом 174 и расположена между горизонтальной секцией 172 A и ползуном 173 для нормального прижима ползуна 173 к валу держателя 21 .За счет вращения зажимного болта 174 ползун 173 перемещается вдоль оси зажимного болта 174 .

Другими словами, геометрическое место ползуна 173 расположено по существу вдоль воображаемой плоскости, которая является продолжением боковой поверхности полотна циркулярной пилы 51 , независимо от положения поворота секции полотна пилы 50 . Следовательно, даже если держатель , 122 немного перемещается относительно вала держателя 21 из-за небольшого зазора между ними во время движения ползуна 173 , незначительное перемещение держателя 122 относительно вала держателя 21 совмещен с геометрическим концом ползуна 173 .Соответственно, угол поворота секции 50 пильного полотна, то есть угол наклона полотна 51 циркулярной пилы, может поддерживаться независимо от зазора.

В состоянии, показанном на фиг. 9, положение поворота держателя , 122, относительно поворотного стола , 12, является фиксированным. В этом состоянии ползун 173 находится в крайнем верхнем положении, так что область зацепления 171 поворотного стола 12 зажата между задней поверхностью 122 a держателя 122 и ползуном. 173 .Таким образом, держатель , 122, неподвижен относительно поворотного стола , 12, . Более конкретно, зажимной болт 174 находится в своем зажимном состоянии, так что ползун 173 глубоко вдвигается в пространство между наклонной поверхностью 172 a и задней поверхностью самой задней выступающей части 112 A. Таким образом, скошенная поверхность ползуна , 173, и наклонная поверхность , 172, , , выступающей части , 172, находятся в тесном контакте друг с другом, а пружина , 175, находится в сжатом состоянии.Другими словами, область зацепления , 171, плотно зажата между ползуном , 173, и держателем 122 , чтобы предотвратить свободное поворотное движение держателя 122 относительно поворотной платформы 12 . Таким образом, положение поворота секции 50 пилы может быть зафиксировано.

Для бокового наклона секции пильного полотна 50 ослабляется зажимной болт 174 для освобождения держателя 122 . Посредством этого разжатия ползун , 173, перемещается вниз к валу держателя 21 за счет собственного веса ползуна , 173 и растяжения пружины , 175, в осевом направлении.Таким образом, сила контакта между задней поверхностью 122 a держателя 122 и зоной зацепления 171 поворотного стола 12 ослабляется, так что держатель 122 может свободно перемещаться относительно поворотный стол 12 вокруг оси держателя вала 21 . В результате держатель , 122, может наклоняться вправо или влево. Затем снова выполняется зажим, пока пользователь удерживает секцию пильного полотна 50, , при этом относительно глубоко вдавливая ее в пространство между областью зацепления , 171, и вертикальной секцией , 172, B в результате чрезмерного зажима, ползун 173 не может быть перемещен к валу держателя 21 даже под действием собственного веса ползуна 173 и смещающей силы пружины 175 в результате ослабления зажимного болта 174 .В таком случае ползун 173 может быть перемещен к валу держателя 21 , просто нажав на зажимной болт 174 после разжатия.

Зажим и разжим держателя 122 осуществляется в основном перемещением ползуна 173 в осевом направлении зажимного болта 174 . Как описано выше, ползун 173 может немного смещаться в сторону вертикального участка 172 B из-за зазора между внешним диаметром зажимного болта 174 и внутренним диаметром сквозного отверстия 172 b .Кроме того, между задней поверхностью , 122, , и держателя , 122 и зоной зацепления , 171, может быть предусмотрен небольшой зазор. Однако область зацепления 171 плотно зажата между задней поверхностью 122 a и ползуном 173 , чтобы поглотить эти зазоры в результате незначительного движения держателя 22 вперед / назад направление.

Поскольку зажимной болт 174 проходит к валу держателя 21 , манипулирующая часть зажимного болта 174 легко доступна, даже если пользователь или рука пользователя не перемещаются в положение позади крепления держателя механизм 170 или даже если стена или препятствие существует рядом с задней стороной торцовочной пилы 101 .Таким образом, работа по фиксации желаемого угла поворота секции 50 пильного полотна может быть облегчена. Кроме того, при установке торцовочной пилы 101 нет необходимости оставлять пространство между стеной и задней стороной торцовочной пилы 101 . Таким образом можно уменьшить все рабочее пространство. Кроме того, поскольку зажимной болт 174 проходит в направлении вала держателя 21 , общая длина торцовочной пилы 101 в направлении вперед / назад может быть уменьшена.

Кроме того, перпендикулярное расположение между осью зажимного болта 174 и осью держателя 21 дает преимущество в том, что вращение зажимного болта 174 вокруг своей оси не вызывает поворотного движения держателя 122 около вала держателя 21 . Это сильно отличается от традиционной конструкции, в которой зажимной рычаг проходит параллельно валу держателя. В последнем случае вращение зажимного рычага вызывает незначительное поворотное движение держателя вокруг вала держателя, поскольку зажимной рычаг находится в прямом контакте с держателем во время вращения зажимного рычага.

Хотя изобретение было подробно описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения. Например, количество направляющих стержней 31, не ограничивается двумя, но можно использовать одну или три направляющих стержня.

Кроме того, в описанном выше варианте осуществления секция 50 пильного полотна может перемещаться с возможностью поворота вправо и влево.Однако также доступна секция пильного полотна, поворачиваемая только влево или только вправо.

Кроме того, в секции 50 пильного полотна описанного выше варианта осуществления механизм передачи энергии расположен с правой стороны от полотна 51 циркулярной пилы на фиг. 8. Тем не менее, механизм передачи мощности может быть расположен слева от полотна циркулярной пилы 51 . Кроме того, можно отказаться от поворотного стола , 12, в базовой секции.

Далее, на фиг. 7 подшипник 42 может быть расположен в верхнем отверстии 41 a и узлах скользящих сегментов 43 a , 43 b 44 a , 44 b , 45 можно разместить в нижнем отверстии 41 b.

С подвижным элементом гусеницы для патентов на транспортные средства с направляющими пазами и патентных заявок (класс 104 / 130.09)

Номер публикации: 200839

Abstract: Устройство, содержащее направляющую, имеющую первую пару по существу параллельных рабочих поверхностей, которые размещены вдоль первой дорожки на расстоянии друг от друга в поперечном направлении, и вторую пару по существу параллельных рабочих поверхностей, которые размещены вдоль второй дорожки на на боковом расстоянии друг от друга.Вторая пара рабочих поверхностей проходит на пересечении или стыке поперек первой пары рабочих поверхностей. Держатель может перемещаться по меньшей мере по рабочим поверхностям и имеет опорную ось, проходящую поперек бегущих поверхностей, для закрепления нагрузки, причем опорная ось проходит между беговыми поверхностями. Устройство, расположенное рядом с перекрестком, имеет транспортный механизм. Транспортный механизм выполнен с возможностью перемещения между положением приема на первой направляющей для несущего зацепления с держателем и положением доставки на второй направляющей для освобождения держателя.Изобретение также относится к рельсовой системе и транспортному механизму.

Тип: заявка

Зарегистрирован: 27 февраля 2009 г.

Дата публикации: 3 сентября 2009 г.

Заявитель: Эсперо Б.В.

Изобретателей: Адриан Бэнкс, Рууд Каандорп

Определение Pivotal по Merriam-Webster

piv · ot · al | \ ˈPi-və-tᵊl \ 1 : , относящиеся к опорной точке или составляющие ее

Перенос средств индивидуальной защиты в сообщество: защитные маски и локализация COVID-19 | Инфекционные болезни | JAMA

19 марта 2020 года Калифорния стала первым штатом, издавшим приказ о домохозяйстве в ответ на развивающуюся пандемию коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19).Было быстро признано, что широко распространенное диагностическое тестирование с отслеживанием контактов, успешно используемое в таких странах, как Южная Корея и Сингапур, не будет доступно вовремя, чтобы существенно сдержать распространение тяжелого острого респираторного синдрома коронавируса 2 (SARS-CoV-2). 1 , 2 В течение следующего месяца были применены дополнительные нефармацевтические стратегии смягчения последствий, включая закрытие школ, запреты на большие личные собрания и частичное закрытие ресторанов и магазинов розничной торговли, чтобы «сгладить эпидемическую кривую» и ограничить пиковое влияние резкого увеличения количества пациентов на системы здравоохранения.Тем не менее, даже несмотря на то, что преимущества пакетов смягчения последствий не были полностью реализованы, широко распространены призывы к повторному открытию предприятий, учитывая огромные экономические и социальные последствия стратегий экстремального физического дистанцирования.

Недавно эксперты в области общественного здравоохранения, инфекционных заболеваний и политики сформулировали рекомендации по постепенному открытию общества с использованием комбинации стратегий сдерживания и смягчения последствий. 3 , 4 Предлагаемые стратегии сдерживания следовали южнокорейской модели и включают быстро расширяющуюся инфраструктуру общественного здравоохранения для повсеместного тестирования и отслеживания контактов на основе данных, обеспечивая при этом безопасную медицинскую помощь медицинскими работниками, использующими соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), например респираторы N95, медицинские маски, средства защиты глаз, халаты и перчатки.Однако растет признание того, что стратегии сдерживания, основанные на тестировании, будут неадекватными, потому что необходимые возможности тестирования могут быть недоступны в течение недель или месяцев, а в США возможность отслеживать, отслеживать и помещать в карантин неясна. Кроме того, в странах, где тестирование не было ограничено и сдерживание было достигнуто, например, Сингапур, пережили значительные вторые волны инфекции и потребовали крайнего дистанцирования вмешательства, которые США и другие страны пытаются сократить.

Американское общество инфекционных болезней (IDSA) включило использование в обществе СИЗ, таких как маски и защитные маски, в свои рекомендации по ослаблению ограничений. 4 Опыт и данные, даже во время этой пандемии, предполагают, что медицинские работники редко заражаются инфекциями во время ухода за пациентами, когда используются надлежащие СИЗ, и что большинство их инфекций происходит в обществе, где СИЗ обычно не носят. 5 Таким образом, становится важным знать, может ли практика, связанная с производственной безопасностью, использоваться в обществе в качестве моста к более длительным мерам, таким как вакцины.Может ли простой и доступный щиток для лица, если он будет принят повсеместно, обеспечить достаточную дополнительную защиту при добавлении к тестированию, отслеживанию контактов и гигиене рук, чтобы снизить проницаемость ниже критического порога?

Передача COVID-19 в сообществе

Способы передачи респираторных вирусов давно стали предметом споров.Имеющиеся на сегодняшний день данные свидетельствуют о том, что SARS-CoV-2 распространяется, как и другие респираторные вирусы: инфекционными каплями, выбрасываемыми в непосредственной близости (т. Е. В пределах 6 футов) к глазам, носу или рту восприимчивого человека или при прямом контакте с ними. капли (например, прикосновение к загрязненной поверхности, а затем прикосновение к глазам, носу или рту). 6 Хотя капельная и воздушно-капельная передача, вероятно, будет непрерывной, с более мелкими каплями, способными двигаться дальше, чем от 3 до 6 футов и оставаться в воздухе дольше после определенных респираторных выбросов, 7 последствия ограниченного распространения аэрозолей являются наиболее важными для медицинские учреждения после процедур, связанных с образованием аэрозолей, таких как открытая аспирация дыхательных путей и эндотрахеальная интубация или экстубация.

Контактные расследования SARS-CoV-2 подтвердили, что частота передачи вируса в сообществе согласуется с капельным и контактным распространением (уровень нападений в домашних хозяйствах составляет 10%, уровень медицинских услуг и нападений в сообществе составляет <1%, и 0 рэндов [эффективное воспроизводство число или среднее число новых инфекций, вызванных инфицированным человеком во время его заражения] 2-3), 5 и значительно отличается от вирусных патогенов, передающихся по воздуху, таких как вирус ветряной оспы или корь (уровень заражения в домашних условиях 85% - 90% и 0 от 10-18).

Это означает, что простые и удобные в использовании барьеры для респираторных капель, наряду с гигиеной рук и недопущением прикосновения к лицу, могут помочь предотвратить передачу инфекции в сообществе, когда меры физического дистанцирования и пребывания дома ослаблены или больше не возможны. Двумя основными вариантами таких барьеров являются маски для лица и щитки для лица.

Маски и щитки для лица

Цепочка поставок медицинских масок сконцентрирована в Китае, и возникновение вспышки там привело к закрытию фабрик и возникновению критического дефицита.Чтобы сохранить медицинские маски для медицинских учреждений, Центры по контролю и профилактике заболеваний рекомендовали всем людям носить тканевые маски в общественных местах для контроля источников. Было показано, что тканевые маски менее эффективны, чем медицинские маски для предотвращения инфекционных респираторных заболеваний, 8 , хотя испытания in vitro показывают, что тканевые маски обеспечивают некоторую фильтрацию аэрозольных частиц размером с вирус. 9 Защитные маски могут быть лучшим вариантом.

Лицевые щитки бывают разных форм, но все они представляют собой прозрачный пластиковый барьер, закрывающий лицо.Для оптимальной защиты щиток должен проходить ниже подбородка спереди, к ушам сбоку, и не должно быть открытого зазора между лбом и головным убором щита. Для изготовления защитных экранов не требуются специальные материалы, а производственные линии можно довольно быстро перепрофилировать. Многие компании, включая Apple, Nike, GM и John Deere, начали производить защитные маски для лица. Эти щиты могут быть сделаны из материалов, которые продаются в магазинах товаров для рукоделия или канцелярских товаров. Таким образом, использование лицевых щитков в настоящее время больше, чем медицинских масок.

Маски для лица обладают рядом преимуществ. В то время как медицинские маски имеют ограниченную долговечность и малый потенциал для повторной обработки, защитные маски можно использовать повторно неограниченное время, и их легко чистить водой с мылом или обычными бытовыми дезинфицирующими средствами. Они удобны в носке, защищают порталы проникновения вирусов и снижают вероятность аутоинокуляции, не позволяя носителю прикасаться к лицу. Людям в медицинских масках часто приходится снимать их, чтобы общаться с окружающими; это не обязательно с лицевыми щитками.Использование маски для лица также является напоминанием о необходимости держаться на расстоянии, но позволяет видеть выражения лица и движения губ для восприятия речи.

Наиболее важно то, что маски для лица, по-видимому, значительно снижают степень ингаляционного воздействия вируса гриппа, другого респираторного вируса, распространяющегося через капли. В имитационном исследовании было показано, что щитки для лица снижают непосредственное воздействие вируса на 96% при ношении симулированным медицинским работником в пределах 18 дюймов от кашля. 10 Даже через 30 минут защитный эффект превысил 80%, а лицевые щитки заблокировали 68% аэрозолей с мелкими частицами, 10 , которые, как считается, не являются основным способом передачи SARS-CoV-2. Когда исследование было повторено на рекомендуемом в настоящее время физическом расстоянии 6 футов, защитные маски уменьшили вдыхаемый вирус на 92%, 10 , аналогично одному дистанцированию, что усиливает важность физического дистанцирования для предотвращения вирусных респираторных инфекций.Следует отметить, что ни в одном исследовании не оценивалось влияние или потенциальная польза защитных экранов для защиты от источников, т. Е. Сдерживания чихания или кашля, при ношении бессимптомными или симптоматическими инфицированными людьми. Однако при диапазонах эффективности от 68% до 96% для одной маски для лица вполне вероятно, что добавление контроля источника только повысит эффективность, и исследования должны быть завершены быстро, чтобы оценить это.

Основные политические рекомендации следует оценивать с помощью клинических исследований. Однако маловероятно, что рандомизированное испытание лицевых щитков можно будет завершить вовремя, чтобы проверить эффективность.Клинических испытаний для оценки эффективности широкомасштабного тестирования и отслеживания контактов не проводилось, но этот подход основан на многолетнем опыте. Взятый в совокупности, эффективность добавления лицевых щитков в качестве вмешательства сообщества к предлагаемым в настоящее время стратегиям сдерживания следует оценивать с использованием существующих математических моделей. Неявная цель использования лицевых щитков отдельно или в сочетании с другими мерами вмешательства должна заключаться в том, чтобы прервать передачу путем снижения R 0 до менее 1.Примечательно, что для эффективной борьбы даже с самыми инфекционными патогенами, такими как корь, не требуется вакцина со 100% эффективностью. Не следует возлагать бремя 100% эффективности на лицевые щитки или какую-либо политику сдерживания, потому что такой уровень контроля невозможен и не является необходимым для доведения уровней заражения SARS-CoV-2 до контролируемого диапазона.

