МЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ФРИКЦИОННОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ)
MECHANICAL BOOSTER OF FRICTION TYPE (VERSIONS)

Технические решения относятся к машиностроению, а именно к механическим усилителям, и могут быть использованы в подъемно-транспортных механизмах для строительства, в рулевых и тормозных устройствах, манипуляторах.
Известен кабестан (см. Политехнический словарь, Москва, изд-во «Советская энциклопедия», 1989, с. 204), включающий лебедку с барабаном, насаженным на вал, и намотанными на него несколькими витками троса, один конец которого прикреплен к управляемому объекту, а другой является управляющим и предназначен для управления вручную.
Кабестан представляет собой механический усилитель фрикционного типа без усиления по величине перемещения, а с усилением по величине силы. В усилителях подобного типа при отсутствии перемещения управляющего привода происходит проскальзывание троса относительно вала и выходной конец троса также не перемещается. Соотношение величин сил натяжения троса на выходе и входе кабестана рассчитывается по формуле Эйлера.
Недостатком известного кабестана является то, что формула Эйлера не учитывает трение витков троса между собой, вследствие чего реально достижимый на практике коэффициент усиления по величине силы, при сохранении управляемости и устойчивости к внешним факторам системы, не превышает значения 3-4 при трех, максимум четырех витках троса, намотанного на барабан.
На практике при намотке на барабан более четырех витков троса кабестан теряет управляемость и устойчивость к внешним факторам (износ, изменение коэффициента трения и упругости троса), и при снижении величины управляющей силы, величина выходной силы не снижается, т.е. происходит «затяжка» троса, следовательно, повышение его коэффициента усиления по величине силы простым увеличением числа витков троса невозможно без изменения конструкции.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является механический усилитель по фиг. 2 заявки WO 2011/146815, (PCT/US2011/037303), A61F 2/58, опубл. 24.11.2011, включающий основной привод, состоящий из приводного двигателя и его вала, на который намотан трос, причем выходной конец троса присоединен к управляемому объекту, а входной - к дополнительному, управляющему, приводу с существенно меньшей максимальной силой в сравнении с силой, обеспечиваемой основным приводом.
Недостатком известного механического усилителя является то, что наличие не учитываемых формулой Эйлера факторов препятствует достижению коэффициента усиления больше 5 по величине силы механического усилителя без потери управляемости и устойчивости к внешним факторам (износ, изменение коэффициента трения и упругости троса). Практика показывает, что при числе витков троса большем, чем три механический усилитель теряет управляемость и устойчивость к внешним факторам, т.е. трос продолжает наматываться на вал вне зависимости от величины управляющей силы, что ограничивает возможности достижения механическим усилителем коэффициента усиления по величине силы больше, чем 5 простым увеличением числа витков троса без изменения конструкции. Кроме того, этот механический усилитель содержит одну ступень усиления, что ограничивает его коэффициент усиления по величине силы значением 5 и, следовательно, снижается эффективность его работы.
Техническая задача - повышение эффективности работы механического усилителя фрикционного типа за счет повышения коэффициента усиления по величине силы при сохранении управляемости и устойчивости к внешним факторам.
По первому варианту исполнения поставленная задача решается тем, что в механическом усилителе фрикционного типа, содержащем основной привод, на вал которого последовательно намотан трос, причем выходной конец троса присоединен к управляемому объекту, а входной - к дополнительному, управляющему, приводу с существенно меньшей максимальной силой в сравнении с силой, обеспечиваемой основным приводом, согласно техническому решению вал основного привода выполнен ступенчатым, а трос перекинут через ролики, установленные около мест перехода его между ступенями указанного вала.
Каждая из ступеней ступенчатого вала с намотанными на нее витками троса представляет, таким образом, отдельную ступень усиления механического усилителя.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить коэффициент усиления по величине силы механического усилителя фрикционного типа за счет увеличения числа ступеней усиления без увеличения числа витков троса в каждой из ступеней приводного вала свыше критического, при котором происходит потеря управляемости и его устойчивости к внешним факторам, что повышает эффективность его работы.
По второму варианту исполнения поставленная задача решается тем, что механический усилитель фрикционного типа, содержащий основной, первый, привод, на вал которого последовательно намотан трос, причем выходной конец троса присоединен к управляемому объекту, а входной - к дополнительному, управляющему, приводу с существенно меньшей максимальной силой в сравнении с силой, обеспечиваемой основным, первым, приводом, согласно техническому решению дополнительно содержит по меньшей мере один основной привод, при этом трос с вала первого основного привода последовательно намотан на валы дополнительно установленных основных приводов.
Ступени усиления такого устройства представляют собой приводные валы с индивидуальными приводными двигателями. При одинаковых диаметрах приводных валов из-за различия нагрузочных характеристик приводных двигателей возникает различие в частоте вращения валов и, следовательно, различие линейных скоростей наружной поверхности приводных валов, контактирующей с тросом. Это позволяет увеличить коэффициент усиления по величине силы механического усилителя фрикционного типа за счет увеличения числа ступеней усиления при сохранении управляемости и его устойчивости к внешним факторам.
Целесообразно для повышения эффективности работы механического усилителя фрикционного типа, чтобы каждый основной привод был снабжен блоком управления для изменения нагрузочной характеристики этого основного привода.
Снабжение основных приводов блоками управления для изменения их нагрузочных характеристик позволяет путем плавного подбора нагрузочных характеристик выбрать наиболее эффективный по КПД режим работы механического усилителя фрикционного типа независимо от числа ступеней усиления.
