АВТОМАТИЧЕСКИЙ ШЛАГБАУМ

Полезная модель относится к области устройств, преграждающих движение транспортных средств, а именно к автоматическим шлагбаумам с электрическим приводом. Автоматический шлагбаум может использоваться для контроля движения автомобильного транспорта на различных объектах, в частности на автомагистралях, автостоянках, паркингах.
Известен автоматический шлагбаум (RU, п. 2094280, д.оп. 27.10.1997), содержащий установленный на тумбе с фундаментом электропривод, включающий в себя электродвигатель, связанный через редуктор с валом, на котором закреплен заградительный брус с катафотами и противовесом. Шлагбаум снабжен гидрогасителем, связанным с валом с возможностью амортизации заградительного бруса при его опускании, масса противовеса выбрана с возможностью смещения центра масс заградительного бруса относительно оси вращения и создания момента силы тяжести, необходимого для опускания установленного в вертикальное положение бруса, а редуктор выполнен двухступенчатым, при этом в электропривод введена электромагнитная муфта, напрессованная на вал и помещенная в ступице зубчатого колеса второй ступени редуктора, первая ступень которого выполнена в виде червячной самотормозящей пары.
Недостатками являются сложность конструкции привода, что снижает надежность и повышает весогабаритные характеристики данного привода, а также наличие металлоемкого противовеса заградительного бруса.
Известен автоматический шлагбаум (RU, п.м. 63368, д.оп. 27.05.2007), содержащий основание, буферную систему, состоящую из поворотной оси, преграждающего элемента и механизма его поворота, электродвигатель, связанный через редуктор с механизмом поворота, и упоры крайних положений буферной системы. Шлагбаум снабжен противовесом в виде пружины, а основание выполнено в виде рамы, на верхней части которой закреплены поворотная ось, расположенная в горизонтальной плоскости, и поворотный механизм, выполненный в виде установленных на горизонтальной поворотной оси двух рычагов и демпферной тяги. Причем один рычаг соединен с преграждающим элементом, имеющим возможность поворота в вертикальной плоскости, а на конце второго рычага закреплены одними своими концами демпфирующая тяга и пружина, второй конец которой закреплен на раме, а демпфирующая тяга связана с редуктором, выполненным в виде системы винт-гайка. При этом внутри рамы размещены электродвигатель и редуктор, связанные между собой ременной передачей.
Недостатком является низкие эксплуатационные качества, которые вызваны сложностью и громоздкостью конструктивного исполнения привода. Электропривод и редуктор размещены на основании раздельно и связаны между собой ременной передачей, что увеличивает габариты основания, усложняет ремонт шлагбаума при замене привода и усложняет монтируемость привода при сборке шлагбаума.
Известен шлагбаум (RU, п.м. 114326, д.оп. 20.03.2016), содержащий основание, расположенную в горизонтальной плоскости поворотную ось, на которой размещен преграждающий элемент и механизм его поворота, приводное устройство, соединенное с механизмом поворота, и противовес. Приводное устройство выполнено в виде привода телескопического линейного перемещения, а механизм поворота выполнен в виде двуплечего рычага, установленного на поворотной оси, одно плечо которого связано с противовесом, а второе связано с выдвижным элементом телескопической части приводного устройства.
Данная конструкция имеет следующие недостатки: линейное телескопическое перемещение требует наличия упоров крайних положений для защиты механизма от внешних механических воздействий, что усложняет конструкцию, а также может привести к поломке при неправильной настройке отключения привода в крайних положениях, также линейное перемещение не обеспечивает замедления при приближении к крайним положениям преграждающего элемента и возникает необходимость обеспечения реверсирования электродвигателя, что усложняет управление.
Известен шлагбаум (RU, п.м. 76004, д.оп. 10.09.2008), принятый за прототип и содержащий стрелу, связанную одним концом с закрепленной на основании стойкой, установленную с возможностью поворота в вертикальной плоскости, и рычажную передачу, включающую коромысло и рычаг, одним концом связанный с приводом. Коромысло одним концом жестко связано со стрелой под углом 45°, другим концом - с пружиной растяжения с возможностью регулировки натяжения, закрепленной на основании. Связь стрелы с приводом осуществляется одним шатуном. В верхнем и нижнем конечных положениях механизма установлены бесконтактные индукционные датчики приближения.