Пандемия COVID-19 пришла быстро и застала многие страны неподготовленными. Даже в хорошо подготовленных странах сейчас наблюдаются вспышки второй волны, которые вынудили принять меры крайнего социального дистанцирования.Чтобы свести к минимуму медицинские и экономические последствия, важно быстро оценить и принять пакет мер по сдерживанию распространения, который доводит переносимость до приемлемых уровней. Защитные маски, которые можно быстро и по доступной цене производить и распространять, должны быть включены в стратегии безопасного и значительного сокращения передачи инфекции в общинах. Пришло время принять это практическое вмешательство.

Автор для переписки: Эли Н.Perencevich, MD, MS, Система здравоохранения Айова-Сити, штат Вирджиния, 601 Hwy 6 W, Айова-Сити, IA 52246 ([email protected]).

Опубликовано в Интернете: 29 апреля 2020 г. doi: 10.1001 / jama.2020.7477

Раскрытие информации о конфликте интересов: Д-р Дикема сообщил о получении финансирования исследований от компании bioMerieux. О других раскрытиях информации не сообщалось.

Заявление об отказе от ответственности: Мнения, выраженные в этой статье, принадлежат авторам и не обязательно отражают позицию или политику Министерства по делам ветеранов или правительства США.

2.Парк С, Чой GJ, Ko H. Стратегия отслеживания на основе информационных технологий в ответ на COVID-19 в Южной Корее - споры о конфиденциальности. ЯМА . Опубликовано в Интернете 23 апреля 2020 г. doi: 10.1001 / jama.2020.6602PubMedGoogle Scholar5.Burke RM, Мидгли CM, Dratch А, и другие. Активный мониторинг лиц, контактировавших с пациентами с подтвержденным COVID-19 - США, январь – февраль 2020 г. MMWR Morb Mortal Wkly Rep .2020; 69 (9): 245-246. DOI: 10.15585 / mmwr.mm6909e1PubMedGoogle ScholarCrossref 7.Bourouiba L. Турбулентные газовые облака и выбросы респираторных патогенов: потенциальные последствия для снижения передачи COVID-19. ЯМА . Опубликовано в Интернете 26 марта 2020 г. doi: 10.1001 / jama.2020.4756PubMedGoogle Scholar9.Rengasamy S, Эймер B, Шаффер RE. Простая защита органов дыхания: оценка эффективности фильтрации тканевых масок и обычных тканевых материалов от частиц размером 20-1000 нм. Энн Оккуп Хиг . 2010; 54 (7): 789-798. DOI: 10.1093 / annhyg / meq044PubMedGoogle Scholar10.Lindsley РГ, Ноти Джей Ди, Блэчер FM, Салайда СП, Beezhold DH. Эффективность лицевых щитков против капель аэрозоля от кашля из имитатора кашля. Дж. Оккуп Энвайрон Хиг . 2014; 11 (8): 509-518. PubMedGoogle ScholarCrossref

Самые важные приложения на магнитной подвеске

Название maglev происходит от слова «магнитная левитация». Магнитная левитация - это высокоразвитая технология.Он имеет различное применение. Общей чертой всех приложений является отсутствие контакта и, следовательно, отсутствие износа и трения. Это увеличивает эффективность, снижает затраты на обслуживание и увеличивает срок службы системы. Технология магнитной левитации может использоваться как эффективная технология в различных отраслях промышленности. Системы магнитной подвески привлекают уже многие страны. Многие системы были предложены в разных частях света. В этой статье делается попытка изучить наиболее важные области применения технологии магнитной левитации.Результаты ясно показывают, что магнитопровод можно удобно рассматривать как решение для будущих инженерных нужд мира.

1. Введение

В «Путешествиях Гулливера» (1726 г.) Джонатан Свифт описал остров Лапута на маглеве, который мог подниматься на высоту несколько километров. В комиксах Дика Трейси и Человека-паука магнитная левитация также достигла значительных высот.

В 1842 году Сэмюэл Эрншоу, английский священник и ученый, доказал еще одно важное ограничение магнитной левитации.Он показал, что устойчивая бесконтактная левитация силами одних только статических магнитов невозможна; Левитирующая часть будет неустойчивой к смещениям хотя бы в одном направлении.

В марте 1912 года инженер и изобретатель Эмиль Бачелет только что узнал, что он получил в США патент на его «левитирующий передающий аппарат», и устроил публичную демонстрацию в Нью-Йорке модели поезда на магнитной подвеске, надеясь на то, что инвесторам обещают высокоскоростной наземный транспорт.

Одним из первых основных применений магнитной левитации было поддержание моделей самолетов в аэродинамических трубах. Исследователи обнаружили, что механические опорные конструкции иногда настолько мешают воздушному потоку, что создают большее сопротивление, чем сила сопротивления модели. Решением, разработанным Джином Ковертом и его коллегами из Массачусетского технологического института в 1950-х годах, была магнитная левитация (хотя они называли это «магнитной подвеской и системой баланса»).

Еще один способ использования движущегося магнита для обхода правила Ирншоу и достижения полной левитации - это перемещение магнита в присутствии электрического проводника, вызывая тем самым вихревые токи в проводнике и связанные с ними силы отталкивания на магните.Это основа электродинамического подхода к поездам на магнитной подвеске, предложенного Джеймсом Пауэллом и Гордоном Дэнби ​​в 1960-х годах и наиболее широко разработанного Японской национальной железной дорогой. Сильные сверхпроводящие электромагниты на автомобилях индуцируют вихревые токи в проводящей дорожке, которые вызывают левитацию, когда автомобили достигают достаточной скорости. Левитация с помощью индукции и вихретокового отталкивания также может быть достигнута с помощью полей переменного тока. Это было основой поезда на магнитной подвеске, предложенного в 1912 году Бачелет. Одним из важных промышленных применений левитации посредством индукционных полей и полей переменного тока является левитационное плавление, которое позволяет плавить и смешивать очень химически активные металлы без необходимости в тигле.

В 1983 году Рой Харриган получил патент на «левитационное устройство», которое состояло из небольшого вращающегося магнита, плавающего над большим базовым магнитом, и Билл Хоунс из Fascinations, Inc. позже развил идею Харригана в успешный коммерческий продукт, названный Левитрон. Как и в случае с ротором электросчетчика, вращающийся магнит левитрона толкался вверх силами отталкивания между одноименными полюсами. Но он плавал полностью бесконтактно, обходя правило Ирншоу, потому что он не был статическим магнитом - он вращался.На первый взгляд кажется, что вращающийся магнит не опрокидывается благодаря простому гироскопическому действию, но подробный математический анализ, проведенный несколькими выдающимися учеными, вскоре показал, что устойчивость левитрона несколько сложнее.

В 1930-х годах немецкие ученые продемонстрировали левитацию высокодиамагнитного графита и висмута, а после разработки сверхпроводящих электромагнитов с сильным полем была достигнута левитация даже гораздо более слабых диамагнетиков, таких как вода, дерево и пластик.Это было мало замечено до 1997 года, когда Андре Гейм и его коллеги использовали сверхпроводящий магнит мощностью 16 тесла, чтобы поднять небольшую живую лягушку с помощью магнитного поля, и их «летающая лягушка» наконец привлекла внимание всего мира к чуду диамагнитной левитации. (Гейм, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследования графена, десятью годами ранее был удостоен Шнобелевской премии за левитацию лягушки - награду, которую он и его соучредитель сэр Майкл Берри приняли с призывом «больше науки с улыбкой». )

Сверхпроводники намного более диамагнитны, чем лягушки, и даже намного более диамагнитны, чем графит и висмут.Это супердиамагнетики. Левитация постоянного магнита над сверхпроводником была впервые продемонстрирована В. Аркадьевым в 1945 году, а левитация магнитов над сверхпроводниками стала намного проще и более распространенной после открытия в 1987 году высокотемпературных сверхпроводников, материалов, сверхпроводящих при температуре жидкого азота. Магнитные подшипники, основанные на силах отталкивания между постоянными магнитами и высокотемпературными сверхпроводниками, были разработаны для ряда потенциальных применений, включая маховики для накопления энергии и модели поездов на магнитной подвеске (перевозка сверхпроводников с азотным охлаждением на автомобилях, плавающих над путями с постоянными магнитами).

Джейн Филбрик, приглашенная художница в Массачусетском технологическом институте, спроектировала и построила свою «Плавающую скульптуру», впечатляющее множество из двенадцати больших левитирующих шаров, которые стали важной частью ее персональной выставки в Шведском художественном музее в 2009 году и демонстрировались в Нью-Йорке. Йорк, весна 2011 года.

Технология, наиболее часто ассоциируемая с термином маглев в сознании широкой публики, - это высокоскоростные поезда на магнитной подвеске, впервые предложенные столетие назад Бачелет. Примерно двадцать лет спустя Вернер Кемпер из Германии предложил поезд, который магнитно левитирует с помощью силы притяжения с обратной связью, и после многих десятилетий разработки его идея в конечном итоге превратилась в систему Transrapid, используемую в шанхайском поезде на магнитной подвеске в 2003 году.

Японская национальная железная дорога по-прежнему привержена строительству высокоскоростной линии на магнитной подвеске протяженностью около 300 км между Токио и Нагоей примерно к 2025 году. Базовая конструкция, аналогичная подходу Кемпер-Трансрапид, использовалась для строительства низкоскоростного «городского маглева» в Нагоя, которая успешно работает с 2005 года, и Китай в настоящее время строят аналогичную городскую линию в Пекине. Преимущество низкоскоростного городского маглева - плавная, тихая, безопасная, надежная и экономичная (низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатационные расходы).Таким образом, сбываются мечты Бачелет 1912 года о «вагонах пассажиров, несущихся на невидимых волнах электромагнетизма в космосе со скоростью от 300 до 1000 миль в час».

Магнитная левитация, использование восходящих магнитных сил для уравновешивания распространяющейся нисходящей силы тяжести, уже нашла много других важных применений в науке и технике. Сегодня Maglev помогает циркулировать кровь в груди человека, производит интегральные схемы с системами фотолитографии стоимостью в несколько миллионов долларов, измеряет мелкие размеры с субатомным разрешением, улучшает исследования в аэродинамической трубе и плазме, плавит и смешивает химически активные высокотемпературные металлы, имитирует осязание в тактильных ощущениях. систем, охлаждает наши портативные компьютеры, обогащает уран и другие изотопы в центрифугах, накапливает энергию во вращающихся маховиках и удерживает вращающиеся роторы с низким коэффициентом трения в бесчисленных вращающихся машинах по всему миру.Будущее маглева остается очень светлым. Противодействие силам гравитации и трения - одна из вещей, с которыми магниты справляются лучше всего [1].

2. Технология магнитной левитации

Магнитная левитация - это метод, с помощью которого объект подвешивается в воздухе без поддержки, кроме магнитных полей. Поля используются для реверсирования или противодействия гравитационному притяжению и любым другим противодействующим ускорениям. Maglev может создавать эффективные, эффективные и звучащие далеко за пределами трения технологии. Принцип магнитной левитации известен уже более 100 лет, когда американские ученые Роберт Годдард и Эмиль Бачелет впервые придумали поезда без трения.Но хотя поезда с магнитной левитацией были в центре внимания большей части мирового интереса к маглеву, технология не ограничивается поездками [2]. Использование маглева с точки зрения инженерной науки можно разделить на следующие категории и резюмировать: (i) транспортная инженерия (поезда с магнитной левитацией, летающие автомобили или личный скоростной транспорт (PRT) и т. Д.), (Ii) экологическая инженерия (маленькая и огромная). ветряные турбины: дома, в офисе, в промышленности и т. д.), (iii) аэрокосмическая техника (космические аппараты, ракеты и т. д.).), (iv) военная техника (ракета, пушка и т. д.), (v) ядерная техника (центрифуга ядерного реактора), (vi) гражданское строительство, включая строительные объекты и системы кондиционирования воздуха (магнитный подшипник, лифт, лифт, вентилятор, компрессор, чиллер, насос, газовый насос, геотермальные тепловые насосы и т. д.), (vii) биомедицинская инженерия (сердечный насос и т. д.), (viii) химическая инженерия (анализ продуктов питания и напитков и т. д.), (ix) электротехника (магнит и т. д.), (x) архитектурная инженерия и проектирование интерьера, включая бытовую и административную технику (лампа, стул, диван, кровать, стиральная машина, комната, игрушки (поезд, парящие космонавты над космическим кораблем и т. д.)), канцелярские товары (ручка) и т. д.), (xi) автомобильная техника (автомобиль и т. д.), (xii) рекламная техника (можно выбрать левитацию всего, что рассматривается внутри или над различными рамками).

2.1. Электромагнитная подвеска (EMS)

Испытательный стенд может использоваться в качестве платформы для теории управления и работы на магнитной подвеске. Завершение проекта демонстрирует возможность использования магнитной левитации для любого количества разнообразных приложений. Испытательный стенд способен поднимать в воздух небольшой стальной шарик в некотором стабильном стационарном положении.Левитация осуществляется электромагнитом, создающим силы, поддерживающие вес мяча. Датчик положения указывает вертикальное положение шара и передает его на плату контроллера на базе ПК. Система управления использует эту информацию для регулирования электромагнитной силы, действующей на мяч. Система состоит из испытательного стенда платформы и ПК с платой контроллера DSP. Испытательный стенд содержит исполнительный механизм электромагнита, оптический датчик положения, усилитель мощности электромагнитного ШИМ и 2 источника питания постоянного тока (рисунок 1).


Система разделяется на две основные подсистемы. Подсистема силового воздействия состоит из катушки электромагнита с сердечником из порошкового металла, усилителя мощности ШИМ и источника питания 24 В постоянного тока. Усилитель питается от источника постоянного тока и на основе входного управляющего сигнала передает через катушку ток определенного диапазона. Подсистема определения положения состоит из датчика на основе фотоэлемента, источника света накаливания и источника питания 15 В постоянного тока. Эта система работает, измеряя интенсивность света, поскольку левитирующий шар экранирует источник света напротив датчика (рис. 2).Для улучшения характеристик датчика вокруг фотоэлемента помещается световой экран с вертикальной прорезью.


Эти подсистемы монтируются вместе на опорной плите и образуют испытательный стенд. Такая конфигурация обеспечивает портативность системы и жесткое, но регулируемое расположение компонентов. Испытательный стенд сопрягает входные / выходные сигналы датчиков с платой контроллера dSPACE DS1104 на ПК. На рисунке 3 показана базовая настройка системы с физическими интерфейсами подсистем.


Чтобы спроектировать подходящий контроллер для магнитолевой системы, компоненты подсистемы должны быть смоделированы или охарактеризованы.

Подсистема сенсора моделируется путем измерения выходного напряжения, когда световой экран, соответствующий размеру мяча, перемещается вертикально в пределах диапазона сенсора. Из-за небольшого размера фотоэлемента (диаметр ~ 10 мм) и характера подсистемы датчиков выходные сигналы датчика остаются линейными примерно на 3 мм. В большем диапазоне показания датчика становятся очень нелинейными.Подсистема силового воздействия моделируется экспериментально путем измерения сил, приложенных к шару, в зависимости от тока катушки и вертикального положения шара. Эта сила измеряется с помощью тензодатчика с S-образной балкой. В пределах небольшого диапазона перемещения, допускаемого датчиком, магнитная сила как функция тока приблизительно линейна. Модель установки для магнитолевой системы - это просто масса шара под действием внешних сил.

На рисунке 4 показана базовая настройка системы управления системой магнитной левитации.Его магнитное поле создает направленную вверх силу притяжения на любой магнитный объект, расположенный ниже. Датчик положения определяет вертикальное положение объекта и передает эту информацию контроллеру. Затем контроллер регулирует ток, подаваемый на привод электромагнита, в зависимости от положения объекта, чтобы создать устойчивую левитацию.


Используя модели силы, объекта и датчика, рассмотренные ранее, можно спроектировать систему управления с обратной связью (рис. 5). Контроллер опережения-запаздывания выбран для стабилизации системы.Используя анализ корневого локуса и частотной области, контроллер спроектирован таким образом, что время установления составляет ≤1,0 с, а процент превышения ≤50%. Этот линеаризованный контроллер может удерживать стальной шар в устойчивой левитации (рис. 6) [3–6].



