ПРИВОД, СОДЕРЖАЩИЙ СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК, ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В ДВИЖЕНИЕ КОЛЬЦЕВОЙ ШЕСТЕРНИ
ACTUATOR CONTAINING OVERLOAD PROTECTION DEVICE AND DESIGNED FOR ACTUATION OF ANNULAR GEAR

Настоящее изобретение относится к приводу для приведения в движение или торможения кольцевой шестерни, содержащему двигатель или устройство торможения, трансмиссию и выходной вал, на котором установлено зубчатое колесо для приведения в движение ведомой кольцевой шестерни.
Такие приводы используют, например, для приведения в действие поворотных или вращательных механизмов, в частности, для приведения в действие поворотного механизма ветровой турбины, крана или экскаватора. Кольцевая шестерня имеет зубья на наружной или внутренней поверхности, зацепляющиеся с зубьями зубчатого колеса. Посредством приведения в движение зубчатого колеса выходным валом можно привести в движение кольцевую шестерню. Кольцевые шестерни также используют для приведения в действие лебедок, в частности крановых лебедок.
Для приведения в движение кольцевой шестерни также можно параллельно использовать множество приводов, если требуется большая движущая сила.
Для таких приводов известны средства защиты от перегрузок, например, в виде предохранительных фрикционных муфт или заданных разрушаемых точек, располагаемых между двигателем и трансмиссией. Таким образом, ограничивается поток крутящего момента от приводного двигателя в направлении выходного вала или от трансмиссии обратно к двигателю.
Однако при использовании известных приводов нельзя гарантировать оптимальную защиту от перегрузок. Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание привода для приведения в движение кольцевой шестерни с улучшенной защитой от перегрузок.
Согласно изобретению, данная задача решается посредством создания привода для управления кольцевой шестерней, содержащего двигатель, трансмиссию и выходной вал, на котором установлено зубчатое колесо для приведения в движение кольцевой шестерни, причем привод включает в себя средство защиты от механических перегрузок, расположенное между последним элементом трансмиссии и коренным подшипником выходного вала, при этом зубчатое колесо установлено на концевом участке выходного вала и зацепляется с кольцевой шестерней.
Благодаря расположению средства защиты от перегрузок между трансмиссией и зубчатым колесом, согласно принципам изобретения, поток крутящего момента от выходного вала к приводному двигателю можно отслеживать даже в случае заклинивания трансмиссии. Средство защиты от перегрузок согласно изобретению обеспечивает защиту зубьев кольцевой шестерни или зубчатого колеса от поломки вследствие перегрузки при отказе или сбое работы трансмиссии. Средство защиты от перегрузок расположено позади всех элементов трансмиссии, так что в случае заклинивания трансмиссии это средство обеспечивает то, чтобы при наличии потока крутящего момента от кольцевой шестерни к зубчатому колесу зубья были защищены от поломки вследствие перегрузки. Известные приводы не могут обеспечить такую защиту зубьев кольцевой шестерни, и поломка зубьев вследствие перегрузки может повлечь за собой серьезные повреждения.
Средство защиты от перегрузок расположено после всех элементов трансмиссии, которые могут отказать, таких как зубчатые колеса, планетарные болты или стопорные кольца. Это обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что элементы трансмиссии могут иметь меньший размер, поскольку их поломка уже не приведет к полной поломке установки. Кроме того, необходимость в очень тщательной проверке всех элементов, расположенных перед средством защиты от перегрузок, во время соответствующих операций сборки и перед ними, может быть уменьшена, так как поломка упомянутых элементов уже не приведет к сильному повреждению кольцевой шестерни.