Недостатками являются рычажная передача, коромысло которой одним концом жестко связано со стрелой под углом 45°, при подъеме стрелы и ее опускании развивает одинаковый момент, хотя при подъеме необходимо приложить усилие большее, чем при опускании стрелы, и расположение оси вращения вала редуктора относительно оси поворота стрелы со смещением в сторону опускания стрелы приводит к тому, что механизм поднимает стрелу более длинную, чем перегораживаемый проезд, все это приводит к неэффективной работе механизма - кпд. Датчики конечных положений стрелы отслеживают вторичное движение коромысла, что снижает точность настройки. Все элементы установлены на корпусе редуктора, а не на несущем корпусе, значит, все воздействия, оказанные на стрелу, передаются на редукторную передачу.
Целью полезной модели является создание автоматического шлагбаума повышенной надежности в работе и долговечности за счет уменьшения рабочих нагрузок на элементы конструкции. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности работы.
Технический результат достигается тем, что в автоматическом шлагбауме, содержащем корпус, горизонтальный преграждающий элемент, установленный на поворотной оси с возможностью поворота в вертикальной плоскости, и механизм его поворота, выполненный в виде рычага, жестко связанного с поворотной осью, тяги, шарнирно связанной с рычагом, и водила, которое связано с тягой и валом редуктора, соединенного с электродвигателем, рычаг установлен на поворотной оси под углом 10-30° к преграждающему элементу, поворотная ось установлена соосно с осью вращения вала редуктора, который выполнен червячным, а водило установлено в верхней мертвой точке с возможностью поворота вниз по круговой траектории.
Электродвигатель и редуктор могут быть выполнены в виде мотор-редуктора, закрепленного на несущем корпусе.
Электродвигатель может быть выполнен асинхронным общепромышленного исполнения.
Может быть установлен червячный редуктор закрытого типа с масляной ванной общепромышленного исполнения.
Может быть установлен червячный самотормозящийся редуктор общепромышленнрго исполнения.
На редукторе могут быть установлены бесконтактные датчики в точках крайних положений водила.
Преграждающий элемент может быть выполнен в виде основания, жестко закрепленного на поворотной оси, и преграждающей стрелы, установленной с возможностью поворота при действии горизонтальной нагрузки.
Преграждающая стрела может быть выполнена диаметром 40-100 мм из дюралюминия повышенной прочности АД31Т1 или Д16Т.
Рычаг может быть выполнен двуплечим и в центре закреплен на поворотной оси, а тяга соединена с одним его краем.
На конце двуплечего рычага может быть закреплена пружина, второй конец которой закреплен на несущем корпусе.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид шлагбаума. На фиг. 2 представлены кинематические схемы механизма поворота вверх и вниз преграждающего элемента, вид «а» - автоматического шлагбаума, вид «б» - прототипа. На фиг. 3 представлена шатунная кривая кривошипно-коромыслового механизма.
Автоматический шлагбаум содержит горизонтальный преграждающий элемент 1, несущий корпус 2, в верхней части которого установлена горизонтальная поворотная ось 3, на которой жестко закреплены с одной стороны корпуса 2 преграждающий элемент 1 и с другой стороны, внутри корпуса 2, - качающийся рычаг 4. Горизонтальный преграждающий элемент 1 установлен на горизонтальной поворотной оси 3 с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Качающийся рычаг 4 и преграждающий элемент 1 установлены на поворотной оси 3 под углом 10-30°. Рычаг 4 другим своим концом шарнирно соединен с одним концом тяги 5, которая другим своим концом также шарнирно соединена с одним концом водила 6, которое другим концом жестко связано с валом 7 редуктора 8 с возможностью поворота на 360° в вертикальной плоскости. При горизонтальном закрывающем положении преграждающего элемента 1 водило 6 установлено в верхней мертвой точке А с возможностью поворота вниз по круговой траектории при повороте вверх преграждающего элемента (фиг. 2, а). Редуктор 8 соединен с электродвигателем 9 и они закреплены на несущем корпусе 2. Редуктор 8 выполнен червячным.
