Линейный привод
LINEAR DRIVE

Изобретение относится к приводной технике, в частности к линейным приводам. Изобретение может быть использовано для перемещения различных предметов и узлов оборудования как по прямолинейной, так и по криволинейной траектории.
Из уровня техники известны конструкции линейных приводов (другое название - линейный актуатор) в которых вращение вала электродвигателя преобразуется в линейное движение за счет применения винтового вала с перемещающейся по нему гайкой, с которой связан подвижный элемент актуатора - шток (актуаторы штокового типа), каретка (актуаторы кареточного типа) и т.д. Как правило, линейные актуаторы имеют две точки крепления к сопрягаемому с ними оборудованию, одной из которых является отверстие в хвостовике корпуса линейного актуатора, а второй – отверстие в подвижном элементе актуатора – штоке или каретке актуатора.
Наиболее распространенными являются линейные актуаторы штокового типа. Один из вариантов актуатора штокового типа представлен в патенте USD776729S1, USPC D15/143, опубликованном 17.01.2017г.
Благодаря разнообразию и универсальности штоковых актуаторов области их применения очень обширны – приводы для различных конструкций, мебели, медицинской техники, промышленного оборудования. Они также используются в качестве приводов клапанов в трубопроводных и вентиляционных системах. Наиболее распространены линейные актуаторы штокового типа, которые способны создавать значительное усилие для перемещения штока и механически связанного с ним оборудования и сопротивляться значительным механическим нагрузкам, действующим на шток в направлении его перемещения. Однако для большинства линейных актуаторов штокового типа не допускается воздействия на выдвигающийся шток боковых механических нагрузок, то есть механических нагрузок, действующих перпендикулярно направлению перемещения штока линейного актуатора. И хотя противодействие незначительным боковым механическим нагрузкам может осуществляться за счет корпуса линейного актуатора, тем не менее, большинство линейных штоковых актуаторов непригодны для перемещения оборудования и механизмов, если в процессе их работы на актуатор будут действовать боковые механические нагрузки. Подобные боковые нагрузки зачастую приводят к быстрому износу механизма линейного актуатора, деформации актуатора и преждевременного выходу актуатора из строя.
В связи с этим, несмотря на удобство применения линейных актуаторов во многих областях техники, их использование часто ограничивается в связи с их низкой стойкостью к боковым механическим нагрузкам Подобные проблемы, возникают в частности при использовании линейных актуаторов для открывания вентиляционных клапанов больших размеров (1-3м).
Для открывания вентиляционных клапанов больших размеров наиболее распространенно использование привода, состоящего из мотор-редуктора, расположенной на валу мотор-редуктора шестерни и связанной с этой шестерней зубчатой рейки, соединенной с крышкой вентиляционного клапана. В результате использования подобного механизма вращательное движения вала электромотора преобразуется в поступательное движение зубчатой рейки, которая приводит в движение крышку вентиляционного клапана. Однако подобный привод является довольно громоздким, сложным и дорогостоящим в применении.
max
min
min
Применение для открывания вентиляционных клапанов широко распространенных и относительно недорогих линейных приводов приводит к упрощению и удешевлению системы вентиляции. Однако, для этого важно, чтобы линейный привод обладал не только устойчивостью к боковым механическим нагрузкам, но и высоким (≥0,8) относительным удлинением К = (L - L)/L, где
max
L – максимальное расстояние между двумя точками крепления линейного привода к сопрягаемому с ним оборудованию,
min
L – минимальное расстояние между двумя точками крепления линейного привода к сопрягаемому с ним оборудованию.
Известны решения, в которых компенсация боковых механических нагрузок, действующих на линейный актуатор, происходит за счет специальных рам, станин и других конструкций. Одно из таких решений описано в патенте на изобретение RU2688293, МПК A47B83/02 A47B21/13, опубл. 21.05.2019 г. Подобные конструкции находят применение в функциональной мебели, но не могут быть применены для решения многих других задач, в частности в системах вентиляции, в силу громоздкости и тяжеловесности конструкций.
