Телескопическая мачта

Полезная модель относится к выдвижным телескопическим мачтам, которые предназначены для установки на них полезной нагрузки (аппаратуры того или иного назначения) с целью оперативного подъема/опускания этой нагрузки на заданную высоту. Техническое решение может быть использовано в антенной технике, а также для решения задач видеонаблюдения, освещения и контроля правопорядка и безопасности на массовых праздничных, спортивных мероприятиях, на концертах, в т.ч. для оперативного антитеррористического контроля.
Известно техническое решение телескопической мачты, приведенное в описании к патенту на изобретение US 5593129 A, 14.01.1997, в котором мачта образована неподвижной наружной, подвижными промежуточными и внутренней трубчатыми секциями с элементами внутреннего и внешнего центрирования, которые соединены между собою подвижными шпоночными соединениями, предотвращающими вращение секций вокруг центральной оси и обеспечивающими возможность телескопирования секций. Днища в нижних частях подвижных секций выполнены в виде подпружиненных с одной стороны гаек, которые взаимодействуют с ходовым винтом привода поступательного перемещения. На основании ходового винта, расположенного соосно секциям мачты, выполнена проточка для размещения гаек в их исходном положении (мачта в этом состоянии сложена). В сложенном положении мачты с резьбой ходового винта зацеплена только одна гайка внутренней секции, остальные гайки расположены в проточке ходового винта и не взаимодействуют с его резьбой. На верхней части каждой секции установлены замки взаимной осевой фиксации смежных секций и механизмы, обеспечивающие срабатывание этих замков в крайних положениях телескопирования этих секций. Данный аналог обладает рядом недостатков, среди которых можно назвать значительную парусность и массу мачты, что обусловлено использованием сплошных трубчатых секций. Мачте в разложенном состоянии присущи значительные радиальные люфты секций и сопутствующая им угловая качка, обусловленные тем, что секции взаимно центрируются цилиндрическими поверхностями с некоторым зазором, который необходим для обеспечения их относительного движения. Ненадежными представляются и элементы фиксации секций от поворота вокруг оси, выполненные в виде подвижных шпоночных соединений между смежными секциями, поскольку шпоночные пазы и шпонки расположены в узких щелевых межтрубных пространствах смежных секций, что обуславливает минимальную площадь их сопряжения и, следовательно, недостаточную их надежность при интенсивной и долговременной эксплуатации изделия.
Известно техническое решение телескопической мачты, приведенное в описании к патенту на группу изобретений US 7497140 В2, 03.03.2009. По структуре и базовому принципу действия данный аналог не отличается от решения по патенту US 005593129 А. В соответствии с пп. 1-21 формулы он отличается от своих аналогов наличием фрикционного тормоза в приводе поступательного перемещения, конструкцией шпоночного соединения смежных секций и наличием осевых пружин, с функцией двухсторонней амортизации гаек в осевом направлении, а также тем, что секции мачты выполнены из углепластика (как вариант). В пп. 22-31 формулы патентом защищена конструкция замков взаимной осевой фиксации смежных секций и механизмы, обеспечивающие срабатывание этих замков в крайних положениях телескопирования секций. Этому аналогу в полной мере присущи недостатки, указанные выше для аналога по патенту US 5593129 А.
