ОКОННЫЙ БЛОК

Полезная модель относится к строительству, а именно к ограждающим конструкциям, имеющим подвижные створки.
Управление подвижными створками может быть ручным (патент RU 2350731, опубл. 27.03.2009; патент RU 2404346, опубл. 20.11.2010), но чаще требуется электрическое управление, в частности для систем автоматического управления («умный дом»). В качестве преобразователя электрической энергии в механическую обычно применяют электродвигатели с вращающимся ротором различного исполнения, например редукторные (патент RU 2418145, опубл. 10.05.2011). Общая структурная схема электроуправляемых оконных блоков содержит преобразователь электрической энергии (электродвигатель), передаточное звено, провод, фиксаторы положения подвижной створки, электрический блок управления. Элементы этой структуры содержат различные кинематические звенья-захват (патент RU 2420644, опубл. 10.06.2011), ползун (патент RU 2288235, опубл. 27.11.2006), гибкая цепь (патент RU 2427698, опубл. 27.08.2011).
Общим недостатком известных электроуправляемых оконных блоков является их низкая энергоэффективность. Они потребляют электроэнергию как на этапе открывания створки, так и на этапе закрывания. В ряде случаев не решена проблема нештатной ситуации. Предположим в помещении произошла утечка газа из магистрали газового прибора. Коммутация электрической цепи может привести к взрыву. Необходимо простым и привычным движением открыть створку и проветрить помещение.
В качестве прототипа принят оконный блок по патенту на полезную модель RU 129137 U1, опубл. 20.06.2013 Бюл. №17, МПК E05F 15/16. Оконный блок, содержащий раму с установленной на ней с помощью шарниров подвижной створкой, связанный с последней через передаточный механизм привод, включающий электродвигатель, соединенные с ним контактный узел, переключатель управления электрической цепью и фиксатор, при этом электродвигатель, контактный узел и переключатель управления электрической цепью имеют общую электрическую шину с источником электропитания, снабжен вторым источником электропитания в виде закрепленного на раме термопреобразователя, подключенного к контактному узлу и переключателю управления электрической цепью с использованием обшей электрической шины, а его термочувствительные элементы расположены по разные стороны оконного блока. Электродвигатель выполнен в виде закрепленного на подвижном основании привода каркаса с электрической катушкой, соосном с последней глухом отверстии которого с радиальным зазором установлен магнитострикционный стержень, опирающийся на дно глухого отверстия каркаса. Фиксатор содержит установленный на подвижном основании привода корпус с поворотной ручкой, в котором размещен подпружиненный шток с возможностью взаимодействия с ручкой и отверстиями неподвижной подложки, несущей в своих направляющих подвижное основание привода. Передаточный механизм содержит крестообразный рычаг, закрепленный средней частью на каркасе электрической катушки с помощью расположенных под углом 90° двух пар плоских пружин с образованием упругого шарнира, при этом на одном конце крестообразного рычага установлен резьбовой регулируемый упор с возможностью взаимодействия со свободным концом магнитострикционного стержня электродвигателя, а к другому концу присоединена тяга, связанная с рычагом шарнира подвижной створки. В передаточном механизме тяга выполнена в форме стержня, имеющего малую поперечную и большую продольную жесткости, а се рабочая длина превышает номинальный размер при недеформированных плоских пружинах упругого шарнира крестообразного рычага на величину, пропорциональную исходному поджатою подвижной створки к раме.
Этой конструкции оконного блока свойственны те же недостатки, что и устройствам-аналогам, а именно: низкая энергоэффективность и сложность управления в аварийной ситуации.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение энергоэффективности.
При этом решаются задачи:
1. Разработка конструктивной схемы оконного блока, в которой возможно использование силового поля земли для обеспечения движения поворотной створки.
2. Реализация принципа рекуперации - использование энергии движения поворотной створки на предыдущем этапе движения в следующем этапе.
