ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
SAFETY SYSTEM FOR PROCESSING MACHINES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к предохранительной системе для технологической машины, прежде всего циркулярной пилы, срабатывающей в течение нескольких миллисекунд для защиты пользователя технологической машины от травм в опасных ситуациях.
Уровень техники
В настоящее время существует, в основном, три разных подхода к реализации такой предохранительной системы для настольных и форматных циркулярных пил, которая должна предотвращать контакт пользователя с вращающимся пильным полотном и получение им резаных ран, чреватых тяжелыми последствиями.
Предохранительная система одного из американских производителей, продаваемая под названием Saw Stop, представляет собой систему экстренного торможения, обеспечивающую торможение технологической машины за счет непосредственного контакта механизма торможения с пильным полотном, как только опасная ситуация будет обнаружена датчиком соответствующей конструкции. В этом случае в результате срабатывания инициирующего приспособления, выполненного в виде перегорающей при нагреве нити, на зубья вращающегося пильного полотна посредством предварительно сжатой пружины наталкивается установленная с возможностью поворота алюминиевая колодка, которая вызывает заклинивание, тем самым поглощая энергию вращения всех частей технологической машины, вращающихся в ходе процесса пиления. В качестве сопутствующего эффекта при таком одностороннем воздействии на процесс резания осуществляется опускание пильного полотна в пильный стол посредством расположенного в последнем специально сконструированного устройства подвески. Эта система позволяет предотвращать чреватые тяжелыми последствиями телесные повреждения пользователя технологической машины, инициировавшего срабатывание защитного механизма. Недостатком данной конструкции является непосредственный контакт с рабочим инструментом, а именно с режущей кромкой пильного полотна, поскольку выламывание зубьев создает дополнительную опасность для пользователя. Кроме того, для повторного приведения предохранительной системы в состояние готовности требуется замена тормозного узла и пильного полотна, т.е. для возобновления работы после срабатывания защитного механизма пользователю необходимо иметь при себе запасные части. Это связано со значительными прямыми и косвенными затратами средств и времени на их приобретение и монтаж. К тому же можно предположить, что все элементы конструкции, вовлеченные в процесс торможения, т.е. все вращающиеся части технологической машины, подвергаются во время фазы замедления сильным нагрузкам. Данные о длительной прочности этой системы отсутствуют как в информации, предоставленной производителем, так и в соответствующих публикациях.
Другой подход заключается в использовании предохранительной системы, предусматривающей опускание пильного полотна в пильный стол без запуска процесса торможения. С помощью пиропатрона пильное полотно, главный вал и его опоры выводятся из опасной зоны, что предотвращает получение пользователем тяжелых телесных повреждений. Недостатком предохранительной системы такого типа является необходимость перемещения сравнительно больших масс в форме опускаемых элементов конструкции в пределах узкого временного диапазона, составляющего несколько миллисекунд. Далее, с применением пиропатронов, являющихся в этом защитном механизме безусловно необходимыми, связана дорогостоящая замена расходных частей, что ограничивает возможность немедленного возобновления работы на технологической машине с готовой к срабатыванию предохранительной системой как во временном, так и в организационном плане. Кроме того, по соображениям ограниченности конструктивного объема и очень специфического принципа действия данная предохранительная система применима только в относительно больших стационарных устройствах, например настольных циркулярных пилах, внутри которых она может быть установлена. В небольших же устройствах с ручной подачей рабочего инструмента, например торцовочно-усорезных или панельных пилах, эта система неприменима.
В публикации, состоявшейся в рамках реализуемого с государственной поддержкой (организация VDI/VDE-IT) проекта "Cut-Stop" и посвященной предохранительной системе для форматных круглопильных станков, разработанной Институтом технологических машин (IFW) Штутгартского университета, излагается еще один подход, согласно которому остановка главного вала технологической машины, а следовательно, и пильного полотна производится посредством дискового тормозного устройства специального типа, а именно самоусиливающегося клинового тормоза. В данном случае с помощью пиропатрона осуществляется ускорение и последующее вдвигание клина между его неподвижной направляющей в форме модифицированного тормозного суппорта и вращающимся тормозным диском. При соответствующем выборе и комбинировании специфических величин (угла а при вершине клина и параметра µ тормозной накладки) данная конструкция обеспечивает самоторможение, так что с ее помощью и в зависимости от инерционности замедляемых масс можно выполнить требования, предъявляемые к продолжительности процесса торможения. Недостаток этой предохранительной системы заключается в том, что, как описывается в вышеупомянутой публикации, и в данном случае после срабатывания защитного механизма требуется замена всего тормозного узла по причине фрикционного заклинивания пары трения. Время, требуемое для полного восстановления эксплуатационной готовности системы, составляет здесь примерно 10-12 минут. Это частично ограничивает возможность немедленного возобновления работы.
