УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАЛЫВАНИЯ ЛЬДА
DEVICE FOR ICE CHIPPING

Изобретение относится к инструментам ударного действия для скалывания льда и плотно утрамбованного снега, а именно для очистки тротуаров, проезжей части дорог, площадей и других подобных поверхностей.
Ручные инструменты для скалывания льда и слежавшегося снега известны. Например, известно изобретение «Ручной инструмент ударного действия для разрушения льда «Гололед 1»» (Патент РФ №2517843, Е01Н 6/00, B25D 3/00, опубл. 10.06.2014 г.). Изобретение относится к ручным инструментам ударного типа и может применяться для скола льда на гололедных поверхностях. Ручной инструмент включает направляющий стержень и рабочий орган с заостренной частью. Направляющий стержень снабжен ударным элементом и размещен в продольном осесимметричном отверстии ударного элемента. Ударный элемент выполнен с возможностью увеличения его массы, с возможностью падения вдоль оси стержня и ударного воздействия на рабочий орган. При подъеме вручную ударного элемента, с последующим его отпусканием, ударный элемент падает и производит удар по рабочему органу, колющая часть которого разрушает гололедное образование. Известный ударный инструмент требует больших физических усилий для ручного поднятия вверх (причем с высокой частотой) ударного элемента, обладающего значительной массой, что ограничивает эффективность его действия и применения, а также эксплуатационную надежность.
Известно изобретение «Ледоскалыватель» (Авторское свидетельство СССР №76222, опубликовано 31.08.1949 г.), в котором лом ледоскалывателя поднимается механическим приводом и производит скалывающий лед удар при свободном падении лома. Механический привод ледоскалывателя выполнен в виде двух вращающихся в разных направлениях фрикционных дисков, между которыми помещен хвостовик лома и которые имеют вырезы по окружности для периодического освобождения этого хвостовика, для осуществления скола путем падения лома. Недостатком данной конструкции является необходимость синхронизации вращения дисков и их подпружинивания, чувствительность механизма к загрязнению, увеличенный габарит, кроме этого, фрикционные диски не обеспечивают достаточно надежного удержания хвостовика лома вследствие возможного проскальзывания, что снижает надежность работы устройства.
Известно «Устройство для разрушения льда» (Авторское свидетельство СССР №1768697, Е01Н 5/12, опубл. 15.01.1992 г.). Известное устройство содержит корпус, в котором с возможностью осевого перемещения привода смонтированы подпружиненные стержни с разрушающими инструментами (рабочими органами). Привод включает в себя элементы вращения (сдвоенное зубчатое колесо) и снабжен размещенным в цилиндрической полости корпуса поршнем, закрепленным на конце дополнительного стержня. Стержень и дополнительный стержень кинематически связаны между собой посредством вала, несущего на концах упомянутые элементы вращения. Полость под поршнем сообщена через управляемый клапан с источником текучей среды под давлением. Зубчатая рейка, закрепленная на дополнительном стержне, взаимодействуя со сдвоенным зубчатым колесом, передает вертикальное движение через зубчатую рейку, установленную на стержне, на сам стержень и, следовательно, на ударный инструмент. В качестве недостатка известного устройства следует отметить сложную и дорогостоящую систему гидравлического привода. Кроме того, неисправности гидравлической системы плохо диагностируемы и, следовательно, отказ системы может произойти внезапно, что снижает эксплуатационную надежность механизма.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является изобретение «Устройство для скалывания льда» (Авторское свидетельство СССР №1124079, Е01Н 5/12, опубл. 15.11.1984 г.). Устройство для скалывания льда содержит установленный в направляющих рамы (корпуса) с возможностью перемещения приводом в вертикальной плоскости стержень (ударный элемент), на одном конце которого смонтирован (закреплен) рабочий орган с заостренной частью, а другой конец взаимодействует с пружиной сжатия. Привод для подъема и сброса стержня с рабочим органом включает в себя закрепленные на раме с возможностью вращения от электрического двигателя и взаимодействия с одной стороной стержня - сектор, а с другой стороной стержня - ролик. Стержень, зажатый между роликом и сектором, при повороте сектора по часовой стрелке поднимается вместе с рабочим органом в верхнее положение, сжимая пружину. При выходе сектора из зацепления со стержнем рабочий орган под действием пружины и собственного веса падает вниз, нанося удар по скалываемому покрову.
