УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИНЫ И/ИЛИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ МЕЖДУ НИМИ
DEVICE TO DEFINE RELATIVE MOTION OF MACHINE STRUCTURAL ELEMENTS AND/OR TO POWER TRANSFER THERE BETWEEN

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использовано в системах защиты, контроля и управления грузоподъемных кранов, в частности, для организации взаимодействия с устройствами, расположенными на корневой секции и на оголовке телескопической стрелы.
Известно устройство для определения длины телескопической стрелы грузоподъемного крана, содержащее расположенный вдоль стрелы гибкий элемент в виде многожильного резинового шнура, одним концом закрепленный на основании телескопической стрелы, а другим - на ее оголовке. Шнур находится в зацеплении со шкивом, закрепленным на оси датчика перемещения, выход которого является выходом устройства [1].
Недостатком этого устройства является нестабильность результатов измерения длины стрелы во времени и при изменении температуры окружающей среды, что обусловлено старением и температурной нестабильностью характеристик материала резинового шнура.
Кроме того, выполнение гибкого элемента в виде резинового шнура исключает возможность его использования для передачи электрической энергии и электрических сигналов между конструктивными элементами машины (грузоподъемного крана), что снижает область применения данного устройства.
Наиболее близким к предложенному является устройство для определения длины телескопической стрелы (расстояния между конструктивными элементами) грузоподъемной машины и для передачи электрической энергии на выдвигаемую секцию стрелы, содержащее гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенный вдоль стрелы и закрепленный одним концом на ее оголовке, а также размещенный на корневой секции стрелы кабельный барабан с натяжным приспособлением, потенциометрическим датчиком углового перемещения барабана и токосъемником, соединенным с кабелем-тросом. Натяжное приспособление выполнено в виде спиральной пружины, установленной в полости кабельного барабана [2].
Данное устройство обеспечивает возможность как определения расстояния между конструктивными элементами машины, например между секциями телескопической стрелы (длины стрелы), так и передачи электрической энергии на оборудование, установленное на подвижных конструктивных элементах машины (например, на оголовке стрелы).
В этом устройстве в случае обрыва гибкого элемента или его спадания с барабана потенциальная энергия спиральной пружины натяжного устройства превращается в кинетическую, поскольку в этом случае барабан под воздействием пружины свободно и с возрастающей угловой скоростью раскручивается в обратную сторону. После того как запас свободного хода барабана будет исчерпан, практически мгновенная остановка барабана приводит к поломке пружины. Кроме того, под воздействием этой динамической нагрузки барабан может быть сорван с места его крепления и может нанести травмы персоналу, обслуживающему машину.
Соответственно, известное устройство отличается невысокой эксплуатационной надежностью и пониженной безопасностью.
Данное устройство не обеспечивает также передачу гидравлической энергии на подвижные конструктивные элементы машины.
Задачами, на решение которых направлено предложенное техническое решение, являются:
- исключение повреждения устройства при обрыве гибкого элемента или его спадании с барабана;
- повышение безопасности работы устройства в эксплуатации;
- расширение функциональных возможностей и области применения устройства за счет обеспечения передачи на подвижные конструктивные элементы машины как электрической, так и гидравлической энергии.
В устройстве для определения взаимного перемещения конструктивных элементов машины и/или для передачи электрической энергии между ними, содержащем барабан, снабженный пружиной и установленный с использованием подшипников на первом конструктивном элементе машины, гибкий элемент, выполненный с возможностью взаимодействия с барабаном или охватывающий его и первым концом закрепленный на втором конструктивном элементе машины, причем барабан кинематически связан с датчиком перемещения (например, потенциометром или магнитным энкодером) и/или оснащен поворотным или вращающимся соединительным устройством, соединенным с источником энергии и со вторым концом гибкого элемента, указанные технические результаты достигаются за счет дополнительной установки тормозного устройства, кинематически связанного с барабаном и выполненного с возможностью увеличения создаваемого им тормозного момента при увеличении угловой скорости барабана.
Для достижения необходимых технических результатов тормозное устройство выполнено, в частности, гидравлическим. Оно содержит корпус, в котором размещены подвижные и неподвижные диски, зазор между которыми заполнен жидкостью, либо кольцевую или цилиндрическую полость, заполненную жидкостью, и демпфирующий поршень, размещенный в ней с зазором. Дополнительно может быть использован термобиметаллический элемент, обеспечивающий уменьшение этого зазора при увеличении рабочей температуры устройства, а также применена жидкость с повышенной вязкостью и с наименьшим изменением этой вязкости при изменении температуры устройства.
В другом варианте реализации устройства для достижения указанных технических результатов тормозное устройство выполнено с использованием электромагнитных средств и содержит, по меньшей мере, один металлический диск и, по меньшей мере, один постоянный магнит, который своими полюсами охватывает диск.
В любом варианте реализации тормозного устройства начальное значение его тормозного момента выбирается существенно меньше, чем момент, создаваемый пружиной для натяжения гибкого элемента.
