НАГРУЖАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТРОСОВОГО ПРИВОДА
LOADING MECHANISM OF THE STAND FOR TESTING THE ROPE DRIVE

Изобретение относится к области машиностроения, к устройствам для испытания механизмов, в частности для испытаний дистанционного тросового привода управления механизмами, например коробками передач, обеспечивающего изменение нагрузки в соответствии с требуемой программой.
Известна конструкция механизма нагружения при испытаниях троса привода управления с использованием штатного механизма, например коробкой передач, для которого разрабатывался испытуемый тросовый привод управления. Например конструкция с использованием штатной коробки передач реализована ф. Excel (приложение 1).
Недостатком указанной конструкции является необходимость наличия всей номенклатуры механизмов, управление которыми предполагается осуществляться тросовым приводом, при этом усилия, которые будут передаваться на трос от этих механизмов, находящихся в статичном положении, не будут соответствовать усилиям, возникающим в динамичной работе механизмов при реальной эксплуатации. В частности, при управлении статической коробкой передач на трос передается только усилие преодоления пружины, фиксирующей нейтральное положение, и сил трения перемещения подвижных элементов, при этом отсутствуют усилия, возникающие при работе синхронизаторов для вращающихся шестеренок ведущего и ведомого валов. Усилия, возникающие при работе синхронизаторов, значительно превышают остальные усилия, возникающие при переключении передач. На графике фиг. 1 представлено различие замеренных усилий, передаваемых на трос, для снятой с грузовика коробки передач и для коробки передач, установленной на работающем автомобиле.
Известна конструкция механизма нагружения при испытаниях троса привода управления с использованием механических элементов, например пружин сжатия или растяжения, противовесов с грузом и другими. Подобная конструкция нагружения реализована в испытательном стенде тросов управления сцеплением и газа мотоцикла [патент на изобретение № CN 101769822 (А), опубликован 07.07.2010], состоящем из натяжного стола, предающего усилие через двойную шарико-винтовую пару на испытуемый трос, датчика перемещения троса в виде электронной оптической линейки и датчика усилия, воспринимаемого тросом.
Недостатком указанной конструкции является ручное изменение параметров нагружения механической регулировкой или установкой дополнительных элементов сопротивления (пружин, грузов и прочего). Датчики перемещения и усилия только собирают и отображают данные испытаний, позволяя проводить лишь их запись и сохранение. Механическое нагружение имеет определенную неизменяемую зависимость усилия от перемещения, не позволяя проводить точную имитацию рабочих параметров управляемого механизма и варьировать их в процессе испытаний (см. график усилий фиг. 1).
Известна конструкция механизма нагружения троса привода управления с использованием тормозных гидравлических или пневматических цилиндров. Указанная конструкция нагружения реализована в стенде для испытаний тросового привода [патент на изобретение № CN 204116042 (U), опубликован 21.01.2015], состоящем из гидроцилиндра, с установленными на штоке датчиками усилия и перемещения, и регулируемого распределительного клапана, переключающего и дросселирующего потоки жидкости в зависимости от направления усилия, воздействующего на шток цилиндра.
Недостатком указанной конструкции является невозможность менять усилия в соответствии с заданной программой или регулировать его без перенастройки клапана, а также необходимость подключения к гидравлической сети или системе подготовки воздуха. На графике фиг. 1 представлено различие замеренных усилий, передаваемых на трос, для системы с тормозным гидроцилиндром, управляемым распределительным клапаном с обратной связью по направлению воздействующего усилия, и для коробки передач, установленной на работающем автомобиле. Из графика видно, что гидравлический тормоз не обеспечивает необходимое различие усилий при включении и выключении передачи для равных скоростей перемещения штока, подсоединенного к наконечнику троса.