Предпочтительно, средство защиты от перегрузок расположено между трансмиссией и коренным подшипником выходного вала. В результате, средство защиты от перегрузок оказывается в той точке, где присутствует лишь один вид нагрузки. В частности, там есть только лишь крутящий момент в чистом виде, так что изгибающие нагрузки не могут повлиять на результат. Это обеспечивает точность защиты от перегрузок. Кроме того, расположение средства защиты от перегрузок между трансмиссией и коренным подшипником выходного вала гарантирует то, что выходной вал останется установленным в подшипнике даже при приведении в действие средства защиты от перегрузок и, следовательно, не сможет повредить никакие другие элементы привода.
Предпочтительно, средство защиты от перегрузок выполнено в виде заданной разрушаемой точки. Такая заданная разрушаемая точка обеспечивает очень дешевую защиту от перегрузок. Заданная разрушаемая точка разрушается при приведении в действие средства защиты от перегрузок. При этом потери являются относительно малыми, так как сама кольцевая шестерня не повреждается. Кроме того, в случае заклинивания трансмиссии привод в любом случае подлежит замене или ремонту.
Предпочтительно, средство защиты от перегрузок представляет собой заданную разрушаемую точку выходного вала. Это обеспечивает как экономию пространства, так и недорогое техническое решение для защиты от перегрузок. Предпочтительно, заданная разрушаемая точка расположена в выходном валу между трансмиссией и коренным подшипником выходного вала.
Предпочтительно, заданная разрушаемая точка реализована сужением поперечного сечения вала. Такое сужение поперечного сечения позволяет обеспечить простую и недорогую реализацию средства защиты от перегрузок. Благодаря расположению средства защиты от перегрузок согласно изобретению заданная разрушаемая точка нагружена только лишь одним способом, например, только крутящим моментом, так что возможна защита от перегрузок определенного типа.
В соответствии с конструкцией средства защиты от перегрузок согласно изобретению поперечное сечение испытывает практически постоянные напряжения. Момент сопротивления на упомянутом сужающемся участке поперечного сечения можно с легкостью выбирать и оптимизировать по соотношению предела текучести и предела прочности.
Предпочтительно, заданная разрушаемая точка реализована сужением поперечного сечения выходного вала. Сужение поперечного сечения предпочтительно расположено между последним элементом трансмиссии и коренным подшипником выходного вала.
Вал предпочтительно содержит выемку в наружной периферии в области заданной разрушаемой точки. Посредством такой выемки можно реализовать заданное сужение поперечного сечения. Фактор выемки, необходимый для достижения необходимой усталостной прочности, можно получить при помощи монтажного радиуса.
Кроме того, вал предпочтительно содержит просверленное внутри отверстие в области заданной разрушаемой точки. В результате излом при кручении в заданной разрушаемой точке не приведет к разъединению двух частей вала, так как пустотелый участок поперечного сечения в случае излома при кручении станет пластичным.
В области заданной разрушаемой точки вал может быть как мягким, так и поверхностно упроченным. Необходимо лишь обеспечить, чтобы защита от перегрузок самого средства защиты от перегрузок была меньше предельно безопасной нагрузки для зубьев.
Предпочтительно, однако, чтобы вал не был поверхностно упрочнен, по меньшей мере, в области заданной разрушаемой точки. Мягкость материала вала позволяет обеспечить более простую конструкцию заданной разрушаемой точки. Недостаток твердости верхнего слоя упрощает конструкцию, так как разброс величин прочности материала меньше. Таким образом, конструкцию легче приспособить к конкретному крутящему моменту.
В качестве альтернативы сужающемуся поперечному сечению вала заданная разрушаемая точка также может быть реализована срезными штифтами.
В качестве альтернативы средство защиты от перегрузок также может быть реализовано фрикционной или расцепной муфтой. Такие конструкции обладают тем преимуществом, что элементы привода, такие как выходной вал, не разрушаются. Однако они также являются более дорогими.
Согласно изобретению, порог перегрузки для средства защиты от перегрузок, в частности порог поломки для заданной разрушаемой точки, предпочтительно меньше, чем порог поломки зубьев зубчатого колеса и/или кольцевой шестерни. Это гарантирует реакцию средства защиты от перегрузок в случае заклинивания трансмиссии до того, как произойдет поломка зубьев зубчатого колеса и/или кольцевой шестерни вследствие перегрузки.