В механизме поворота использована рычажная передача, рычаг 4, тяга 5 и водило 6 которой работают по принципу кривошипно-коромыслового механизма, с остановкой водила 6 в своих верхней А и нижней В мертвых точках, соответствующих горизонтальному и вертикальному положению преграждающего элемента 1 соответственно (фиг. 2, а). В прототипе, наоборот, верхняя и нижняя мертвые точки соответствуют противоположным положениям преграждающего элемента 1 (фиг. 2, б).
Графически принцип кривошипно-коромыслового механизма представлен на фиг. 3, где α - угол поворота водила 6, β - угол поворота рычага 4 или преграждающего элемента 1, верхняя мертвая точка А - начало поворота вверх преграждающего элемента 1 из горизонтального положения, точка D - положение преграждающего элемента 1 под углом 45°. нижняя мертвая точка В - начало поворота преграждающего элемента 1 вниз из вертикального положения.
Как и в прототипе, рычажная передача обеспечивает практически нулевой момент страгивания из крайних положений - из мертвых точек А и В за счет шатунной кривой начала и конца движения механизма. Использование рычажной передачи обеспечивает плавное ускорение и плавное замедление преграждающего элемента 1 при приближении его к своим крайним положениям. При этом уменьшается нагрузка на конструкционный узел из поворотной оси 3, преграждающего элемента 1 и рычага 4, что повышает надежность и долговечность их работы. Плавное ускорение и плавное замедление (фиг. 3) преграждающего элемента 1 позволяет обойтись без частотного преобразователя при управлении асинхронным двигателем 9 и дополнительных датчиков начала ускорения и замедления движения. А также позволяет отказаться от упоров крайних положений, что исключает заклинивание механизма при небрежной регулировке, что повышает надежность и долговечность работы механизма поворота.
Как и в прототипе, рычажная передача работает с передачей 2:1, то есть при перемещении преграждающего элемента 1 на угол β=90° в вертикальной плоскости, водило 6 поворачивается на угол α=180°. При этом крутящий момент, создаваемый редуктором 8, передается на преграждающий элемент 1 с помощью рычажной передачи увеличенным в два раза. Соответственно, необходимый для поднятия преграждающего элемента 1 момент мотор-редуктора 8 снижается в 2 раза.
При работе шлагбаума максимальные усилия механизма поворота затрачиваются при повороте преграждающего элемента 1 вверх в вертикальное положение. В отличие от прототипа, установка преграждающего элемента 1 и качающегося рычага 4 на поворотной оси 3 под углом 10-30° обеспечивает максимальное увеличение подъемного тянущего момент тяги 5 за счет увеличения плеча «h» приложения силы, необходимой для поворота преграждающего элемента 1 в вертикальное положение по сравнению с плечом «р» прототипа (фиг. 2, а, б).
Во время поворота преграждающего элемента 1 в вертикальное положение толкательный момент тяги 5 за счет плеча «h» приложения силы на 20% больше, чем у прототипа. Поэтому преграждающий элемент 1 поднимают при меньшей нагрузке двигателя, чем в прототипе (фиг. 1). Угол от 10-30° обеспечивает также устойчивость выбранного сектора движения преграждающего элемента 1, например, левого (фиг. 2, а) без использования дополнительных инерционных масс или упоров крайних положений. Увеличение указанного угла более 30° или уменьшение менее 10° приводит к уменьшению плеча приложения силы и уменьшению устойчивости и требуют установку упоров крайних положений.
При повороте преграждающего элемента 1 вниз в горизонтальное положение затрачиваются минимальные усилия механизма поворота, и плечо приложения силы меньше, чем у прототипа. Увеличение плеча «h» приложения силы обеспечивает также установка поворотной оси 3 соосно с осью вращения вала 7 редуктора 8 (фиг. 1, 2, а). При этом для преграждения прохода такой же ширины требуется преграждающий элемент 1 меньшей длины и меньшего веса, а это обеспечивает меньшую нагруженность механизма поворота в целом и повышение его надежности и долговечности работы.
Установка поворотной оси 3 соосно с осью вращения вала 7 редуктора 8 позволяет использовать смещение центра тяжести преграждающего элемента 1 относительно поворотной оси 3 и создание момента силы тяжести, необходимого для опускания установленного в вертикальное положение преграждающего элемента 1.