Раскрытие изобретения
Исходя из рассмотренного уровня техники, задача настоящего изобретения состоит в создании предохранительной системы для технологической машины, которая имела бы альтернативную конструкцию, срабатывала бы в пределах нескольких миллисекунд и по меньшей мере частично устранила бы описанную выше проблему.
Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается система экстренного торможения, предназначенная для резкого затормаживания вращающегося вала технологической машины и содержащая тормозной барабан и по меньшей мере одну тормозную колодку, которые для торможения вала вводятся в контакт друг с другом. В соответствии с изобретением тормозной барабан и по меньшей мере одна тормозная колодка выполнены и расположены таким образом, что тормозящий контакт между тормозным барабаном и тормозной колодкой происходит под действием центробежной силы или центробежного ускорения, обусловленной(-ого) вращением вала. В соответствии с этим настоящее изобретение направлено на то, чтобы реализовать торможение вращающегося вала технологической машины, под которой может подразумеваться, например, настольная циркулярная, торцовочно-усорезная или панельная пила, путем использования имеющейся энергии вращения вала с помощью сконструированной самоусиливающейся или самотормозящейся пары трения. Таким способом можно обеспечить торможение в заданном временном диапазоне, составляющем несколько миллисекунд.
При этом должно быть ясно, что запуск процесса торможения, происходящий, например, как реакция на выходной сигнал датчика, обнаружившего опасную для пользователя ситуацию, может осуществляться механическим, электромеханическим, пиротехническим, пневматическим или гидравлическим образом и, в принципе, не связан с какой-либо определенной средой или рабочим телом, но электромеханический запуск является предпочтительным из-за простоты конструкции и очень хороших возможностей реверсирования.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна тормозная колодка закреплена с возможностью поворота на держателе, установленном на валу и вращающемся с ним. Предпочтительно предусмотреть устройство блокировки, переставляемое между положением блокирования, в котором тормозная колодка удерживается на держателе, и положением разблокирования, в котором по меньшей мере одна тормозная колодка освобождается с возможностью ее поворота в направлении тормозного барабана для создания тормозящего контакта. Другими словами, вращающаяся вместе с валом по меньшей мере одна тормозная колодка резко, т.е. в течение нескольких миллисекунд, переместится под действием центробежной силы в направлении неподвижного тормозного барабана, как только устройство блокировки будет переведено в положение разблокирования.
В предпочтительном варианте устройство блокировки содержит по меньшей мере один запорный элемент, перемещаемый между положением блокирования, в котором он находится в зацеплении по меньшей мере с одной тормозной колодкой, и положением разблокирования, в котором он отсоединен от тормозной колодки. Такой запорный элемент может быть выполнен, например, в виде запорного стержня и т.п.
Устройство блокировки в предпочтительном варианте содержит исполнительный механизм, переводящий это устройство из положения блокирования в положение разблокирования. Этот исполнительный механизм может представлять собой, например, магнитный исполнительный механизм, притягивающий кольцевой якорь, на котором закреплен запорный элемент в форме запорного стержня, чтобы вывести запорный стержень из зацепления с тормозной колодкой и освободить последнюю.
