УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ВЕСА ПОДЪЕМНЫХ ВОРОТ С, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОЙ НАЖИМНОЙ ПРУЖИНОЙ
DEVICE FOR WEIGHT LIFTING CAPACITY COMPENSATION WITH, AT LEAST, ONE PRESSING SPRING

Область техники
Изобретение относится к устройству компенсации веса для привода подъемных ворот в соответствии с преамбулой пункта 1 или, в альтернативном варианте, с преамбулой пункта 2 формулы изобретения.
Уровень техники
Типичное устройство компенсации веса известно из GB 750,469.
Из уровня техники, кроме того, известны подъемные ворота и встроенные в них устройства компенсации веса. Так, например, в патентной заявке DE 4015214 А1 описаны подъемные ворота с пластинчатым полотном с отклоняемыми пластинами. Описываемые подъемные ворота содержат две направляющие, расположенные на двух противоположных сторонах проема ворот, а также пластинчатое полотно с пластинами, посаженными на шарнирные петли на удалении друг от друга таким образом, чтобы шарнирные шейки входили в пространство между соседними пластинами. Кроме того, согласно этой заявке подъемные ворота выполнены в виде промышленных подъемных ворот, то есть скоростных ворот. Такие подъемные ворота выполняются в виде жалюзийных ворот, закрывающих или открывающих проходы и проезды.
Из патентной заявки DE 4015214 А1 известно использование натяжных пружин для компенсации веса отдельных пластин, образующих створку ворот. Однако натяжные пружины имеют недостаток, заключающийся в том, что срок их службы составляет всего около 200000 рабочих ходов.
Используемые в альтернативном варианте пружины кручения имеют еще более короткий срок службы, примерно от 30000 до 40000 рабочих ходов.
Часто применяемые натяжные пружины имеют еще один недостаток, заключающийся в том, что при использовании тяжелых ворот они требуют наличия обширного монтажного пространства, в частности, по бокам проема ворот. Если коробка ворот недостаточно широка для того, чтобы вместить располагающиеся друг рядом с другом натяжные пружины, обеспечивающие необходимое поддерживающее упругое усилие, то, хотя существует возможность расположить их друг за другом, оба варианта не позволяют эффективно использовать пространство в области подъемных ворот.
Из уровня техники известны альтернативные устройства компенсации веса, использующиеся, например, в секционных воротах. Так, в патентной заявке DE 10232577 А1 описывается устройство компенсации веса для секционных ворот с валом, установленным с возможностью вращения, с барабаном для троса, который установлен, по меньшей мере, на одном конце вала, и на который намотан тяговый трос, соединенный со створкой секционных ворот, и, по меньшей мере, с одной пружиной кручения, выполненной в виде винтовой пружины. Винтовая пружина упирается одним концом в неподвижную приемную часть, а другим концом - в закрепленный на валу приемный элемент, и работает как пружина кручения, имеющая очень короткий срок службы.
Даже применение гидравлических аккумуляторов в промышленных подъемных воротах не является оптимальным вариантом, так как конструкции с использованием гидравлических аккумуляторов отличаются дороговизной и сложностью.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, присущих уровню техники, и разработка недорогого и долговечного устройства компенсации веса, которое может быть применено в воротах, предполагающих поднятие выполненных наподобие пленок створок или нескольких шарнирно сочлененных друг с другом, предпочтительно, жестких сегментов, например спиральных ворот или ворот, работающих по принципу барабана.
Задача решена, согласно изобретению, устройством компенсации веса с признаками пункта 1, или, в альтернативном варианте, с признаками пункта 2. Такие нажимные пружины способны выдерживать многолетние нагрузки, увеличенные по сравнению с натяжными пружинами и, в частности, пружинами кручения, не ломаясь по истечении относительно малого времени наработки и не требуя преждевременного технического обслуживания. Испытания определенных нажимных пружин показали, что после выполнения миллиона рабочих ходов не возникло значимых деформаций пружин. Нажимная пружина расположена в направляющем элементе, выполненном в виде полого цилиндра, причем направляющий элемент в виде полого цилиндра установлен на коробке с возможностью вращения или без такой возможности для того, чтобы поддерживать поворотное движение устройства передачи усилия. Это позволяет эффективно использовать силу пружины при сохранении компактности конструкции.