3. Упрощение конструкции преобразователя электрической энергии в механическую.
4. Реализация процедуры открывания-закрывания простым движением за типовую ручку створки вне зависимости от наличия электропитания.
Указанный результат достигается тем, что оконный блок, содержащий раму с установленной на ней с помощью шарниров подвижной створкой, связанный с последней через передаточный механизм привод, включающий электродвигатель, соединенные с ним контактный узел, переключатель управления электрической цепью и фиксатор, при этом электродвигатель, контактный узел и переключатель управления электрической цепью имеют общую электрическую шину с источником электропитания, снабжен накопителем энергии, который одновременно является фиксатором, и вторым фиксатором. Электродвигатель в оконном блоке выполнен в виде электромагнита с каркасной соленоидной катушкой, в осевом отверстии которого размещен якорь стержневой формы, который закреплен в центре защемленной по контуру гофрированной мембраны, при этом электромагнит снабжен регулятором вязкого трения в составе подвижной заслонки со стопором, изменяющей проходное сечение осевого отверстия каркаса под якорем.
В предложенном оконном блоке привод с передаточным механизмом выполнен в виде вала привода, консольная часть которого имеет фланец, образующий с шарниром подвижной створки поводковую муфту, а передаточный механизм составлен из гибкого троса, закрепленного одним концом на якоре электромагнита, а другим - на цилиндрической поверхности шкива, закрепленного на валу привода. Накопитель энергии выполнен в виде спиральной пружины, закрепленной одним концом внутри барабана, снабженного стопором углового положения, другим - на валу привода, при этом в качестве рабочего участка принят конечный участок моментной характеристики спиральной пружины, а положение затяжки спиральной пружины является фиксатором.
В предложенном оконном блоке второй фиксатор выполнен в виде магнитопровода скобообразной формы с электрической катушкой, который закреплен на раме напротив линейно смещающегося ребра подвижной створки, и накладки из магнитотвердого материала, закрепленной на указанном ребре, при этом магнитные полюса ориентированы по концам накладки, а в закрытом положении подвижной створки торцовые плоскости магнитопровода совмещены с плоскостью накладки по ее концам.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами: Фиг. 1 - общий вид оконного блока; Фиг. 2 - конструктивная схема; Фиг. 3 - вид А по фиг. 2; Фиг. 4 - электрическая схема; Фиг. 5 - моментная характеристика накопителя энергии.
Принятые обозначения
1. Рама
2. Поворотная створка
3. Ручка створки
4. Шарнир створки
5. Шарнир створки
6. Блок кинематики
7. Кнопка открыть
8. Кнопка закрыть
9. Электрический разъем
10. Магнитопровод электромагнита фиксации
11. Обмотка электромагнита фиксации
12. Концевой выключатель
13. Накладка
14. Вал привода
15. Поводковый штифт
16. Фланец вала привода
17. Спиральная пружина
18. Барабан
19. Крышка барабана
20. Стопор (подпружиненный рычаг)
21. Корпус электромагнита привода
22. Соленоидная катушка
23. Каркас катушки
24. Винты каркаса
25. Якорь
26. Гофрированная мембрана
27. Кольцо мембраны
28. Винты кольца 27
29. Отверстие
30. Заслонка
31. Штифт заслонки
32. Винт заслонки
33. Гибкий трос
34. Шкив вала привода
Оконный блок содержит раму 1 и поворотную створку 2 с ручкой 3. Вращение створки реализуется с помощью шарниров 4, 5, установленных обычным образом по углам створки. Основные элементы кинематики конструктивно оформлены в виде единого блока кинематики 6, занимающего часть объема рамы. На лицевой стороне блока кинематики 6 имеются органы управления - кнопка 7 «открыть», кнопка 8 «закрыть» и электрический разъем 9 для присоединения к автоматической системе управления. Внутри верхней части рамы расположен электромагнит фиксации закрытого положения створки, содержащий магнитопровод 10 в форме скобы и электрическую обмотку 11. Между торцами магнитопровода 10 закреплен стандартный концевой выключатель 12, имеющий один нормальнозамкнутый контакт S1 и один нормальноразомкнутый контакт S2. Ответная часть фиксатора закрытого положения створки представлена накладкой 13 в виде пластины из магнитотвердого материала с продольной намагниченностью - магнитные полюса расположены по концам накладки. Накладка закреплена на створке и обращена в сторону магнитопровода 10. В закрытом положении створки концы накладки совпадают с торцами магнитопровода, образующийся магнитный поток будет удерживать створку. В этом положении концевой выключатель нажат, контакты S1 и S2 переключены.