В уровне техники известна конструкция механизма нагружения различных приводов электродвигателем, работающим в режиме торможения (http://works.doklad.ru/view/0f68CC3QPzw/3.html), например электромеханических грузоподъемных механизмов при удержании и опускании груза (http://drives.ru/celevye-auditorii/po-otraslyam/krany/, http://www.driveka.ru/resheniya/793.html). Реализация данной конструкции для нагружения тросового привода подразумевает управление электродвигателем переменного тока с помощью частотного преобразователя, задающего требуемый момент сопротивления на валу, и редуктора, преобразующего линейное перемещение наконечника троса в угловое перемещение вала электродвигателя, например шарико-винтовая пара или зубчатая шестерня с рейкой (данная конструкция была выбрана в качестве прототипа).
Недостатком указанной конструкции является невозможность создания точной характеристики нагружения троса в зависимости от типа имитируемого механизма. На графике фиг. 1 показано различие замеренных усилий, передаваемых на трос, для асинхронного электродвигателя, имитирующего работу коробки передач, и для коробки передач, установленной на работающем автомобиле.
Задача заявляемого изобретения состоит в создании универсального нагружающего механизма для испытательного стенда тросовых приводов, позволяющего изменять усилия и характер нагружения в зависимости от требуемых задач.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей испытательного стенда без дополнительного монтажа и переналадки оборудования, позволяющего имитировать различные типы нагружения тросового привода, что позволяет снизить затраты на изготовление и эксплуатацию стенда.
Технический результат достигается механизмом, содержащим асинхронный электродвигатель с электронным блоком управления, который задает усилие сопротивления перемещению, шарико-винтовую пару, преобразующую линейное перемещение троса во вращение вала электродвигателя, датчики усилия и углового перемещения.
Новое заключается в использовании в конструкции нагружающего механизма для стенда испытаний тросового привода частотно-регулируемого следящего электропривода с изменяемыми программируемыми выходными параметрами по моменту сопротивления вращению вала электродвигателя нагружающего механизма (который посредством шарико-винтовой пары преобразуется в усилие сопротивления перемещению троса) взамен стандартной схемы с использованием частотно-регулируемого электропривода (исключающего возможность изменения момента сопротивления вала в процессе работы).
Из существующего уровня техники известен частотно-регулируемый следящий электропривод с программируемыми выходными параметрами (http://mehatronika.narod.ru/stat4.htm), который обеспечивает с заданной точностью тормозящий момент на валу в соответствии с произвольно изменяющимся сигналом управления, где исполнительным механизмом является асинхронный электродвигатель, а в качестве управляющих параметров используется частота и напряжение на статорной обмотке электродвигателя, задаваемых частотным преобразователем (инвертором). Управление частотным преобразователем осуществляется микроконтроллером. Управляющий сигнал микроконтроллера формируется непрерывным согласованием заложенной рабочей программы и выходных сигналов, получаемых обработкой значений с датчиков усилия и перемещения. Применение подобной следящей системы в конструкции механизма нагружения тросового привода, разработанного на основе частотно-регулируемого электропривода, позволяет отслеживать перемещение троса, меняя усилие сопротивления перемещению троса в зависимости от текущего местоположения и направления движения наконечника троса, тем самым позволяя имитировать работу любого механизма, управление которым осуществляется тросовым приводом, по программе, максимально соответствующей требуемым рабочим режимам. Также отличительной особенностью представленной следящей системы для нагружающего механизма испытательного стенда тросового привода является возможность в ходе выполнения заданной программы автоматически переключать электродвигатель из режима торможения в двигательный режим при внезапном неучтенном внешнем воздействии, например при подклинивании шарико-винтовой пары или направляющей, для преодоления данного воздействия при сохранении усилия сопротивления на тросе по требуемой величине и направлению, и автоматический возврат в тормозящий режим при прекращении внешнего воздействия. Таким образом наконечник подсоединенного троса беспрепятственно совершает разнонаправленное движение по установленному алгоритму, но при этом в каждый момент движения преодолевает строго установленную нагрузку, соответствующую рабочим режимам имитируемого нагрузочного механизма, строго отслеживаемую по координате положения, направлению движения, величине и направлению прикладываемой нагрузки сопротивления и корректируемую подтормаживанием или подкручиванием вала электродвигателя, и тем самым позволяя стенду работать в автономном режиме без участия оператора в течение продолжительного отрезка времени, в значительной степени исключив возможность аварийной остановки стенда по перегрузке.