Таким образом, решение, предложенное изобретением, позволяет получить не только недорогую и долговечную, но и особенно простую и эффективную конструкцию.
Предпочтительные варианты исполнения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и будут детально описаны ниже.
Так, выгоден вариант, в котором нажимная пружина соединена с устройством преобразования движения, использующем силу нажимной пружины, действующую в продольном направлении, для поддержки поворотного движения устройства передачи усилия, поднимающего или опускающего створку ворот. Таким образом, устройство преобразования движения использует силу, которая может быть накоплена в нажимной пружине, для передачи поддерживающего крутящего момента на устройство передачи усилия.
Кроме того, предпочтителен вариант, в котором нажимная пружина расположена, по существу, горизонтально, предпочтительно, в поперечном направлении относительно направления подъема или опускания створки ворот. Это позволяет эффективно использовать монтажное пространство.
В особенно компактном варианте устройства компенсации веса смотанная створка ворот, находящаяся в поднятом состоянии, окружает полость, в которой расположена нажимная пружина и/или устройство преобразования движения.
Чтобы максимально упростить реализацию спиральных и барабанных ворот, предпочтительно, направляющий элемент представляет собой не имеющий возможности вращения полый цилиндр или приводной вал, выполненный в виде полого вала.
Силу нажимной пружины можно особенно эффективно использовать в качестве поддерживающего крутящего момента для компенсации веса створки ворот, если нажимная пружина опирается с передачей усилия на неподвижную часть направляющего элемента и исполнительный элемент, поступательно перемещающийся относительно направляющего элемента.
Предпочтительный вариант исполнения отличается тем, что приводной вал состоит в кинематической связи с исполнительным элементом, который выполнен с возможностью перемещения посредством нажимной пружины вдоль продольной оси приводного вала.
Исполнение в виде редуктора позволяет соединить исполнительный элемент с приводным валом с передачей крутящего момента, предпочтительно, таким образом, чтобы перемещение исполнительного элемента вдоль продольной оси вызывало передачу крутящего момента от исполнительного элемента на приводной вал.
Для предотвращения вращения исполнительного элемента, например при вращении приводного вала, предпочтителен вариант, в котором исполнительный элемент направляется внутри полого вала с возможностью смещения в продольном направлении, предпочтительно, по канавке на внутренней стороне полого вала, проходящей, предпочтительно и по существу, в продольном направлении. Разумеется, также возможен вариант, в котором канавка будет выполнена на исполнительном элементе, а на внутренней стороне полого вала будут предусмотрены соответствующие симметричные выступы.
Если исполнительный элемент выполнен в виде гайки ходового винта, то можно воспользоваться проверенным преобразующим элементом. Это позволяет передавать большие усилия и использовать компоненты, способные выдерживать нагрузки в течение длительного времени.
Особенно целесообразен вариант, в котором гайка ходового винта соединена с приводным валом с помощью резьбового зацепления. Это позволяет упростить реализацию поддержки приводного вала усилием нажимной пружины.
Еще один предпочтительный вариант исполнения отличается тем, что на приводном валу выполнено по меньшей мере одно упругое соединение, разделяющее этот вал на части. Такое упругое соединение, в частности, выполненное в виде кулачковой муфты, выгодно тем, что оно позволяет компенсировать механическое переопределение между боковыми подшипниками, использующимися для поддержки приводного вала. Можно использовать на одной стороне кулачковой муфты только радиальные подшипники, а на другой стороне кулачковой муфты - упорный подшипник и радиальный подшипник. Кроме того, возможен вариант, в котором используется несколько упругих соединений, в частности кулачковых муфт, расположенных друг за другом в осевом направлении, а соответствующие подшипники расположены за пределами этих упругих соединений.
Кроме того, изобретение относится к подъемным воротам, в частности промышленным подъемным воротам, содержащим створку двери, привод, в частности, электродвигатель, и устройство компенсации веса согласно изобретению, описанное выше. Таким двигателем может быть, например, электродвигатель или гидравлический/пневматический двигатель. Также в качестве приводных агрегатов могут использоваться двигатели внутреннего сгорания.