Кроме того, привод согласно изобретению, предпочтительно, включает в себя общий корпус для трансмиссии, средства защиты от перегрузок и корневого подшипника выходного вала, т.е. трансмиссию и выходной вал устанавливают в одном корпусе. Таким образом, средство защиты от перегрузок может быть расположено в общем корпусе между трансмиссией и коренным подшипником.
Корпус предпочтительно имеет маслонепроницаемую конструкцию. Благодаря конструкции средства защиты от перегрузок согласно изобретению корпус остается маслонепроницаемым даже при приведении в действие средства защиты от перегрузок, в частности, в случае разрушения заданной разрушаемой точки, так как уплотнения корпуса не повреждаются приведением в действие средства защиты от перегрузок. В частности, масляное уплотнение расположено в области коренного подшипника выходного вала.
Кроме того, согласно настоящему изобретению создан комплект из двух или более вышеупомянутых приводов, образующих общий привод для кольцевой шестерни. Средства защиты от перегрузок согласно изобретению обеспечивают, чтобы в случае заклинивания одного из приводов зубья кольцевой шестерни не были повреждены усилиями других приводов или внешними нагрузками. При возникновении перегрузки, например, из-за заклинивания трансмиссии привода, неисправный привод выходит из зацепления с кольцевой шестерней при приведении в действие средства защиты от перегрузок, но остается другой привод, обеспечивающий приведение в движение кольцевой шестерни или защиту от неуправляемых перемещений.
Кроме того, настоящее изобретение включает в себя устройство с кольцевой шестерней, управляемой упомянутым, по меньшей мере, одним приводом согласно изобретению. Также, настоящее изобретение включает в себя устройство с кольцевой шестерней, управляемой упомянутыми, по меньшей мере, двумя приводами, как упомянуто выше. Это также обеспечивает вышеупомянутые преимущества.
В частности, кольцевая шестерня может являться частью поворотного механизма, посредством которого один узел устройства вращается или поворачивается относительно другого узла. В частности, данная кольцевая шестерня является частью поворотного механизма ветровой турбины, посредством которого гондола или лопатка может вращаться вокруг вертикальной оси вращения.
Кроме того, настоящее изобретение может использоваться в рабочей машине, в частности в подвижной рабочей машине. Например, это может быть поворотный механизм крана или экскаватора, с помощью которого вращается башня или салазки крана.
В частности, настоящее изобретение предпочтительно используется в поворотных механизмах, управляемых двумя и более приводами.
Кольцевая шестерня также может служить для приведения в движение лебедки. В частности, в лебедках с наружной кольцевой шестерней, управляемой одним или более приводами, кольцевая шестерня может быть защищена от поломки зубьев. В данном случае приводы согласно изобретению также предпочтительно используются в тех случаях, когда для управления кольцевой шестерней задействованы, по меньшей мере, два привода.
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылкой на варианты его осуществления и чертежи, на которых:
Фиг.1 - первый вариант осуществления устройства согласно изобретению с кольцевой шестерней и множеством приводов согласно изобретению для управления кольцевой шестерней;
Фиг.2 - вид в разрезе первого варианта осуществления привода согласно изобретению;
Фиг.3 - вид в разрезе второго варианта осуществления привода согласно изобретению;
Фиг.4 - третий вариант осуществления привода согласно изобретению;
Фиг.5 - четвертый вариант осуществления привода согласно изобретению;
Фиг.6 - пятый вариант осуществления привода согласно изобретению;
Фиг.7 - шестой вариант осуществления привода согласно изобретению; и
Фиг.8 - седьмой вариант осуществления привода согласно изобретению.