В предпочтительном варианте система экстренного торможения содержит также устройство сцепления, выполненное таким образом, что в состоянии включения оно соединяет затормаживаемый (т.е. подлежащий затормаживанию) вал с трансмиссией, а во время экстренного торможения - автоматически переводится в состояние выключения, в котором затормаживаемый ведомый вал отсоединен от трансмиссии. Такое отсоединение трансмиссии при экстренном торможении обеспечивает исключение трансмиссии (которая может, например, включать в себя ведущий вал и, возможно, несколько ступеней трансмиссии) из собственно процесса торможения, благодаря чему трансмиссия не подвергается действию больших тормозящих моментов, возникающих во время торможения. Этим, во-первых, достигается то преимущество, что исключается возможность повреждения компонентов трансмиссии во время торможения. Во-вторых, отпадает необходимость приведения конструктивных параметров компонентов трансмиссии в соответствие с требованиями, предъявляемыми к процессу торможения, благодаря чему их можно изготавливать с меньшим запасом прочности и за меньшую цену. Кроме того, таким способом обеспечивается эффективное уменьшение момента инерции массы, подвергающейся торможению, поскольку нет необходимости в торможении компонентов трансмиссии. Тем самым можно решающим образом уменьшить нагрузку на систему в фазе торможения. Соответственно этому, при одном и том же силовом воздействии можно существенно сократить время, требуемое для торможения пильного полотна (понятие "пильное полотно" включает в себя "пильный диск"). Конечно, в альтернативном варианте можно также уменьшить силовое воздействие при неизменной продолжительности торможения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения затормаживаемый вал выполнен в виде полого вала, в полости которого расположен ведущий вал трансмиссии. В предпочтительном варианте устройство сцепления образовано выступом, предусмотренным по меньшей мере на одной тормозной колодке и в состоянии включения сцепления проходящим через сквозное отверстие, выполненное в затормаживаемом валу, и входящим в выемку ведущего вала, в результате чего ведущий вал и затормаживаемый вал соединены друг с другом с фиксацией от проворачивания, а в состоянии выключения сцепления выходящим из выемки ведущего вала, в результате чего затормаживаемый вал уже не приводится в движение ведущим валом. Таким способом может быть реализовано отсоединение трансмиссии во время торможения. В предпочтительном варианте выступ с выемкой образуют геометрическое замыкание, чем достигается их надежное сцепление. Для этого можно выполнить, например, выступ дугообразным, а выемку - в форме призмы.
Здесь следует отметить, что количество выступов не должно обязательно соответствовать количеству выемок. Так, например, может быть предусмотрено четыре выемки и только два выступа. Это обеспечивает преимущество в том отношении, что после срабатывания системы экстренного торможения требуется лишь незначительный поворот ведущего вала, чтобы выступы снова вошли в одну из пар выемок. Можно также предусмотреть тормозные колодки в количестве более двух, из которых только две будут ответственными за обеспечение соответствующего соединения ведущего вала, образуемого выступом и выемкой.
Кроме того, предлагаемая в изобретении система экстренного торможения в предпочтительном варианте содержит возвратное устройство для возврата по меньшей мере одной тормозной колодки в ее исходное положение, что обеспечивает полностью реверсивное восстановление эксплуатационной готовности системы (возврат в исходное состояние) после совершенного торможения. Параметры возвратного устройства определяются здесь в тесной увязке с параметрами самоусиления пары трения, а следовательно, и с конструктивными параметрами системы торможения. Возвратное устройство может быть реализовано, например, в виде пружинного элемента соответствующих размеров, работающего на растяжение или сжатие.
Настоящее изобретение также относится к технологической машине с системой экстренного торможения описанного выше типа, причем технологической машиной предпочтительно является циркулярная (дисковая) пила, а точнее настольная циркулярная, торцовочно-усорезная или панельная пила.
Вместе с тем, необходимо ясно понимать, что предлагаемая система торможения применима и в других технологических машинах, в которых по специфическим соображениям требуется обеспечить возможность целенаправленного запуска торможения в заданном промежутке времени, составляющем несколько миллисекунд. Следовательно, в отдельных случаях существует принципиальная возможность адаптации настоящего изобретения к другой технологической машине.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение более подробно описывается ниже на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематическое изображение (вид спереди) системы экстренного торможения в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, находящейся в состоянии, предшествующем запуску процесса торможения,
на фиг.2 - схематическое изображение (вид спереди) системы экстренного торможения, показанной на фиг.1 и находящейся в состоянии запуска процесса торможения,:
на фиг.3 - схематическое изображение (вид в продольном разрезе) системы экстренного торможения, показанной на фиг.1 и 2 и находящейся в состоянии, предшествующем запуску процесса торможения,
на фиг.4 - схематическое изображение (вид в продольном разрезе) системы экстренного торможения, показанной на фиг.1-3 и находящейся в состоянии запуска процесса торможения,
на фиг.5 - схематическое изображение (вид в поперечном разрезе) системы экстренного торможения, показанной на фиг.1-4 и находящейся в состоянии, предшествующем запуску процесса торможения,
на фиг.6 - схематическое изображение (вид в поперечном разрезе) системы экстренного торможения, показанной на фиг.1-5 и находящейся в состоянии запуска процесса торможения.