Кроме того, выгоден вариант, в котором в полом валу предусмотрено смотровое окно, позволяющее наблюдать за гайкой ходового винта. Это позволяет контролировать юстировку отдельных элементов друг относительно друга.
Для максимального упрощения контроля за повторной или первичной юстировкой отдельных элементов особенно целесообразен вариант, в котором смотровое окно вытянуто вдоль продольной оси и при этом ориентировано, предпочтительно, горизонтально. Такая горизонтальная ориентация напрашивается, в том числе, потому, что полый вал или приводной вал обычно проходит горизонтально над проемом ворот.
Если гайка ходового винта имеет концевую пластину, для которой в смотровом окне отмечено монтажное положение, то юстировку и монтаж сможет легко выполнить даже неквалифицированный персонал.
Кроме того, предпочтителен вариант, в котором при монтаже подъемных ворот соединение между двигателем и гайкой ходового винта может быть сделано разъемным, что позволит переводить гайку ходового винта, предпочтительно, вручную и/или с помощью ручки в требуемое монтажное положение, в котором соединение может быть восстановлено. В связи с этим также выгоден способ, использующий смотровое окно для того, чтобы после разъединения соответствующих элементов перевести концевую пластину в нужное положение, а затем восстановить соединение.
Краткое описание чертежей
Изобретение детально описывается ниже на основании фигур, на которых представлены различные варианты исполнения в различных видах. На фигурах изображено:
Фигура 1: первое устройство компенсации веса для спиральных ворот, описываемое изобретением.
Фигура 2: слегка модифицированное устройство компенсации веса, показанное на фигуре 1, вид сбоку.
Фигура 3: устройство компенсации веса согласно фигуре 1 в продольном разрезе в соответствии с фигурой 1, но в положении, в котором проем ворот закрыт иным образом, отличающимся от фигуры 1.
Фигура 4: вид спереди на спиральные подъемные ворота с устройством компенсации веса согласно фигурам 1-3, в частичном продольном разрезе, причем устройство компенсации веса занимает положение, соответствующее поднятой створке ворот, хотя на фигуре 4 створка ворот показана в опущенном положении.
Фигура 5: вид сверху на подъемные ворота, показанные на фигуре 4.
Фигура 6: вид сбоку на спиральные подъемные ворота, показанные на фигурах 4 и 5, со вставным приводом.
Фигура 7: вариант подъемных ворот, показанных на фигурах 4, 5 и 6, но с приводом с коническими шестернями и зубчатым ремнем.
Фигура 8: увеличенный разрез привода с коническими шестернями, показанного на фигуре 7.
Фигура 9: устройство компенсации веса для подъемных ворот, в конструкции которых предусмотрен барабан для наматывания троса, в частичном продольном разрезе, причем устройство компенсации веса показано в положении, в котором проем ворот не закрыт, то есть ворота удерживаются в поднятом положении.
Фигура 10: вид сбоку на слегка модифицированное устройство компенсации веса, показанное на фигуре 9.
Фигура 11: частичный продольный разрез устройства компенсации веса, показанного на фигуре 9, но в закрытом положении, то есть в положении, в котором проем ворот закрыт воротами.
Фигура 12: подъемные ворота, в которых используется устройство компенсации веса, показанное на фигуре 9, изображенные в положении, соответствующем нахождению створки ворот в поднятом, открытом положении, причем сама створка ворот изображена на фигуре 12 в открытом положении.
Фигура 13: вид сверху на ворота, показанные на фигуре 12.
Фигура 14: вид сбоку на ворота, показанные на фигурах 12 и 13, со вставным приводом.
Фигура 15: вид сбоку на ворота, показанные на фигурах 12-14, но в варианте привода с коническими шестернями и зубчатым ремнем вместо встроенного привода.
Фигура 16: увеличенная принципиальная схема привода с коническими шестернями и зубчатым ремнем (см. фиг. 15), вид спереди.
Фигура 17: принципиальная схема различных положений сжатия нажимной пружины.
Фигура 18: диаграмма моментов для нажимной пружины при заданном крутящем моменте двигателя.
Осуществление изобретения
Фигуры имеют схематичный характер и служат исключительно для иллюстрирования изобретения. Одни и те же элементы имеют одинаковые ссылочные обозначения.