2.2. Электродинамическая подвеска (EDS)

Сверхпроводники создают сверхток, который создает идеальное зеркало полюсов постоянных магнитов. Это зеркало обеспечивает магниту стабильное отталкивание, которое заставляет магнит левитировать, что называется эффектом Мейснера.Чтобы сверхпроводник имел нулевое электрическое сопротивление, его необходимо охлаждать в жидком азоте. Без сопротивления сверхпроводник может почти мгновенно отражать постоянный магнит. Это позволяет магниту вращаться, раскачиваться или отскакивать, при этом магнит не отлетает и не ударяется о землю.

Подача напряжения на провод приводит к возникновению электрического тока в проводе. Этот электрический ток имеет аналогию с диском, скользящим по доске с организованными колышками (рис. 7), прославившимся в популярной игре «Плинко», показанной в игровом шоу «Цена - правильно».Движущийся диск аналогичен движению электрона через решетку ионов (штырей). Гравитационное притяжение диска при наклоне доски (которое приводит к провалу диска через массив штифтов) аналогично приложению разности напряжений для перемещения электронов через материал. Когда диск проваливается через массив, диск разбегается от штифтов и замедляется по аналогии с тем, как электроны рассеиваются на ионах в материале. События рассеяния электронов приводят к сопротивлению - внутреннему свойству материала, связанному с частотой этих событий рассеяния, которые сопротивляются потоку электронов.Теперь, если мы удалим все колышки, диск беспрепятственно упадет. Этот беспрепятственный поток в точности аналогичен тому, что происходит, когда материал становится сверхпроводящим - электроны больше не рассеиваются. Некоторые материалы становятся сверхпроводящими при температурах ниже критической, которая различна для каждого материала. Материал, который становится сверхпроводящим ниже определенной температуры, имеет удельное сопротивление ниже нуля, и электроны текут беспрепятственно.


Нулевое сопротивление, указанное ниже, является отличительной чертой сверхпроводимости, которая была впервые обнаружена в 1911 году Камерлинг-Оннесом для элемента ртути ниже 4.2 К (рисунок 8). Неудивительно, что это открытие произошло через три года после того, как Оннес впервые сжижил гелий в 1908 году. Большинство обычных сверхпроводников имеют критические температуры перехода ниже 10 К, и, следовательно, до сжижения гелия (температура кипения 4,2 К) не было способа охладить материалы для достаточно низких температур, чтобы наблюдать явление сверхпроводимости.


Вторая важная особенность сверхпроводимости связана с магнитным поведением, известным как эффект Мейснера.Когда магнитное поле прикладывается к сверхпроводнику при температурах выше, силовые линии магнитного поля проникают непосредственно через материал так же, как магнитные поля проникают через любой стандартный материал, такой как бумага или медь. Однако, когда материал охлаждается и переходит в сверхпроводящее состояние, силовые линии магнитного поля вытесняются из сверхпроводящего материала (при условии, что напряженность магнитного поля достаточно мала) (Рисунок 9). Это то, что известно как эффект Мейснера. Хотя первоначальные резистивные свойства сверхпроводников были обнаружены в 1911 году, эффект Мейснера был открыт лишь несколько лет спустя, в 1933 году, Мейснером и Ошенфельдом.

Форма маглев, называемая диамагнитной левитацией, может использоваться для левитации легких материалов, капель воды и даже живых животных. Его использовали для успешного левитации лягушки в 2000 году. Необходимые для этого магнитные поля очень сильные, обычно в диапазоне 16 тесла.

Эффект Мейснера соответствует идеальному диамагнетизму для достаточно малых магнитных полей. Диамагнетизм - свойство многих материалов; когда к диамагнитному материалу прикладывают внешнее магнитное поле, диамагнитный материал создает собственное внутреннее магнитное поле, чтобы частично нейтрализовать внешнее приложенное поле.Диамагнитные свойства воды были продемонстрированы на впечатляющих демонстрациях, где клубника и лягушки левитировали в воздухе над сильными магнитами.

Макроскопические свойства сверхпроводников привели к ряду приложений - некоторые из них используются в настоящее время, а некоторые разрабатываются для использования в будущем. Парящие клубника и лягушки впечатляют, но не особенно полезны. Однако сверхпроводники используются при разработке поездов на магнитной левитации, например, на испытательной линии Яманаси на маглеве в Японии.Ожидается, что поезда смогут развивать более высокие скорости и потреблять меньше энергии, если поезда движутся без трения, что обеспечит экономию времени в пути и энергопотребления. Использование сверхпроводящих проводов без сопротивления позволяет создавать «свободные» электромагниты. Эти магниты не требуют затрат на подачу электроэнергии на магнит, которая теперь требуется для всех больших магнитов из резистивной проволоки. В самом деле, если взять петлю из сверхпроводящего провода и установить ток, протекающий по этому проводу, он будет продолжать течь практически вечно.Исследование, проведенное в 1962 году, показало, что время рассеяния превышало 100 000 лет. Это означает, что, в отличие от медного провода, не нужно постоянно подключать батарею к проводу для поддержания протекания тока. Комбинируя несколько таких петель из сверхпроводящих проводов друг над другом, можно создать электромагнит. Сегодня сверхпроводящий провод используется в электромагнитах медицинских аппаратов МРТ (магнитно-резонансной томографии). Используя свойство сверхпроводников, которое мы еще не упомянули и не будем касаться в остальной части этого тезиса, сверхпроводники также могут быть использованы для создания очень чувствительных магнитометров с возможностью измерения очень малых магнитных полей (порядка 10–15 тесла).Чтобы проиллюстрировать впечатляющий характер этого измерения, эти небольшие поля в 20 миллиардов раз меньше магнитного поля Земли. Эти магнитометры использовались в магнитоэнцефалографии (МЭГ), которая изучает магнитные поля, создаваемые человеческим мозгом. Наконец, сверхпроводники можно использовать для эффективного хранения энергии. Спрос на электростанции значительно меняется в течение дня с наименьшим спросом в поздние вечерние и ранние утренние часы. Если в периоды наименьшего спроса электростанции могут генерировать, а затем хранить энергию без какого-либо рассеивания, это приведет к повышению эффективности и значительной экономии.General Electric и другие компании в настоящее время изучают и разрабатывают небольшие версии этого накопителя энергии, известного как распределенный сверхпроводящий накопитель магнитной энергии (D-SMES). Некоторые из этих систем используются в настоящее время, поскольку технология продолжает развиваться. Похоже, что потребуется дальнейший прогресс, потому что охлаждение существующих сверхпроводящих систем по-прежнему связано с высокими затратами. В конечном итоге есть надежда на создание более совершенных сверхпроводников, которые не нужно охлаждать до очень низких температур.Тогда сверхпроводящие технологии станут широко применимыми.

До сих пор мы упоминали основные макроскопические особенности сверхпроводимости (нулевое сопротивление и эффект Мейснера), а также то, как эти особенности могут быть использованы в технологических приложениях. И феноменологическая, и микроскопическая теории позволили понять сверхпроводимость. В 1957 году Бардин, Купер и Шриффер сформулировали микроскопическую теорию сверхпроводимости (теперь известную как теория БКШ), которая могла выводить макроскопические свойства сверхпроводников, исходя из спаривания электронов ниже.Благодаря успехам этой теории, научное сообщество в целом рассматривало сверхпроводимость как хорошо изученное явление. Однако в 1986 году все изменилось в связи с новым открытием. Теория БКШ предсказывала общее ограничение на максимально возможную критическую температуру, Макс ~ 28 К. Однако в 1986 году Беднорц и Мюллер обнаружили материал (LaBaCuO), который переходит в сверхпроводящее состояние ниже К, температуры выше ограниченного БКШ максимума. . Это был первый сверхпроводник нового класса, известный как «высокотемпературный».Критическая температура выше максимума, установленного теорией BCS, указывает на то, что на микроскопическом уровне происходит нечто иное. На сегодняшний день микроскопический механизм существования этих сверхпроводников неизвестен. Целью данной диссертации является получение дополнительных сведений об этих высокотемпературных сверхпроводниках на микроскопическом уровне с конечной целью, что это исследование приведет к микроскопической теории высокотемпературных сверхпроводников. Понимание высокотемпературных сверхпроводников имеет важные технологические последствия как из-за более высоких температур перехода, так и из-за способности пропускать большие токи, чем провода сопоставимого размера, сделанные из меди.Более высокие температуры перехода означают, что эти сверхпроводники легче охладить ниже их температур перехода, чем обычные сверхпроводники. Жидкий гелий - это стандартный способ охлаждения обычных сверхпроводников ниже. Жидкий гелий дорог и малодоступен. Более современные высокотемпературные сверхпроводники имеют температуру кипения жидкого азота выше 77 К, которая широко доступна (например, в нашем пригодном для дыхания воздухе) и является недорогой. Способность проталкивать большие токи через высокотемпературные сверхпроводники также имеет преимущество с точки зрения создания проводов меньшего размера, а также более мощных магнитов.

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) - мощный метод, изобретенный в 1981 году Биннигом и Рорером. Поскольку СТМ может исследовать материалы на атомном уровне, этот метод, естественно, поддается поиску того, как высокотемпературные сверхпроводники работают на микроскопическом уровне. Эта диссертация полностью посвящена применению СТМ к высокотемпературным сверхпроводникам и его пониманию. Этот раздел предназначен для того, чтобы дать нефизикам представление о том, как работает STM, и о той информации, которую он может предоставить.

В СТМ мы переносим атомно-острый наконечник на несколько ангстрем от атомно-плоской поверхности. Ангстрем () составляет 10 -10 метров, что примерно соответствует диаметру атома. Приложение напряжения между зондом и образцом приводит к возникновению туннельного тока между ними (рис. 10). Этот ток очень чувствителен к расстоянию между зондом и образцом. Чем больше расстояние между иглой и образцом, тем меньше ток. Изменение расстояния между зондом и образцом примерно на 1 приводит к изменению тока почти на порядок, а это означает, что СТМ очень чувствителен к очень небольшим изменениям контуров поверхности.Следовательно, когда мы сканируем иглу по поверхности, подъемы и падения в топографии поверхности (подъемы и падения, когда мы проходим через атомы) легко улавливаются.


Исследователи заинтересованы в изучении этой щели в плотности состояний высокотемпературных сверхпроводников как функции положения, так и температуры. Поскольку СТМ имеет атомное разрешение, они могут изучить, как этот зазор изменяется от одного атома к другому. СТМ обладает способностью изменять температуру, и, следовательно, они могут изучать, как плотность состояний изменяется с температурой как ниже, так и ниже.Благодаря информации, полученной в этих исследованиях, они получают представление о сверхпроводящем состоянии высокотемпературных сверхпроводников (см. Рисунки 11 и 12) [7].



3. Поезда с магнитной левитацией

Среди полезных применений технологий магнитной левитации наиболее важным является использование поездов с магнитной левитацией. Поезда на магнитной подвеске, несомненно, являются наиболее совершенными транспортными средствами, доступными в настоящее время для железнодорожной отрасли. Маглев - первая фундаментальная инновация в области железнодорожных технологий с момента изобретения железной дороги.Магнитоподвижный поезд - это очень современное транспортное средство. В транспортных средствах на магнитной подвеске используются бесконтактные системы магнитной левитации, наведения и движения, и у них нет колес, осей и трансмиссии. В отличие от традиционных железнодорожных транспортных средств, между транспортным средством на магнитной подвеске и его направляющей нет прямого физического контакта. Эти транспортные средства движутся по магнитным полям, которые возникают между транспортным средством и его направляющей. Условия отсутствия механического контакта и трения, обеспечиваемые такой технологией, делают возможным достижение более высоких скоростей движения, присущих таким поездам.Пилотируемые машины на магнитной подвеске достигли скорости 581 км / час. Замена механических компонентов на неизнашиваемую электронику преодолевает технические ограничения технологии колеса на рельсе. Применение поездов с магнитной левитацией привлекло внимание многих транспортных предприятий по всему миру. Магнитно-левитирующие поезда - последнее достижение в области железнодорожного машиностроения, особенно в транспортной отрасли. Поезда на маглеве можно удобно рассматривать как решение транспортных потребностей настоящего времени, а также будущих потребностей мира.Существует множество конструкций магнитолевых систем, и инженеры постоянно открывают новые идеи о таких системах. Многие системы были предложены в разных частях мира, и был выбран и исследован ряд коридоров [8].

Быстрое увеличение объема перевозок в транспортных системах, а также необходимость повышения комфорта пассажиров выдвинули на первый план необходимость разработки новых транспортных систем. Требуемое в последнее время увеличение объема движения в транспортных системах, а также необходимость повышения комфорта пассажиров и необходимое сокращение затрат на жизненный цикл путей стали причиной разработки новой транспортной системы.Одной из важных систем, привлекающих промышленность, является транспортная система на магнитной подвеске. В этом отношении транспортная система на магнитной подвеске оказывается правильным выбором для транспортных предприятий по всему миру. Системы Maglev были недавно разработаны в ответ на потребность в системах скоростного транспорта. Система магнитной подвески явно лучше и превосходит высокоскоростные железные дороги (ВСМ) почти в большинстве областей. К ним относятся загрязнение, шум, уровень вибрации, экологические проблемы, занятость на земле, загрузка, скорость, ускорение и замедление, торможение, затраты на техническое обслуживание, комфорт пассажиров, безопасность и время в пути.Направляющие на магнитной подвеске также позволяют достичь минимальных радиусов горизонтальных и вертикальных кривых. Автомобиль на магнитной подвеске также может перемещаться по более крутым уклонам по сравнению с системами HSR. Это значительно сокращает общую длину пути для маршрутов на магнитной подвеске по сравнению с системами HSR. Возможность путешествовать с более высокими углами уклона также сокращает количество туннелей, необходимых для проезда через горные районы. Это также может сократить общую длину маршрута на магнитной подвеске.Поэтому строительство маршрутов на магнитной подвеске в холмистой местности, в дополнение ко многим другим преимуществам этих систем, можно рассматривать как привлекательный выбор для транспортной отрасли. Более низкое энергопотребление транспортных средств на магнитной подвеске по сравнению с системами HSR также является одной из основных характеристик поездов на магнитной подвеске. Это может быть легко связано с отсутствием колес и возникающей ситуацией отсутствия физического контакта между транспортным средством на магнитной подвеске и его направляющей.Следовательно, потери энергии из-за нежелательного трения не входят в уравнения. Кроме того, масса автомобиля меньше из-за отсутствия колес, осей и двигателя. С другой стороны, сокращение времени в пути значительно снижает потребление энергии. Ограниченные энергетические ресурсы, которые в настоящее время доступны нации, подчеркнули тот факт, что каждый человек должен быть сознательным в отношении энергии. Правительству пришлось предпринять шаги, и оно началось с установления превентивных правил и ограничения доступа к дешевым энергоресурсам.Ясно, что широкое применение поездов на магнитной подвеске в общественном транспорте на короткие и длинные расстояния может обеспечить стране огромную экономию энергии. Это факт, который нельзя легко игнорировать или обойти вниманием [9, 10].

Системы подвески Maglev делятся на две группы: Электромагнитная подвеска (EMS) и Электродинамическая подвеска (EDS). Существуют разновидности автомобилей, которые производятся на основе этих двух типов систем.Маршруты транспортных средств в системах EMS и EDS называются направляющими и путями соответственно. По сути, в системе магнитной подвески есть два основных элемента, включая его транспортное средство и направляющую. Три основные функции в технологии магнитолевой подвески - это левитация, движение и наведение. Магнитные силы выполняют все это. Магниты используются для создания таких магнитных сил. В системах EMS эти магниты расположены внутри транспортного средства, в то время как в системах EDS магниты расположены на рельсах. Работа системы EMS основана на магнитных силах притяжения, а система EDS - на магнитных силах отталкивания.В системе EDS транспортное средство левитирует на расстояние от 1 до 10 см над рельсовым путем, используя силы отталкивания, как показано на рисунке 13. В системе EMS транспортное средство левитирует примерно на 1-2 см над направляющей с помощью сил притяжения, как показано на рисунке 14. В системе EMS электромагниты на транспортном средстве взаимодействуют с левитационными рельсами на направляющей и притягиваются к ним. Электромагниты, прикрепленные к транспортному средству, направлены вверх к направляющей, которая поднимает транспортное средство над направляющей и удерживает транспортное средство в левитации.Контроль допустимых воздушных зазоров между направляющей и транспортным средством достигается за счет использования передовых систем управления. На рисунках 13 и 14 показаны компоненты направляющей и рельсового пути, включая луч, левитацию и системы наведения в вышеупомянутых системах магнитолевой подвески [11].