Сущность технических решений поясняется примерами конкретного исполнения механического усилителя фрикционного типа и чертежами фиг. 1, 2, 3, где на фиг. 1 изображена схема первого варианта исполнения механического усилителя фрикционного типа с тремя ступенями усиления, стрелка на валу показывает направление его вращения, стрелки у управляющего привода - его перемещение (вверх - вниз); на фиг. 2 - то же по второму варианту исполнения; пунктиром показано соединение каждого из валов с основным приводом, стрелки у валов показывают направление их вращения, стрелки у управляющего привода - его перемещение (вверх - вниз), на фиг. 3 - то же по второму варианту исполнения с блоками управления; пунктиром показано снабжение каждого основного привода блоком управления, стрелки у валов показывают направление их вращения, стрелки у управляющего привода -его перемещение (вверх - вниз).
Механический усилитель фрикционного типа по первому варианту исполнения (далее - устройство) содержит ступенчатый вал 1 (фиг. 1), соединенный с основным приводом 2, ролики 3, трос 4, последовательно намотанный в несколько витков на каждую из ступеней вала 1. Трос 4 перекинут через ролики 3 около мест перехода его между ступенями указанного вала 1. Выходной конец троса 4 соединен с управляемым объектом 5 (далее - груз 5), а входной конец троса 4 - с дополнительным, управляющим, приводом 6.
Устройство работает следующим образом. При обратном (вверх) перемещении входного конца троса 4, соединенного с дополнительным, управляющим, приводом 6 (фиг. 1), сил трения троса 4 на ступенчатом валу 1 недостаточно для подъема груза 5 и он постепенно опускается вниз за счет силы тяжести. Если входной конец троса 4 зафиксирован, то благодаря силам трения на нем появляется сила натяжения, существенно меньшая веса груза 5. При этом груз 5 не перемещается. При прямом (вниз) перемещении входного конца троса 4 с силой, превышающей необходимую для остановки груза 5, он поднимается вверх на величину вытяжки троса 4, причем эта сила по-прежнему существенно меньше веса груза 5 в соответствии с коэффициентом усиления по величине силы.
Поскольку число витков троса 4 на каждой из ступеней вала 1 не превышает критическое, свыше которого возможна необратимая «затяжка» троса 4 на каждой из ступеней, а также, даже при временной «затяжке» троса 4 в одной из ступеней, различие диаметров ступеней вала 1 обеспечивает проскальзывание троса 4 в других ступенях, следовательно, устройство в целом сохраняет управляемость и устойчивость к внешним факторам. Таким образом, устройство представляет собой управляемый привод, обеспечивающий повторяемость величины перемещения при увеличении силы и сохранении управляемости.
Механический усилитель фрикционного типа по второму варианту исполнения (далее - устройство) содержит основной, первый, привод 1 с валом 2 (фиг. 2), трос 3, последовательно намотанный на вал 2. Выходной конец троса 3 соединен с управляемым объектом 4 (далее - груз 4), а входной - с дополнительным, управляющим, приводом 5, который имеет существенно меньше максимальную силу в сравнении с силой, обеспечиваемой основным, первым, приводом 1. Устройство дополнительно содержит по меньшей мере один основной привод 1′ с валом 2′ (в качестве основных приводов 1, 1′ могут быть использованы, например, асинхронные электродвигатели). Трос 3 с вала 2 первого основного привода 1 последовательно намотан на вал 2′ дополнительно установленного основного привода 1′. Вал 2 с первым основным приводом 1 представляет собой первую ступень усиления устройства, а вал 2′ с дополнительно установленным основным приводом 1′ - вторую ступень усиления. Если устройство дополнительно содержит несколько основных приводов 1′ с валами 21, то трос 3 с вала 2 первого основного привода 1 последовательно намотан на валы 21 всех дополнительно установленных основных приводов 1′. Такое устройство имеет несколько ступеней усиления.
Устройство работает следующим образом. При обратном (вверх) перемещении троса 3 его сил трения на валах 2 и 2′ недостаточно для подъема груза 4. За счет силы тяжести груз 4 постепенно опускается вниз. Если входной конец троса 3 зафиксирован, то благодаря силам трения на нем появляется сила натяжения, существенно меньшая веса груза 4. При этом груз 4 не перемещается. Если входной конец троса 3 тянут вниз с силой, превышающей необходимую для остановки груза 4, то он поднимается вверх на величину перемещения входного конца троса 3, причем эта сила по-прежнему существенно меньше груза 4 в соответствии с коэффициентом усиления по величине силы.
Нагрузочные характеристики основных приводов 1, 1′ обеспечивают различие линейных скоростей на контакте наружных поверхностей валов 2 и 2′ с тросом 3, благодаря чему устройство представляет собой управляемый дополнительным, управляющим, приводом 5 механический усилитель, обеспечивающий повторяемость величины перемещения троса 3 при увеличении силы и сохранении устойчивости и управляемости. При этом требуется индивидуальный подбор приводных двигателей с различными нагрузочными характеристиками для каждой ступени усиления.
Для повышения эффективности работы устройства первый основной привод 1 (фиг. 3) электрически соединен с блоком 6 управления, а дополнительно установленный основной привод 1′ - с блоком 6′ управления.
Нагрузочные характеристики основных приводов 1, 1′ обеспечивают различие линейных скоростей на контакте наружных поверхностей валов 2 и 2′ с тросом 3, даже в случае использования однотипных приводных двигателей, благодаря возможности изменения нагрузочных характеристик посредством блоков 6, 6′ управления основными приводами 1, 1′.
Таким образом, устройство представляет собой управляемый дополнительным, управляющим, приводом 5 механический усилитель, обеспечивающий повторяемость величины перемещения троса 3 при увеличении силы и сохранении устойчивости и управляемости.