На Фиг.1 представлен вариант осуществления устройства согласно изобретению. Обеспечено множество приводов 1 согласно изобретению, которые совместно управляют кольцевой шестерней 2. Каждый из приводов 1 включает в себя двигатель 3, причем в данном варианте осуществления - гидравлический двигатель. В качестве альтернативы можно также использовать другие двигатели, в частности электродвигатели. Каждый из приводов также содержит трансмиссию и выходной вал, которые установлены в общем корпусе 10. На выходном валу установлено зубчатое колесо 6, которое зацепляется с кольцевой шестерней 2. Зубья 7 зубчатых колес 6 сцеплены с зубьями 8 кольцевой шестерни. Приводы 1 могут быть установлены на устройстве посредством монтажного фланца. Кольцевая шестерня 2 имеет кольцевую форму и содержит зубья 8 на наружной стороне. Кольцевая шестерня также может содержать внутренний зубчатый венец.
В показанном на Фиг.1 варианте осуществления имеется три привода для кольцевой шестерни 2. Однако, как вариант, приводов может быть лишь один или два. Также потенциально можно применять более трех приводов. В ветровых турбинах, например, известны варианты осуществления с восемью и более приводами.
Устройство согласно изобретению, в частности, может быть ветровой турбиной, причем кольцевая шестерня 2 служит для вращения гондолы вокруг вертикальной оси вращения. Кольцевая шестерня 2 также может являться частью поворотного механизма рабочей машины, в частности, крана или экскаватора. Например, это может быть опорно-поворотный круг, с помощью которого салазки крана или экскаватора вращаются относительно ходовой части. Это также может быть опорно-поворотный круг, с помощью которого стрела, башня или салазки крана вращаются относительно опоры крана. Кроме того, кольцевая шестерня 2 также может служить для управления лебедкой с внешним приводом, в частности, канатной лебедкой крана.
В таких устройствах кольцевая шестерня 2 является чрезвычайно дорогостоящей как в изготовлении, так и в сборке, поэтому повреждения зубьев 8 кольцевой шестерни приводят к большим денежным потерям. Следовательно, согласно изобретению, привод 1 снабжен средством защиты от перегрузок. Для защиты зубьев 8 кольцевой шестерни от поломки в случае заклинивания трансмиссии одного из приводов, а также в случае потока крутящего момента от кольцевой шестерни 2 к приводу, средство защиты от перегрузок расположено между трансмиссией и зубчатым колесом 6. Следовательно, величина крутящего момента средства защиты от перегрузок меньше величины крутящего момента всех остальных элементов цепочки передачи сил в приводе, в частности, меньше предела прочности защищаемых зубьев 7, 8.
В случае заклинивания трансмиссии и перегрузки по крутящему моменту от кольцевой шестерни 2 в направлении привода средство защиты от перегрузок приводится в действие и защищает зубья 8 кольцевой шестерни от поломки вследствие перегрузки. Упомянутая передача потока крутящего момента от кольцевой шестерни 2 к приводу может произойти, в частности, когда внешние усилия, такие как сила ветра или нагрузка, действуют на кольцевую шестерню, или когда один из нескольких приводов заклинивает, а оставшиеся все еще продолжают передавать крутящий момент.
В частности, средство защиты от перегрузок расположено после всех элементов трансмиссии, которые могут отказать, таких как зубчатые колеса, планетарные болты или стопорные кольца. Таким образом, элементы трансмиссии, расположенные перед средством защиты от перегрузок, могут иметь меньший размер, что приводит к снижению затрат. Возможно уменьшение размера элементов трансмиссии, так как их отказ уже не может привести к полной поломке установки. Кроме того, необходимость в очень тщательной проверке всех элементов трансмиссии и всех элементов, расположенных перед средством защиты от перегрузок, во время соответствующих операций сборки и перед ними, может быть уменьшена, так как поломка упомянутых элементов уже не приведет к серьезному повреждению.