Maglev - это система, в которой транспортное средство движется левитирующим от рельсов (соответствующих рельсовым путям обычных железных дорог) за счет использования электромагнитных сил между сверхпроводящими магнитами на борту транспортного средства и катушками на земле.Катушки левитации установлены на боковых стенках направляющей. Когда встроенные сверхпроводящие магниты проходят с высокой скоростью примерно на несколько сантиметров ниже центра этих катушек, внутри катушек индуцируется электрический ток, который затем временно действует как электромагнит. В результате возникают силы, толкающие сверхпроводящий магнит вверх, и силы, которые одновременно тянут их вверх, тем самым левитируя транспортное средство на магнитной подвеске. Катушки левитации, обращенные друг к другу, соединены под направляющей, образуя петлю.Когда движущееся транспортное средство на магнитной подвеске, то есть сверхпроводящий магнит, смещается в сторону, в петле индуцируется электрический ток, в результате чего возникает сила отталкивания, действующая на катушки левитации стороны рядом с автомобилем, и сила притяжения, действующая на катушки левитации сторону дальше от машины. Таким образом, движущаяся машина всегда находится в центре направляющей. Сила отталкивания и сила притяжения, индуцируемые между магнитами, используются для приведения в движение транспортного средства (сверхпроводящий магнит).Катушки движителя, расположенные на боковых стенках по обеим сторонам направляющей, питаются трехфазным переменным током от подстанции, создавая смещающееся магнитное поле на направляющей. Бортовые сверхпроводящие магниты притягиваются и толкаются смещающимся полем, приводя в движение транспортное средство на магнитной подвеске.

Направляющая - это конструкция, по которой движутся машины на магнитной подвеске, которые она поддерживает и направляет. Его основные функции - направлять движение транспортного средства, поддерживать его груз и передавать его на землю.Функция конструкции направляющих - выдерживать нагрузки от транспортного средства и передавать их на фундамент. Это основной элемент магнитолевой системы, на который приходится большая часть затрат на систему. Это очень важно для поездов на магнитной подвеске [12]. Поезд на маглеве парит над одно- или двухколейной направляющей. Направляющая может монтироваться как на уровне земли, так и на возвышении на колоннах и состоит из отдельных стальных или бетонных балок. Надземные направляющие занимают наименьшее количество земли на земле. Более того, с такими системами есть гарантия отсутствия препятствий на пути следования.Чтобы гарантировать безопасность поездов на магнитной подвеске, необходима гарантия отсутствия пересечения между направляющими и другими видами транспортных маршрутов. Для достижения этой цели общее предложение состоит в том, чтобы иметь поднятые направляющие.

Направляющая обеспечивает направление движения транспортного средства, поддерживает нагрузку транспортного средства и передает нагрузку на землю. В направляющих на магнитной подвеске, в отличие от традиционных железнодорожных путей, нет необходимости в балласте, шпале, рельсовой подушке и рельсовых креплениях для стабилизации ширины колеи.Направляющая состоит из надстроек и подконструкций. Направляющая состоит из балки (балки) и двух левитационных (направляющих) рельсов. Направляющие могут быть построены на уровне земли или на возвышении, включая колонны с бетонными, стальными или гибридными балками. Подъемные направляющие на магнитной подвеске минимизируют занимаемость земли и предотвращают столкновения с другими видами транспорта на перекрестках, расположенных на одном уровне. Направляющие проектируются и изготавливаются как одинарные или двойные (Рисунок 15). Направляющие могут быть U-образными, I-образными, T-образными, коробчатыми, ферменными и т. Д.Большинство поперечных сечений балок направляющих также имеют П-образную форму. Ширина колеи (колеи) и пролеты в основном составляют 2,8 м и 24,8 м соответственно [13].


Наиболее важной частью при анализе и проектировании направляющих является структурная нагрузка. Загрузка автомобиля на магнитной подвеске - важный параметр в практическом применении. Это связано с магнитными силами. Направляющая должна нести статическую нагрузку из-за собственного веса, а также временные нагрузки, включая нагрузки транспортного средства.Чтобы учесть динамическое взаимодействие между направляющей и транспортным средством, динамическая нагрузка умножается на коэффициент динамического усиления. Также может потребоваться учитывать боковые и продольные нагрузки, включая ветровые и землетрясения. Нагрузки на направляющие моделируются как динамические и равномерно распределенные магнитные силы для учета динамической связи между транспортным средством и направляющей. По мере увеличения скорости транспортного средства на магнитной подвеске до 300–500 км / ч динамическое взаимодействие между транспортным средством и направляющей становится важной проблемой и будет играть доминирующую роль в установлении требований к подвеске транспортного средства.Магнитные силы, создаваемые транспортным средством на магнитной подвеске, вызывают структурную нагрузку, которая передается на направляющие. Это может происходить как в неподвижном, так и в движении такого транспортного средства.

Направляющие проектируются и изготавливаются с бетонными или стальными балками. Бетонные направляющие фермы могут быть армированными или предварительно напряженными. Балка направляющих оценивается для различных случаев нагрузки. Например, направляющая балка Shanghai была оценена с учетом 14 000 случаев нагружения с учетом прогиба, динамической прочности и теплового расширения.Направляющая балка для программы Urban Maglev в Корее также была оценена для пяти случаев нагружения, которые представляют собой комбинацию статической нагрузки, динамической нагрузки и усилий предварительного напряжения на сухожилие [14, 15].

Несмотря на высокую скорость, пассажиры в автомобилях на магнитной подвеске безопаснее, чем в других транспортных системах. Транспортное средство с электромагнитной подвеской обернуто вокруг направляющих, и поэтому его практически невозможно свернуть с рельсов. Поднятые направляющие гарантируют, что на пути не будет никаких препятствий. Чтобы предотвратить контакт между транспортным средством и направляющей и поддерживать требуемый зазор между ними, система постоянно находится под командой Operation Control System (OCS).Система управления эксплуатацией (OCS) включает в себя все технические средства для планирования, мониторинга и защиты эксплуатации транспортных средств [16].

4. Запуск ракет

В Центре космических полетов им. Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, США, запущена и работает трасса магнитной левитации. Экспериментальный трек установлен внутри многоэтажного комплекса в Центре Маршалла. Усовершенствованная программа космических перевозок Маршалла разрабатывает технологии магнитной левитации или маглев, которые могут дать космической ракете-носителю "разбег", чтобы вырваться из-под земного притяжения.Система запуска Maglev будет использовать магнитные поля для левитации и ускорения транспортного средства по рельсам со скоростью до 600 миль в час. Для вывода на орбиту аппарат будет переведен на ракетные двигатели. Системы Maglev могут значительно снизить стоимость полета в космос, поскольку они питаются от электричества, недорогого источника энергии, который остается на земле, в отличие от ракетного топлива, которое увеличивает вес и стоимость ракеты-носителя.

Экспериментальный трек Фостера-Миллера разгоняет носитель до 57 миль в час на максимальной скорости 22 фута за 1/4 секунды, что эквивалентно 10-кратному ускорению свободного падения.Длина настольной гусеницы составляет 44 фута, с 22 футами мощного ускорения и 22 фута пассивного торможения. 10-фунтовый носитель с постоянными магнитами по бокам быстро скользит по медным катушкам, создавая силу левитации. В гусенице используется линейный синхронный двигатель, что означает, что гусеница синхронизирована для включения катушек непосредственно перед тем, как носитель соприкоснется с ними, и выключения после прохождения носителя. Датчики расположены сбоку от рельсового пути, чтобы определить положение носителя, чтобы можно было запитать соответствующие катушки привода.Инженеры проводят испытания на внутреннем треке и 50-футовом открытом треке Maglev, установленном в Маршалле в сентябре прошлого года НАСА и отраслевым партнером PRT Advanced Maglev Systems Inc. из Парк-Форест, штат Иллинойс. Ожидается, что испытания помогут инженерам лучше понять динамику транспортного средства Maglev. , интерфейс между носителем и его ракетой-носителем, и как отделить транспортное средство от носителя для запуска. Дальнейшую работу над большими системами возглавит Космический центр Кеннеди НАСА, Флорида, США. Ракеты будущего могут быть запущены с использованием пускового трека на магнитной подушке (Маглев), аналогичного испытательному треку, недавно построенному в Центре космических полетов НАСА им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, США (см. Рисунок 16).


Система Maglev использует магнитные поля для левитации и ускорения транспортного средства по рельсам. Подобные системы используются сегодня в качестве высокоскоростных поездов и некоторых новых, радикальных американских горок. В системах Maglev используются высокопрочные электромагниты, которые поднимают транспортное средство на несколько дюймов над гусеницей, а затем продвигают его вперед с большим ускорением. При использовании Maglev для запуска космический корабль будет разгоняться до скорости 600 миль / ч (965 км / ч) без использования бортового топлива.Когда космический корабль приближается к концу пути, он может взлететь как самолет, а затем переключиться на более обычные ракетные двигатели, чтобы продолжить движение по орбите. Вес ракетного топлива - главная причина высокой стоимости запусков обычных ракет. Но поскольку Maglev использует внешнюю электроэнергию для помощи при запуске, вес транспортного средства при взлете примерно на 20% меньше, чем у обычной ракеты. Это делает доступ в космос менее дорогим.

Испытательный трек в Маршалле, длина 50 футов (15 метров) и около 2 футов (0.6 метров в ширину и около 1,5 футов (0,5 метра) в высоту, установлен на бетонных постаментах. Он состоит из 10 одинаковых сегментов длиной 5 футов (1,5 метра) и весом около 500 фунтов каждый. Большая часть веса - это железо, используемое в двигателе. Гусеница покрыта немагнитной нержавеющей сталью. Когда-нибудь в будущем в Маршалле будет проложена более крупная гусеница длиной 400 футов (122 метра).

Компания космического туризма Galactic Suite уже забронировала 38 номеров, сделанных туристами, которые, по заявлению компании, в 2012 году отправятся на борту космического корабля с магнитной подвеской в ​​находящийся на орбите роскошный отель с плавучим спа-салоном.Поездка, которая стоит 3 миллиона евро, предусматривает четыре дня нахождения на орбите на высоте 450 километров над землей и включает 18 недель тренировок на Карибском острове для туристов, чтобы подготовиться к космическому полету. На острове строится космодром Galactic Suite, в котором установлена ​​первая ракета на магнитной подвеске, на которой космический корабль разгоняется до скорости до 1000 км / ч (620 миль в час) за 10 секунд и взлетает с вертикальной взлетно-посадочной полосы.

Достигнув примерно скорости звука, космический корабль отсоединится от своего магнитоносителя и ускорителя и поднимется на орбиту с помощью ракетных или воздушно-реактивных двигателей.Затем ускоритель на магнитной подвеске остановится и вернется в исходную точку для следующего запуска. Длина стартовой площадки составит около 3 километров. Технология помощи при запуске Maglev позволит космическим туристам путешествовать на наши космические курорты на орбите на коммерческой основе. Самая дорогая часть любого космического полета на низкую околоземную орбиту - это первые несколько секунд - отрыв от земли. Эта технология конкурентоспособна по стоимости с другими видами космического транспорта, экологически безопасна и по своей сути безопасна.Пребывание в отеле будет предлагать смешанную программу размышлений и упражнений, позволяющих понять уникальные физические условия, встречающиеся в космосе. Одним из самых инновационных впечатлений, которые могут испытать туристы, является ванная в невесомости. Galactic Suite разработала космический спа-центр. Внутри спа туристы могут плавать с 20 литрами пузырьков воды. Согласно материалам Galactic Suite, турист, уже обученный избегать воздействия воды в состоянии невесомости, может играть с пузырем, разделяющим его на тысячи пузырей, в бесконечной игре.Кроме того, прозрачной сферой можно поделиться с другими гостями. Galactic Suite - частная компания космического туризма, основанная в Барселоне в 2006 году. Компания надеется сделать космический туризм доступным для широкой публики и объединит интенсивную программу обучения космонавтов отдыху с программой мероприятий на тропическом острове в качестве процесса. подготовка к космическому путешествию.

Стартовое кольцо состоит из магнитолевой системы, в которой левитирующее транспортное средство ускоряется в вакуумированном кольцевом туннеле до достижения желаемой скорости, а затем выпускает снаряд на путь, ведущий в атмосферу.До сих пор химическая ракета была единственной технологией, которую человечество успешно использовало для перемещения людей и материалов с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту и за ее пределы. Стоимость этой технологии, даже с частично многоразовыми ракетами, оставалась достаточно высокой, поэтому ее использование оставалось ограниченным. Общепризнано, что более дешевая альтернатива ракетам значительно увеличит объем перевозок в космос (см. Рисунки 17 и 18) [17, 18].



Космический лифт, вероятно, является наиболее известной предлагаемой альтернативой ракетам.Обычная современная концепция дизайна космического лифта основана на механическом кабеле, идущем радиально внутрь и наружу от геосинхронной орбиты, обычно с противовесом на внешнем радиусе и с самой внутренней частью кабеля, прикрепленной к земле на экваторе. Затем кабина лифта может быть прикреплена к кабелю и переправлять людей или материал вверх или вниз. К сожалению, доступные в настоящее время материалы недостаточно прочны, чтобы выдерживать их собственный вес в кабеле с постоянной площадью поперечного сечения, идущем от геосинхронного местоположения земли до поверхности земли.В принципе, такой кабель можно построить, сужая поперечное сечение от небольшого диаметра на концах до очень большого диаметра в геостационарной точке. На практике прочность имеющихся в настоящее время инженерных материалов делает массу такого кабеля слишком большой. Другие типы предлагаемых концепций космических лифтов, которые могут обеспечить доступ к низкой околоземной орбите, включают сверхпроводящий кабель с высоким Jc, который может самовевитировать в магнитном поле Земли [19, 20], и массивное кольцо, вращающееся в вертикальной плоскости, так что центробежная сила кольца противодействует силе тяжести в верхней части орбиты.

Другой общий тип альтернативы состоит в ускорении снаряда до высокой скорости у поверхности Земли. Эти «пушки» концепции включают рельсотрон, койлган, электротермино-химическую пушку, легкую газовую пушку, ускоритель RAM и ускоритель взрывной волны [21]. Большинство концепций ружья подразумевают короткое время разгона, и последующие большие источники питания для увеличения даже небольших масс до требуемой скорости, вероятно, будут дорогими. Электромагнитный запуск был предложен для того, чтобы дать ракетам начальную составляющую скорости, при этом большая часть необходимой скорости обеспечивается за счет сгорания топлива [22].Наземные высокомощные лазеры, увеличивающие химическую энергию ракетного топлива, также, вероятно, потребуют больших источников питания [21].

5. Вентилятор на магнитной подвеске

Вентилятор на магнитной подвеске обеспечивает превосходную производительность, низкий уровень шума и длительный срок службы. Благодаря использованию сил магнитной левитации эти вентиляторы обладают нулевым трением и отсутствием контакта между валом и подшипником. Обладая превосходной стабильностью вращения, вентилятор на магнитной подвеске устраняет вибрацию и типичные колебания и тряску, характерные для двигателей вентиляторов.Вентилятор на магнитной подвеске также обеспечивает отличную устойчивость к высоким температурам, что приводит к долгому сроку службы, а модели вентиляторов на магнитной подвеске также имеют полностью пластмассовое производство основных элементов для обеспечения оптимального сопротивления изоляции и характеристик электростатического разряда (ESD). Вентилятор на магнитной подвеске предлагает истинное решение для охлаждения оборудования и систем с обещанием более низкой стоимости владения и длительного срока службы. Вентилятор на магнитной подвеске решает проблемы шума, истирания и короткого срока службы, которые характерны для традиционных двигателей вентиляторов.Вентилятор с двигателем на магнитной подвеске отличается нулевым трением и отсутствием контакта между валом и подшипником во время работы. Конструкция вентилятора на магнитной подвеске основана на магнитных принципах и силах, которые не только приводят вентилятор в движение, но и обеспечивают стабильное вращение на всех 360 градусов. Используя притяжение силы магнитной левитации, maglev устраняет проблемы с раскачиванием и тряской, присущие традиционным вентиляторам с двигателями. С помощью этой новой технологии пропеллер вентилятора на магнитной подвеске подвешен в воздухе во время вращения, так что вал и подшипник не входят в прямой контакт друг с другом, создавая трение.Результатом стал новый улучшенный вентилятор с низким уровнем шума, устойчивостью к высоким температурам и длительным сроком службы. Вентиляторы Maglev могут использоваться в различных отраслях промышленности и в продуктах, требующих высокой теплопередачи, например в портативных компьютерах, серверах, проекторах и стереосистемах. Традиционные вентиляторы вращаются по принципу отталкивания полюсов. Но без контроля траектории лопастей лопасти вентилятора имеют тенденцию производить нерегулярные вздрагивания и вибрации. После длительного использования вал вызывает сильное истирание подшипников, придавая им форму рога.Изношенный вентилятор начинает издавать механические шумы, и срок его службы сокращается. Уникальной особенностью вентилятора на магнитной подвеске является то, что ход лопастей вентилятора во время работы регулируется магнитным полем. В результате вал и подшипник не имеют прямого контакта во время работы и, следовательно, не испытывают трения независимо от ориентации вентилятора. Это означает, что не возникает характерных шумов истирания изношенных компонентов, а также обеспечивает срок службы 50 000 часов или даже дольше при комнатной температуре (см. Рисунок 19).