Из уровня техники также известна конструкция линейного актуатора с механизмом компенсации боковой механической нагрузки, распложенным внутри корпуса и содержащим, по меньшей мере, один рельс, прикрепленный к корпусу вдоль оси ходового винта (выдвижения штока), предварительно нагруженный до известной боковой нагрузки для воздействия, по меньшей мере, на один ролик, прикрепленный к приводной гайке линейного актуатора (см. патент US6145395, кл.F16H25/20, опубл. 14.11.2000). Дополнительно, между выдвижным штоком и корпусом установлена втулка (или подшипник скольжения), суммирующая нагрузку на конце исполнительного механизма и компенсирующую нагрузку, обеспечиваемую предварительно нагруженными рельсами. Недостатком данной конструкции линейного актуатора с механизмом компенсации боковой нагрузки является уязвимость выдвинутого штока актуатора перед боковыми механическими нагрузками и, как следствие, малое относительное удлинение актуатора в процессе работы, поскольку усиление актуатора выполнено только внутри корпуса линейного актуатора и выдвинутый шток актуатора оказывается незащищен от воздействия боковых механических нагрузок. Другими недостатками данного актуатора являются сложность, массивность и высокая стоимость конструкции.
Из области техники известен также линейный актуатор, содержащий двигатель с выходным валом и корпус, внутри которого расположены винтовой механизм и шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки, причём винтовой механизм включает в себя ходовой винт, взаимодействующую с ним гайку и выдвижной шток, концентрично расположенный вокруг, по меньшей мере, части ходового винта и соединенный с указанной гайкой, при этом винтовой механизм соединён с двигателем таким образом, что вращение его выходного вала вызывает осевое перемещение гайки и выдвижного штока относительно корпуса (см. патент CN105051424, кл.F16H25/24, опубл. 06.04.2018). В данном техническом решении для компенсации боковой механической нагрузки использована шариковая втулка. Недостатком данной конструкции линейного актуатора с механизмом компенсации боковой нагрузки является уязвимость выдвинутого штока актуатора перед боковыми механическими нагрузками и, как следствие, - малое относительное удлинение актуатора в процессе работы, а также - сложность, массивность и высокая стоимость конструкции.
Из области техники известен также линейный актуатор штокового типа (см. патент RU2700562 C1, F16H 25/20, опубл. 20.09.2019 г.), в котором задача защиты линейного актуатора от боковых механических нагрузок решается за счет того, что линейный исполнительный механизм содержит корпус, внутри которого расположены винтовой механизм и шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки, причём винтовой механизм включает в себя ходовой винт, взаимодействующую с ним гайку и выдвижной шток, концентрично расположенный вокруг, по меньшей мере, части ходового винта и соединенный с указанной гайкой, при этом вращение ходового винта вызывает осевое перемещение гайки и выдвижного штока относительно корпуса, шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки образован, по меньшей мере, двумя продольными направляющими канавками на внутренней поверхности корпуса, по меньшей мере, двумя ответными продольными направляющими канавками на внешней поверхности выдвижного штока и шариковым сепаратором с, по меньшей мере, двумя рядами ячеек, выполненными напротив указанных направляющих канавок, в которых с возможностью свободного вращения размещены шарики, обкатывающие поверхности этих направляющих канавок. Шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки предпочтительно снабжён, по меньшей мере, одной пружиной, препятствующей соскальзыванию шарикового сепаратора под действием собственного веса при наклонном расположении линейного исполнительного механизма. Недостатком данной конструкции линейного актуатора с механизмом компенсации боковой нагрузки является уязвимость выдвинутого штока линейного актуатора перед боковыми механическими нагрузками и, как следствие, - малое относительное удлинение линейного актуатора в процессе работы, а также сложность, массивность и высокая стоимость конструкции.
Предлагаемое изобретение позволяет создать компактный, экономичный и простой в изготовлении линейный привод с высоким относительным удлинением в процессе его работы (К≥0,8) и с высокой стойкостью к боковым механическим нагрузкам.