Осуществление изобретения
На фиг.1-6 представлены схематические изображения системы экстренного торможения в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, обозначенной в целом позицией 10 и служащей для того, чтобы в течение очень короткого промежутка времени, составляющего несколько миллисекунд, привести в неподвижное состояние пильное полотно настольной циркулярной пилы (не показана) в случае возникновения опасной ситуации. Система 10 экстренного торможения содержит неподвижный тормозной барабан 12, закрепленный на рамном элементе конструкции настольной циркулярной пилы, на чертеже не показанном. Этот рамный элемент конструкции должен быть рассчитан таким образом, чтобы он мог выдерживать и воспринимать тормозящие моменты, возникающие во время фазы торможения. Далее, система 10 экстренного торможения содержит держатель 14 тормозных колодок, неподвижно связанный с ведомым валом 16, приводящим в движение пильное полотно, вследствие чего он вращается вместе с этим валом в направлении, указанном стрелкой 17. На держателе 14 закреплены две расположенные диаметрально противоположно друг другу тормозные колодки 18, установленные на соответствующих шарнирных пальцах 20 с возможностью поворота вокруг них. На обращенных к тормозному барабану 12 поверхностях тормозных колодок 18 предусмотрены фрикционные накладки 22, которые в процессе торможения системы 10 экстренного торможения вводятся в контакт с неподвижным тормозным барабаном 12, так что фрикционные накладки 22 и тормозной барабан 12 образуют пару трения. В показанном на фиг.1 состоянии, где процесс торможения еще не запущен, тормозные колодки 18 неподвижно удерживаются на держателе 14 с помощью запорных стержней 24, вследствие чего они не имеют возможности поворота вокруг шарнирных пальцев 20.
Эти запорные стержни 24 составляют часть устройства 26 блокировки, которое содержит также магнитный исполнительный механизм 28, посредством которого запорные стержни 24 могут перемещаться между положением блокирования, в котором тормозные колодки 18 удерживаются на держателе 14, и положением разблокирования, в котором тормозные колодки 18 освобождаются таким образом, что они совершают поворот вокруг своих шарнирных пальцев 20 в направлении тормозного барабана 12, для создания тормозящего контакта между фрикционными накладками 22 и тормозным барабаном 12. Как показано на фиг.3, магнитный исполнительный механизм 28 устройства 26 блокировки неподвижно закреплен на ведомом валу 16. В альтернативном варианте магнитный исполнительный механизм 28 может быть также закреплен на неподвижной части корпуса, не показанной на чертеже, и воздействовать на запорные стержни 24 бесконтактным образом. Запорные стержни 24, имеющие возможность возвратно-поступательного движения посредством магнитного исполнительного механизма 28, проходят через сквозные отверстия 30, предусмотренные в держателе 14, и в состоянии, представленном на фиг.1, 3 и 5, где процесс торможения еще не запущен, входят в отверстия 32, предусмотренные в тормозных колодках 18. Таким способом осуществляется фиксация тормозных колодок 18 на держателе 14. В случае срабатывания системы торможения магнитный исполнительный механизм 28 притягивает кольцевой якорь, на котором закреплены запорные стержни 24, обеспечивая выход последних из держателя 14 на определенное расстояние s и тем самым освобождая тормозные колодки 18 (см. фиг.4). Под действием центробежной силы или центробежного ускорения, обусловленной(-ого) вращением ведомого вала 16, эти колодки прижимаются к неподвижному тормозному барабану 12, благодаря чему между фрикционными накладками 22 тормозных колодок 18 и тормозным барабаном 12 образуется пара трения, требуемая для торможения ведомого вала 16. Следует отметить, что в качестве альтернативы представленному примеру осуществления изобретения, где запорный стержень 24 совершает возвратно-поступательное движение посредством магнитного исполнительного механизма 28, может быть также реализовано движение запорного стержня в обоих направлениях под действием усилия пружины и т.п. Так, движение запорного стержня 24 в прямом направлении может осуществляться под действием магнитного исполнительного механизма 28, тогда как движение запорного стержня 24 в обратном направлении может осуществляться посредством одного или нескольких пружинных элементов, и наоборот.
В зависимости от геометрических размеров устройства определяется его коэффициент усиления С*, причем для предлагаемой конструкции он должен находиться в пределах диапазона самоусиления или самоторможения системы. В данном случае для образования пары трения требуется лишь короткий импульс, поскольку тормозные колодки 18 прижимаются к тормозному барабану 12 вследствие возникающего равновесия сил.