В качестве недостатков известного устройства следует отметить следующие факторы. Подъем стержня, на котором жестко закреплен заостренный рабочий орган, обеспечивается за счет его фрикционного сцепления с сектором и роликом, при котором возможно проскальзывание стержня, что снижает эксплуатационную надежность устройства. При этом контактные трущиеся поверхности подвержены износу, что увеличивает вероятность самопроизвольного выхода стержня из сцепления и также снижает эксплуатационную надежность устройства. Выполнение рабочего органа совместно со стержнем увеличивает требуемое усилие фрикционного сцепления при подъеме стержня, что также снижает эксплуатационную надежность устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационной надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для скалывания льда содержит корпус, закрепленный на нем привод вращения, соединенный с зубчатым колесом зубчато-реечной передачи, возвратную пружину сжатия и рабочий орган. Зубчатое колесо выполнено, по меньшей мере, с одним участком, на котором отсутствует зацепление зубчатого колеса и зубчатой рейки. Возвратная пружина сжатия, зубчатая рейка и рабочий орган установлены в направляющих корпуса последовательно, с возможностью осевого перемещения и взаимодействия. Рабочий орган выполнен с заостренной частью, выступающей за пределы корпуса и с ограничителями осевого перемещения в обоих направлениях, установленными внутри и снаружи корпуса. Масса рабочего органа меньше массы зубчатой рейки.
Для обеспечения выхода зубьев зубчатого колеса из зацепления с зубьями зубчатой рейки, т.е. для выхода звеньев зубчато-реечной передачи из зацепления, зубчатое колесо может быть выполнено с одним зубом, или в виде зубчатого сектора, или с участками в виде промежутков как между зубьями, так и между группами зубьев.
Замена фрикционной передачи, использованной в прототипе, на зубчато-реечную передачу, в которой зубчатая рейка выполняет функцию ударного элемента, возвратно-поступательное движение которого (взвод и спуск) обеспечивается за счет зацепления с зубчатым колесом, выполненным, по меньшей мере, с одним участком, обеспечивающим выход звеньев зубчато-реечной передачи из зацепления, повышает эксплуатационную надежность устройства, так как быстрое изнашивание рабочих поверхностей фрикционной передачи приводит к уменьшению сил сцепления и самопроизвольному выскальзыванию стержня из зацепления. Следует отметить, что зубчатое зацепление обладает наиболее высокой надежностью и ресурсом работы.
Требуемый ход взведения ударного элемента определяется выполнением зубчатого колеса, по меньшей мере, с одним участком, на котором отсутствует зацепление зубчатого колеса и зубчатой рейки, и рассчитывается с использованием таких параметров как модуль зубчатого колеса, диаметр делительной окружности, число зубьев, число отсутствующих зубьев (промежуток между зубьями).
Рабочий орган является наиболее нагруженным и подверженным износу при работе устройства элементом, что требует периодической замены именно этого элемента. Раздельное конструктивное выполнение рабочего органа и ударного элемента (зубчатой рейки) обеспечивает возможность отдельной замены рабочего органа, что, в свою очередь, повышает эксплуатационную надежность устройства в целом.
Выполнение эффективного ударного воздействия при раскалывании льда обеспечивается при условии того, что масса рабочего органа меньше массы ударного элемента, так как выполнение ударного воздействия обеспечивается за счет передачи импульса от ударного элемента к рабочему органу.
При передаче импульса рабочему органу от ударного элемента - зубчатой рейки (который получает энергию, высвобождающуюся при разжимании возвратной пружины) происходит разгон рабочего органа и его внедрение в лед, в результате чего происходит раскалывание (разрушение) льда. При этом чем меньше масса рабочего органа, тем большую скорость он получает при передаче импульса для своего разгона.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных авторами, показали, что для обеспечения эффективного ударного воздействия масса ударного элемента - зубчатой рейки - должна превышать массу рабочего органа не менее чем в 2 раза.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства для скалывания льда с зубчатым колесом, выполненным в виде секторного зубчатого колеса. На фиг. 2 изображен вид сбоку на устройство для скалывания льда. На фиг. 3 представлено изображение рабочего органа устройства для скалывания льда трапециевидной формы с заостренной рабочей кромкой. На фиг. 4 представлено изображение рабочего органа устройства для скалывания льда конусообразной формы с заостренным концом. На фиг. 5 показана одна из возможных конструктивных реализаций устройства для скалывания льда. На фиг. 6 представлено схематическое изображение устройства для скалывания льда с зубчатым колесом (3'), выполненным с участками, выполненными в виде трех промежутков, обеспечивающих выход зубчатого колеса из зацепления с зубьями зубчатой рейки.
Устройство для скалывания льда (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, на котором закреплен привод вращения 2, выполненный в виде, например, электрического двигателя. Привод вращения 2 обеспечивает вращение зубчатого колеса 3, являющегося ведущим звеном зубчато-реечной передачи и входящего в зацепление с зубьями зубчатой рейки 4. Привод вращения 2 может быть выполнен в виде электрического, пневматического, гидравлического и любых других типов двигателей или приводных устройств, которые могут обеспечивать вращение зубчатого колеса 3. Зубчатое колесо 3 может быть жестко установлено, как на валу таких приводных устройств, так и получать вращение через промежуточные передачи.
В направляющих корпуса 1, которыми могут быть стенки корпуса, последовательно с возможностью осевого перемещения и взаимодействия установлены пружина сжатия 5, зубчатая рейка 4 и рабочий орган 6. Зубчатое колесо 3 входит в зацепление с зубьями зубчатой рейки 4 через паз, выполненный в направляющих корпуса 1.