Поставленная задача и технический результат достигается за счет того, что предлагаемый линейный привод, характеризующийся наличием в нем линейного актуатора, имеющего корпус линейного актуатора и перемещающейся относительно корпуса линейного актуатора подвижный элемент линейного актуатора, а также наличием в нем как минимум одной внешней направляющей, расположенной вдоль направления перемещения подвижного элемента линейного актуатора, и как минимум одной каретки линейного привода, которая может перемещаться вдоль направляющей/направляющих посредством скольжения или качения, но не может перемещаться в поперечных направлениях, а также наличием как минимум одного закрепленного на направляющей/направляющих фиксатора, причем корпус линейного актуатора и подвижный элемент линейного актуатора независимо друг от друга механически связаны с этой как минимум одной внешней направляющей, один из них - через как минимум один фиксатор, а другой – через как минимум одну каретку линейного привода.
В результате при работе привода внешняя направляющая (направляющие) принимает на себя и компенсирует действующие со стороны перемещаемых приводом предметов боковые механические нагрузки, тем самым, не допуская передачи этих боковых механических нагрузок на линейный актуатор.
Для упрощения конструкции линейный привод может включать в себя только одну внешнюю направляющую и только одну каретку линейного привода.
Если каретка линейного привода перемещается по внешней направляющей посредством скольжения, она может включать в себя механизм скольжения по внешней направляющей.
Если каретка линейного привода перемещается по внешней направляющей посредством скольжения, предпочтительно, чтобы каретка линейного привода была снабжена антифрикционным механизмом, снижающим силу трения, возникающую при перемещении каретки вдоль внешней направляющей. Такой антифрикционный механизм может включать антифрикционные прокладки в местах контакта каретки линейного привода с внешней направляющей.
Если каретка линейного привода перемещается по внешней направляющей посредством качения, каретка линейного привода может включать в себя механизм качения вдоль внешней направляющей.
Линейный актуатор, входящий в состав линейного привода, может является линейным актуатором штокового типа, в этом случае подвижный элемент линейного актуатора будет штоком линейного актуатора.
Линейный актуатор, входящий в состав линейного привода, может являться линейным актуатором кареточного типа, в этом случае подвижный элемент линейного актуатора является кареткой линейного актуатора.
Предпочтительно, чтобы точки корпуса линейного актуатора и подвижного элемента линейного актуатора, предназначенные для механической связи с сопрягаемым с линейным актуатором оборудованием, совпадали с точками механической связи корпуса линейного актуатора и подвижного элемента линейного актуатора с фиксатором и кареткой линейного привода. Это позволит избежать возникновения нежелательных сил скручивания, действующих на конструкцию линейного привода.
Если входящий в состав линейного привода линейный актуатор является линейным актуатором штокового типа, а подвижный элемент линейного актуатора является штоком линейного актуатора, то рационально, чтобы фиксатор механически соединял с внешней направляющей корпуса линейного актуатора, а каретка линейного привода механически связывала с внешней направляющей шток линейного актуатора. При наличии на корпусе линейного актуатора хвостовика, предназначенного для механической связи корпуса линейного актуатора с сопрягаемым с ним оборудованием, будет рационально, чтобы фиксатор механически связывал с направляющей хвостовик корпуса линейного актуатора.
Если входящий в состав линейного привода линейный актуатор является линейным актуатором кареточного типа, а подвижный элемент линейного актуатора является кареткой линейного актуатора, то рационально, чтобы фиксатор механически соединял с внешней направляющей корпус линейного актуатора, а каретка линейного привода механически связывала с внешней направляющей каретку линейного актуатора. При наличии на корпусе линейного актуатора хвостовика, предназначенного для механической связи корпуса линейного актуатора с сопрягаемым с ним оборудованием, будет рационально, чтобы фиксатор механически связывал с направляющей хвостовик корпуса линейного актуатора.
Для улучшения фиксации корпуса линейного актуатора к внешней направляющей можно использовать несколько фиксаторов. При этом целесообразно, чтобы один фиксатор механически соединял с внешней направляющей хвостовик корпуса линейного актуатора, а второй фиксатор механически соединял с внешней направляющей корпус линейного актуатора в противоположной, относительно хвостовика корпуса линейного актуатора, стороне корпуса актуатора. В случае необходимости, возможна также установка третьего фиксатора между первым и вторым.
Фиксатор или фиксаторы могут быть как отдельными элементами, закрепленными на внешней направляющей, так и частями самой внешней направляющей, составляющими с ней единое целое.
В особых случаях может быть целесообразно связать с внешней направляющей с помощью фиксатора подвижный элемент линейного актуатора, а с кареткой линейного привода связать корпус линейного актуатора.