Как следует, в частности, из фиг.3 и 4, ведомый вал 16, затормаживаемый с помощью системы 10 экстренного торможения, выполнен в виде полого вала, в полости которого расположен ведущий вал 34, представляющий собой часть трансмиссии, на чертеже не показанной. Для соединения ведомого вала 16 и ведущего вала 34 друг с другом с фиксацией от проворачивания на тормозных колодках 18 выполнены выдающиеся в направлении центра ведомого вала 16 и ведущего вала 34 дугообразные выступы 36, которые проходят через сквозные отверстия 38, предусмотренные в ведомом валу 16, и входят в имеющие форму призмы выемки 40 ведущего вала 34, как это показано на фиг.5. Благодаря вхождению выступов 36, предусмотренных на тормозных колодках 18, в соответствующие выемки 40 ведущего вала 34 последний соединяется с ведомым валом 16 с фиксацией от проворачивания. При инициировании процесса торможения из состояния, изображенного на фиг.5, после того как запорные стержни 24 будут вытянуты на расстояние s из тормозных колодок 18, происходит поворот тормозных колодок 18 вокруг своих шарнирных пальцев 20 в направлении тормозного барабана 12, так что имеющиеся на тормозных колодках 18 выступы 36 выходят из соответствующих выемок 40 ведущего вала 34, в результате чего происходит разъединение ведущего вала 34 и ведомого вала 16. При таком разъединении трансмиссия не подвергается действию тормозящих моментов, возникающих во время процесса торможения, что позволяет избежать ее повреждения. Кроме того, компоненты трансмиссии можно изготавливать с меньшим запасом прочности, поскольку они не испытывают больших нагрузок при торможении. Так, например, поперечное сечение ведущего вала 34, связанного с двигателем, может быть меньше по сравнению с тем случаем, когда не предусмотрено устройство для отсоединения трансмиссии. Решающее значение, однако, имеет вытекающее отсюда преимущество, что сводится к минимуму количество компонентов, подвергающихся торможению. Это оказывает положительное влияние на систему применительно к ее нагрузке во время фазы торможения, как это уже описывалось выше.
Описанная выше конструкция системы 10 экстренного торможения может значительно сократить время, требуемое для запуска процесса торможения, поскольку контакт между тормозным барабаном 12 и тормозными колодками 18 происходит под действием центробежной силы или центробежного ускорения, обусловленной(-ого) вращением ведомого вала 16. Принципиальная возможность достижения требуемого времени срабатывания, составляющего несколько миллисекунд, может быть доказана на основании расчетов.
Кроме того, конструкция электромеханической системы, представленная на фиг.1-6, реализуется без использования других форм энергии, которые при определенных обстоятельствах могут сделать невозможным полностью реверсивный возврат системы в исходное состояние, и наличие которых означало бы ограничение возможности реверсивного возврата системы в исходное состояние.
Реализация двустороннего приложения тангенциального фрикционного усилия пары трения обеспечивает щадящую эксплуатацию имеющихся подшипников качения, конструкцию которых для обеспечения выносливости всей системы не требуется перерабатывать или даже рассчитывать заново, что привнесло бы в систему повышенную инерционность.
Описанная здесь конструкция позволяет, кроме того, избежать наличия вращающихся деталей по внешнему периметру тормозного узла, благодаря чему может быть реализована замкнутая система с компактной компоновкой, легко размещаемая в соответствующем корпусе, что обеспечивает дополнительные преимущества в отношении принятия специальных мер безопасности при обращении с технологическими машинами.
Следует понимать, что приведение в действие магнитного исполнительного механизма 28 осуществляется посредством выходных сигналов соответствующих датчиков, регистрирующих ситуацию, когда пользователь находится в опасной близости к пильному полотну настольной циркулярной пилы. Такие датчики применяются в существующих устройствах, поэтому останавливаться на них подробнее в настоящем описании нет необходимости.
Хотя в описанном выше примере осуществления изобретения в качестве технологической машины выбрана циркулярная пила, следует иметь в виду, что принцип настоящего изобретения применим и в других технологических машинах.
Наконец, следует понимать, что описанный выше вариант выполнения предлагаемой в изобретении системы экстренного торможения никоим образом не является ограничивающим. Напротив, возможны модификации и изменения без выхода за рамки объема правовой охраны настоящего изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения.