УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ УПРУГОГО СТЕРЖНЕВОГО ЭЛЕМЕНТА

Полезная модель относится к развертываемым конструкциям преимущественно космического назначения, более конкретно - к стержневым элементам таких конструкций.
Известно устройство формирования упругого стержневого элемента, которое имеет сварную конструкцию с замкнутым чечевицеобразным профилем поперечного сечения (Е.Н.Синельников, А.М.Гордиенко и др. «Перспективы использования упругих профилей проката», Машиностроитель. 2007, №4, с.51-53). В неразвернутом состоянии этот элемент выпрямлен в плоскую двухслойную ленту, намотанную на катушку. В процессе развертывания за счет упругих сил элемент восстанавливает первоначальную форму поперечного сечения и приобретает вид трубчатого стержня, обладающего изгибной жесткостью. Однако в процессе намотки на катушку возможна потеря устойчивости сжатой части ленты, приводящая к образованию неустранимых складок на поверхности стержня в развернутом состоянии и снижению его жесткости.
Кроме того, известно устройство формирования упругого стержневого элемента, используемое для соединения друг с другом двух частей космического аппарата с гравитационной ориентацией (патент США №3,582,020, опубл. 01.06.1971). Данный элемент представляет собой предварительно напряженную пружинящую ленту, намотанную на катушку и принимающую при освобождении (переводе в развернутое состояние) трубчатую форму с нахлестом кромок ленты на друга. Этот элемент фактически не является замкнутым в поперечном сечении, вследствие чего он не обладает жесткостью при воздействии на него осевого крутящего момента и теряет при таком воздействии свою прямолинейную форму.
Известно устройство формирования упругого стержневого элемента, содержащее также аналогичный выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент (патент Российской Федерации №2123459, опубл. 20.12.1998). Этот элемент не обладает жесткостью при воздействии на него осевого крутящего момента и теряет при таком воздействии свою прямолинейную форму. Этот недостаток не устраняется, несмотря на наличие нахлеста продольных кромок ленты друг на друга. Жесткость такой конструкции при действии осевых крутящих моментов зависит от сил трения в зоне нахлеста, которые незначительны и существенно уменьшаются в процессе эксплуатации в условиях космоса при действии высоких положительных температур. При этом работа элемента в выдвинутом (развернутом) состоянии близка к работе трубчатого стержня с незамкнутым профилем, т.е. он практически не воспринимает крутящих моментов, теряя свою прямолинейную форму при их возникновении.
Известно устройство формирования упругого стержневого элемента, используемое преимущественно на объектах космического назначения. Данная конструкция содержит основание, смонтированную на нем с возможностью вращения катушку, намотанную на нее, пружинистую ленту, имеющую в свободном состоянии плоскую форму с параллельными кромками и, выполненными вдоль одной кромки, перфорацией в виде периодически расположенных одинаковых отверстий, а вдоль другой кромки - одинаковыми Т-образными лепестками, средство для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты с наложением указанных лепестков на отверстия указанной перфорации при сматывании пружинистой ленты с катушки, выполненное в виде оправки, а также средство для протягивания пружинистой ленты и вдавливания указанных лепестков в отверстия указанной перфорации с образованием замкового соединения кромок пружинистой ленты в зоне их нахлеста в виде, установленного по ходу протягивания пружинистой ленты, с наружной стороны по отношению к формируемому трубчатому профилю, зубчатого приводного ролика, имеющего такой же период расположения зубьев, как и отверстия указанной перфорации и лепестки (патент Российской Федерации №2412089, опубл. 20.02.2011). В данном устройстве средство для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты представляет собой несколько оправок (минимум две), через отверстия которых протягивается указанная лента, постепенно приобретая трубчатую форму, что необходимо для предотвращения «прохлопывания» упругой ленты, т.е. местной потери устойчивости. В результате данная конструкция в исходном состоянии, так же как и предыдущие известные, имеет большие продольные размеры, что является существенным недостатком при использовании таких конструкций на космических аппаратах. Кроме того, в процессе сворачивания ленты в трубу возможна потеря устойчивости сжатой части ленты, приводящая к образованию неустранимых складок на поверхности стержня в развернутом состоянии и снижению его жесткости.
Устройство формирования упругого стержневого элемента, известное из патента №2412089, наиболее близко к предлагаемому техническому решению.