За прототип полезной модели принимается конструкция телескопической мачты по патенту RU 2198131, 10.02.2003. Данное техническое решение по принципу действия и конструкцией привода телескопирования секций подобна предыдущим рассмотренным аналогам. Указанным патентом защищена конструкция замков взаимной осевой фиксации смежных секций и механизмы, обеспечивающие срабатывание этих замков в крайних положениях телескопирования секций. Согласно описанию и чертежам замки развернутого состояния расположены снаружи, в верхних частях промежуточных секций. На них выполнены скосы. Фиксаторы снабжены пружиной сжатия и им соответствуют ответные отверстия в нижних частях в соответствующих предыдущих подвижных секциях, включая внутреннюю. Механизм выключения замка развернутого состояния содержит кронштейн, установленный на каждой промежуточной секции, следующей за секцией, имеющей фиксатор замка развернутого состояния, а также на наружной секции, и имеющей скос для взаимодействия со скосом, выполненным на соответствующем фиксаторе. Замки сложенного состояния расположены в верхних частях промежуточных и наружной секциях и исключают перемещение более одной секции. Каждый содержит поворотный рычаг с захватом и пружиной кручения. Механизм выключения каждого замка сложенного состояния содержит толкатель со скосом, установленный внутри верхней части каждой промежуточной секции с возможностью взаимодействия с рычагом соответствующего замка сложенного состояния, и планку со скосом, установленную на внешней нижней части каждой предыдущей подвижной секции. С целью уменьшения углового люфта мачты в азимутальной плоскости отверстия для захода фиксаторов замков развернутого состояния в фиксируемых секциях выполнены конусными, а заходная часть фиксаторов - в виде усеченных конусов. Телескопическая мачта-прототип снабжена концевыми выключателями крайних положений, которые расположены снаружи телескопических секций. Прототипу в полной мере присущи недостатки, указанные для рассмотренных ранее аналогов, но, кроме того, он обладает увеличенными радиальными габаритами вследствие расположения элементов замков взаимной осевой фиксации смежных секций и элементов механизмов, которые обеспечивают срабатывание этих замков в крайних положениях телескопирования секций, а также и обоих концевых выключателей - на наружных поверхностях трубчатых секций.
Полезная модель имеет своей целью решение задачи усовершенствования конструкции телескопической мачты (ТМ) с электромеханическим приводом с тем, чтобы эта конструкция в максимальной степени отвечала своему назначению и современному уровню техники.
При использовании полезной модели достигается следующая совокупность полезных технических результатов:
1. Уменьшение материалоемкости и веса конструкции ТМ.
2. Увеличение жесткости и уменьшение радиальных люфтов секций ТМ в разложенном состоянии.
3. Уменьшение радиальных габаритов ТМ.
4. Увеличение надежности ТМ.
Сущность полезной модели заключается в том, что телескопическая мачта (ТМ) содержит основание и укрепленный на основании привод с вертикальным ходовым винтом, на котором выполнена проточка для размещения гаек, содержит два концевых выключателя и содержит по меньшей мере три аксиальные винту, телескопически вложенные одна в другую секции. Наружная секция неподвижно укреплена в основании, а остальные секции установлены с возможностью взаимного перемещения - телескопирования вдоль их общей центральной оси, каждая подвижная секция снабжена элементами нижнего и верхнего центрирования и элементами фиксации ее от поворота вокруг оси, на верхней части каждой секции установлены элементы замков взаимной осевой фиксации смежных секций с возможностью срабатывания этих замков в крайних положениях телескопирования секций, а нижняя часть каждой подвижной секции снабжена аксиальной винту и амортизированной по оси гайкой.
При этом полезная модель по сравнению с известными техническими решениями аналогов представляет собою конструкцию, которой присущи следующие существенные отличительные признаки:
- неподвижная секция образована профилированными вертикальными стойками с прямолинейной боковой образующей, расположенными осесимметрично, в количестве не менее двух, укрепленными своей нижней частью в основании, а верхней частью - в верхней втулке этой секции;
- каждая подвижная секция образована профилированными вертикальными стойками с прямолинейной боковой образующей, расположенными осе - симметрично, в количестве не менее двух, укрепленными своей нижней частью в нижней втулке этой секции, а верхней частью - в верхней втулке этой секции;
- смежные секции массивами своих стоек взаимно развернуты вокруг оси;
- элементы нижнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси каждой охватываемой подвижной секции укреплены в ее нижней втулке и сопряжены с вертикальными стойками смежной охватывающей секции по их внутреннему профилю с возможностью сдвига охватываемой секции в осевом направлении;
- элементы верхнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси каждой охватываемой подвижной секции укреплены в верхней втулке смежной охватывающей секции и сопряжены с вертикальными стойками охватываемой секции по их внешнему профилю с возможностью сдвига охватываемой секции в осевом направлении.
На фиг. 1 изображен общий вид ТМ, состоящего из неподвижной наружной и двух подвижных секций в сложенном состоянии.