На фигуре 1 представлен первый вариант осуществления устройства 1 компенсации веса. Устройство 1 компенсации веса предназначено для использования в приводе 2. Привод 2 содержит двигатель 3, выполненный в виде электродвигателя. Устройство компенсации веса предназначено для того, чтобы, в зависимости от положения створки 4 ворот, показанной на фигуре 4, то есть так называемой завесы, возможно, состоящей из нескольких сегментов 5, компенсировать ее вес.
Устройство компенсации веса содержит блок 6 передачи усилия. Блок передачи усилия предназначен для того, чтобы инициировать подъемное, то есть открывающее движение, и опускающее, то есть, закрывающее движение створки 4 ворот. Таким образом, блок 6 передачи усилия прямо или опосредованно соединен со створкой 4 ворот, то есть, по меньшей мере, с одним сегментом 5 створки 4 ворот.
В варианте исполнения спиральных ворот, показанном на фигуре 1, боковые стороны отдельных сегментов 5 ведут по спирали или спиральной направляющей 40, не допуская соприкосновения сегментов 5 друг с другом во время наматывания. Бесконечная тяга 7, например ремень или цепь, служит приводом блока 6 передачи усилия.
При этом блок 6 передачи усилия выполнен в виде приводного вала 8. Приводной вал 8 опирается на четыре подшипника 9, выполненных, в частности, в виде подшипников качения. На фигуре 1 показано положение, в котором ворота открыты. На правой стороне устройства 1 компенсации веса и на внутренней стороне правой бесконечной тяги 7 предусмотрен упорный подшипник, в то время как радиальный подшипник установлен на внешней стороне. По обеим сторонам от бесконечной тяги 7, находящейся на левой стороне устройства 1 компенсации веса, предусмотрено несколько подшипников 9, выполненных в виде радиальных подшипников.
При помощи привода 2 блоков 6 передачи усилия, то есть приводного вала 8, створка 4 ворот удерживается с возможностью подъема и опускания.
На приводной вал 8 установлена охватывающая его гайка 10 ходового винта, содержащая концевую пластину 11. Концевая пластина 11 находится на неподвижном полом валу 12. По меньшей мере, один выступ 13 концевой пластины 11 состоит в геометрическом замыкании с канавкой 14 на внутренней стороне 15 полого вала 12. Канавка 14 представляет собой продольную канавку, то есть канавку, проходящую параллельно продольной оси 16 приводного вала 8.
Соосно продольной оси 16 расположена, предпочтительно, металлическая нажимная пружина 17. Нажимная пружина 17 выполнена в виде винтовой пружины, проходящей вдоль продольной оси полого вала 12. Нажимная пружина 17 представляет собой компонент, который при нормальной температуре и давлении, обычно имеющих место в окружающей среде, находится в твердом агрегатном состоянии. Это металлический компонент, отличающийся упругим восстановлением. После снятия нагрузки он возвращается к своей первоначальной форме. В данном случае он выполнен в виде витой пружины.
v
Нажимная пружина 17 предварительно напряжена между концевой пластиной 11 и базовой частью 18 на величину Δ. В этом варианте исполнения базовая часть 18 соединена с полым валом 12 без возможности поворота и осевого смещения. Для сжатия нажимной пружины 17 важно то, что она помещена между базовой частью 18 и исполнительным элементом 37 с возможностью поступательного сжатия.
Также возможен вариант, в котором базовая часть 18 заменена на деталь, аналогичную исполнительному элементу, в частности, таким образом, чтобы эта подобная исполнительному элементу деталь находилась на том же ходовом винте, что и гайка 10 ходового винта. Две эти детали помещают на противоположных витках резьбы.
На некотором расстоянии от концевой пластины 11 в направлении базовой части 18 находится втулка 19, которая может составлять единое целое с концевой пластиной 11 или может быть соединена с ней с использованием геометрического замыкания, фрикционного замыкания и/или замыкания материалом. На внутренней стороне втулки 19 выполнена резьба, входящая в зацепление с резьбовой частью 20 приводного вала 8.
Приводной вал 8 разделен на три части, причем в каждой переходной области между отдельными частями приводного вала 8 предусмотрено упругое соединение 21, в частности, в виде упругой кулачковой муфты.