Установка поворотной оси 3 соосно с осью вращения вала 7 редуктора 8 обеспечивает симметричность механизма поворота и позволяет менять положение преграждающего элемента 1 с левого на правое просто его перестановкой вместе с рычагом 4, не меняя весь остальной механизм. Рычаг 4 может быть выполнен двуплечим и в центре закреплен на поворотной оси 3.
На конце рычага 4 для стрелы большого веса может быть закреплена пружина 12, второй конец которой закреплен на несущем корпусе 2. Установка поворотной оси 3 соосно с осью вращения вала 7 редуктора 8 позволяет использовать более слабую пружину 12, либо отказаться от пружины или любого противовеса преграждающего элемента 1 при его небольшой длине или весе. Компенсирующая пружина 12 позволяет поднять преграждающий элемент 1 в случае отключения электроэнергии.
Установка водила 6 при горизонтальном закрывающем положении преграждающего элемента 1 в верхней мертвой точке А повышает надежность и долговечность работы устройства. При повороте вверх горизонтального преграждающего элемента 1 водило 6 из верхней мертвой точки А опускается вниз и тянет за собой тягу 5, и при этом тяга 5 испытывает менее сильные растягивающее напряжение и меньшую нагрузку по сравнению с шатуном прототипа (фиг. 2, а, б). Это повышает долговечность и надежность при работе тяги 5. В прототипе при повороте стрелы 1 вверх водило 6 из нижней мертвой точки В поднимается вверх и толкает тягу 5 вверх, и тяга 5 испытывает сжимающие напряжения, более сильные, чем растягивающие.
Также, т.к. из верхней мертвой точки А водило 6 и рычаг 4 на поворотной оси 3 поворачиваются вниз, то процесс облегчается их силой тяжести, поднимается только вес преграждающего элемента 1. Нагрузка на электродвигатель 9 меньше, чем в прототипе, долговечность и надежность повышается. В прототипе при подъеме преграждающего элемента 1 из нижней мертвой точки В поднимается общий вес рычага 6 на редукторе 8, качающегося рычага 4 и преграждающего элемента 1, нагрузка на электродвигатель больше.
При повороте вертикального преграждающего элемента 1 вниз затрачивают минимальное усилие, необходимое для страгивания водила 6 и тяги 5 из нижней мертвой точки В, после чего преграждающий элемент 1 самостоятельно опускается под собственным весом. При этом водило 6 из нижней мертвой точки В поднимается вверх, толкает тягу 5 и поднимает качающийся рычаг 4 вверх. Сжимающие напряжения при этом в тяге 5 много меньше, чем в прототипе, т.к. нагрузка на тягу 5 много меньше, и она компенсируется опусканием преграждающего элемента 1 под собственным весом. Т.е. и при повороте преграждающего элемента 1 вниз долговечность тяги 5 также повышается, что повышает надежность устройства в целом.
В механизме поворота преграждающего элемента 1, кроме рычажной передачи, использован привод, выполненный в виде мотора-редуктора, закрепленного в несущем корпусе 2. Мотор-редуктор состоит из асинхронного двигателя 9 и червячного редуктора 8 общепромышленного исполнения. Электродвигатель 9 служит для создания вращающегося момента, необходимого для изменения положения преграждающего элемента 1. Червячный редуктор 8 предназначен для создания необходимой частоты вращения главного вала 7 и запирания преграждающего элемента 1 в крайних положениях. Мотор-редуктор обеспечивает бесперебойную работу устройства в любых условиях, а именно при низких температурах, повышенной влажности, агрессивных средах на производстве. Использование асинхронного двигателя 9 повышает надежность и долговечность устройства. Запас момента сил мотор-редуктора хватает для того, чтобы даже без компенсирующей пружины 12 поднимать преграждающий элемент 1 даже при налипании снега или обледенении.
Использование червячного редуктора 8 также повышает надежность и долговечность шлагбаума. Может быть использован червячный самотормозящийся редуктор. Может быть использован червячный редуктор закрытого типа, т.е. червячное колесо выполнено в закрытой масляной ванне с передаточным числом от 25 до 300 к 1. Каждый цикл перемещения преграждающего элемента 1 в вертикальное и затем опять в горизонтальное положение соответствует полному обороту червяного колеса (фиг. 2 и 3). Использование всей поверхности червячного колеса в 2 раза уменьшает нагрузку на червячную пару.