На Фиг. 2 изображен общий вид ТМ, состоящего из неподвижной наружной и двух подвижных секций в разложенном состоянии.
На фиг. 3 изображен разрез А-А, поясняющий форму и взаимное расположение вертикальных стоек, образующих наружную секцию ТМ.
На фиг. 4 изображен разрез Б-Б, поясняющий конструкцию элементов нижнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси подвижной средней секции ТМ.
На фиг. 5 изображен разрез Е-Е, дополнительно поясняющий конструкцию элементов нижнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси подвижной средней секции ТМ.
На фиг. 6 изображен разрез Г-Г, поясняющий конструкцию элементов нижнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси подвижной внутренней секции ТМ.
На фиг. 7 изображен разрез Ж-Ж, дополнительно поясняющий конструкцию элементов нижнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси подвижной внутренней секции ТМ.
На фиг. 8 изображен разрез В-В, поясняющий конструкцию элементов верхнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси подвижной средней секции ТМ.
На фиг. 9 изображен разрез Д-Д, поясняющий конструкцию элементов верхнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси подвижной внутренней секции ТМ.
На фиг. 10 изображен фрагмент конструкций подвижных средней и внутренней секций ТМ, в которых вертикальные стойки связаны между собою жесткими перемычками, выполненными в виде кольцевых сегментов из листового материала
На фиг. 11 изображен разрез З-З, поясняющий конструкцию жестких перемычек, выполненных в виде кольцевых сегментов из листового материала.
Телескопическая мачта (ТМ) содержит основание (1), укрепленный на основании привод (2) с вертикальным ходовым винтом (3), на котором выполнена проточка (4) и содержит три аксиальные винту, телескопически вложенные одна в другую секции (фиг. 1 и 2). Наружная секция (5) укреплена в основании (1), а подвижная средняя (6) и подвижная внутренняя секция (7) установлены с возможностью взаимного перемещения - телескопирования вдоль их общей центральной оси. Эта возможность обеспечивается конструкцией ТМ, в которой наружная секция (5) образована тремя идентичными вертикальными стойками (8) с прямолинейной боковой образующей и П-образным поперечным сечением (швеллер), которые расположены осесимметрично с взаимным разворотом в 120 угловых градусов (фиг. 2-4). Поперечное сечение может иметь иную, отличную от швеллера, форму поперечного сечения, при которой это сечение обладает достаточными осевыми моментами сопротивления для обеспечения прочности и вертикальной устойчивости стойки (8) под нагрузкой. Так, указанное сечение может иметь форму Т-образную (тавр), дугообразную (корыто) или иную, т.е. полигональную форму. В качестве материала для изготовления стоек (8) может быть использован конструкционный черный или цветной металл, пластик, а также современный композитный конструкционный материал, например углепластик. Каждая стойка (8) укреплена своей нижней частью в основании (1), а верхней частью - в верхней втулке (9) неподвижной наружной секции (5). Средняя подвижная секция (6) так же, как и наружная секция (5) образована аналогичными тремя вертикальными стойками (10) с прямолинейной боковой образующей и идентичным поперечным сечением, которые расположены осесимметрично с взаимным разворотом в 120 угловых градусов (фиг. 2, 4, 5). Каждая стойка (10) укреплена своей нижней частью в нижней втулке (11) этой секции, а верхней частью - в верхней втулке (12) этой секции. Массив вертикальных стоек (10) средней подвижной секции (6) развернут относительно массива вертикальных стоек (8) наружной секции (5) на 60 угловых градусов, что соответствует формуле, по которой в общем виде угол разворота стоек в смежных секциях составляет 360°/2N, где N - количество стоек в секции. На нижней втулке (11) средней подвижной секции (6) укреплены три элемента нижнего центрирования и фиксации от поворота секции (6) вокруг оси, выполненные в виде одинаковых выступов (13), которые сопрягаются с вертикальными стойками (8) по их внутреннему профилю, с возможностью сдвига средней подвижной секции (6) в осевом направлении (вверх/вниз) относительно наружной секции (5) (фиг. 4 и 5). Выступы (13) могут быть изготовлены из антифрикционного материала, например из полиамида или могут быть снабжены антифрикционным покрытием, полученным, например, технологией напыления. Аналогичную конструкцию с уменьшенными радиальными монтажными размерами имеет подвижная внутренняя секция (7), образованная массивом одинаковых вертикальных стоек (14), укрепленных в нижней втулке (15) и верхней втулке (16), и развернутая указанным массивом относительно массива вертикальных стоек (10) средней подвижной секции (6) на 60 угловых градусов (фиг. 2, 6, 