БЕСКОНТАКТНАЯ ШАРОВАЯ КОЛЕСНАЯ ОПОРА
NON-CONTACT BALL WHEEL SUPPORT

Изобретение относится к устройствам для перемещения объектов (грузов) преимущественно по горизонтальной поверхности и может быть использовано в качестве подвижной опоры напольного высокоманевренного транспортного средства (ТС).
Известны технические решения одноколесных опорных устройств, обеспечивающих более высокие по сравнению с другими характеристики подвижности, которые в опорной части используют шарообразный элемент как безосное колесо, перекатывающееся по поверхности, например [1, 2].
Простейшим примером является высокоподвижная опора, которая содержит гладкий опорный шар, размещенный подвижно в обойме-основании. ТС, установленное на такую опору, может перемещаться в любом направлении, не имея в своем составе каких-либо поворотных устройств. При работе опоры опорный шар преимущественно перекатывается по опорной поверхности, а в контакте опорного шара и обоймы-основания возникает скольжение, что обусловливает существенное сопротивление ее движению, невысокие нагрузочную способность и долговечность [1].
Другое известное техническое решение - сферическое колесо - основано на применении трения качения в обеих областях контакта опорного шара как со стороны опорной поверхности, так и со стороны ТС. Колесо содержит корпус со сферической полостью, в которой расположены полый опорный и центральный шары, в зазоре между которыми и в отверстиях опорного шара находится слой малых шаров [2].
К недостаткам сферического колеса следует отнести то, что малые шары выступают относительно поверхности опорного шара и при работе устройства нарушают плавность при перекатывании, вследствие чего ухудшается динамика и возникают нежелательные соударения.
Также из уровня техники известно устройство «шар-колесо Калинкина» (RU 2505447, МПК B62D 57/028, B60B 19/14, опубл. 27.01.2014), являющееся шаровой колесной опорой, имеющей в своем составе держатель и опорный шар, контактный (роликовый) опорный узел между держателем и опорным шаром [3].
К недостаткам устройства следует отнести то, что контактное взаимодействие опорного шара с держателем создает дополнительное сопротивление движению, а также то, что известное устройство не обладает функцией торможения: для этого оно дополнительно должно быть оснащено тормозом.
7
Наиболее близким по техническому решению к заявленному изобретению является газостатический подшипник (RU 2191936, МПК F16C 32/06, F16C 17/04, опубл. 27.10.2002), в котором для снижения момента трения при работе создается газовая прослойка между сопряженными сферическими поверхностями, одна из которых выполнена на статоре, а другая - опорном шаре (роторе), обеспечивая их бесконтактное взаимодействие [4].
Известное опорное устройство обладает тем недостатком, что обеспечивает восприятие нагрузки, направленной преимущественно вдоль оси устройства и одного направления: кинематическая связь между опорным шаром (ротором) и статором носит неудерживающий характер. Кроме того, известное устройство не обладает способностью изменять величину (показатель) нагрузочной способности в процессе работы, что снижает его нагрузочную способность. Также устройство не способно работать автономно, поскольку для его питания требуется внешний источник газовой рабочей среды.
Основной технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение эффективности, расширение функциональных возможностей, повышение нагрузочной способности устройства.
Для достижения указанной задачи в шаровой колесной опоре, имеющей в своем составе держатель и опорный шар, опорный узел между держателем и опорным шаром, при этом упомянутый опорный узел выполнен на основе газостатического подвеса, для чего держатель оснащен составным комбинированным вкладышем, состоящим из ячеек разных типов по способу подвода газа, например, выполненных из пористых материалов, снабженных соплами для подачи газа, которые образуют сферическую поверхность по форме опорного шара. Кроме этого, дополнительно в состав устройства введены накопитель сжатого газа, электроуправляемые регуляторы давления и клапан подачи газа.
Благодаря наличию перечисленных конструктивных признаков предлагаемая бесконтактная шаровая колесная опора способна работать в режиме движения с пониженным трением, создавать эффект торможения при отсутствии подачи газа между сопряженными сферическими поверхностями, воспринимать нагрузку как от силы веса транспортного средства, так и нагрузку бокового и любого другого направления, возникающую при движении ТС. Также составной вкладыш позволяет создавать повышенную подъемную силу в несущей газовой прослойке в определенном направлении, например, в направлении действия силы веса ТС, в то время как в других направлениях давление и расход газа могут быть уменьшены.
Накопитель сжатого газа в составе предлагаемого устройства дает возможность питать газостатический опорный узел, подавая газовую рабочую среду в несущую газовую прослойку между сопряженными сферическими поверхностями независимо от внешних источников.
Введение в состав предлагаемой шаровой колесной опоры электроуправляемых регуляторов давления и клапана подачи газа позволяет регулировать давление подаваемой газовой рабочей среды в заданных ячейках составного сферического вкладыша, устанавливая повышенную или пониженную несущую способность газового слоя в соответствующих направлениях или в целом устройства, наделяет способностью изменять величину (показатель) нагрузочной способности в процессе работы, а также обеспечивает питание и подвижность колесной опоры при подаче газа и создание тормозного усилия при отключении подачи газа.
Предлагаемая бесконтактная шаровая колесная опора иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана проекция бесконтактной шаровой колесной опоры, соответствующая чертежному виду спереди, а на фиг. 2 - бесконтактная шаровая колесная опора в разрезе.