Обратимся к конструктивной схеме фиг. 2. Соосно с осевой линией шарниров 4, 5 расположен вал привода 14. Обращенной к валу привода шарнир 4 на своем неподвижно закрепленном на створке элементе 4а имеет поводковый штифт 15, входящий в таз торцового фланца 16 вала привода. Таким образом, образована поводковая муфта. Если отклонить поворотную створку на некоторый угол φ от вертикали (g - направление силы тяжести), то появится вращающий момент, открывающий створку и приложенный к валу привода
где m - масса створки;
g - ускорение силы тяжести;
d - расстояние от оси вращения створки до ее центра масс.
max
max
На другом конце вала привода смонтирован накопитель энергии. Он на фиг. 2 представлен спиральной пружиной 17, барабаном 18 с внешним зубчатым венцом, крышкой барабана 19 и стопором углового положения в виде подпружинного рычага 20, взаимодействующего с зубчатым венцом. Пружина 17 выполнена из плоской упругой ленты и закреплена одним концом на внутренней поверхности барабана, а другим - на валу привода 14. Полная моментная характеристика пружины представлена на фиг. 5. В исходном положении витки пружины прижаты к внутренней поверхности барабана. По мере поворота вала привода (угол α) витки пружины будут отделяться и момент пружины нелинейно возрастает до точки А. далее все витки распределяются равномерно, пружина будет работать всей длиной, получим линейный участок АВ. Затем пружина начнет наматываться на вал и будет работать частью длины - участок ВС. При обратном вращении вала (нижняя ветвь характеристики) образуется петля механического гистерезиса. Таким образом, в точке С дальнейшая деформация пружины невозможна. Накопитель энергии при α будет выполнять функцию фиксатора открытого положения створки. При этом створка отклонена от вертикали н угол φ.
max
п
Настройку накопителя энергии производят в следующей последовательности. Отклоняют поворотную створку на расчетный угол φ. Освобождая стопор 20 вращают барабан 18 до затяжки пружины 17 (точка С характеристики). Стопорят барабан. При повороте створки в положение «закрыто» угол закручивания пружины 17 будет соответствовать значению α (точки D характеристики). В принятых обозначениях
В процессе эксплуатации пружина 17 будет работать по частной петле гистерезиса от точки D до точки С. Соответственно, количество запасенной в накопителе энергии составит:
для открытого положения створки
для закрытого положения створки
Электродвигателем-преобразователем электрической энергии в механическую - является электромагнит привода, содержащий корпус 21, соленоидную катушку 22, намотанную на каркас 23, который винтами 24 присоединен к корпусу 21. С небольшим зазором в отверстие каркаса входит якорь 25 в форме стержня. Для обеспечения начального положения якоря применена гофрированная мембрана 26, которая по внешнему контуру завальцована в кольцо 27, последнее винтами 28 присоединено к корпусу 23. Крепление якоря в центральном отверстии мембраны - также типовой завальцовкой. Под якорем в корпусе 21 выполнено соосное отверстие 29. Имеется подвижная заслонка 30, которая может поварачиваться вокруг штифта 31 и фиксироваться винтом 32.