В традиционном вентиляторе встроенные магниты ротора и статора создают силы отталкивания, и именно эта постоянная сила отталкивания заставляет вентилятор вращаться. Это основной принцип всех охлаждающих вентиляторов. Если мы визуализируем магнитные силы между статором и ротором, мы увидим только плотные линии стандартного магнитного потока, бегущего без какого-либо механизма управления для стабилизации вибрации лопастного ротора во время работы, управляемой отталкиванием. Вентилятор на магнитной подвеске включает в себя именно такой механизм управления.Это требует, чтобы каждый вентилятор, в дополнение к стандартному магнитному потоку, содержал магнитный поток, необходимый для поддержания уникальной магнитной орбиты в его конструкции. Поперечное сечение магнитной подвески показывает уникально спроектированный набор проводящих элементов на основной плате - магнитную пластину. Эта магнитная пластина и встроенные магниты в лопасти вентилятора вместе создают всесторонние вертикальные магнитные силы, которые представляют собой магнитный поток. В поперечном сечении стандартный магнитный поток и магнитный поток образуют вертикальный угол в 90 градусов, другими словами, магнитный поток действует перпендикулярно стандартному магнитному потоку.Это первая ключевая характеристика, по которой можно идентифицировать веер на магнитной подвеске. Конструкция вертикально пересекающихся стандартного магнитного потока и магнитного потока гарантирует, что ротатор прикреплен к орбите магнитного поля. Поэтому, независимо от угла установки вентилятора, вал всегда будет вращаться вокруг фиксированной точки на постоянном расстоянии от подшипника, не соприкасаясь с ним, создавая трение или механический шум. Эффективно решена проблема износа подшипников до овальной формы или апертуры рупора после длительного использования.Наибольшее преимущество магнитного потока - это полная сила притяжения на 360 градусов между проводящим элементом (магнитной пластиной) и ротором над ним. Это обеспечивает равномерно распределенную силу притяжения, чтобы помочь сохранить оптимальный баланс ротора во время работы и избежать дрожания или нестабильности. Вентиляторы с хорошо сбалансированными лопастями не только служат дольше, но и производят стабильный воздушный поток. Короче говоря, вторая легкая черта для идентификации вентилятора на магнитной подвеске заключается в том, что система магнитной подвески создает притяжение на ротор на 360 °, что приводит к стабильному вращению (см. Рисунок 20).

В традиционном бесщеточном двигателе вентилятора постоянного тока ротор крыльчатки (называемый просто ротором) посредством вала, проходящего через отверстие пропитанного маслом подшипника или подшипника скольжения, шарнирно удерживается в центральном положении статора двигателя. . Между ротором и статором поддерживался подходящий воздушный зазор. Конечно, между валом и отверстием подшипника должен быть зазор, иначе вал будет плотно заблокирован и не сможет вращаться. Узел статора (называемый просто статором) после подключения к источнику питания будет генерировать индуцированный магнитный поток между ротором и статором.Под управлением схемы управления двигатель вентилятора начнет вращаться. В традиционной конструкции двигателя вентилятора есть ротор крыльчатки, статор двигателя и схема привода. Ротор шарнирно соединен со статором валом ротора и системой подшипников. Ротор приводится во вращение индуцированным магнитным полем между статором и ротором, как показано на Рисунке 21.


Преимущества подшипников скольжения следующие: (i) Повышенная ударопрочность, меньшее повреждение при доставке.(ii) Подшипники скольжения стоят намного дешевле по сравнению с шариковыми подшипниками.

К дефектам подшипника скольжения относятся следующие: (i) Пыль извне может проникнуть в подшипник и смешаться с частицами нитрида, забивая двигатель, что может привести к шуму и замедлению работы двигателя. Внутренняя поверхность отверстия подшипника легко изнашивается и влияет на производительность. Пространство между валом и отверстием подшипника скольжения невелико, что приводит к грубым неравномерным запускам.

В шарикоподшипниках используются маленькие металлические шарики для вращения.Поскольку они имеют только точечные контакты, вращение можно легко запустить. При использовании пружин для удержания наружного металлического кольца вышеупомянутого шарикоподшипника вес всего ротора может приходиться на шарикоподшипник, косвенно поддерживаясь пружинами. Поэтому шариковые подшипники идеально подходят для использования в портативных устройствах с различными углами установки. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы не допустить падения изделия и повреждения шарикоподшипника ударом, что может привести к шуму и сокращению срока службы изделия (см. Рисунок 22).


Преимущества шариковых подшипников следующие. (I) Стальные шарикоподшипники имеют гораздо больший срок службы, чем подшипники скольжения. (Ii) Тем не менее, с изделием следует избегать грубого обращения или падения на землю.

К дефектам шарикоподшипника относятся следующие: (i) Шарикоподшипники довольно слабые. Он не может выдерживать никаких внешних ударов. (Ii) Когда двигатель вентилятора работает, стальные шарики внутри будут создавать более высокий вращательный шум, чем шум подшипника скольжения.(iii) Высокая цена затрудняет конкуренцию с подшипниками скольжения. (iv) Ограничение как источников поставок, так и объемов поставок делает их неприемлемыми для потребностей массового производства. (v) Использование крошечных узлов, таких как пружины, приводит к неэффективности массовое производство.

Когда бросается волчок (своего рода игрушка), волчок продолжает ускоряться, даже когда он ударяется о землю. Во время этого ускорения верхняя часть наклоняется и раскачивается, пока не будет достигнута постоянная скорость. В этот момент верх уравновесится, например, раскачивание и наклон исчезли и стали закреплены перпендикулярно земле.Это простая концепция, которую образуют корни вентиляторной системы на магнитной подвеске (см. Рисунок 23).


Из рисунка выше мы знаем, что независимо от того, как установлен вентилятор двигателя, сила, создаваемая существующим магнитом внутри ступицы и магнитной пластиной, которая добавлена ​​к печатной плате вентилятора, постоянно притягивает ротор. Это приводит к тому, что ротор вращается перпендикулярно земле с постоянным расстоянием между подшипником и валом без какого-либо контакта. Таким образом, не должно возникать трения или шума.Срок службы вентилятора двигателя чрезвычайно велик (см. Рисунок 24). (1) Система Maglev помогает крыльчатке вращаться равномерно по фиксированной орбите в центре орбиты. Следовательно, вал внутри отверстия подшипника Vapo вращается, не создавая трения. Отверстие подшипника почти никогда не приобретает неправильную или овальную форму, как в обычных вентиляторах. Следовательно, срок службы подшипника становится очень долгим. (2) Вал внутри отверстия подшипника испытывает трение ни с чем, кроме воздуха, и двигатель вентилятора запускается легко.(3) Эта новая система исключает использование маслосъемных колец и шайб, тем самым оставляя пространство для выпуска газа, происходящего во время нормальной работы. Проблем с засорением больше нет. Следовательно, двигатель вентилятора может работать без сбоев в течение довольно долгого времени. (4) Использование магнитного потока и опорной крышки создает ту же функцию, что и шарикоподшипник; Таким образом, независимо от того, как размещен вентилятор, не происходит наклонов и раскачиваний, что означает, что он подходит для портативных применений. (5) Подшипники Vapo изготовлены из материала, специально обработанного для обеспечения износостойкости и ударопрочности.При использовании вместе с магнитопроводом он создает пружинную функцию, которая помогает двигателю вентилятора выдерживать удар. (6) Подшипник Vapo с магнитной подвеской выдерживает рабочую температуру более 70 ° C. Он также очень хорошо работает в условиях низких температур. (7) Исключение шайбы и масляного кольца также может позволить автоматическое производство, что повышает эффективность производства. (8) Пылезащитный колпачок предотвращает проникновение пыли в подшипник и смешивание с частицами нитрида для забивания двигатель, что может привести к шуму и замедлению работы двигателя.


Благодаря сочетанию конструкции на магнитной подвеске и подшипника Vapo сохраняются все преимущества шариковых подшипников и подшипников скольжения, при этом устраняются все недостатки.

Подшипник Vapo можно объяснить следующим образом. (i) Подшипники Vapo изготовлены из материала, специально обработанного для обеспечения износостойкости и ударопрочности. При использовании в сочетании с магнитопроводом он создает пружинную функцию, которая помогает двигателю вентилятора выдерживать удар. (Ii) Конструкция маглева помогает ротору равномерно вращаться по фиксированной орбите в центре орбиты без какого-либо трения с отверстием подшипника.Вибрации не было. (Iii) Эта новая система исключает использование маслосъемных колец и шайб, тем самым оставляя пространство для выхода газа, происходящего во время нормальной работы. Проблем с засорением больше нет. Подшипник Vapo назван в честь этого персонажа.

Вентиляторы Maglev предотвращают выход из строя обычных вентиляторов (см. Таблицу 1).


Недостатки традиционных двигателей Вентилятор Maglev

Подшипник скольжения полностью нагружен на валу ротора.Абразивное вращение между валом и подшипником приведет к образованию неровной и шероховатой поверхности на внутренней поверхности отверстия подшипника. Вращение двигателя вентилятора становится неравномерным, что, в свою очередь, вызывает рабочий шум и сокращает срок службы вентилятора.
(ii) Масляное кольцо и майларовая шайба не только приводят к увеличению площади трения, но также блокируют высокотемпературные газы, которые, если их не выпускать до затвердевания, станут частицами нитрида, которые, в свою очередь, забивают зазор между валом и отверстием подшипника. затем вызывает гораздо более медленное вращение ротора и шум.
(i) Весь вес ротора полностью притягивается магнитной силой в любом установленном положении, обеспечивая равномерное вращение двигателя в фиксированной точке и поддерживая постоянное расстояние от внутренней поверхности подшипника. Больше не будет традиционных трений и шума.
(ii) Масляное кольцо, шайба и смазка больше не используются в конструкции магнитолевой подвески. Следовательно, больше нет проблем с утечкой масла или заеданием ротора.
(iii) Конструкция Maglev допускает рабочую температуру выше 70 ° C.
Шарикоподшипник (i) Когда двигатель вентилятора работает, стальные шарики внутри будут создавать более высокий шум вращения, чем у подшипников скольжения.
(ii) Шариковые подшипники имеют довольно непрочную конструкцию и не способны поглощать внешние удары. Его легко повредить, что приводит к более громкому шуму от вращения.

Во время работы нет трения и контакта между валом и подшипником.Они стали фаворитами благодаря своим превосходным характеристикам, таким как низкий уровень шума, устойчивость к высоким температурам и сверхдлительный срок службы.

Осевой двигатель с радиальным магнитным потоком и постоянным магнитом вместе с сегментом из железной ленты, как показано на рисунке 25, использовался для охлаждающих вентиляторов малой мощности [23]. Этот двигатель оснащен только одним комплектом осевой обмотки статора, который может обеспечивать требуемый радиальный поток за счет соответствующей конструкции полюсов статора, и такая конструкция конструкции весьма перспективна для приложений с ограниченным пространством.Поскольку нежелательные силы вибрации, в основном, генерируются в радиальном направлении двигателя, концепция состоит в том, чтобы обеспечить адекватный путь магнитного потока, чтобы можно было установить пассивную магнитную подвеску. Как видно из рисунка 25 (b), магнитные потоки, генерируемые обмоткой статора двигателя, сначала проходят через центральный вал статора, выходят из пар полюсов статора в его верхней / нижней части, а затем возвращаются в нижнюю часть. Пары полюсов статора / верхней части после прохождения через соответствующие магниты ротора.Когда пары полюсов на верхней и нижней частях статора перпендикулярны друг другу, будут проявляться нежелательные силы вибрации, в основном генерируемые в радиальном направлении двигателя. Возникающее в результате трение, прикладываемое к подшипниковой системе двигателя, несомненно, приведет к дополнительным потерям тепла и энергии и, таким образом, снизит надежность и срок службы этого двигателя [24, 25].


(a) Фотография основания статора
(b) Концептуальная конструкция двигателя
(a) Фотография основания статора
(b) Концептуальная конструкция двигателя

Основные проблемы производители двигателей охлаждающих вентиляторов отличаются низкими затратами на строительство / техническое обслуживание и высокой эксплуатационной надежностью [26].Кроме того, чтобы удовлетворить этим конструктивным предпосылкам, также желательно, чтобы общие характеристики таких двигателей могли сохранять их рыночную конкуренцию без использования сложных устройств управления датчиками и драйверами. Магнитная подвеска будет установлена ​​через предусмотренный дополнительный путь потока. Хотя ожидается, что сила притяжения между постоянным магнитом ротора и сегментом пассивной магнитной подвески будет индуцирована для стабилизации колебаний ротора, интуитивно также предполагается, что этот сегмент с высокой проницаемостью может обеспечить вращательную способность двигателя [25].

6. Сердечный насос Maglev

Тепловая недостаточность - одна из основных причин смерти. Лечение сердечной недостаточности обычно включает трансплантацию сердца, механическую помощь желудочков, замену искусственных органов и так далее. Хотя трансплантация сердца является относительно естественной технологией, существует серьезная нехватка донорских сердец, что приведет к реакции отторжения трансплантата. В опоре традиционных насосов с искусственным сердцем часто используются подшипники качения или скольжения. Из-за контакта между вынашиванием и кровью кровь будет загрязнена и легко вызовет тромбоз.С развитием магнитолевой системы, двигателя и технологий управления насос с искусственным сердцем преодолевает такие проблемы, как трение, уплотнение и смазка, что снижает повреждение клеток крови и увеличивает срок службы и безопасность сердечного насоса.

Искусственный сердечный насос требует небольшой конструкции, низкого энергопотребления, определенной жесткости и демпфирования для трансплантации и длительного использования. Осевой магнитный насос для крови на магнитной подвеске гибридного типа не только имеет небольшие размеры, почти не потребляет энергию и плохие динамические характеристики подшипника с постоянным магнитом, но также имеет низкое энергопотребление, длительный срок службы и хорошие динамические характеристики магнитного подшипника.

Искусственный сердечный насос (также известный как насос крови) можно разделить на поршневой, пульсирующий и непрерывный сердечный насос. Бионические характеристики пульсирующего насоса хороши, но его недостатками являются относительно большой объем и склонность к гемолизу из-за большой площади контакта с кровью. Эти недостатки серьезно ограничили его применение. Насосы с искусственным сердцем непрерывного действия можно разделить на насосы с осевым потоком, центробежные насосы и насосы со смешанным потоком. Центробежный сердечный насос Maglev имеет большее давление при небольшой скорости потока и меньше разрушает кровь при низкой скорости, в то время как его недостаток не подходит для имплантации; Осевой магнитный сердечный насос имеет большую скорость потока, низкое давление, поэтому для получения гораздо большего давления необходимо увеличить скорость.Насос с осевым потоком имеет плотную конструкцию, меньшие по размеру компоненты привода, низкое энергопотребление, малый вес, высокую эффективность и т. Д., Поэтому его легче имплантировать, и он может сэкономить затраты на операцию и возможность инфицирования, но его крыльчатка имеет высокая скорость и его гемолитический также высок. Осевые или центробежные традиционные опоры представляют собой контактные подшипники, такие как керамический подшипник, и есть некоторые проблемы с трением, смазкой и уплотнением, которые легко повреждают кровь, что приводит к гемолизу и сгусткам крови.Магнитный подшипник предотвращает контакт ротора и статора под действием магнитной силы, которая не требует смазки, и преодолевает традиционные недостатки, такие как прямое трение, большие потери и короткий срок службы, и является одной из идеальных опор для нового поколения искусственных сердечный насос [27, 28].

Согласно теории Эрншоу (1839 г.), постоянный магнитный лев является нестабильным. Эта теорема применима только к левитатору в статическом состоянии. Пассивные магнитные (PM) подшипники могли бы обеспечить стабильное магнитное поле во всех центробежных насосах, если бы ротор имел достаточно высокую скорость и, таким образом, получил бы так называемый гироэффект, а именно, вращающееся тело с достаточно высокой скоростью могло бы стабильно поддерживать свое вращение [29, 30 ].