Для достижения указанных технических результатов поворотное или вращающееся соединительное устройство может быть выполнено в виде электрического контактного или бесконтактного токосъемника, например контактно-щеточного устройства, и/или гидравлического вращающегося соединения, а гибкий орган может быть выполнен, соответственно, в виде электрического провода или кабеля и/или эластичного трубопровода.
В устройстве с небольшим числом рабочих оборотов барабана поворотное или вращающееся соединительное устройство может быть выполнено в виде свернутых в спираль металлической ленты, проволоки, трубопровода или их комбинации. По ним осуществляется передача, соответственно, электрической или гидравлической энергии.
Кроме того, для достижения указанных технических результатов гибкий орган и соединительное устройство могут быть дополнительно приспособлены для передачи контрольных, измерительных и/или управляющих электрических сигналов между конструктивными элементами машины.
В предложенном устройстве благодаря наличию указанных отличительных признаков, в случае обрыва гибкого элемента или его спадания с барабана, потенциальная энергия пружины в тормозном устройстве превращается в тепловую энергию (рассеивается). Это исключает поломки устройства и повышает безопасность работы с ним.
Возможность использования в качестве гибкого элемента трубопровода, с соответствующим соединительным устройством, обеспечивает возможность передачи гидравлической энергии на подвижные конструктивные элементы машины.
Поэтому отличительные признаки заявленного технического устройства находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением указанных технических результатов.
На чертеже схематично показан пример реализации устройства.
Устройство для определения взаимного перемещения первого 1 и второго 2 конструктивных элементов машины, а также, при необходимости, для передачи электрической и/или гидравлической энергии между ними содержит барабан 3 с установленной в нем ленточной спиральной пружиной 4.
Один конец спиральной пружины 4 закреплен на ободе барабана 3, а второй - на неподвижной оси 5.
Барабан 3 с использованием подшипников 6 через ось 5 и фланец 7 закреплен на первом конструктивном элементе машины 1.
Гибкий элемент 8, выполненный в виде стального тросика, провода, проволоки, ленты, электрического кабеля, гибкого трубопровода или их любой комбинации, взаимодействует с ободом барабана 3 или охватывает его. Например, намотан на барабан 3.
Первый конец гибкого элемента 8 закреплен на втором конструктивном элементе машины 2 и подключен к какому-либо электрическому, гидравлическому, электромеханическому или электрогидравлическому устройству 9 системы контроля, защиты и управления машины. Например, к контроллеру оголовка стрелы грузоподъемного крана.
Второй конец гибкого элемента 8 подключен к поворотному или вращающемуся электрическому, гидравлическому или комбинированному (электрическому и гидравлическому) соединительному устройству 10.
Барабан 3 кинематически связан с датчиком перемещения 11, например потенциометром или магнитным энкодером (на чертеже схематично показана зона его размещения). Датчик перемещения содержит, в частности, редуктор, преобразующий угловое перемещение барабана 3 относительно неподвижной оси 5. Возможно также применение многооборотного потенциометра.
Ко второму выводу (выводам) соединительного устройства 10 посредством электрического провода (проводов, кабеля), гибкого трубопровода (трубопроводов) или их комбинации 12 подключен источник электрической энергии (напряжение U) и/или гидравлической энергии (давление Р).
В приведенном примере их прокладка осуществляется через полую ось 5.
Устройство содержит также тормозное устройство, кинематически связанное с барабаном 3, которое может быть как гидравлическим, так и электромеханическим (электромагнитным).
Гидравлическое тормозное устройство содержит корпус 13, в котором размещены подвижные и неподвижные диски 14, зазор между которыми заполнен жидкостью, либо кольцевую или цилиндрическую полость, заполненную жидкостью, и демпфирующий поршень, размещенный в ней с зазором.
В корпусе может быть установлен термобиметаллический элемент (пластина), прикрепленный к корпусу или расположенный между дисками, обеспечивающий уменьшение этого зазора при увеличении рабочей температуры устройства.
В гидравлическом тормозном устройстве предпочтительно применение жидкости с повышенной вязкостью и с наименьшим изменением этой вязкости при изменении температуры устройства, например, кремнийорганической.
Тормозное устройство может быть также выполнено с использованием электромагнитных средств. Например, в виде алюминиевого диска (дисков) и постоянного магнита (магнитов), который (которые) своими полюсами охватывает (охватывают) диск (диски).
Поворотное или вращающееся соединительное устройство 10 может быть выполнено в виде электрического контактного или бесконтактного токосъемника, например контактно-щеточного устройства, и/или гидравлического вращающегося соединения (центрального коллектора).
При этом возможна одновременная установка как электрического, так и гидравлического соединительных устройств. В этом случае гибкий орган 8 содержит как электрический провод (провода), так и эластичный трубопровод (трубопроводы), выполненный, например, в виде пластмассового или тонкого резинотканевого рукава, что обеспечивает передачу между конструктивными элементами машины 1, 2 как электрической, так и гидравлической энергии.