7). На нижней втулке (15) внутренней подвижной секции (7) укреплены три элемента нижнего центрирования и фиксации от поворота секции (7) вокруг оси, выполненные в виде одинаковых выступов (17), идентичных выступам (13), которые сопрягаются с вертикальными стойками (10) по их внутреннему профилю, с возможностью сдвига внутренней подвижной секции (7) в осевом направлении (вверх/вниз) относительно средней подвижной секции (6) (фиг. 6 и 7). В верхней втулке (12) подвижной средней секции (6) установлены одинаковые для всех секций элементы замков (18) и (19) взаимной осевой фиксации смежных секций с возможностью срабатывания этих замков в крайних положениях телескопирования подвижной средней секции (6). В верхней втулке (9) наружной секции (5) установлены только элементы замков (19), поскольку не существует охватывающей секции для секции (5). Конструкция элементов замков (18) и (19) может быть позаимствована у известных аналогов ТМ. Элементы верхнего центрирования и фиксации средней подвижной секции (6) ее от ее поворота вокруг оси выполнены в виде шлицев (20) в шайбе (21), которая укреплена на верхней втулке (9) наружной секции (5), причем шлицы (20) сопряжены с вертикальными стойками (10) средней подвижной секции (6) по внешнему профилю указанных стоек с возможностью сдвига средней подвижной секции (6) в осевом направлении (вверх/вниз) относительно наружной секции (5) (фиг. 2 и 8). Шайба (21) может быть изготовлена из антифрикционного материала, например полиамида, или шлицы (20) могут быть снабжены антифрикционным покрытием. Аналогичную конструкцию с уменьшенными радиальными монтажными размерами имеет верхняя втулка (12) средней подвижной секции (6), на которой укреплена шайба (22) со шлицами (23) (фиг. 2 и 9). В нижних частях средней подвижной секции (6) и внутренней подвижной секции (7), т.е. в нижних втулках (11) и (15), аксиально ходовому винту (3) установлены одинаковые гайки соответственно (24) и (25), зафиксированные от разворота во втулках шлицами одинакового типа (26), показанных одной позицией для обеих гаек, и каждая гайка (24) и (25) снабжена парой осевых амортизаторов одинакового типа (27), также показанных одной позицией (фиг. 1, 5, 7). Количество подвижных секций, аналогичных по конструкции средней подвижной секции (6), в телескопической мачте может быть любым и определяется ее конструктивными размерами в сложенном и разложенном состояниях. Конструкция всех подвижных секций отличается только радиальными монтажными размерами и, кроме того, внутренняя (последняя) подвижная секция (7) в отличие от средней подвижной секции (6) не несет на верхней своей втулке (16) элементы замков (18) и шайбу, подобную шайбам (21) и (22), поскольку эта секция является внутренней и охватываемой секции для нее нет. Возможны особые варианты выполнения некоторых элементов патентуемого технического решения. Эти варианты обеспечивают дополнительный вклад в достижение заявленных технических результатов, не изменяя сущности полезной модели. Так, с целью увеличения жесткости несущей конструкции ТМ вертикальные стойки в каждой секции или в отдельных секциях могут быть связаны между собою жесткими перемычками, которые выполнены в виде кольцевых сегментов (28) и (29), выполненных из листового материала и укрепленных при помощи сварки или иным способом на вертикальных стойках, таким образом, чтобы они не препятствовали телескопированию секций (фиг. 10 и 11). В рамках указанного признака все секции ТМ или только некоторые из них в предельном случае могут быть снабжены перемычками - кольцевыми сегментами (28) и/или (29), которые по всей длине соединяют вертикальные стойки (8), (10), (14) этих секций, образуя сплошные трубы, за исключением зоны расположения элементов замков (18). При этом вертикальные стойки становятся подобны силовым несущим лонжеронам в тонкостенных трубах. Кроме того, вертикальные стойки (8), (10), и (14) секций (5), (6) и (7) могут быть расположены под одинаковым острым углом в пределах от 0 до 5 угловых градусов по отношению к их общей центральной оси, причем вершина этого угла направлена кверху, т.е. соответствующие радиальные монтажные размеры стоек в соответствующих верхних втулках (9), (12) и (16) могут быть выполнены несколько меньшими по сравнению с радиальными монтажными размерами в основании (1) и в соответствующих нижних втулках (11) и (15), что и обеспечивает указанный выше острый угол. Для защиты внутренних поверхностей ТМ от атмосферных осадков, а также от пыли и загрязнений, секции мачты могут быть снабжены отдельными гофрированными защитными элементами или общим защитным гофрированным элементом, выполненным из резины, резинотекстильного материала или другого гибкого эластичного материала (не показаны).