На Фиг.2-8 представлены различные варианты осуществления привода согласно изобретению. Все варианты осуществления включают в себя двигатель 3 и трансмиссию 4, приводимую в действие двигателем 3. Двигатель 3 и трансмиссия 4 показаны схематично. Трансмиссия 4, в свою очередь, приводит в движение выходной вал 5, на котором установлено зубчатое колесо 6. Выходной вал 5 установлен в коренном подшипнике 9, который в данном варианте осуществления состоит из двух подшипников, в частности, из двух шариковых или роликовых подшипников. Средство защиты от перегрузок предпочтительно расположено между последним элементом 14 трансмиссии и коренным подшипником 9 выходного вала.
Благодаря расположению между трансмиссией и коренным подшипником средство защиты от перегрузок находится именно в том месте, где нагрузка состоит из одного лишь крутящего момента. Таким образом, изгибные нагрузки не могут повлиять на результат, так что можно регулировать только предел крутящего момента. Кроме того, трансмиссия остается маслонепроницаемой, несмотря на приведение в действие средства защита от перегрузок, так как уплотнение не повреждается, например, при переломе заданной разрушаемой точки.
Трансмиссия 4 включает в себя корпус 10, в котором также установлен выходной вал 5 посредством коренного подшипника 9. Для этого имеются опорные элементы 12, на которых установлены подшипники, входящие в состав коренного подшипника 9. Таким образом, средство защиты от перегрузок расположено между трансмиссией и коренным подшипником 9 внутри корпуса 10. Масляное уплотнение 13 расположено в области коренного подшипника, в данном варианте осуществления - между двумя подшипниками, составляющими коренной подшипник.
На Фиг.2 показан первый вариант осуществления, в котором средство защиты от перегрузок реализовано заданной разрушаемой точкой 20. Заданная разрушаемая точка 20 выполнена в выходном валу 5 и расположена между соединительным участком 15 соединения с последним элементом 14 трансмиссии и опорным участком коренного подшипника 9 на выходном валу 5. Заданная разрушаемая точка 20 реализована сужением в поперечном сечении выходного вала 5. С этой целью в наружной окружности вала выполнена выемка, с помощью которой образован участок уменьшенного сечения 5 выходного вала. Кроме того, выходной вал 5 включает в себя осевое отверстие 21 в области заданной разрушаемой точки 20.
Выходной вал 5 выполнен из мягкого материала, так как недостаточная твердость верхнего слоя упрощает конструкцию и уменьшает диапазон значений прочности материала. В результате, данную конструкцию легко приспособить к конкретному крутящему моменту. Однако, как вариант, возможна и конструкция выходного вала 5 с упрочненным верхним слоем. Необходимо лишь обеспечить, чтобы порог разрушения заданной разрушаемой точки 20 был меньше предельно безопасной нагрузки для защищаемых зубьев 7, 8.
Уменьшенное поперечное сечение вала испытывает практически постоянные напряжения, так что можно легко регулировать заданный порог разрушения. Момент сопротивления легко выбрать и оптимизировать по соотношению предела текучести и предела прочности. Фактор выемки, необходимый для достижения необходимой усталостной прочности, можно получить при помощи монтажных радиусов. Так как вал содержит просверленное внутри отверстие в области заданной разрушаемой точки, возможный излом при кручении не приводит к разделению двух частей, так как поперечное сечение является пластичным.
На Фиг.3-8 показаны дополнительные варианты осуществления средства защиты от перегрузок согласно изобретению, которое аналогичным образом расположено после всех элементов трансмиссии и перед корневым подшипником выходного вала, и, следовательно, предохраняет кольцевую шестерню в случае заклинивания трансмиссии, аналогично первому варианту осуществления.
На Фиг.3 представлен вариант осуществления, в котором средство защиты от перегрузок реализовано срезными штифтами. Срезные штифты 22 расположены между последним элементом 14 со стороны трансмиссии и элементом 23 со стороны выходного вала, который без возможности вращения соединен с выходным валом 5 в соединительном участке 24. Срезные штифты имеют заданные разрушаемые точки 22.