Для повышения сопротивляемости линейного привода боковым механическим нагрузкам рационально применить две или более расположенные параллельно друг другу внешние направляющие. При наличии в линейном приводе только одной каретки она должна быть механически связана с этими внешними направляющими. Возможно также применение нескольких кареток линейного привода, перемещающихся по этим внешним направляющимся, и механически связанные между собой.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
Перечень чертежей:
на рис.1а показан линейного актуатор штокового типа с втянутым штоком;
на рис.1б показан линейного актуатор штокового типа с максимально выдвинутым штоком;
на рис.2 показан линейного актуатор штокового типа под воздействием боковой механической нагрузки;
на рис.3 показано применение линейного актуатора штокового типа для управления вентиляционным клапаном;
на рис.4а показан один из возможных вариантов исполнения предлагаемого линейного привода с линейным актуатором штокового типа с втянутым штоком;
на рис.4б показан один из возможных вариантов исполнения предлагаемого линейного привода с линейным актуатором штокового типа с максимально выдвинутым штоком;
на рис.5а показан один из возможных вариантов исполнения предлагаемого линейного привода с линейным актуатором штокового типа и двумя внешними направляющими с втянутым штоком;
на рис.5б показан один из возможных вариантов исполнения предлагаемого линейного привода с линейным актуатором штокового типа и двумя внешними направляющими с максимально выдвинутым штоком;
на рис.6 – показан один из возможных вариантов применения предлагаемого линейного привода, для управления вентиляционным клапаном.
Линейный актуатор штокового типа (рис.1а и рис.1б) состоит из электродвигателя (1), связанного посредством редуктора (2) с винтовым валом (3), перемещающейся по винтовому валу  гайки (4), соединенной со  подвижным элементом (5) линейного актуатора, корпуса (6), точки крепления (7) корпуса актуатора к сопрягаемому с актуатором оборудованию и точки крепления (8) подвижного элемента (5) линейного актуатора к сопрягаемому с актуатором оборудованию. У линейных актуаторов штокового типа (рис.1) подвижным элементом линейного актуатора является шток (5). Как правило, точкой крепления корпуса линейного актуатора штокового типа к сопрягаемому с линейным актуатором оборудованием является отверстие (7) в хвостовике (9) корпуса линейного актуатора, а точкой крепления подвижного элемента линейного актуатора к сопрягаемому с линейным актуатором оборудованию является отверстие (8) в штоке (5) линейного актуатора.
Также известны линейные актуаторы кареточного типа. У линейных актуаторов кареточного типа точкой для присоединения корпуса актуатора к сопрягаемому оборудованию, как правило, является отверстие в хвостовике корпуса линейного актуатора, подвижным элементом линейного актутора кареточного типа является каретка, а точкой присоединения подвижного элемента линейного актуатора кареточного типа к сопрягаемому с ним оборудованию обычно является отверстие в каретке актуатора.
max
min
min
Применение для открывания вентиляционных клапанов широко распространенных и относительно недорогих линейных приводов приводит к упрощению и удешевлению системы вентиляции. Однако, для этого важно, чтобы линейный привод обладал не только устойчивостью к боковым механическим нагрузкам, но и высоким (≥0,8) относительным удлинением К = (L - L)/L, где
max
L – максимальное расстояние между двумя точками крепления линейного привода к сопрягаемому с ним оборудованию,
min
L – минимальное расстояние между двумя точками крепления линейного привода к сопрягаемому с ним оборудованию (см. рис.1а и рис.1б).
Для большинства линейных актуаторов штокового типа не допускается воздействие на выдвигающийся шток боковых механических нагрузок, то есть механических нагрузок, действующих перпендикулярно направлению перемещения штока линейного актуатора. И хотя известно много конструкций, линейных актуаторов штокового типа, в которых компенсация боковых механических нагрузок происходит внутри корпуса линейного актуатора, однако при этом выдвинутый шток линейного актуатора оказывается незащищенным от воздействия боковых механических нагрузок (см. рис.2).
В связи с этим, несмотря на удобство применения линейных штоковых актуаторов во многих областях техники, их использование часто ограничивается в связи с их низкой стойкостью к боковым механическим нагрузкам Подобные проблемы, возникают в частности при использовании линейных актуаторов для открывания вентиляционных клапанов больших размеров (1-3 м).