Электрические провода в гибком органе 8 могут быть не только силовыми, но и контрольными, измерительными и/или управляющими.
В устройстве с небольшим числом рабочих оборотов барабана 3 поворотное соединительное устройство 10 может быть выполнено в виде свернутых в спираль металлической ленты, проволоки, трубопровода или их комбинации.
Электрическая схема устройства может быть реализована на основе микроконтроллера. Она может содержать трансивер или драйвер проводного или беспроводного интерфейса для передачи сигналов о результатах измерения взаимного перемещения конструктивных элементов машины (угла поворота барабана 3), например длины телескопической стрелы грузоподъемного крана. В частности, может быть использован трансивер или драйвер стандартного токового интерфейса 4-20 мА, мультиплексного канала обмена данными с реализацией последовательного интерфейса CAN (Controller Area Network), LIN ((Local Interconnect Network) и т.п.
С использованием этого интерфейса и микроконтроллера по гибкому органу 8 может быть организована односторонняя или двунаправленная передача между конструктивными элементами машины 1, 2 контрольных, измерительными и/или управляющих сигналов, если это предусмотрено в каком-либо варианте технической реализации устройства.
Устройство может дополнительно содержать одно или несколько дополнительных функциональных узлов: датчик угла наклона конструктивного элемента машины 1, 2 относительно гравитационной вертикали, выполненный, например, в виде микромеханического акселерометра (инклинометра), датчик температуры и т.п.
Устройство работает следующим образом.
При любом положении конструктивных элементов машины 1, 2 барабан 3 благодаря наличию в нем пружины 4, взаимодействуя с гибким органом (кабелем, проводом, тросом, гибким трубопроводом или их комбинацией) 8, обеспечивает его постоянное натяжение.
При взаимном перемещении конструктивных элементов машины 1, 2 происходит вытягивание/втягивание гибкого органа 8 и его сматывания/наматывания на обод (тело вращения) барабана 3.
Сматывание с барабана или наматывание на него гибкого органа 8 на длину ΔL приводит к повороту кабельного барабана на угол
Δγ=ΔL/π(D+d),
где Δγ - угол поворота тела вращения (барабана) 3;
ΔL - величина вытягивания гибкого органа (кабеля) 8 с барабана 3;
D - диаметр кабельного барабана 3;
d - диаметр гибкого органа 8.
Поворот тела вращения (барабана) 3 через редуктор передается на датчик перемещения 11. Угол поворота вала датчика перемещения 11 при этом составляет
Δα=Δγ/К,
где К - передаточный коэффициент передачи редуктора.
Соответственно, угол поворота вала датчика перемещения 10 прямо пропорционален взаимному перемещению конструктивных элементов машины.
Сигнал, соответствующий углу поворота датчика 11, поступает на выход устройства непосредственно или через микроконтроллер и соответствующий трансивер или драйвер.
При этом по гибкому элементу 8, в зависимости от его конструкции, одновременно может передаваться электрическая и/или гидравлическая энергия.
При нормальной работе устройства скорость относительного перемещения конструктивных элементов машины 1, 2 невелика и тормозное устройство не влияет на работу устройства, поскольку начальное значение его тормозного момента выбирается существенно меньше, чем момент, создаваемый пружиной 4 для натяжения гибкого элемента 8.
В случае обрыва гибкого элемента 8 или его спадания с барабана 3 барабан под воздействием пружины 4 начинает с ускорением раскручиваться в обратном направлении. Возрастание угловой скорости барабана приводит к увеличению тормозного момента тормозного устройства.
В результате этого происходит ограничение скорости вращения барабана 3, а потенциальная энергия, запасенная в заведенной пружине 4, превращается в тепловую энергию. Эта тепловая энергия отводится через корпус тормозного устройства 13 и крепежный фланец 7.
В результате этого предотвращается как излом пружины 4, так и возможность срыва барабана с его крепления.
При наличии в устройстве термобиметаллической пластины ее деформация при увеличении температуры приводит к сжатию дисков и к уменьшению зазора между ними. Это компенсирует снижение вязкости жидкости при увеличении ее температуры и, соответственно, стабилизирует тормозной момент.
Если тормозное устройство выполнено с использованием электромагнитных средств, то тормозной момент, возрастающий с увеличением угловой скорости барабана 3, создается за счет взаимодействия постоянного магнита с диском. Силовые линии магнитного поля, пересекая диск, наводят в нем дополнительную ЭДС, пропорциональную частоте вращения диска. Эта ЭДС, в свою очередь, вызывает протекание в диске вихревого тока, взаимодействие которого с потоком постоянного магнита приводит к возникновению электромеханической силы, направленной против движения диска, т.е. приводит к созданию тормозного момента.
В данном описании приведены лишь частные примеры осуществления предложенного технического решения. Изобретение, в зависимости от типа машины (грузоподъемного крана, подъемника и т.п.) и требований к ее системе контроля, защиты и управления, охватывает другие варианты реализации предложенного устройства и их эквиваленты при сохранении сути изобретения, изложенной в его формуле.