В варианте осуществления, показанном на Фиг.4, заданная разрушаемая точка 25 выполнена в соединительном элементе 23, который без возможности вращения соединен с выходным валом 5 в соединительном участке 24. Разрушаемая точка 25 реализована сужением в поперечном сечении соединительного элемента 23. Соединительный элемент 23 соединен с последним элементом 14 со стороны трансмиссии посредством винтовых соединений 26.
На каждой из Фиг.5 и 6 представлены варианты осуществления с предохранительными фрикционными муфтами, посредством которых реализована защита от перегрузок. С этой целью выходной вал 5 и последний элемент 14 со стороны трансмиссии соединены между собой фрикционным соединением посредством зажимного устройства, при этом результатом фрикционного соединения является наличие в соединении предела нагрузки, при превышении которого зажимное устройство разъединяется.
В варианте осуществления, показанном на Фиг.5, имеется зажимной винт 27, посредством которого прижимные элементы конического сечения прижаты к соответствующему пазу 28 зажима, расположенному между выходным валом 5 и последним элементом 14 со стороны трансмиссии. Прижимные элементы представляют собой зажимные кольца, которые перемещаются друг к другу при помощи зажимного винта.
В варианте осуществления, показанном на Фиг.6, соединительный участок 31 выходного вала имеет вид конуса, зажатого в конусном отверстии в последнем элементе 14 со стороны трансмиссии. Для этого используются винты 29, которые сцепляются с шейкой выходного вала 5 и толкают прижимную планку 30 к соответствующей нажимной поверхности на последнем элементе 14 со стороны трансмиссии.
В средствах защиты от перегрузок согласно Фиг.5 и 6, защита от перегрузок обеспечивается тем, что соответствующие посадки с натягом могут передавать лишь заданный крутящий момент, а при превышении данного момента образуют сцепление.
На Фиг.7 и 8, в свою очередь, в качестве средства защиты от перегрузок используется расцепная муфта. В представленном на Фиг.7 варианте осуществления расцепная муфта реализована дисковой пружиной 33, которая в сцепленном состоянии удерживает шарики 34 посредством прижимного кольца 32 таким образом, что шарики 34 создают принудительное соединение между последним элементом 14 со стороны трансмиссии и соединительным элементом 31, установленным без возможности вращения на выходном валу 5. В сцепленном состоянии шарики 34 расположены в выемках 35, 36 в последнем элементе 14 со стороны трансмиссии или в соединительном элементе 31.
При превышении заданного крутящего момента шарики 34 выталкиваются из гнезда 35 в последнем элементе 14 со стороны трансмиссии, преодолевая силу дисковых пружин 33, и принудительное соединение разъединяется. Обеспечены винты 29, которые посредством планки 30 создают неподвижное соединение между выходным валом 5 и последним элементом 14 со стороны трансмиссии в осевом направлении.
С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на Фиг.8, принудительное соединение между последним элементом 14 со стороны трансмиссии и соединительным элементом 37 со стороны выходного вала образовано тем, что выступы одного элемента зацепляются с гнездами другого. В частности, это может быть реализовано соответствующими зацепляющимися между собой зубьями 35 и 38.
Соединительный элемент 37, в свою очередь, сцеплен с выходным валом 5 без возможности вращения, но подвижен в продольном направлении и прижат к последнему элементу 14 со стороны трансмиссии пружиной 38. При превышении заданного крутящего момента соединительный элемент отталкивается от последнего элемента 14 со стороны трансмиссии, преодолевая силу пружины 38, и тем самым принудительное соединение разъединяется.
Благодаря расположению средства защиты от перегрузок между трансмиссией и коренным подшипником выходного вала, настоящее изобретение обеспечивает надежную защиту от перегрузок кольцевой шестерни, управляемой приводом, что позволяет избежать серьезных повреждений в случае заклинивания трансмиссии.