На рисунке фиг. 1 представлен сравнительный график замеров усилий включения/выключения передач для механической коробки передач, установленной на грузовом автомобиле с работающим двигателем, и для различных механизмов, имитирующих работу коробки передач в условиях стендовых испытаний.
На рисунке фиг. 2 представлен сдвоенный механизм нагружения, позволяющий проводить одновременное нагружение двух тросов, например троса выбора и троса переключения передач, по собственным независимым друг от друга программам.
Механизм нагружения стенда для испытаний тросового привода состоит из монтажной плиты 1 с установленными на ней асинхронными электродвигателями 2. Электродвигатели через муфту 3 соединяются с винтами шарико-винтовой пары 4, которые установлены на плите 1 с помощью подшипниковых опор 5 и 6. Соосно винтам установлены датчики углового перемещения (энкодеры) 7. В кронштейны крепления тросов 8 устанавливаются тросы 9 и 10, которые соединяются через кронштейн 11, датчик усилия 12 и пластину 13 с гайкой шарико-винтовой пары 4. Гайка шарико-винтовой пары через пластину 13 дополнительно опирается на подвижную каретку 14 с рельсовой направляющей 15. Управление асинхронными двигателями 2 осуществляется электронным блоком 16 с частотным преобразователем, и контрольной платой, которая обрабатывает и преобразовывает сигналы с энкодеров 7 и датчиков усилия 12, а также согласовывает полученный сигнал с задающей программой и вносит соответствующие корректировки в управление частотным преобразователем электродвигателя.
Устройство работает следующим образом.
В зависимости от типа подсоединяемых тросов на монтажную плиту 1 устанавливают соответствующие кронштейны крепления тросов 8. К кронштейнам 8 крепят тросы 9 и 10, а наконечники тросов подсоединяют к кронштейнам 11. В электронный блок управления загружается требуемая программа, задающая характеристики работы конкретного имитируемого механизма. Положение и направление перемещения наконечников тросов отслеживается энкодерами 7. Сигнал о значении углового перемещения и направлении вращения энкодера передается на контрольную плату блока управления, которая по известной формуле для применяемой шарико-винтовой пары пересчитывает значение углового перемещения в линейное перемещение наконечников тросов 8. После обработки данных контрольная плата, в соответствии с заданной программой значений усилий от перемещения, подает команду на частотный преобразователь асинхронного электродвигателя 2 для создания соответствующего момента сопротивления вращению на валу электродвигателя (и соответственно винта шарико-винтовой пары). Для контроля и корректировки усилия сопротивления перемещению троса используются датчики усилий 12, значения которых непрерывно передаются на контрольную плату блока управления, где по формуле пересчитывается и сравнивается с задаваемым моментом на валу электродвигателя, что позволяет корректировать момент сопротивления вращению, для исключения меняющихся динамических сил трения в шарико-винтовой паре 4, а также, при необходимости, переключаться в двигательный режим для преодоления неучтенных внешних воздействий.
При использовании сдвоенного механизма нагружения реализуется схема имитации механической коробки переключения передач, где трос выбора ряда передач и трос включения передач работают каждый по собственным различным алгоритмам перемещения и воспринимают различные нагрузки. Таким образом механизм нагружения троса включения передач работает по программе, имитирующей нагрузки, возникающие при работе синхронизаторов, а механизм нагружения троса выбора ряда передач работает по программе, имитирующей работу пружин по возврату штока рычага коробки передач в нейтраль, усилия переключения диапазонов демультипликатора и усилия выбора ряда заднего хода.