Телескопическая мачта работает следующим образом. В сложенном состоянии гайка (24) средней подвижной секции (6), укрепленная в нижней втулке (11), расположена на проточке (4) ходового винта (3) ниже начала его резьбы и не взаимодействует с резьбой, а гайка (25) внутренней подвижной секции (7) расположена на резьбе ходового винта (3) в его нижней части, выше проточки (4). При включении привода (2) ходовой винт (3) начинает вращение, вследствие чего внутренняя подвижная секция (7) через гайку (25) и втулку (15) получает поступательное перемещение вертикально вверх. При этом вертикальные стойки (14) в верхней своей части центрируются и удерживаются от радиального смещения шлицами (23) шайбы (22), а в нижней части - выступами (17) на нижней втулке (15), которые сопрягаются с соответствующими поверхностями вертикальных стоек (14) и (10). Замковые устройства своими элементами (18) и (19), связывая среднюю подвижную секцию (6) с наружной неподвижной секцией (5), блокируют преждевременное движение вверх средней подвижной секции (6), которое могло бы возникнуть от действия сил трения при движении сопряженных поверхностей стоек (14) в шлицах (23) и выступов (17) в стойках (10). При достижении гайкой (25) положения, которое приближает ее к выходу с резьбы винта (3), что составляет приблизительно полторы длины резьбовой части гайки (25) от оконечности винта (3), элементы замковых устройств (18) и (19) освобождают связь секции (6) с секцией (5) и связывают секцию (7) с секцией (6), поэтому далее секция (6) начинает двигаться совместно с секцией (7), как единое целое, вертикально вверх. Вследствие этого движения гайка (24) с проточки (4) подается на резьбу ходового винта (3), после чего по ходовому винту (3) одновременно передвигаются две гайки (24) и (25), у которых разность шагов и заходов на резьбу, обусловленная неточностью их изготовления и взаимного расположения, скомпенсирована осевыми амортизаторами (27). Амортизаторы (27) в отличие от склонных к поломке пружин прототипа выполнены в виде шайб из резины или резинотекстильного материала, что повышает надежность устройства, т.е. вносит свой вклад в достижение одного из заявленных технических результатов. Отсутствие вращения гаек (24) и (25) во втулках (11) и (15) обеспечивается шлицами типа (26). Дальнейшее движение секций (7) и (6) приводит к сходу гайки (25) с резьбы ходового винта (3), при этом секции (7) и (6) продолжают совместное движение, будучи связанными воедино элементами замковых устройств (18) и (19). Движение прекращается при выключении привода (2), что, в частности, может быть обеспечено концевым выключателем крайнего верхнего положения (не показан). Реверсирование привода (2) будет иметь своим результатом вращение ходового винта (3) в обратную сторону, а также обратный порядок изложенных выше событий и приведение ТМ в исходное (сложенное) состояние. При этом выключение привода (2), в частности, может быть обеспечено концевым выключателем нижнего крайнего положения (не показан). Введение в конструкцию секций жестких перемычек (28) и/или (29), расположенных между вертикальных стоек (8), (10) и (14), увеличивает конструкционную жесткость телескопической мачты, при этом сущность конструкции и принцип ее действия остается неизменным. Перспективным является вариант выполнения ТМ, в котором вертикальные стойки (8), (10) и (14) секций (5), (6) и (7) расположены под острым углом в пределах от 0 до 5 угловых градусов по отношению к их общей центральной оси, т.е. соответствующие радиальные монтажные размеры стоек на верхних втулках (9), (12) и (16) выполнены несколько меньшими по сравнению с монтажными размерами на основании (1) и нижних втулках (11) и (15). В этом варианте обеспечивается упругое заклинивание стоек каждой охватываемой подвижной секции в шлицах соответствующей шайбы, которая установлена на верхней втулке смежной охватывающей секции, а также упругое заклинивание (натяг) элементов нижнего центрирования и фиксации указанной охватываемой подвижной секции в вертикальных стойках той же самой смежной охватывающей секции. Этим достигается дополнительное увеличение жесткости и уменьшение радиальных люфтов секций ТМ в разложенном состоянии.