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении габаритов конструкции при обеспечении жесткости выдвижного упругого трансформируемого стержневого элемента при воздействии на него не только изгибающих усилий, но и крутящих моментов. Ниже при раскрытии сущности изобретения и описании его осуществления и использования, в том числе в частных случаях выполнения, будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом устройстве формирования упругого стержневого элемента, содержащем, основание, смонтированную на нем с возможностью вращения катушку, намотанную на нее, пружинистую ленту, имеющую в свободном состоянии плоскую форму с параллельными кромками и, выполненными вдоль одной кромки, перфорацией в виде периодически расположенных одинаковых отверстий, а вдоль другой кромки - одинаковыми Т-образными лепестками, средство для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты с наложением указанных лепестков на отверстия указанной перфорации при сматывании пружинистой ленты с катушки, включающее в себя оправку, а также средство для протягивания пружинистой ленты и вдавливания указанных лепестков в отверстия указанной перфорации с образованием замкового соединения кромок пружинистой ленты в зоне их нахлеста, включающее в себя, установленный по ходу протягивания пружинистой ленты, с наружной стороны по отношению к формируемому трубчатому профилю, зубчатый приводной ролик, имеющий такой же период расположения зубьев, как и отверстия указанной перфорации и лепестки, оправка средства для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты представляет собой цилиндрический стержень, смонтированный в плоскости, параллельной плоскости основания, и продольная ось которого расположена под углом к продольной оси катушки с лентой. На внешней поверхности цилиндрического стержня оправки выполнены пазы под углом к его продольной оси. Свободный конец ленты обвит вокруг оправки средства для формированиия трубчатого профиля. Т-образные лепестки и отверстия перфорации кромок пружинистой ленты выполнены со смещением относительно друг друга, при этом угол между осью смещения и продольной осью ленты равен углу между осями оправки и катушки. Средство для протягивания пружинистой ленты и вдавливания лепестков в отверстия перфорации снабжено дополнительным протягивающим зубчатым роликом, имеющим такой же период расположения зубьев, как и отверстия указанной перфорации и, установленным на выходе пружинистой ленты с катушки со стороны кромки с перфорацией с заходом зубьев в отверстия перфорации и в один из пазов оправки. Ось вращения дополнительного протягивающего ролика параллельна оси вращения катушки и соединена с приводом протягивающего и вдавливающего ролика, при этом оба они синхронизированы по фазе вращения. Ролик протягивания и вдавливания расположен на выходе ленты с оправки, с заходом его зубьев во второй паз оправки и его ось вращения также параллельна оси катушки.
Кроме того, средство для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты может быть снабжено, по меньшей мере, двумя обжимными роликами, расположенными перпендикулярно к винтовой линии ленты, между зубчатыми роликами средства для протягивания пружинистой ленты и вдавливания лепестков в отверстия перфорации.
Предложенное расположение и выполнение оправки позволяет получить, стержневой элемент с закрученной по спирали линией нахлеста, что обеспечивает его жесткость при воздействии не только изгибающих усилий, но и крутящих моментов при значительно большей длине полученного стержневого элемента по сравнению с прототипом. Кроме того, если в прототипе для сворачивания ленты в трубу с продольным швом, необходимо несколько (как минимум две) оправок, для последовательного обжатия и предотвращения «прохлопывания» упругой ленты (местной потери устойчивости), в предлагаемом варианте достаточно одной оправки, вокруг которой будет обматываться упругая лента без растягивающих и сжимающих усилий в плоскости полотна ленты, при переходе от ленты к трубчатому стержню. Уменьшение цепочки последовательных обжимающих оправок делает предложенную конструкцию более компактной, уменьшается ее вес, полностью исключается возможность «прохлопывания» (местной потери устойчивости плоской ленты при сворачивании последней в бесконечную трубу с продольным швом). Кроме того, в рассматриваемом случае можно обойтись без специального средства для раскрытия замкового соединения, поскольку при обратном сворачивании стержневого элемента между кромками ленты возникают расстегивающие силы. При "спиральной навивке" трансформируемого стержневого элемента устанавливается определенная зависимость между шириной ленты, углом смещения застежек и конечным диаметром стержневого элемента, что значительно расширяет область конструктивного исполнения стержневых элементов. При малой ширине ленты можно получать стержни большого диаметра. Помимо этого, при формировании стержневого элемента с винтовой линией нахлеста, в процессе его выдвижения, его свободный конец совершает вращательное движение относительно своей оси, что при установке на нем, например, камеры наблюдения дает возможность получить круговой обзор.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - вид сбоку предлагаемой конструкции;
- на фиг.2 - то же, вид сверху;
- на фиг.3 - фрагмент пружинистой ленты с перфорацией и лепестками.
Предлагаемое устройство содержит пружинистую ленту 1, намотанную на катушку 2. Последняя установлена с возможностью вращения вокруг оси 3 на опоре 4, размещенной на основании 5. Пружинистая лента 1 в свободном состоянии имеет плоскую форму с параллельными кромками 6, 7 (см. фиг.3, где показано предпочтительное выполнение пружинистой ленты), и имеет вдоль кромки 6 перфорацию в виде периодически расположенных одинаковых отверстий 8, а вдоль кромки 7 - расположенные таким же образом лепестки 9. Отверстия 8 и лепестки 9 расположены вдоль кромок 6 и 7 ленты 1 с постоянным периодом. Каждый из лепестков 9 выполнен Т-образной формы и представляет собой перекладину 10, ориентированную вдоль кромки 7 пружинистой ленты 1 и соединенную в своей средней части с этой кромкой ножкой 11, перпендикулярной к кромке 7 ленты 1. В указанном предпочтительном случае выполнения, отверстия 8 перфорации кромки 6 пружинистой ленты 1 имеют форму прямоугольников со сторонами, параллельными и перпендикулярными кромке 6. Такое выполнение технологично и вместе с тем обеспечивает надежное замковое соединение кромок пружинистой ленты 1 и простое размыкание этого соединения.
2
1
2
1
3
1
При этом размер b перекладины 10 в продольном (т.е. параллельном кромке 7) направлении превышает размер b отверстий 8 перфорации в этом направлении, а размер h перекладины 10 в поперечном (перпендикулярном указанному) направлении - менее размера h отверстий 8 перфорации в этом направлении. Ширина b ножки 11 должна быть меньше размера b отверстия 8 перфорации в продольном направлении. Т-образные лепестки 9 и отверстия 8 перфорации кромок пружинистой ленты 1 выполнены со смещением относительно друг друга. На основании 5 смонтировано также средство 12 для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты 1 при сматывании ее с катушки 2 с, выполненным по винтовой линии, нахлестом кромок 6, 7 ленты 1 друг на друга при одновременном наложении лепестков 9 на отверстия 8 перфорации. В показанном на фиг.1 и 2 случае, средство 12 выполнено в виде оправки 13, которая представляет собой, расположенный в плоскости, параллельной плоскости основания 5, круглый цилиндрический стержень, с продольной осью 14, при этом ось 14 образует с продольной осью 3 катушки 2 угол φ и в исходном состоянии свободный конец ленты 1 намотан на оправку 13. Этому же углу φ равен угол между продольной осью 15 ленты 1 и осью смещения 16 относительно друг друга Т-образных лепестков 9 и отверстий 8 перфорации ленты 1. На внешней поверхности оправки 13 выполнены пазы 17, под углом (90°-φ) к оси 14 оправки 13. Для протягивания пружинистой ленты 1 и образования замкового соединения кромок 6, 7 ленты 1 предназначено средство 18, выполненное в виде двух зубчатых роликов: ролика 19 с осью 20 вращения, параллельной оси 3 вращения катушки 2 и ролика 21, ось которого также параллельна оси 3 катушки 2. Ролик 19 предназначен для протягивания ленты 1 и вдавливания лепестков 9 в отверстия 8 ленты 1, ролик 21 - протягивает ленту 1 с катушки 2 на оправку 13. Шаг зубьев роликов 19 и 21 соответствует периоду расположения отверстий 8 и лепестков 9. Ролик 19 установлен с наружной стороны по отношению к трубчатому профилю 22, формируемому средством 12, с заходом в один из пазов 17 оправки 13, на выходе с нее, таким образом, что его зубья могут взаимодействовать с отверстиями 8 перфорации ленты 1 и лепестками 9, вдавливая лепестки 9 в отверстия 8, образуя замковое соединение (элементы крепления роликов 19 и 21 к основанию 5 и их привод на чертежах не показаны). Ролик 21 расположен на входе ленты 1 с катушки 2 на средство 12 со стороны кромки с отверстиями 8, с заходом его зубьев в другой паз 17 оправки 13 и отверстия 8 перфорации ленты 1, протягивая ее вдоль оправки 13. Оба ролика 19 и 21 приводятся во вращение от единого привода (на фиг.1 и 2 не показан) и синхронизированы по фазе вращения.
Средство 12 может быть снабжено (в зависимости от материала пружинистой ленты 1), по меньшей мере, двумя, установленными последовательно по направлению протягивания (справа налево по фиг.1 и 2) пружинистой ленты 1 прижимными роликами 23 и 24, оси которых перпендикулярны к винтовой линии нахлеста ленты 1, между зубчатыми роликами 19 и 21 средства 18 для протягивания пружинистой ленты 1 и вдавливания лепестков 9 в отверстия 8 перфорации ленты 1 (элементы крепления роликов 23 и 24 не показаны).