Во время работы спиральных ворот полый вал 12 неподвижен, в то время как приводной вал 8 может вращаться. В зависимости от степени сжатия пружины 17 на приводной вал 8 передают больший или меньший крутящий момент с помощью продольного перемещения концевой пластины 11 по резьбе втулки 19 посредством гайки 10 ходового винта.
На фигуре 2 видны два диаметрально противоположных выступа 13 гайки 10 ходового винта, входящие в зацепление с двумя продольными канавками, то есть канавками 14, проходящими в продольном направлении, то есть параллельно продольной оси 16. Также возможен вариант, в котором канавка 14 будет расположена на полом валу 12, выполненном в виде наружной трубы, или на гайке 10 ходового винта.
v
v
На фигуре 3 представлено сечение устройства 1 компенсации веса в положении, в котором ворота закрыты. Пунктирными линиями показано внутреннее пространство полого вала 12, причем концевая пластина 11 удалена от левой оконечности полого вала или насадки полого вала на расстояние Δ+s. Δ обозначает путь, обусловленный натяжением пружины, a s - ход пружины, обусловленный регулированием.
Предусмотрено смотровое окно 22, в частности отверстие в стенке полого вала 12, позволяющее наблюдать за концевой пластиной 11. В центральной области смотрового окна 22 имеется расширение 23, служащее меткой оптимального монтажного положения.
На фигурах с 4 до 7 показаны подъемные ворота в сборе в трех видах, причем на фигуре 6 применен привод 2, выполненный в виде встроенного привода 24, а в варианте, показанном на фигуре 7, вместо встроенного привода 24 применен привод 25 с коническими шестернями и зубчатым ремнем 26.
На ширину коробки влияет только направляющая 39 для створки ворот и, возможно, еще бесконечная тяга 7. В варианте, показанном на фигурах 1-8, ширина коробки определяется обоими компонентами, тогда как в варианте, показанном на фигурах 9 и 16, ширина определяется только направляющей 39 для створки ворот, потому что бесконечная тяга 7 отсутствует, а привод реализован с помощью полого вала 12.
На фигуре 8 представлен еще один разрез с фигуры 7, согласно которому можно реализовать так называемую «продольную конструкцию». Двигатель может быть расположен на одной линии с коробкой, что позволяет особенно эффективно использовать доступное пространство. В частности, за счет расположения нажимных пружин 14 вне коробки, коробку можно сделать относительно узкой. Такое расположение двигателя и нажимных пружин можно реализовать, по существу, во всех представленных вариантах исполнения настоящего изобретения.
В отличие от уровня техники, пружины, выполненные в виде нажимных пружин, ориентированы не в вертикальном, а в горизонтальном направлении, и расположены внутри полого вала 12, окружая приводной вал 8.
Нажимная пружина 17 расположена в полости 33. Полость 33 определяется свернутой створкой 4 ворот. Створка 4 ворот движется по спиральной направляющей 40 и в свернутом состоянии окружает полость 33.
Устройство 32 преобразования движения соединено с нажимной пружиной 17 и содержит, по меньшей мере, базовую часть 18, нажимной элемент 34, выполненный в виде полого цилиндра 36, в частности в виде полого вала 12, на внутренней стороне которого имеется проходящая в продольном направлении канавка 14, и исполнительный элемент 37, выполненный в виде гайки 10 ходового винта с втулкой 19 и концевой пластиной 11.
Устройство 32 преобразования движения преобразует вращательную энергию привода в поступательную кинетическую энергию.
Нажимная пружина 17 расположена горизонтально между двумя вертикальными элементами коробки 35.
На фигуре 9 показан второй вариант исполнения устройства 1 компенсации веса, которое также изображено в открытом положении ворот. Приводной вал 8 соединен с полым валом 12 без возможности проворачивания, благодаря чему полый вал 12 можно приводить во вращение наподобие барабана, а при открытии ворот отдельные сегменты 5 створки 4 ворот наматываются на полый вал 12 как на барабан. Створка 4 ворот может быть также выполнена наподобие пленки, что позволит упростить ее наматывание. Гайка 10 ходового винта, аналогично первому варианту исполнения, содержит концевую пластину 11 и втулку 19. Втулка 19 содержит резьбовую часть 27. Эта резьбовая часть 27 входит в зацепление с резьбовым участком 20 неподвижного вала 28. Вал 28 жестко соединен с базовой частью 18.