Чтобы упростить роторные насосы на магнитной подвеске с электрическим приводом, был разработан безвальный насос с постоянным рабочим колесом на магнитной подвеске без активно управляемого змеевика для подвески ротора (рис. 26). Левая сторона крыльчатки представляет собой диск магнита для вращения, а правая сторона крыльчатки представляет собой диск магнита для подвешивания. Насос массой 150 г имеет максимальный диаметр 42 мм, а его длина в наибольшей точке составляет 35 мм.

Устройство состоит из статора и ротора. Статор имеет жесткий полиуретановый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью; с левой стороны подключена катушка двигателя постоянного тока с осевым приводом, намотанная на железный сердечник, а с правой стороны навинчено балансировочное железное кольцо.Ротор уплотнен магнитным диском для вращения (слева), крыльчаткой (в центре) и магнитным диском для подвешивания (справа). Сила притяжения между стальным сердечником катушки двигателя и магнитным диском ротора для вращения уравновешивается силой притяжения между магнитным диском для подвешивания и балансировочным железным кольцом. Кроме того, с обеих сторон ротора разработаны два новых запатентованных подшипника с постоянными магнитами, которые устраняют остающиеся силы притяжения и предотвращают осевое присоединение ротора к статору слева или справа.Каждый подшипник состоит из большого и маленького постоянных магнитных колец; маленькое кольцо вставлено в ротор, а большое кольцо утоплено в статоре. Два кольца, намагниченные в одном осевом направлении, отклоняют друг друга, создавая осевую опорную силу. Сила притяжения между ротором и статором препятствует радиальному эксцентрическому перемещению ротора и, таким образом, служит радиальным подшипником. Впускной и выпускной патрубки насоса расположены соответственно в центре балансировочного железного кольца и на периферии корпуса из полиуретана.При стендовых испытаниях с водой насос производит поток до 10 л / мин при давлении 100 мм рт. Ст. Насос массой 150 г имеет максимальный диаметр 42 мм и длину 35 мм (без учета впускных и выпускных трубок) [31].

Имплантируемые роторные насосы были разработаны и используются для оказания помощи больному желудочку сердца из-за нехватки доноров сердца для трансплантации. Пульсирующее измерение расхода важно для управления расходом этих роторных насосов. Обычные расходомеры не особенно компактны, в то время как надежность и долговечность небольших расходомеров, изготовленных с использованием технологии микроэлектромеханических систем, все еще сомнительна.Несколько групп предложили оценивать скорость потока, используя мощность двигателя центробежного насоса для крови (CBP). На рисунке 27 (а) показана схема имплантируемой желудочковой вспомогательной системы с роторным насосом [32].

Четвертая итерация дизайна (PF4) педиатрического желудочкового вспомогательного устройства PediaFlow (VAD) была разработана для младенцев и детей ясельного возраста с врожденными и приобретенными пороками сердца.

Ключевые атрибуты PediaFlow Pediatric VAD включают следующее: (i) непревзойденная биосовместимость благодаря технологии магнитолевой подвески, оптимизированный дизайн с одним потоком и процесс проектирования, оптимизированный для компьютера; (ii) исключительно малый размер из-за сверхкритического (см. Выше) резонансная частота) роторно-динамическая технология; (iii) бесклапанная турбодинамическая конструкция с одной движущейся частью для минимизации размера; (iv) оптимизация вычислений с использованием первых принципов биоинженерии и физики.

Текущая конструкция VAD возникла в результате всесторонней оценки трех топологий насосов, включающих в себя различные устройства магнитной подвески, двигателя и трактов для жидкости. В каждой из выбранных топологий использовались радиальные и моментные подшипники с постоянными магнитами, активный осевой упорный подшипник и бесщеточный двигатель постоянного тока [33–36].

7. Анализ продуктов питания и напитков

Измерения плотности вещества важны в пищевой промышленности, здравоохранении и других условиях, поскольку они предоставляют ключевую информацию о химическом составе вещества.Например, измерения плотности могут определить содержание сахара в безалкогольных напитках, количество алкоголя в вине или слишком много соли для поливной воды для использования на фермерском поле. Существующие устройства для проведения этих измерений далеки от идеала, и существует потребность в более простых, менее дорогих и простых в использовании технологиях.

Ученые описывают разработку специального сенсора, в котором для удовлетворения этих потребностей используется магнитный лев, взвешивающий твердые или жидкие образцы с помощью магнитов для измерения их плотности.Датчик размером с кубик льда состоит из заполненного жидкостью контейнера с магнитами на каждом конце. Внутри могут быть помещены образцы из различных материалов, и расстояние, на которое они проходят через жидкость, позволяет судить об их плотности. Ученые показали, что устройство может быстро оценить содержание соли в различных образцах воды и относительное содержание жира в различных видах молока, сыра и арахисового масла. Потенциальные применения магнитолевой системы могут включать в себя оценку пригодности воды для питья или орошения, оценку содержания жира в пищевых продуктах и ​​напитках или мониторинг обработки зерна (например,g., удаление шелухи или сушку) (см. рисунок 28) [37].


8. Заключение

Название maglev происходит от слова MAGnetic LEVitation. Магнитная левитация - это высокоразвитая технология. Он имеет различные применения, в том числе экологически чистую энергию (маленькие и огромные ветряные турбины: дома, в офисе, в промышленности и т. Д.), Строительные объекты (вентилятор), транспортные системы (поезд на магнитной подвеске, персональный скоростной транзит (PRT) и т. Д.), оружие (пушка, ракетная техника), ядерная техника (центрифуга ядерного реактора), гражданское строительство (лифт), реклама (можно выбрать левитирующее все, что рассматривается внутри или над различными рамками), игрушки (поезд, парение космонавтов над космическим кораблем и т. д. .) и канцелярские товары (ручка). Общей чертой всех этих применений является отсутствие контакта и, следовательно, отсутствие износа и трения. Это увеличивает эффективность, снижает затраты на обслуживание и увеличивает срок службы системы. Технология магнитной левитации может использоваться как эффективная технология в различных отраслях промышленности. Системы магнитной подвески привлекают уже многие страны. Многие системы были предложены в разных частях света. В этой статье сделана попытка изучить наиболее важные области применения технологии магнитной левитации.Результаты ясно показали, что маглев можно удобно рассматривать как решение для будущих инженерных нужд мира.

Подвижная защита | The Scientist Magazine®

МОБИЛЬНАЯ ДНК: электронная микрофотография транспозона, транслирующего ложные цвета, - сегмента ДНК, который может перемещаться по хромосомам и геномам .Начиная с середины 20-го века, благодаря новаторской работе Барбары МакКлинток на растениях, и в последующие десятилетия на расширяющемся круге организмов, исследователи начали обнаруживать ключи к разгадке того, что последовательности MGE задействованы для множества клеточных функций, в частности для регуляции экспрессии генов. Более поздняя работа показывает, что многие организмы также используют MGE для более специализированной и сложной функции, которая использует способность этих элементов перемещаться по геномам, изменяя последовательность ДНК в процессе.Транспозоны, по-видимому, сыграли решающую роль в эволюции адаптивного иммунитета как у позвоночных, так и у микробов, которые, как было недавно обнаружено, действительно имеют форму адаптивного иммунитета, а именно CRISPR-Cas (регулярно сгруппированные короткие палиндромные повторы - CRISPR- связанных генов), которая положила начало разработке нового поколения инструментов для манипулирования геномом.

Множественные системы защиты сформировались почти у всех клеточных организмов, от бактерий до млекопитающих.При более внимательном рассмотрении этих систем мы обнаруживаем, что эволюция этих защитных механизмов в значительной степени зависела от MGE - тех же элементов, которые сами являются мишенями иммунной защиты хозяина.

Уровни защиты

Как мошенники в жизненной игре, крадущие ресурсы у своих хозяев, паразиты могут вызвать крах целых сообществ, убивая своих хозяев перед тем, как двинуться дальше или умереть сами. Но хозяева далеко не беззащитны. Разнообразие и сложность иммунных систем поразительны: их функции варьируются от немедленных и неспецифических врожденных ответов до тщательно спланированных адаптивных ответов, которые приводят к пожизненной иммунной памяти после первоначальной атаки патогена. 1

Транспозоны, по-видимому, сыграли решающую роль в эволюции адаптивного иммунитета как у позвоночных, так и у микробов.

Примерно за последние два десятилетия стало ясно, что почти все организмы обладают множественными механизмами врожденного иммунитета. 2 Толл-подобные рецепторы (TLR), общие для большинства животных, распознают консервативные молекулы микробных патогенов и активируют соответствующие компоненты иммунной системы при вторжении.Еще более распространенным и древним является РНК-интерференция (РНКи), мощная система защиты, которая использует направляющие РНК, известные как малые интерферирующие РНК (миРНК), для уничтожения вторгающихся нуклеиновых кислот, в первую очередь РНК-вирусов. Концептуально биологическая функция siRNA аналогична функции TLR: врожденный иммунный ответ на широкий класс патогенов.

Прокариоты обладают собственным набором врожденных иммунных механизмов, включая эндонуклеазы, которые расщепляют ДНК захватчиков в определенных сайтах, и ферменты, называемые метилазами, которые модифицируют те же самые сайты в собственном генетическом материале прокариот, чтобы защитить его от расщепления, стратегия, известная как рестрикционная модификация (RM) . 3 При поражении патогенами многие прокариотические клетки подвергаются запрограммированной гибели клеток или переходят в состояние покоя, тем самым предотвращая распространение патогена внутри организма или популяции. В частности, инфицированные бактериальные или архейные клетки могут активировать системы токсин-антитоксин (ТА), чтобы вызвать состояние покоя или гибель клеток. Обычно токсиновый белок образует комплекс с антитоксином и, таким образом, инактивируется. Однако под действием стресса антитоксин разрушается, высвобождая токсин, чтобы нанести вред клетке.

Многие вирусы, поражающие микробы, также кодируют модули RM и TA. 4 Эти вирусы, по сути, представляют собой отдельную разновидность MGE, которые иногда имеют очень сложные геномы. Вирусы используют системы RM с той же целью, что и их прокариотические хозяева: метилаза модифицирует вирусный геном, тогда как эндонуклеазы разрушают любые немодифицированные геномы в клетке-хозяине, тем самым обеспечивая нуклеотиды для синтеза новых копий вирусного генома. А система ТА может обеспечить удержание плазмиды или вируса в клетке.Белки токсина и антитоксина резко различаются по своей уязвимости для протеолитических ферментов, которые всегда присутствуют в клетке: токсин стабилен, тогда как антитоксин лабилен. Это не имеет значения, если оба белка производятся непрерывно. Однако, если оба гена потеряны (например, во время деления клетки), антитоксин быстро разлагается, и оставшегося количества токсина достаточно, чтобы остановить биосинтетическую активность клетки и, следовательно, убить ее или, по крайней мере, сделать ее бездействующей.Плазмида или вирус, несущие модуль ТА в своем геноме, таким образом имплантируют механизм самоуничтожения своему хозяину, который активируется, если MGE теряется. (См. Иллюстрацию.)

Когда MGE вставляется в геном хозяина, он неизбежно модифицирует этот геном, обычно используя кодируемую MGE рекомбиназу (также известную как интеграза или транспозаза) в качестве инструмента взлома и проникновения. Говоря намеренно антропоморфными терминами, MGE делают это в своих эгоистических целях, чтобы обеспечить свое размножение в геноме хозяина.Однако, учитывая повсеместное распространение MGE в клеточных формах жизни, кажется крайне маловероятным, что организмы-хозяева не будут задействовать хотя бы некоторые из этих естественно возникших инструментов манипуляции геномом, чтобы использовать свои замечательные возможности в своих целях. Иммунная память, которая включает манипуляции с геномом, возможно, является наиболее очевидной полезностью этих инструментов, и, оглядываясь назад, неудивительно, что неродственные транспозоны и их рекомбиназы, по-видимому, внесли ключевой вклад в происхождение как животных, так и прокариотических форм адаптивного иммунитета.

Пистолеты на прокат

НАРУШЕНИЕ ЦВЕТА: Изменения в цвете, наблюдаемые в этом «цветке» георгина (на самом деле, группа небольших отдельных цветков или соцветий), могут быть вызваны мутациями, вызванными транспозоном. © ISTOCKPHOTO.COM/BEDOU До недавнего времени считалось, что прокариоты полностью лишены того адаптивного иммунитета, который доминирует в защите позвоночных от паразитов. Эта точка зрения была опровергнута самым драматическим образом с открытием CRISPR-Cas, систем защиты на основе RNAi, которые, как было обнаружено, присутствуют в большинстве архей и многих бактерий, изученных на сегодняшний день. 5 В 2005 году Франсиско Мохика из Университета Аликанте в Испании и его коллеги, 6 и независимо друг от друга Душко Эрлих из Института Пастера в Париже, 7 обнаружили, что некоторые уникальные последовательности, вставленные между CRISPR, известные как спейсеры , были идентичны частям генома бактериофага или плазмиды. В сочетании с подробным анализом предполагаемых функций белков Cas это открытие привело к тому, что в 2006 году один из нас (Кунин) и его команда предположили, что CRISPR-Cas функционирует как форма прокариотического адаптивного иммунитета с памятью о прошлых инфекциях, хранящихся в памяти. генома в «кассетах» CRISPR - кластерах коротких прямых повторов, перемежающихся неповторяющимися спейсерами аналогичного размера, происходящими из различных MGE, - и для разработки подробной гипотезы о механизме такого иммунитета. 8

Последующие эксперименты групп Филиппа Хорвата и Родольфа Баррангу в Danisco Corporation, 9 , а также несколько других исследований, которые следовали в быстрой последовательности, подтвердили эту гипотезу. (См. Здесь «CRISPR в вашем йогурте».) Было показано, что CRISPR-Cas действительно функционирует, встраивая фрагменты чужеродной бактериофаговой или плазмидной ДНК в кассеты CRISPR, а затем используя транскрипты этих уникальных спейсеров в качестве направляющих РНК для распознавания и расщепляют геномы повторяющихся захватчиков.(См. Иллюстрацию.) Ключевой особенностью систем CRISPR-Cas является их способность передавать чрезвычайно эффективный специфический иммунитет на многие тысячи поколений. Таким образом, CRISPR-Cas - это не только настоящая система адаптивного иммунитета, но и настоящая машина ламарковской эволюции, посредством которой экологический вызов - в данном случае вирус или плазмида - напрямую вызывает специфическое изменение в геноме, которое приводит к адаптация, которая передается последующим поколениям. 10

Когда мобильный генетический элемент (MGE) вставляется в геном хозяина, он неизбежно модифицирует этот геном, обычно используя кодируемую MGE рекомбиназу в качестве инструмента взлома и проникновения.

Множество сравнительных геномных, структурных и экспериментальных исследований охарактеризовали чрезвычайно разнообразные системы CRISPR-Cas в соответствии с наборами белков Cas, участвующих в обработке транскриптов CRISPR и распознавании мишеней. 5,11 В то время как системы типа I и типа III используют сложные белковые комплексы, которые состоят из нескольких белков Cas, системы типа II выполняют все необходимые реакции с одним большим белком, известным как Cas9. Эти открытия открыли дверь для непосредственной разработки нового поколения редактирования генома.Инструменты на основе Cas9 уже используются многочисленными лабораториями по всему миру для геномной инженерии, которая намного быстрее, гибче и универсальнее, чем любая методология, которая была доступна в эпоху до CRISPR. 12

И похоже, что люди - не единственный вид, который украл страницу из книги CRISPR: вирусы сделали то же самое. Например, бактериофаг, инфицирующий патогенный Vibrio cholera , несет свою собственную адаптируемую систему CRISPR-Cas и развертывает ее против другого MGE, находящегося в геноме хозяина. 13 При фаговой инфекции этот конкурент MGE, называемый фаго-индуцируемым хромосомным островоподобным элементом (PLE), вырезается из клеточного генома и подавляет продукцию фага. Но в то же время система CRISPR-Cas, кодируемая бактериофагом, нацелена на уничтожение PLE, обеспечивая успешное размножение фага.

Следовательно, у прокариот все защитные системы выглядят как наемные орудия, которые работают на того, кто больше заплатит. Иногда невозможно точно определить, в каком контексте, клеточном или MGE, впервые возникли различные защитные механизмы.