Сущность полезной модели связана с заявленными техническими результатами следующим образом соответственно:
1. Уменьшение материалоемкости и веса конструкции достигается тем, что неподвижная наружная (5) и все подвижные секции (6) и (7) образованы профилированными вертикальными стойками одинакового типа (8), (10), (14). Вес и материалоемкость таких секций по сравнению с трубчатыми значительно меньше.
2. Увеличение жесткости и уменьшение радиальных люфтов секций ТМ в разложенном состоянии достигается тем, что элементы типа (13) и (17) нижнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси каждой охватываемой подвижной секции укреплены в ее нижней втулке типа (11) и (15) и сопряжены с вертикальными стойками типа (8), (10) смежной охватывающей секции по их внутреннему профилю с возможностью сдвига охватываемой секции в осевом направлении, а элементы типа (20, 21), (22, 23) верхнего центрирования и фиксации от поворота вокруг оси каждой охватываемой подвижной секции типа (6), (7) укреплены в верхней втулке типа (9), (15) смежной охватывающей секции типа и сопряжены с вертикальными стойками типа (10), (14) охватываемой секции по их внешнему профилю с возможностью сдвига охватываемой секции в осевом направлении. В соответствии с этими признаками указанные сопряжения могут быть точно центрированы подобно общеизвестному шлицевому соединению, как по боковым поверхностям профилей, так и по выступам/впадинам центрирующих элементов. При этом, что важно, сопряжения могут быть выполнены с умеренным натягом, который будет способствовать полному исключению радиальных люфтов секций ТМ. Указанный натяг не приведет к глухому заклиниванию подвижных секций, как это неизбежно случилось бы в трубчатой мачте, т.к. упругие вертикальные стойки в отличие от стенок трубы обладают гибкостью в радиальном направлении.
3. Уменьшение радиальных габаритов ТМ достигается за счет того, что элементы замков типа (18) взаимной осевой фиксации смежных секций, которые укреплены в верхних втулках типа (12), (16) подвижных секций, могут быть радиально смещены внутрь охватываемой секции, в свободное пространство между вертикальными стойками смежных секций, что невыполнимо в трубчатых секциях аналогов и прототипа.
4. Увеличение надежности ТМ достигается, во-первых, за счет увеличения количества элементов нижнего типа (13), (17) и верхнего типа (20, 21), (22, 23) центрирования и фиксации от поворота вокруг оси каждой охватываемой подвижной секции. Согласно сущности полезной модели их количество составляет не менее четырех для каждой подвижной секции, по два снизу и сверху, т.к. количество этих элементов как верхних, так и нижних, соответствует количеству вертикальных стоек типа (10), (14). Во вторых, увеличение указанной надежности достигается тем, что согласно сущности полезной модели площадь сопряжения даже единичного элемента центрирования и фиксации, например выступа (13), поскольку его радиальный размер не ограничен щелевым межтрубным пространством, значительно превосходит площадь шпонки с пазом при расположении этих элементов в узком межтрубном пространстве секций, как это имеет место в прототипе.
Полезная модель отвечает критерию промышленной применимости, поскольку в настоящее время существуют все технологии и комплектующие, необходимые для ее производства.