Концевая пластина 11 содержит выступы 13, перемещающиеся по канавке 14, проходящей по внутренней стороне 15 полого вала 12 в продольном направлении. Каждый выступ 13 движется по соответствующей канавке 14. Базовая часть 18 также содержит подобные выступы 13, которые также движутся по соответствующим канавкам 14. Разумеется, возможен вариант, в котором упор нажимных пружин 17, выполненный в виде базовой части 18, будет закреплен на полом валу 12 без возможности проворачивания и/или с возможностью поступательного перемещения с использованием геометрического замыкания, силового замыкания и/или замыкания материалом.
В описываемом втором варианте исполнения приводной вал 8 соединен с полым валом 12 без возможности проворачивания. В этом варианте исполнения, показанном на фигуре 10, используют не только два противоположных выступа 13 на концевой пластине 11, но четыре выступа 13, расположенные на одинаковом угловом расстоянии друг от друга.
Как показано на фигуре 10, выступы или канавки могут быть расположены на одном или другом компоненте при сохранении ориентации в продольном направлении. В принципе, возможен также вариант, в котором продольные направляющие и резьбовые элементы меняются местами.
Во всех вариантах исполнения изобретения нажимную пружину можно установить в направляющий элемент 34, выполненный в виде полого цилиндра, с целью поддержки в радиальном направлении, то есть предотвращения выгибания пружины.
Базовая часть, изображенная на фигуре 9, содержит также удлинитель 38, позволяющий укоротить неподвижный вал 28 с резьбовым участком 20.
Аналогично варианту исполнения, изображенному на фигурах 1-8, во втором варианте исполнения, показанном на фигурах 9-16, также предусмотрено смотровое окно 22, причем в этом случае видна дисковидная часть базовой части 18. Базовую часть 18 можно, при желании, поменять местами с гайкой 10 ходового винта.
На фигурах 13 и 15, по соображениям наглядности, створка 4 ворот изображена со смотровым окном 41 и закрывающим щитком 42 в положении, закрывающем проем, хотя нажимная пружина 17 не напряжена.
Виды, показанные на фигурах 4-8, представлены с изменениями, относящимися ко второму варианту исполнения устройства 1 компенсации веса, на фигурах 12-16.
На фигуре 17 показаны три положения нажимной пружины 17, в частности, слева - ненапряженная нажимная пружина 17, в центре - предварительно напряженная пружина, а справа - полностью напряженная нажимная пружина 17. Нажимная пружина 17 во время работы находится в своих максимальных положениях, соответствующих центральному и правому положению.
t
f
На фигуре 18 напряжение пружины соответствует имеющемуся крутящему моменту Μ двигателя, причем сплошная первая линия 29 обозначает момент T, обусловленный весом створки 4 ворот в зависимости от ее положения, а пунктирная вторая линия 30 обозначает момент T, обусловленный пружиной. Крутящий момент двигателя обозначается Μ и равен расстоянию между линиями 29 и 30. Перед положением максимального открытия достигается точка равновесия 31, обозначаемая пересечением обеих линий 29 и 30, то есть торможение створки ворот достигается незадолго до положения максимального открытия.
В варианте исполнения, изображенном на фигурах 9-16, нажимная пружина 17 также расположена в полости внутри свернутой створки 4 ворот.
Особенно предпочтительными оказались варианты исполнения, выполненные в соответствии со следующими расчетами:
1. Момент, обусловленный створкой ворот
t
Вес створки ворот: G=115 кг
o
Диаметр зубчатого колеса: d=75 мм
2
g: ускорение свободного падения 9,81 м/с
t
t
t
o
a
T=F⋅=G⋅g⋅d/2=115⋅9,81⋅75/2=42,3 Hм
2. Момент, обусловленный пружиной
f
Усилие пружины F=9000 Η
h
Диаметр ходового винта 40 мм, шаг P=40 мм
2
КПД при преобразовании линейное движение - вращение: η=0,
f
f
h
2
T=F⋅P⋅η/2π=9000⋅40⋅0,98/2π=56,2 Нм
3. Необходимый крутящий момент двигателя/привода
m
f
t
Т=Т-Т=56,2-42,3=13,9 Нм.