Бесконтактная шаровая колесная опора содержит держатель 1, опорный шар 2. На держателе 1 размещен составной вкладыш 3 (фиг. 2), ячейки 4 и 5 которого образуют сферическую поверхность 6 по форме опорного шара 2, причем ячейка 4, например, выполнена из пористого материала, а ячейки 5 снабжены соплами 7 для подачи газа. Ячейки 5 удерживаются на держателе 1 юбкой 8. Накопитель (аккумулятор) 9 является источником сжатого газа, который по трубопроводам 10 (фиг. 2) подается через электроуправляемый клапан 11 и электроуправляемые регуляторы давления 12 и 13 соответственно к ячейкам 4 и 5 вкладыша 3. При работе бесконтактной шаровой колесной опоры опорный шар 2 контактирует с поверхностью 14.
Работа бесконтактной шаровой колесной опоры происходит следующим образом.
При отсутствии движения в режиме торможения (при отключении подачи газа для поддержания несущей газовой прослойки) внешняя нагрузка, например, от силы веса транспортируемого объекта передается на держатель 1, далее через непосредственный механический контакт - на опорный шар 2 и воспринимается поверхностью 14.
Подвижность бесконтактной шаровой колесной опоры обеспечивается при подаче сжатого газа, например воздуха, из накопителя 9 путем включения (перевода в положение «открыто») электроуправляемого клапана 11 по трубопроводам 10 через электроуправляемый регулятор давления 12 к ячейке 4 вкладыша 3 и далее через пористый материал ячейки 4 к сферической поверхности 6, а также через электроуправляемый регулятор давления 13 к ячейкам 5 вкладыша 3 через сопла 7 к сферической поверхности 6. Вследствие наддува газа между вкладышем 3 и опорным шаром 2 образуется несущая газовая прослойка, обеспечивающая их бесконтактное взаимодействие и возможность относительного перемещения сопряженных поверхностей с пониженным трением.
Регуляторы давления 12 и 13 поддерживают задаваемое давление газовой рабочей среды, подаваемой к ячейкам 4 и 5 вкладыша 3, обеспечивая несущую способность газового слоя в соответствующих направлениях или в целом устройства. При этом управляющие воздействия на электроуправляемые регуляторы давления и электроуправляемый клапан подачи газа могут быть сформированы, например, устройством управления ТС, содержащем в своем составе бесконтактную шаровую колесную опору.
При движении бесконтактной шаровой колесной опоры и опирающегося на нее транспортного средства (на чертежах условно не показано) на держателе 1 создается нагрузка, действующая в плоскости, параллельной поверхности 14, и вынуждающая катиться опорный шар 2 по поверхности 14. При этом внешняя нагрузка, например, от силы веса транспортируемого объекта передается на держатель 1, через несущую газовую прослойку - на опорный шар 2 и воспринимается поверхностью 14.
Таким образом, в предлагаемой бесконтактной шаровой колесной опоре за счет выполнения опорного узла между держателем и опорным шаром на основе газостатического подвеса, реализуемого с помощью составного комбинированного вкладыша, состоящего из ячеек с разных типов по способу подвода газа, взаимодействие опорного шара и держателя происходит при пониженном трении, в связи с чем сопротивление движению ТС уменьшается до 50% и, одновременно, создается повышенная подъемная сила в несущей газовой прослойке в заданном направлении, например в направлении действия силы веса ТС при уменьшении давления и расхода газа в других направлениях, благодаря чему обеспечивается повышение эффективности работы устройства.
Кроме того, с помощью имеющихся в составе предлагаемой бесконтактной шаровой колесной опоры накопителя сжатого газа и электроуправляемого клапана подачи газа несущая способность газовой прослойки поддерживается из источника, расположенного внутри устройства, а при необходимости она снижается до нуля при отключении подачи газа, что обеспечивает реализацию функций автономности питания, торможения и соответственно расширяет функциональные возможности шаровой колесной опоры.
Также предлагаемая бесконтактная шаровая колесная опора за счет выполнения охватывающей опорный шар сферической поверхности составной из ячеек разных типов и использования электроуправляемых регуляторов давления воспринимает как нагрузку от силы веса ТС, так и нагрузку бокового и любого другого направления, возникающую при движении ТС, а также обладает способностью изменять величину (показатель) нагрузочной способности в процессе работы и тем самым обеспечивает повышение нагрузочной способности устройства.
Список использованных источников
1. Set of 6 TruePower 5/8" Roller Ball Transfer Bearings: [Электронный ресурс] // Портал «Amazon». Режим доступа: http://www.amazon.com/TruePower-Roller-Ball-Transfer-Bearings/dp/B009KAQVWC.
2. В. Колесник, Г. Иваненко. Сферическое колесо // Техника - молодежи. 2002. №9. С. 10.
3. Патент 2505447 РФ. МПК B62D 57/028, B60B 19/14. Шар-колесо Калинкина / А.А. Калинкин; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова", А.А. Калинкин №2012111897/11; заявл. 27.03.2012; опубл. 27.01.2014.
7
4. Патент 2191936 РФ. МПК F16C 32/06, F16C 17/04. Сферический газостатический подшипник / Г.Г. Чернов, А.В. Яковлев; заявитель и правообладатель Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" №2000115939/28; заявл. 16.06.2000; опубл. 27.10.2002.