пр
бок
бок
На рис.3 показано формирование боковых механических нагрузок, действующих на линейный актуатор (11) при прижатии крышки клапана (12) к раме клапана (13) через уплотнитель (14). Крышка клапана (12) механически связана с рамой клапана (13) и может поворачиваться относительно оси вращения (15). При этом линейный актуатор (11) может быть механически связан с крышкой клапана посредством кронштейна (16) и основанием (17), на котором закреплена рама клапана, с помощью кронштейна (18). Сила противодействия (F) уплотнителя (14) вентиляционного клапана, действующая на крышку (12) вентиляционного клапана перпендикулярно ее поверхности во время закрывания крышки (12) вентиляционного клапана и ее прижатия к уплотнителю (14), передается на линейный актуатор штокового типа и может быть разложена на две составляющие – продольную силу (F), действующую вдоль направления перемещения штока линейного актуатора, и боковую силу (F), действующую перпендикулярно направлению перемещения штока линейного актуатора. F является боковой механической нагрузкой на линейный актуатор и будет приводить у изгибу его штока (5), а также к деформации других элементов конструкции линейного актуатора и выходу из строя линейного актуатора (11).
В одном из возможных вариантов исполнения предлагаемого линейного привода с линейным актуатором штокового типа (см.рис.4а и рис.4б) корпус (6) линейного актуатора (11) механически закрепляется с помощью фиксаторов (21) на внешней направляющей (22), расположенной вдоль направления движения подвижного элемента линейного актуатора (5), в данном примере – штока линейного актуатора, а подвижный элемент линейного актуатора (5), в данном примере - шток (5) линейного актуатора (11), механически связан с кареткой (23) линейного привода, которая имеет возможность перемещаться вдоль внешней направляющей (22) посредством качения или скольжения.
В результате при работе привода внешняя направляющая принимает на себя и компенсирует действующие со стороны перемещаемых приводом предметов боковые механические нагрузки, тем самым, не допуская передачи этих боковых механических нагрузок на конструкцию линейного актуатора.
Для упрощения конструкции линейный привод может включать в себя только одну внешнюю направляющую (22) и только одну каретку (23) (рис.4а и рис.4б).
Каретка (23) линейного привода может перемещаться по внешней направляющей (22) посредством скольжения (рис.4а и рис.4б).
Если каретка (23) линейного привода (рис.4а и рис.4б) перемещается по внешней направляющей (22) посредством скольжения, предпочтительно, чтобы каретка линейного привода была снабжена антифрикционным механизмом, снижающий силу трения, возникающую при перемещении каретки вдоль внешней направляющей. Такой антифрикционный механизм может включать антифрикционные прокладки в местах контакта каретки линейного привода с внешней направляющей.
Каретка (23) линейного привода может перемещаться по внешней направляющей (22) посредством качения.
Для снижения силы трения при перемещении каретки (23) линейного привода по внешней направляющей (22), каретка (23) линейного привода рационально, чтобы каретка линейного привода была снабжена механизмом качения вдоль внешней направляющей (22), позволяющим каретке (23) линейного привода перемещаться вдоль внешней направляющей посредством качения, не перемещаясь при этом в других направлениях (рис.4а и рис.4б).
Линейный актуатор (11) (рис.4а и рис.4б), входящий в состав линейного привода, может является линейным актуатором штокового типа, в этом случае подвижный элемент линейного актуатора будет штоком (5) линейного актуатора (11).
Линейный актуатор, входящий в состав линейного привода, может являться линейным актуатором кареточного типа, в этом случае подвижный элемент линейного актуатора является кареткой линейного актуатора.
Предпочтительно, чтобы точка (7) корпуса линейного актуатора и точка (8) подвижного элемента (5) линейного актуатора (рис.4а и рис.4б), предназначенные для механической связи линейного актуатора с сопрягаемым с линейным актуатором оборудованием, совпадали с точками механической связи корпуса линейного актуатора и подвижного элемента линейного актуатора с фиксатором (21) и кареткой (23) линейного привода. Это позволит избежать возникновения нежелательных сил скручивания, действующих на конструкцию линейного привода (рис.4а и рис.4б).