Предложенная конструкция работает следующим образом. В исходном состоянии свободный конец пружинистой ленты 1 обернут вокруг цилиндрического стержня оправки 13 устройства 12 для формирования трубчатого профиля ленты 1, при этом зубчатый ролик 21 средства 18 своими зубьями находится в зацеплении с отверстиями 8 перфорации ленты 1, а зубья ролика 19 средства 18 в зацеплении с отверстиями 8 перфорации и лепестками 9, продавливая последние в указанные отверстия 8, расположенные над пазом 17 оправки 13. При включении привода (не показан) роликов 19 и 21, они начинают синхронно вращаться, при этом ролик 21, вращаясь, цепляет следующие отверстия 8, сматывает ленту 1 с катушки 2 и подает ее на оправку 13. Поскольку оправка 13 расположена под углом к продольной оси 15, лента 1 продвигается вдоль оправки 13 по винтовой линии, перекладины 10 лепестков 9 накрывают отверстия 8 ленты 1 и, попадая под зубья ролика 19, вдавливаются ими в указанные отверстия 8, после выхода из зацепления очередного отверстия 8 с зубом ролика 19, вдавленный в отверстие 8 лепесток 9, находясь уже внутри сформированного трубчатого профиля 22, расправляется и обеспечивает надежное замковое соединение кромок 6, 7 пружинистой ленты 1. По мере формирования замкового соединения кромок 6 и 7 ленты 1, в средство 12 для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты 1 втягиваются новые участки этой ленты 1, и к ролику 19 средства 18 подаются новые участки сформированного профиля из средства 12. В итоге, после прохождения профилем ролика 19 (принадлежащего средству 18 и вдавливания перекладин 10 лепестков 9 в отверстия 8 перфорации ленты 1), левее (по фиг.1 и 2) него, образуется выдвигаемый упругий трансформируемый стержневой элемент 22 с замкнутым трубчатым профилем и надежно скрепленным нахлестом кромок по винтовой линии.
В случае если лента 1 выполнена из материала с высокими упругими свойствами и жесткостью, чтобы обеспечить ее более плотное прилегание к поверхности оправки 13, между роликами 19 и 21 могут быть смонтированы прижимные ролики 23 и 24, оси которых перпендикулярны к винтовой линии ленты 1, и не дающие ее кромкам 6 и 7 расходиться в процессе продвижения от ролика 21 к ролику 19.
Кроме того, если в прототипе для сворачивания ленты в трубу с продольным швом, необходимо несколько (как минимум две) оправок, для последовательного обжатия и предотвращения «прохлопывания» упругой ленты (местной потери устойчивости), в предлагаемом устройстве достаточно одной оправки, вокруг которой будет обматываться упругая лента без растягивающих и сжимающих усилий в плоскости полотна ленты, при переходе от ленты к трубчатому стержню. Уменьшение цепочки последовательных обжимающих оправок делает предложенную конструкцию более компактной, обеспечивая жесткость трубчатого элемента при воздействии не только изгибающих усилий, но и крутящих моментов полностью исключается возможность «прохлопывания» (местной потери устойчивости плоской ленты при сворачивании последней в бесконечную трубу с продольным швом). Кроме того, в рассматриваемом случае можно обойтись без специального средства для раскрытия замкового соединения, поскольку при сворачивании стержневого элемента между кромками ленты возникают расстегивающие силы, что также обеспечивает снижение веса и габаритов конструкции. При "спиральной навивке" трансформируемого стержневого элемента устанавливается определенная зависимость между шириной ленты, углом смещения застежек и конечным диаметром стержневого элемента, что значительно расширяет область конструктивного исполнения стержневых элементов. При малой ширине ленты можно получать стержни большого диаметра. Помимо этого, при формировании стержневого элемента с винтовой линией нахлеста, в процессе его выдвижения, его свободный конец совершает вращательное движение относительно своей оси, что при установке на нем, например, камеры наблюдения дает возможность получить круговой обзор.
Устройство по предлагаемому изобретению может быть использовано в разнообразных трансформируемых космических конструкциях, содержащих стержневые элементы, например, в качестве мачты для крепления выносных приборов на космических аппаратах, при развертывании орбитальных антенн, панелей солнечных батарей и другого оборудования, для которого требуется доставка к местам функционирования в компактном состоянии и которое при функционировании может иметь значительные размеры.