Червячный редуктор 8 позволяет менять функциональные характеристики шлагбаума, а именно скорость движения преграждающего элемента 1 от 0,5 секунды до 10 секунд путем комбинирования передаточного числа редуктора 8 и числа оборотов двигателя 9, что приводит к изменению и крутящего момента червячного редуктора 8, передаваемого на преграждающий элемент 1. Все это позволяет варьировать длину преграждающего элемента 1 от 2 метров до 8 метров без существенного изменения общей конструкции шлагбаума. Т.е. мотор-редуктор обеспечивает надежность и долговечность работы шлагбаума различных габаритных размеров.
На редукторе могут быть установлены бесконтактные датчики 11 крайних положений водила 6. Расположение бесконтактных датчиков 11 крайних положений непосредственно на редукторе позволяет отслеживать движения водила 6, а не вторичного движения качающегося рычага 4, что обеспечивает в два раза более точное позиционирование преграждающего элемента 1 в вертикальном и горизонтальном положениях, чем у прототипа. Надежность и долговечность работы шлагбаума при этом повышается. Точность позиционирования обеспечивает поворот преграждающего элемента 1 точно на 90°, а не более, и не позволяет преграждающему элементу 1 переходить за мертвую точку водила 6, т.к. поворот преграждающего элемента 1 при переходе мертвой точки водила 6 требует больших затрат энергии, а момент страгивания преграждающего элемента 1 из крайних положений, соответствующих мертвым точкам А и В водила 6, практически нулевой.
Расположение поворотной оси 3, редуктора 8, электродвигателя 9 на несущем корпусе 2 обеспечивает перенос ударных механических воздействий, приложенных к преграждающему элементу 1 в горизонтальной плоскости, именно на несущий корпус 2, а не на редуктор 8 и его червячную передачу, что повышает надежность и долговечность работы редуктора 8. В горизонтальном положении преграждающего элемента 1, когда наиболее вероятно повреждение преграждающего элемента 1, в верхней мертвой точке А тяга 5 и водило 6 установлены в одну линию, и по прямой, образованной тягой 5 и водилом 6, ударная нагрузка переходит через редуктор 8 и электродвигатель 9 на несущий корпус 2.
Преграждающий элемент 1 может быть выполнен в виде основания 13, жестко закрепленного на поворотной оси 3, и преграждающей стрелы 14, установленной на основании 13 с возможностью поворота при действии горизонтальной нагрузки, например, на вертикальной оси 15 (фиг. 4). Возможность поворота преграждающей стрелы 14 обеспечивает ее откидывание при действии горизонтальной нагрузки, например, при сбитии, позволяет избежать ударных нагрузок на преграждающий элемент 1 и механизм поворота и их поломку, что повышает надежность и долговечность шлагбаума. Преграждающий элемент 1 может быть выполнен диаметром 40-100 мм из дюралюминия повышенной прочности АД31Т1 или Д16Т. Увеличенный коэффициент жесткости за счет диаметра и материала повышает надежность и долговечность преграждающего элемента 1, так как повышается стойкость к многократным ударам транспортными средствами.
Шлагбаум работает следующим образом. В исходном состоянии преграждающий элемент 1 находится в горизонтальном положении. При подаче управляющего сигнала от блока управления 10 электродвигатель 9 передает через червячный редуктор 8 вращательное движение водилу 6. Вращательное движение водила 6 через тягу 5 передается в качательное движение на рычаг 4. При этом скорость перемещения рычага 4, а с ним и преграждающего элемента 1 изменяется от нуля до наибольшей величины при угле 45°, что обеспечивает плавное ускорение и замедление преграждающего элемента 1 при приближении к его вертикальному и горизонтальному положениям. Бесконтактные датчики 11 крайних положений, расположенные на редукторе 8, включают и отключают двигатель 9, отслеживая перемещение водила 6.
Таким образом, полезная модель позволяет увеличить надежность и долговечность автоматического шлагбаума.