При движении якоря вверх (ориентация чертежа) под ним создается давление воздуха (поршневой эффект), пропорциональное относительному изменению объема. При истечении воздуха через отверстие 29 возникает сила сопротивления движению якоря
где  - скорость движения якоря;
ρ - плотность воздуха;
29
S - проходное сечение отверстия 29;
25
S - сечение якоря 25.
Таким образом, чем выше поднимается якорь в соответствии с фиг. 2 (чем ближе створка к закрытому положению) - тем больше сила (5) всякого трения. Регулируя величину проходного сечения S отверстия 29 можно снизить скорость посадки поворотной створки в положение «закрыто».
Передача движения якоря 25 на вал привода 14 осуществляется с помощью гибкого троса 33. Гибкий трос закреплен одним концом на якоре, другим - на цилиндрической поверхности шкива 34, соединенного с валом привода 14.
п
ф
Электрическая схема блока управления представлена на фиг. 4. Сетевое напряжение U выпрямляется диодом VD. Обмотка 22 (W) электромагнита привода включена последовательно с нормальнозамкнутым контактом S1 концевого выключателя 12 и нормальноразомкнутым контактом кнопки 8 «Закрыть». Обмотка 14 (W) электромагнита фиксации включена последовательно с нормальноразомкнутыми контактами S2 концевого выключателя и кнопки 7 «Открыть». Концы обмотки 14 подключены таким образом, что при появлении тока в ней создаваемый магнитный поток противоположен магнитному потоку от накладки 13.
Работа оконного блока. Примем в качестве исходного закрытое положение поворотной створки 2. При этом накладка 13 створки прижата к торцам магнитопровода фиксации 10, магнитный поток удерживает створку, концевой выключатель перебросил свои контакты: S1 разомкнут, S2 замкнут. При нажатии кнопки 7 «открыть» замыкается цепь обмотки 14 электромагнита фиксации. Торцы магнитопровода 10 поляризуются противоположно по отношению к полюсам накладки. Возникает механический импульс в направлении открывания створки. Створка начнет открываться и появится движущий момент (1). В процессе открывания поворачивается вал привода 14 и закручивается стиральная пружина 17. В конце движения момент пружины быстро возрастает, соответственно падает скорость открывания. Таким образом, створка подходит к положению «открыто» с малой скоростью, без удара. Работа силы тяжести преобразовалась в потенциальную энергию (3) накопителя энергии. После начала движения произошел переброс контактов концевого выключателя 12.
Нажатие кнопки 8 «закрыть» замыкает цепь обмотки 22 электромагнита привода. Якорь 25 через гибкий трос 33 за шкив 34 поворачивает вал привода 14, соответственно через поводковую муфту движение передается на створку 2. В процессе закрывания происходит расходование энергии (3) запасенной в накопителе энергии, что уменьшает потребляемый электромагнитом привода ток от источника электропитания U. Как было отмечено выше, регулятор вязкого трения в конце хода якоря 25 увеличивает сопротивление (5), поэтому посадка поворотной створки в положение «закрыто» происходит без удара. В конце движения створка фиксируется за счет взаимодействия магнитной накладки 13 с магнитопроводом 10.
Ручное управление, в частности в авариной ситуации, осуществляется за ручку 3 створки 2. Прилагаемое усилие невелико - при открывании усилие уменьшается за счет действия силы тяжести, а при закрывании действуют вращающий момент накопителя энергии.
Заметим, что предлагаемое техническое решение может быть положено в основу конструкции оконного блока с поворотной створкой имеющей ось вращения вверху. При этом работа силы тяжести будет совершаться на этапе закрывания.
Таким образом, в предлагаемом оконном блоке в накопителе энергии запасается энергия от работы силы тяжести, затем эта энергия возвращается в систему на другом цикле движения. Потребление энергии от источника практически равно расходу на работу сил трения в кинематических парах. Предусмотрено простое ручное управление.