Зубчатое колесо 3 жестко закреплено на валу привода 2, например электрического двигателя, и выполнено в виде секторного зубчатого колеса (зубчатого сектора), при этом длина участка венца зубчатого колеса, на котором отсутствуют зубья, рассчитана так, чтобы обеспечивать возможность возвратного движения и выполнения ударного воздействия зубчатой рейкой 4. Подбор характеристик пружины сжатия 5 (жесткости, длины в свободном состоянии, диаметра проволоки, числа витков и т.д.) и количества исключенных зубьев из зубчатого колеса 3 осуществляется исходя из требуемой силы и энергии удара, хода взведения зубчатой рейки 4, момента на приводе вращения 2 и т.д. Авторами выполнены расчеты на основании закономерностей, приведенных, например: Элементарный учебник физики, под редакцией академика Г.С. Ландсберга том 1. - Механика. Теплота. Молекулярная физика, главы 1, 2, 3. - М.: Изд-во «Наука», 1985 г.
Пружина сжатия 5 установлена в направляющих корпуса 1 на одной оси с зубчатой рейкой 4 и одним своим концом взаимодействует с неподвижным упорным элементом 7, обеспечивающим возможность упора пружине сжатия 5. Упорный элемент 7 может быть установлен как между направляющими, так и являться стенкой корпуса 1 или крышкой корпуса 1.
Рабочий орган 6 установлен в корпусе 1 выступающим за пределы корпуса 1 своей заостренной частью 9 и выполнен с ограничителями 10 и 11 осевого перемещения в обоих направлениях. Та часть рабочего органа, которая расположена внутри корпуса, выполнена в виде Т-образного элемента, фланец которого является ограничителем 10 осевого перемещения, и не позволяет рабочему органу 6 выйти за пределы корпуса 1, при этом верхняя поверхность фланца (обращенная к зубчатой рейке 4) взаимодействует при работе с зубчатой рейкой 4 - получает ударное воздействие от зубчатой рейки 4. Заостренная часть 9 рабочего органа 6, размещенная за пределами корпуса 1 и имеющая возможность взаимодействия с объектом 8, выполнена трапециевидной формы (фиг. 3) с заостренной рабочей кромкой. При этом боковые кромки 11 трапеции ограничивают возможность осевого перемещения рабочего органа 6 вверх, что ограничивает движение рабочего органа 6 при возвращении обратно в корпус 1. Заостренная часть рабочего органа 6 может быть выполнена и конусообразной формы с заостренным концом (фиг. 4). В этом случае на заостренной части 9' рабочего органа 6 выполнен фланец 11', ограничивающий перемещение рабочего органа в корпус при установке на объект 8, получающий ударное воздействие. Величина свободного хода рабочего органа определяется расстоянием между ограничителями его осевого перемещения.
В исходном положении устройство для скалывания льда устанавливается рабочим органом 6 на объект 8, воспринимающий ударное воздействие (лед, наледь, утрамбованный снег и т.п.). Рабочий орган 6 при этом перемещается относительно корпуса в крайнее (верхнее) положение, при этом ограничители 11 (или 11') заостренной части рабочего органа упираются в корпус.
При работе привод вращения 5, например электрический двигатель, подключенный к источнику электрической энергии (аккумулятор, питающая сеть и т.п.), приводит во вращение зубчатое колесо 3. Зубчатое колесо 3 при сцеплении с зубьями зубчатой рейки 4 сообщает ей поступательное движение и перемещает зубчатую рейку 4 во взведенное положение, при этом зубчатая рейка 4 сжимает пружину сжатия 5. Пружина сжатия 5 аккумулирует (накапливает) энергию во время перемещения зубчатой рейки 4 в положение взведения. В момент, когда при вращении зубчатое колесо 3 выходит из зацепления с зубьями зубчатой рейки 4, зубчатая рейка 4 оказывается свободна от внешнего воздействия и прекращает сжимать (деформировать) пружину сжатия 5. Пружина сжатия 5 начинает разжиматься (выходить из деформируемого состояния), и накопленная в пружине сжатия 5 энергия переходит в кинетическую энергию движения зубчатой рейки 4. Зубчатая рейка 4 под действием усилия разжимающейся пружины сжатия 5 ударяет по рабочему органу 6, а он, двигаясь поступательно в пределах своего рабочего хода, внедряется своей заостренной частью в объект 8, воспринимающей ударное воздействие. При включенном электрическом двигателе цикл работы устройства будет повторяться.
Таким образом, благодаря предложенному выполнению зубчато-реечной передачи, обеспечивающей возможность прерывистого движения выходного звена, а также предложенной конструкции рабочего органа, установленного в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с ударным элементом, при работе заявляемого устройства заостренный рабочий орган имеет возможность осуществлять ударные воздействия, разрушающие слой льда на поверхности объекта. При этом, как было показано выше, обеспечена более высокая по сравнению с прототипом эксплуатационная надежность устройства для скалывания льда.