Транспозоны происхождения адаптивного иммунитета

ПРЕВОСХОДНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ: можно увидеть, как бактериофаги, сходящиеся на клетке E. coli, вводят свой генетический материал (сине-зеленые нити) в бактерию. Часто вирусная ДНК поглощается геномом хозяина, где она может передаваться через поколения бактерий. © EYE OF SCIENCE / SCIENCE SOURCE. Раскраска Мэри Мэдсен Последние данные, полученные от наших групп, подтверждают происхождение систем CRISPR-Cas из MGE. Функция Cas1 - ключевого фермента CRISPR-Cas, который отвечает за приобретение чужеродной ДНК и ее встраивание в спейсеры внутри кассет CRISPR - имеет странное сходство с рекомбиназной активностью различных MGE, хотя Cas1 не принадлежит ни к одному из них. известных семейств рекомбиназ.Как практически повсеместный компонент систем CRISPR-Cas, Cas1, вероятно, сыграл центральную роль в возникновении иммунитета к CRISPR-Cas.

Во время недавнего исследования темной материи архейной ДНК - кластеров не охарактеризованных генов в секвенированных геномах - мы неожиданно обнаружили новое суперсемейство транспозоноподобных MGE, которые могут содержать ключ к происхождению Cas1. 14 Эти ранее незамеченные транспозоны содержат инвертированные повторы на обоих концах, как и многие другие транспозоны, но их генное содержание необычно.Новое суперсемейство транспозонов присутствует как в геномах архей, так и бактерий и является высокополиморфным (разные члены содержат от 6 до примерно 20 генов), при этом только два гена являются общими для всех идентифицированных представителей. Один из этих консервативных генов кодирует ДНК-полимеразу, что указывает на то, что эти транспозоны поставляют ключевой белок для собственной репликации. В то время как различные эукариоты несут самосинтезирующиеся транспозоны семейств Polinton или Maverick, это первый пример у прокариот.Но самым большим сюрпризом стал второй консервативный белок: это был не что иное, как гомолог Cas1, ключевого белка систем CRISPR-Cas.

Мы назвали это новое семейство транспозонов Casposons и, естественно, предположили, что в этом контексте Cas1 функционирует как рекомбиназа. В филогенетическом дереве Cas1 каспозоны занимают базальное положение, указывая тем самым, что они играют ключевую роль в происхождении прокариотического адаптивного иммунитета.

У позвоночных адаптивный иммунитет действует совершенно иначе, чем у прокариот, и основан на приобретении патоген-специфических рецепторов Т- и В-лимфоцитов к антигенам в течение жизни организма.Обширный репертуар рецепторов иммуноглобулинов генерируется из небольшого числа генов посредством специальных процессов диверсификации, известных как рекомбинация и гипермутация V (вариабельная), D (разнообразие) и J (присоединение) сегментов (V (D) J). (См. Иллюстрацию.) В поразительной аналогии с CRISPR-Cas, адаптивный иммунитет позвоночных, по-видимому, также имеет в своем происхождении транспозон. Рекомбинация V (D) J опосредуется рекомбиназным комплексом RAG1-RAG2. Рекомбиназный домен RAG1 происходит из рекомбиназ отдельной группы транспозонов животных, известных как Transibs. 15 Сигнальные последовательности рекомбинации генов иммуноглобулинов, которые распознаются рекомбиназой RAG1-RAG2 и необходимы для объединения генных сегментов V, D и J, также, по-видимому, эволюционировали посредством вставки Transib.

Два независимых источника адаптивных иммунных систем у прокариот и эукариот с участием неродственных MGE показывают, что в битве за выживание организмы приветствуют все полезные молекулярные изобретения независимо от того, кем был первоначальный изобретатель.В самом деле, происхождение систем CRISPR-Cas из прокариотических каспозонов и рекомбинации V (D) J позвоночных из транспозонов Transib может показаться парадоксальным, учитывая, что MGE являются первичными мишенями иммунных систем. Однако, учитывая вездесущность и разнообразие MGEs, кажется вероятным, что даже больше механизмов ламарковского типа на протяжении всей истории жизни управляли геномными изменениями во имя защиты хозяина. 16

Более того, способность иммунных систем к геномной инженерии обеспечивает практически неограниченный потенциал для разработки экспериментальных инструментов для манипуляции геномом и других приложений.Использование антител в качестве инструментов для обнаружения белков и ферментов RM для специфической фрагментации молекул ДНК было центральным элементом прогресса биологии на протяжении десятилетий. Недавно к этому набору инструментов были добавлены системы CRISPR-Cas, которые, возможно, являются наиболее многообещающими из молекулярно-биологических методов нового поколения. Трудно предсказать, какие возможности для геномной инженерии могут быть скрыты в еще неизвестных или плохо охарактеризованных системах защиты.

© KIMBERLY BATTISTA

Евгений В.Кунин - руководитель группы в Национальном центре биотехнологической информации Национальной медицинской библиотеки в Бетесде, штат Мэриленд. Март Крупович - научный сотрудник Института Пастера в Париже, Франция.

Каталожные номера

  1. Т. Бем, «Принципы построения адаптивных иммунных систем», Nat Rev Immunol , 11: 307-17, 2011.
  2. Р. Меджитов, «Приближение к асимптоте: 20 лет спустя», Immunity , 30: 766-75, 2009.
  3. К.С. Макарова и др., «Сравнительная геномика защитных систем у архей и бактерий», Nucleic Acids Res , 41: 4360-77, 2013.
  4. J.E. Samson и др., «Месть фагов: поражение бактериальной защиты», Nat Rev Microbiol , 11: 675-87, 2013.
  5. Р. Баррангу, Л. А. Марраффини, «Системы CRISPR-Cas: повышение уровня прокариот до адаптивного иммунитета», Mol Cell , 54: 234-44, 2014.
  6. F.J. Mójica et al., «Промежуточные последовательности регулярно расположенных прокариотических повторов происходят из чужеродных генетических элементов», J Mol Evol , 60: 174-82, 2005.
  7. А. Болотин и др., «Кластеры коротких палиндромных повторов с регулярными интервалами (CRISPR) имеют спейсеры внехромосомного происхождения», Microbiology , 151: 2551-61, 2005.
  8. К.С. Макарова и др., «Предполагаемая иммунная система на основе РНК-интерференции у прокариот: компьютерный анализ предсказанного ферментативного механизма, функциональные аналогии с эукариотическими РНКи и гипотетические механизмы действия», Biol Direct , 1: 7, 2006.
  9. Р.Barrangou et al., «CRISPR обеспечивает приобретенную устойчивость к вирусам у прокариот», Science , 315: 1709-12, 2007.
  10. Е.В. Кунин, Ю. Вольф, «Является ли эволюция дарвиновской или / или ламаркистской?» Biol Direct , 4:42, 2009 г.
  11. К.С. Макарова и др., «Эволюция и классификация систем CRISPR-Cas», Nat Rev Microbiol , 9: 467-77, 2011.
  12. Х. Ким, J.S. Ким, «Руководство по геномной инженерии с помощью программируемых нуклеаз», Nat Rev Genet , 15: 321-34, 2014.
  13. К.Д. Seed et al., «Бактериофаг кодирует свой собственный адаптивный ответ CRISPR / Cas, чтобы избежать врожденного иммунитета хозяина», Nature , 494: 489-91, 2013.
  14. М. Крупович и др., «Каспозоны: новое суперсемейство самосинтезирующихся ДНК-транспозонов, лежащих в основе прокариотического иммунитета CRISPR-Cas», BMC Biology , 12:36, 2014.
  15. В.В. Капитонов, Дж. Юрка, «Ядро RAG1 и сигнальные последовательности рекомбинации V (D) J были получены из транспозонов Transib», PLOS Biol , 3: e181, 2005.
  16. Е.В. Кунин, М. Крупович, «Эволюция адаптивного иммунитета за счет мобильных элементов в сочетании с врожденной иммунной системой», Nature Rev Genet , DOI: 10.1038 / nrg3859, 9 декабря 2014 г.

Реакция | Бесплатный полнотекстовый | Синтез Фишера – Тропша легких олефинов из синтез-газа: обзор разработки катализаторов