Рационально, чтобы фиксатор (21) механически соединял с внешней направляющей (22) корпус (6) линейного актуатора (11) (рис.4а и рис.4б).
При наличии на корпусе линейного актуатора хвостовика (9), предназначенного для механической связи корпуса (6) линейного актуатора (11) с сопрягаемым с ним оборудованием, будет рационально, чтобы фиксатор (21) механически связывал с внешней направляющей (22) хвостовик (9) корпуса (6) линейного актуатора (11) (рис.4а и рис.4б).
Если входящий в состав линейного привода линейный актуатор является линейным актуатором штокового типа, а подвижный элемент линейного актуатора является штоком линейного актуатора, то рационально, чтобы каретка (23) линейного привода механически связывала с внешней направляющей шток (5) линейного актуатора (рис.4а и рис.4б).
Если входящий в состав линейного привода линейный актуатор является линейным актуатором кареточного типа, а подвижный элемент линейного актуатора является кареткой линейного актуатора, то рационально, чтобы каретка линейного привода механически связывала с внешней направляющей каретку линейного актуатора.
Если входящий в состав линейного привода линейный актуатор (11) является линейным актуатором штокового типа, а подвижный элемент линейного актуатора является штоком линейного актуатора, то рационально, чтобы фиксатор (21) механически соединял с внешней направляющей (22) корпус (6) линейного актуатора (11), а каретка (23) линейного привода механически связывала с внешней направляющей шток (5) линейного актуатора (11). При наличии на корпусе линейного актуатора хвостовика (9), предназначенного для механической связи корпуса (6) линейного актуатора (11) с сопрягаемым с ним оборудованием, будет рационально, чтобы фиксатор (21) механически связывал с внешней направляющей (22) хвостовик (9) корпуса (6) линейного актуатора (11) (рис.4а и рис.4б).
Если входящий в состав линейного привода линейный актуатор является линейным актуатором кареточного типа, а подвижный элемент линейного актуатора является кареткой линейного актуатора, то рационально, чтобы фиксатор механически соединял с внешней направляющей корпус линейного актуатора, а каретка линейного привода механически связывала с внешней направляющей каретку линейного актуатора. При наличии на корпусе линейного актуатора хвостовика, предназначенного для механической связи корпуса линейного актуатора с сопрягаемым с ним оборудованием, будет рационально, чтобы фиксатор механически связывал с внешней направляющей хвостовик корпуса линейного актуатора.
Для улучшения фиксации корпуса (6) линейного актуатора (11) к внешней направляющей (22) можно использовать несколько фиксаторов (21). При этом целесообразно, чтобы один фиксатор (21) механически соединял с внешней направляющей (22) хвостовик (9) корпуса (6) линейного актуатора (11), а второй фиксатор (21) механически соединял с внешней направляющей (22) корпус линейного актуатора в противоположной, относительно хвостовика (9) корпуса (6) линейного актуатора (11), стороне корпуса актуатора. В случае необходимости, возможна также установка третьего фиксатора между первым и вторым.
Фиксаторы (21) могут быть как отдельными элементами, закрепленными на внешней направляющей (22), так и частями самой внешней направляющей, составляющими с ней единое целое.
В особых случаях может быть целесообразно связать с внешней направляющей с помощью фиксатора подвижный элемент линейного актуатора, а с кареткой линейного привода связать корпус линейного актуатора.
Для повышения сопротивляемости линейного привода боковым механическим нагрузкам рационально применить две внешние направляющие (22) (см. рис.5а и рис.5б). В случае применения двух внешних направляющих (22) будет рационально зафиксировать корпус линейного актуатора между этими внешними направляющими (22) и обеспечить перемещение каретки (23) линейного привода вдоль внешних направляющих (22).
На рис.6 изображен один из возможных вариантов использования предлагаемого линейного привода для открывания вентиляционного клапана. Возникающие при перемещении крышки (12) клапана и действующие со стороны крышки клапана через кронштейн (16) на линейный привод (24) боковые механические нагрузки компенсируются внешней направляющей (22) и не воздействуют на линейный актуатор штокового типа (11) даже при полном выдвигании штока (5) линейного актуатора (11).