Как правило, селективность катализатора основана на четырех факторах, включая прочность связи, координацию, ансамбль и свойства матрицы. Принцип прочности связи - это электронные характеристики задействованных атомов.На количество возможных реакций в FTS влияет сила связи, варьирующаяся от отсутствия хемосорбции для слабой связи до медленной десорбции для сильной связи [11]. Основность катализатора, дисперсия, активные металлы и промоторы, а также взаимодействие носителя могут влиять на селективность FTS по отношению к легким олефинам. Ponec et al. [12] связали селективность олефинов с электронными и геометрическими факторами. Более того, Biloen et al. [13] утверждали, что всякий раз, когда молекула контактирует с поверхностью катализатора, реагенты вступают в реакцию из-за химии и геометрии активных центров катализатора.
2.2. Эффекты основности катализаторов
Эффекты основности влияют на прочность, необходимую для гидрирования синтез-газа на переходных металлах, таких как Mn, Fe, Co и Ni. Основность и восстанавливаемость катализаторов можно оценить с помощью методов характеризации, включая CO 2 -температурную десорбцию (CO 2 -TPD) и H 2 -температурное программированное восстановление (H 2 -TPR), соответственно. Таблица 4 иллюстрирует влияние природы носителей и активных металлов на основность катализатора, при этом температура разложения CO 2 увеличивается для сильных основных центров.Как видно из Таблицы 4, тип и количество щелочного металла могут влиять на фазовый переход при восстановлении катализатора, что оценивается с помощью запрограммированного восстановления температуры H 2 . Xiong et al. [74] исследовали влияние промоторов щелочных металлов, таких как Li, Na и K, на каталитические характеристики железного катализатора, нанесенного на углеродные нанотрубки в FTS в отсутствие прочного металлического носителя. Результаты показали, что добавление щелочного металла влияет на размер кристаллитов катализатора с уменьшением площади поверхности.Основность щелочного металла возрастает на порядок Li 74]. В другом исследовании добавление щелочи к катализаторам Fe / SiO 2 привело к некоторым изменениям в восстановлении катализатора из-за сильных взаимодействий между щелочью и металлическим железом. Калий приведет к ингибированию первого восстановления оксида железа. Однако он усилил образование металлического железа из FeO и активность железных катализаторов в FTS. Более того, за счет увеличения порядкового номера щелочного металла карбонизация катализаторов усиливается [72].Ли и др. [75] изучали влияние щелочных металлов в качестве промоторов на катализаторы FTS на основе железа. Они показали, что Li и Na могут проникать на поверхность катализатора. Однако K, Rb и Cs обычно не могут диффундировать в катализатор. При использовании щелочи селективность по олефинам и более тяжелым углеводородам увеличивалась, в то время как селективность по метану и алканам одновременно снижалась. Подтверждено, что Li диффундировал из катализатора; однако K менее подвижен в железном катализаторе после реакций FTS.Основное действие щелочей приписывают поверхностной адсорбции, при этом адсорбция и диссоциация CO улучшаются [75]. MgO как основной носитель и структурный промотор в катализаторе на основе Fe может увеличивать отношение олефинов к парафинам за счет подавления реакции вторичного гидрирования. Катализаторы на основе Fe в виде нанолиста MgO и куба MgO были приготовлены методами пропитки по начальной влажности, осаждения – осаждения и ультразвуковой пропитки. Сообщалось, что нанолистовые катализаторы Fe / MgO, синтезированные с использованием метода ультразвуковой пропитки, демонстрируют сильные центры основности MgO (таблица 4).Упомянутый выше катализатор усиливает диссоциативную адсорбцию CO и демонстрирует более высокую селективность по олефину - 29,6% по сравнению с другими катализаторами [37]. Десорбция с программированием температуры CO 2 в основном используется для исследования катализаторов с точки зрения центров средней / сильной основности и адсорбции CO 2 . Можно предположить, что основность катализаторов увеличивает отношение олефинов к парафинам в FTS за счет подавления вторичного гидрирования.
2.3. Эффекты дисперсии катализатора
Уменьшение диаметра металлических частиц сильно влияет на хемосорбционные свойства как водорода, так и монооксида углерода, что указывает на дисперсию активного металла катализатора.Принимая это во внимание, CO-хемосорбция и H 2 - температурно-программная десорбция (H 2 - TPD) в сочетании с O 2 -титрованием являются эффективными методами определения дисперсии активного металла в катализаторах. Таблица 5 иллюстрирует дисперсию активного металла различных катализаторов FTS для получения легких олефинов. Pour et al. [63] исследовали эффекты использования намагниченной воды на стадии пропитки катализаторов на основе кобальта. Они заметили, что средний размер импрегнированных наночастиц Co уменьшился с 12.От 4 нм до 9,8 нм, тогда как дисперсия металла в H 2 -TPD увеличилась в диапазоне 8,2–10,8%. Они также сообщили, что с увеличением количества намагниченной воды селективность в отношении более высоких углеводородов возрастала; однако селективность C 2 -C 4 снизилась с 29,5% до 18,9% [63]. Wang et al. [76] исследовали влияние размера частиц Co-катализатора на частоту оборота (TOF) и селективность CH 4 в FTS, используя серию модельных катализаторов Co / SiO 2 в диапазоне 1.4–10,5 нм. Из рисунка 4 видно, что более мелкие частицы Co (1,4–2,5 нм) приводят к более низкому TOF и более высокой селективности CH 4 (90 мол.%) По сравнению с более крупными частицами Co (3,5–10,5 нм) с TOF. и селективность CH 4 относительно постоянна (~ 72 мол.%). Влияние размера частиц Co в диапазоне 1,4–2,5 нм было приписано окислению более мелких частиц Co в присутствии водяного пара, образующегося во время реакции [76]. Phaahlamohlaka et al. [58] сообщили о синтезе стойкого к спеканию катализатора на основе кобальта, нанесенного на TiO 2 , инкапсулированного в оболочку из диоксида кремния.Co / TiO 2 показал уменьшение дисперсности после восстановления при температуре 350–450 ° C, в то время как дисперсия активного металла в случае катализатора Co / TiO 2 @ SiO 2 оставалась постоянной после восстановления. Также сообщалось, что после восстановления катализатор Co / TiO 2 @SiO 2 , промотированный Ru, показал повышенную дисперсность металла [58]. Лю и др. Исследовали высокодисперсный макропористый катализатор на основе железа, нанесенный на макропористый диоксид кремния. .[77]. Катализатор продемонстрировал превосходную каталитическую активность с точки зрения селективности по олефину (46,2%), а также конверсии CO (63,4%) без какого-либо промотора. Это можно объяснить высокой эффективностью диффузии и высокой дисперсностью частиц железа [77]. В другом исследовании CoPt-катализатор на носителе TiO 2 был приготовлен методом плазмы тлеющего разряда (GDP). Сообщалось, что, применяя плазменную обработку, можно достичь меньшего размера частиц кобальта с более высокой дисперсией. Было высказано предположение, что меньший размер частиц приводит к большему количеству поверхностно-активных центров, в то время как активность катализатора значительно снижается [59].Gao et al. [78] реализовали катализаторы на основе железа для получения легких олефинов в реакции FTS с Zn в качестве промотора с использованием микроволновых гидротермальных методов и методов пропитки. Они предположили, что дисперсия Zn напрямую влияет на способность к гидрированию. Кроме того, Zn повысил селективность катализатора к низшим олефинам (38,1–40,9%), а также улучшил стабильность катализатора. Катализатор, синтезированный микроволново-гидротермальным методом, показал высокую дисперсность фаз Zn и Fe и низкое осаждение углерода.Они сообщили, что способность катализаторов к гидрированию зависит от присутствия Zn и его дисперсности. Однородное диспергирование Zn на катализаторе снижает маскировку активных центров железа на поверхности и приводит к более высокой конверсии [78]. Chen et al. [61] синтезировали кобальтовые катализаторы, внедренные в нанопористый углерод, путем карбонизации предшественника металлорганического каркаса (MOF) CTAB-ZIF-67. H 2 - TPD показал высокую дисперсию и загрузку Co при увеличении содержания CTAB [61].Селективность по легким олефинам и конверсия CO в FTS улучшаются за счет дисперсии активного металла.
2.4. Эффекты взаимодействия металлической подложки
Тип подложки оказывает сильное влияние на характеристики катализатора. Как обсуждалось в разделах 2.2 и 2.3, основность и дисперсность носителя влияют на каталитическое поведение металлов. Активированный уголь, углеродные нанотрубки, оксид алюминия, диоксид кремния и диоксид титана широко используются в качестве носителя для катализаторов FT. Cho et al. [79] исследовали эффект носителя в катализаторе Co / AlSBA-15.Они пришли к выводу, что повышенная селективность C 2 -C 4 была связана с образованием мелких частиц кобальта с более высокой степенью окисления, более сильным взаимодействием металл-носитель и меньшей агрегацией частиц на внешних поверхностях носителя, что подавляло образование тяжелых углеводородов. Было высказано предположение, что чем больше диаметр пор носителя, тем выше скорость образования легких олефинов. Более крупный размер пор носителей также может влиять на распределение продуктов FTS за счет образования более крупных частиц Co 3 O 4 .Кроме того, образование парафина и воды в мезопорах во время процесса FTS может повлиять на скорость диффузии как H 2 , так и CO на активных центрах кобальта, причем скорость диффузии CO выше, чем скорость диффузии H 2 через воск – водоэмульсионные слои. В результате селективность по олефинам увеличилась [79]. Кроме того, Anderson et al. [80] сообщили, что увеличение скорости диффузии водорода в мезомакропористые катализаторы приведет к увеличению отношения H 2 / CO вблизи активных центров.Следовательно, селективность имеет тенденцию к метану и легким углеводородам [80]. Cheng et al. [21] изучали влияние размера пор носителя на железные катализаторы, нанесенные на кремнезем, в высокотемпературном синтезе Фишера-Тропша. Сообщалось, что больший размер пор железного катализатора, нанесенного на кремнезем, обеспечивает более высокую селективность по олефину и C 5+ из-за более легкого карбидирования железа [21].
2.4.1. Катализаторы на основе углеродных нанотрубок
Многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) являются привлекательным кандидатом для FTS из-за их впечатляющих механических характеристик, высокой доступности активных центров и отсутствия микропористости, исключающей внутричастичный массоперенос [81].Этот тип углеродного материала обладает инертной поверхностью и слабым взаимодействием с металлическими компонентами, таким образом, обеспечивая высокодисперсные активные металлические центры со стабильным якорем активных центров [82]. Углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ) широко используются в качестве носителей катализаторов из-за их уникальных свойств, таких как большая площадь поверхности, приемлемая термическая и химическая стабильность, а также высокая электропроводность. УНТ и УНВ в качестве носителя повышают активность и селективность катализатора по сравнению с их обычными аналогами, такими как активированный уголь (АУ), оксид алюминия и диоксид кремния.Лу и др. [28] синтезировали железные катализаторы, иммобилизованные на углеродных нанотрубках, легированных азотом, для превращения FTS в легкие олефины. Катализаторы продемонстрировали суперкаталитическую селективность (46,7%), активность и стабильность в отношении получения низших олефинов. Эта характеристика может быть связана с высокой диссоциативной адсорбцией CO, ингибированием вторичного гидрирования низших олефинов и присутствием активной фазы χ-Fe 5 C 2 . Азот приводит к закрепляющему эффекту и внутренней основности подложки для углеродных нанотрубок, легированных азотом.Это помогает катализатору избежать потери активных частиц и основных центров во время процесса FTS [28]. Wang et al. [26] разработали Fe-катализаторы, нанесенные на УНТ, с использованием марганца и калия в качестве промоторов с помощью двух различных методов синтеза. Результаты продемонстрировали превосходство катализатора Fe / MnK-CNT над FeMnK / CNT с точки зрения активности и стабильности по сравнению с легкими олефинами. Это может быть связано с мелкими и однородными наночастицами, слабым взаимодействием металл-носитель, однородным распределением промоторов и большим количеством дефектов на носителе в случае Fe / MnK-CNT [26].Roe et al. [27] исследовали FTS с использованием катализаторов на носителе из УНТ на основе железа как в газовой фазе (GP-FTS), так и в рабочих условиях сверхкритического гексана (SC-FTS; T C = 234 ° C, P C = 2,97 МПа). Считается, что катализаторы на углеродной подложке обладают высокой активностью, низким образованием CH 4 и высокой селективностью в отношении олефинов и оксигенатов. Замечательное увеличение экстракции олефинов при работе SC-FTS наблюдалось благодаря улучшенному управлению теплом, таким образом уменьшая метанирование и позволяя промежуточным продуктам повторно абсорбироваться и продолжать распространение.Было высказано предположение, что фактор роста цепи, конверсия CO и селективность в отношении негидрированных продуктов могут быть увеличены в сверхкритических условиях. Было также замечено, что промотор калия приводит к значительному образованию альдегидов в FTS, катализируемой Fe [27]. Таблицы 6 и 7 содержат сводку различных типов опор, используемых в FTS.
2.4.2. Катализаторы на основе оксида алюминия, диоксида кремния и диоксида титана
Оксид алюминия в качестве инертного носителя с высокой механической стабильностью можно использовать для изучения взаимодействия между промоторами и активными центрами железа.С этой целью Galvis et al. [20] сообщили, что добавление малых количеств S и Na к катализатору привело к высокой селективности по олефинам C 2 -C 4 , повышению активности катализатора и снижению образования метана в реакциях FTS. Кроме того, они пришли к выводу, что добавление дополнительного количества Na снижает активность катализатора из-за образования большего количества углеродных отложений [20]. Для носителей из диоксида кремния дисперсия активных центров на носителе является функцией распределения, концентрации и типа силанольных групп. на поверхности кремнезема.Считается, что Н-связанная силанольная группа, идентифицированная на поверхности диоксида кремния, образует более крупные металлические кристаллиты по сравнению с изолированным силанолом. Следовательно, чем больше концентрация изолированных силанольных групп на диоксиде кремния, тем выше каталитическая активность катализатора на диоксиде кремния [83]. Чтобы изучить влияние размера пор на селективность по легким олефинам в FTS, Liu et al. [32] использовали катализаторы Fe-Mn на подложке из модифицированного диоксида кремния. Результаты XRD показали, что предварительная обработка носителей из диоксида кремния этиленгликолем приводила к меньшему размеру кристаллов нанесенного оксида железа.Кроме того, профили H 2 -TPR показали, что кремнеземный носитель и небольшая частица железа (Fe 2 O 3 ) имели сильное взаимодействие. Таким образом, был сделан вывод, что образование легких олефинов связано с размером частиц железа или карбида железа. Сообщалось, что более мелкие частицы карбида железа приведут к производству большего количества легких олефинов, менее склонных к дезактивации. Чернавский и др. [18] исследовали железные катализаторы на кремнеземной основе с промотированием меди и калия для высокотемпературного синтеза Фишера-Тропша.Сообщалось, что отношение олефина к парафину увеличивалось с промотированием калия. Согласно предыдущим исследованиям, щелочные металлы за счет передачи электронов могут привести к более высокой скорости диссоциации CO. В то же время ионы щелочных металлов подавляют вторичное гидрирование олефинов и увеличивают вероятность роста цепи [18]. В случае носителей из диоксида титана, активные центры металлов трудно восстановить до очень высоких температур из-за сильных взаимодействий металл-носитель. Добавление марганца повышает селективность катализаторов Fe или Co, нанесенных на TiO 2 , по отношению к низшим олефинам [84].Аташи и др. [84] исследовали кобальт-марганцевый катализатор на носителе из диоксида титана для гидрирования моноксида углерода до легких олефинов. Сообщалось, что влияние промотирования Mn на железный катализатор приведет к образованию высоких олефинов (см. Таблицу 6 и таблицу 7).
2,5. Эффекты продвижения
Характер элементов продвижения, используемых в коммерческом применении FTS, не раскрывается. Здесь промоторы, используемые для повышения селективности олефинов в катализаторах на основе Fe и Co, представлены в Таблице 6 для Fe-катализаторов и в Таблице 7 для Со-катализаторов.Наиболее широко используемые промоторы для катализаторов FTS на основе Fe включают K, Na, S, Zn, Mn, Zr, Bi, Pb и Cu. Дуан и др. [85] изучали влияние добавления калия на катализатор на основе Fe-CNT для процесса FTO. Считается, что калий в качестве промотора вызывает более однородные и мелкие частицы железа, более высокую степень карбидизации железа и большее количество дефектов на углеродных нанотрубках. Высокая стабильность катализатора также связана с большим количеством дефектов на УНТ, действующих как якорные участки для стабилизации наночастиц железа.Дополнительный калиевый промотор в катализаторах FeK благоприятен для получения более высоких выходов низших олефинов и топлива [85]. Натрий и сера являются промоторами для железного катализатора, которые подавляют селективность по метану и увеличивают количество продуктов C 2 -C 4 с максимальным содержанием олефинов , соответственно. Botes et al. [39] показали, что максимальная селективность C 2 -C 4 достигается при высоких нагрузках этих промоторов. Однако для максимальной конверсии CO требовалась более низкая загрузка промотора.Кроме того, сообщалось, что увеличение концентрации промотора увеличивало активность без отрицательного воздействия на селективность [39]. Xie et al. [87] изучили основы чувствительности структуры и комбинации промотирующих эффектов Na-S на Fe / CNF в FTS для легких олефинов. Они применили теорию функционала плотности (DFT) к адсорбции H для фундаментального понимания влияния промотирования (Na-S) на селективность. Исследователи сообщили, что Na 2 S является лучшим промотором, чем Na 2 O, потому что он увеличивает адсорбционную силу H на железе и снижает адсорбцию углерода, таким образом уменьшая образование метана и повышая селективность олефина [87].Чжоу и др. [86] добавили серу к катализаторам Fe / α-Al 2 O 3 для получения высокоэффективных и устойчивых к углеродным отложениям катализаторов для процесса FTO. Промотированные серные катализаторы показали низкую селективность по отношению к отложению углерода CO 2 и CH 4 и более. Изменение типа углеродных отложений от инкапсулирующего углерода к волокнистому было связано с добавлением серы. Zhang et al. [40] исследовали промотированный пористый катализатор на основе железа, полученный однореакторным сольвотермическим методом для FTS.Они оценили влияние промоторов (Na, K, Zn и Mn) и размера пор на конверсию CO и образование легких олефинов. Для катализаторов на основе железа ионы щелочных металлов в качестве промотора отдают электроны активной поверхности и улучшают основность. Они предложили Na в качестве оптимального промотора в синтезе FT. Присутствие Mn в промотированном катализаторе Fe / Mn привело к увеличению образования олефинов (34,1%) и снижению селективности по метану, в то время как результирующая конверсия CO составила 37,4% [40]. Добавление цинкового промотора к железному катализатору. приводит к рассеянию участков железа.Следовательно, конверсия CO увеличивается, а селективность CO 2 снижается. Zhao et al. [41] подготовили железный катализатор, модифицированный цинком, с использованием метода соосаждения для производства легких олефинов из синтез-газа. Картины XRD прокаленных промотированных железных катализаторов показали, что Zn-промотор оказывает значительное влияние на кристаллическую структуру оксидов железа. Кроме того, промотор предотвращает спекание -Fe в процессе восстановления. Они использовали Na + и K + в качестве электронных промоторов и продемонстрировали их положительное влияние на селективность и активность железных катализаторов производства легких олефинов [41].Zhang et al. [42] использовали соосажденные Fe-Zr катализаторы для производства легких олефинов с использованием синтез-газа. Добавление Zr увеличивало частоту вращения (TOF) катализатора, а также его стабильность. Было высказано предположение, что промотирование Zr способствует диспергированию активных кристаллитов при уменьшении размера кристаллов оксида железа. Следовательно, удельная поверхность катализаторов на основе Fe, промотированных Zr, увеличилась. Судя по профилю TPR, катализаторы, промотированные Zr, начали восстанавливаться при более высокой температуре. Наконец, сообщалось, что частицы циркония на поверхности эффективно подавляют способность к гидрированию первичных олефиновых продуктов и увеличивают соотношение олефин / парафин [42].Xu et al. [38] изучали каталитические характеристики катализаторов на основе оксида железа, нанесенных на мезопористый MnO x , легированный серебром, для процесса FTS. Было обнаружено, что промотор Ag увеличивал активность катализатора Fe / MnO x для превращения CO и улучшал селективность по легким олефинам. Промотирование Ag также увеличивает науглероживание восстановленного металлического Fe в карбиды железа при низкой температуре восстановления. Более того, Ag усиливает восстановление MnO x в качестве носителя и обеспечивает больше вакансий O для адсорбции CO, повышая как активность в 1–5 раз, так и селективность по легким олефинам [38].В таблице 6 показаны некоторые катализаторы на основе Fe, используемые в производстве легких олефинов с помощью FTO. Bi и Pb, имеющие температуру плавления (T Pb = 327 ° C; T Bi = 271 ° C) ниже, чем у процесса FT, обеспечивает перспективный контакт с железными катализаторами. Кроме того, Bi и Pb имеют несколько степеней окисления, что приводит к благоприятному окислительно-восстановительному циклу [33]. Эти два промотора снижают селективность C 5 + , при этом распределение продуктов смещается в сторону более легких углеводородов по сравнению со щелочными промоторами [25].Сообщалось, что катализаторы, промотированные Bi и Pb, приводили к увеличению селективности по легким олефинам (60%) при атмосферном давлении. Было обнаружено, что внутренняя активность активных центров карбида железа усиливается в присутствии промоторов, облегчая диссоциацию CO посредством удаления кислорода (рис. 5). Следует отметить, что Gu et al. [25] в аналогичном исследовании оценили роль CNT в качестве опоры. Они сообщили, что селективность катализатора по отношению к легким олефинам значительно увеличилась из-за синергетического эффекта наночастиц железа внутри углеродных нанотрубок, промотированных Bi и Pb.Во-вторых, восстановление и карбидизация железа при атмосферном давлении облегчалось с помощью носителя из УНТ [25]. Для кобальтовых катализаторов на основе оксидных носителей наиболее часто используемыми промоторами являются благородные металлы, оксиды переходных металлов и некоторые оксиды редкоземельных металлов. Наиболее распространенные промоторы для катализаторов FTS на основе Co перечислены в таблице 7, включая Al, Pt, Mn, Zn, La, Ce и Ru. Промотор благоприятно влияет на структуру и дисперсию частиц кобальта, скорости реакции FT и селективность продукта.Что касается катализаторов на основе Co, Nabaho et al. [51] изучали промотирование платины в катализаторах FT на основе кобальта. Pt-промоторы с большей вероятностью улучшат восстанавливаемость катализатора, несмотря на физическое отделение промотора от активного металла. Разделение побочного эффекта водорода было представлено с использованием гибридного катализатора (т.е. смеси Pt / Al 2 O 3 + Co / Al 2 O 3 ). Высокий эффект гидрирования наблюдался при загрузке промотора Pt, превышающей 0,1%, и селективность по CH 4 снижалась при низких загрузках Pt.Зафари и др. [54] сообщили о синергетическом действии промоторов Zn и Ce на характеристики катализатора Co-Mn / SiO 2 в FTS для синтеза олефинов. CeO 2 проявлял уникальные окислительно-восстановительные свойства со способностью переходить из восстановленного состояния (Ce 3+ ) в окисленное состояние (Ce 4+ ), что значительно увеличивало восстанавливаемость катализатора. Результаты показали, что промоторы Zn и Ce повлияли на площадь поверхности, объем пор и распределение пор по размерам, при этом площадь поверхности и объем пор увеличились.Кроме того, промоторы способствовали высокому диспергированию кристаллитов катализатора [54]. Было исследовано влияние Mn, Ce, La и Al на конечную морфологию наночастиц Co 2 C в качестве катализатора FTO [56]. Mn в качестве типичного электронного промотора, образующего соосажденный катализатор CoMn, обеспечивает более высокое покрытие поверхности CO и повышает как активность, так и селективность по олефинам. Сообщалось, что при высокой температуре реакции (260 ° C) добавление Mn в качестве промотора приводило к снижению селективности по метану и увеличению вероятности роста цепи.Селективность по олефину промотированных катализаторов, синтезированных пропиткой, была в порядке: Co / Mn> Co / Ce> Co / La, что было аналогично таковому для непромотированного Co 3 O 4 . Промотирование Mn изменяет хемосорбцию реагентов на катализаторе и увеличивает дисперсию активной фазы. Был сделан вывод, что желаемая морфология достигается совместным осаждением частиц кобальта и промотора Mn в присутствии Na [56]. Li et al. [88] оценили влияние добавления калия на каталитические характеристики науглероженного молибденового катализатора на носителе из оксида алюминия для FTS.Было высказано предположение, что добавление калия увеличивает взаимодействие между молибденом и носителем из оксида алюминия. Более того, селективность в отношении легких олефинов и длинноцепочечных углеводородов повысилась, в то время как скорость реакции FTS снизилась.