УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СТРЕЛЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА

Полезная модель относится к подъемно-транспортной технике и может быть использована в системах защиты, контроля и управления грузоподъемных кранов.
Известно устройство для определения длины телескопической стрелы грузоподъемного крана, содержащее гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенный вдоль стрелы и закрепленный одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, снабженным токосъемником и установленным на корневой секции стрелы, и потенциометр, кинематически связанный с валом кабельного барабана при помощи передачи в виде редуктора (SU 447350, 25.10.1974). В данном устройстве использован потенциометрический датчик с пропорциональным выходным сигналом, который может быть заменен, при необходимости, сервисной службой в полевых условиях, однако такому датчику присущ ряд недостатков. Во-первых, потенциометры имеют ограниченную рабочую зону по углу поворота их вала, поэтому с ростом диапазона изменения измеряемого параметра, в частности длины стрелы, требуется увеличение передаточного числа передачи, например, редуктора, что ведет к необходимости производства датчиков с различными редукторами и к снижению точности измерения параметра с увеличением диапазона его изменения. Во-вторых, потенциометры имеют ограниченное число рабочих циклов, что снижает ресурс датчиков линейного перемещения, выполненных на их основе.
Известно также устройство для определения длины телескопической стрелы грузоподъемного крана, содержащее гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенного вдоль стрелы и закрепленного одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, снабженным токосъемником и установленным на корневой секции стрелы, микроконтроллер и датчик перемещения, выполненный, например, в виде потенциометра и кинематически связанный с валом кабельного барабана при помощи какой-либо передачи, например, зубчатой. Датчик перемещения может быть выполнен также полноповоротным, т.е. с возможностью измерения угла в пределах полного поворота его вала, в частности в виде бесконтактного потенциометра на основе неподвижно установленной магниточувствительной микросхемы и вращающегося около ней постоянного магнита, связанного с передачей (RU 47342 U1, 27.08.2005). В данном устройстве диаметр кабельного барабана и передаточное отношение редуктора выбираются таким образом, чтобы изменению длины телескопической стрелы от минимального до максимального значения соответствовал угол поворота магнита магнитного энкодера не более 360°, поэтому так же, как и в описанном выше устройстве, с ростом диапазона изменения измеряемого параметра (длины стрелы) требуется увеличение передаточного числа редуктора, что ведет к необходимости производства датчиков линейного перемещения с различными редукторами, снижая тем самым ремонтопригодность данного устройства, и к снижению точности измерения параметра с увеличением диапазона его изменения.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по совокупности существенных признаков является устройство для определения длины телескопической стрелы грузоподъемного крана, содержащее: гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенного вдоль стрелы и закрепленного одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, установленным на корневой секции стрелы и снабженным токосъемником, неподвижная часть которого закреплена на корпусе кабельного барабана с помощью шпилек, свободные концы которых связаны между собой с помощью платформы, а подвижная часть - на кабельном барабане; преобразователь угла поворота кабельного барабана в электрический информационный сигнал, выполненный в виде магнитного энкодера, имеющего собственный вал с закрепленным на нем постоянным магнитом и магниточувствительную микросхему-преобразователь; закрепленный на валу магнитного энкодера активатор с постоянным магнитом, в качестве которого использован постоянный магнит магнитного энкодера; по крайней мере, два датчика магнитного поля; и печатную плату, на которой размещены магниточувствительная микросхема-преобразователь магнитного энкодера, указанные датчики магнитного поля, выполненные в виде герконов, установленных с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения кабельного барабана, и микроконтроллер, к которому подключены магниточувствительная микросхема-преобразователь и датчики магнитного поля (RU 94219 U1, 20.05.2010).
Данное устройство обеспечивает возможность определения расстояния между конструктивными элементами грузоподъемного крана (длины телескопической стрелы), а также возможность соединения питающих цепей (силовых цепей аккумулятора) базового шасси с силовыми потребителями поворотной установки, в частности для передачи электрической энергии на оголовок стрелы, и для соединения между собой источников и приемников сигналов (сигнальных цепей) электрооборудования поворотной установки и неповоротной (ходовой) частей грузоподъемного крана. Данное устройство обеспечивает достаточно высокую точность измерения длины телескопической стрелы, при этом сигнал, формируемый на выходе микроконтроллера, соответствует углу поворота активатора с дискретностью магнитного энкодера и при практически неограниченном количестве оборотов вала кабельного барабана. Однако данное устройство обладает недостаточной ремонтопригодностью, так как так как при выходе из строя магниточувствительной микросхемы-проеобразователя или потере свойств постоянного магнита нужно демонтировать со стрелы кабельный барабан, обладающий большими габаритами и массой, заменить постоянный магнит или печатную плату, на которой расположена данная микросхема, и провести последующую регулировку ее положения относительно постоянного магнита для обеспечения необходимой точности измерения, что потребует возврата кабельного барабана на завод-изготовитель, так как данную регулировку можно провести только в заводских условиях с использованием высокоточных приспособлений и программирования магнитного энкодера с помощью специального дорогостоящего программатора.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для определения длины телескопической стрелы грузоподъемной машины, обладающего повышенной ремонтопригодностью при сохранении высокой точности измерения.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для определения длины телескопической стрелы грузоподъемного крана, содержащем:
гибкий элемент в виде кабеля-троса, расположенного вдоль стрелы и закрепленного одним концом на ее оголовке, а другим - на подпружиненном кабельном барабане, установленным на корневой секции стрелы и снабженным токосъемником, неподвижная часть которого закреплена на корпусе кабельного барабана с помощью шпилек, свободные концы которых связаны между собой с помощью платформы, а подвижная часть - на кабельном барабане;
преобразователь угла поворота кабельного барабана в электрический информационный сигнал, выполненный в виде магнитного энкодера, имеющего собственный вал с закрепленным на нем постоянным магнитом и магниточувствительную микросхему-преобразователь;
закрепленный на валу магнитного энкодера активатор с постоянным магнитом, в качестве которого использован постоянный магнит магнитного энкодера; по крайней мере, два датчика магнитного поля;
и печатную плату, на которой размещены магниточувствительная микросхема-преобразователь магнитного энкодера, указанные датчики магнитного поля, выполненные в виде герконов, установленных с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения кабельного барабана, и микроконтроллер, к которому подключены магниточувствительная микросхема-преобразователь и датчики магнитного поля, согласно полезной модели, преобразователь угла поворота кабельного барабана в электрический информационный сигнал снабжен опорой для вала магнитного энкодера, печатная плата и опора для вала магнитного энкодера закреплены на платформе с образованием сменного взаимозаменяемого измерительного блока, а вал магнитного энкодера кинематически связан с подвижной частью токосъемника с возможностью компенсации радиальных, угловых и осевых смещений относительно вала кабельного барабана.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Печатная плата закреплена на платформе с помощью стоек в виде втулок, в отверстия которых вставлены винты, пропущенные через отверстия в печатной плате и ввернутые в резьбовые отверстия платформы, при этом отверстия в печатной плате выполнены с гарантированными зазорами между ними и винтами для регулировки положения микросхемы-преобразователя относительно постоянного магнита.
Вал магнитного энкодера снабжен поводком, на свободном конце которого выполнена радиальная прорезь, а подвижная часть токосъемника снабжена выступом, расположенным в указанной прорези.
В качестве выступа на подвижной части токосъемника использована концевая часть одной из шпилек крепления подвижной части токосъемника на корпусе кабельного барабана.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что устройство снабжено сменным взаимозаменяемым измерительным блоком, содержащим магнитный энкодер, активатор, датчики магнитного поля и микроконтроллер, при этом вал магнитного энкодера кинематически связан с подвижной частью токосъемника с возможностью компенсации радиальных, угловых и осевых смещений относительно вала кабельного барабана. Сборка данного измерительного блока и юстировка в нем магнитного энкодера осуществляются в заводских условиях, что обеспечивает, при необходимости, возможность замены измерительного блока сервисной службой без демонтажа кабельного барабана с телескопической стрелы и последующей юстировки магнитного энкодера.
Размещение микросхемы-преобразователя магнитного энкодера на печатной плате, закрепленной на платформе с возможностью юстировки магнитного энкодера, обеспечивает доведение погрешностей измерений до значений, соответствующих техническим требованиям.
Снабжение магнитного энкодера поводком, на свободном конце которого выполнена радиальная прорезь, в которой размещен выступ подвижной части токосъемника, в качестве которого использована концевая часть одной из шпилек крепления подвижной части токосъемника на корпусе кабельного барабана, упрощает сборку предлагаемого устройства.
На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - конструкция кабельного барабана со встроенным токосъемником и электронной схемой; на фиг.3 - место А на фиг.2; на фиг.4 - вид Б на фиг.3; на фиг.5 - вид В на фиг.3.
Устройство для определения длины телескопической стрелы 1 грузоподъемного крана содержит:
гибкий элемент в виде кабеля-троса 2, расположенного вдоль стрелы 1 и закрепленного одним концом на ее оголовке 3, а другим - на размещенном в корпусе 4, установленным на корневой секции 5 стрелы 1, подпружиненном кабельном барабане 6;
преобразователь угла поворота кабельного барабана 6 в электрический информационный сигнал, выполненный в виде магнитного энкодера, имеющего собственный вал 7 с закрепленным на нем постоянным магнитом 8 и расположенную напротив магнита 8 магниточувствительную микросхему-преобразователь 9;
активатор 10;
три датчика 11 магнитного поля, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита 8 в последовательности, обусловленной направлением вращения кабельного барабана 6;
датчик 12 полностью втянутой секции стрелы;
микроконтроллер 13 с энергонезависимым запоминающим устройством (на чертеже не показано);
схему 14 согласования с линией 15 связи устройства с регистрирующей аппаратурой;
блок 16 бесперебойного питания со встроенным автономным источником питания (на чертеже не показан).
питающую сеть;
Корпус 4 кабельного барабана 6 имеет цилиндрический кожух 17 и первый торцевой элемент 18, на котором закреплен опорный элемент 19 с установленными в нем подшипниками качения 20 и 21. Торцевой элемент 18 закреплен винтами 22 по периметру на торце кожуха 17.
Кабельный барабан 6 выполнен в виде «беличьего колеса», имеющего две торцевые стенки 23 и 24, связанные между собой с помощью крепежных деталей в виде шпилек 25, с намотанным на них гибким элементом в виде кабеля-троса 2, и размещенный в барабане 6 пружинный привод, включающий спиральную ленточную пружину (не показана), один конец которой закреплен в опорном элементе 19, консольно закрепленным на торцевом элементе 18, а другой конец ленточной пружины (не показана) закреплен на одной из шпилек 25 кабельного барабана 6.
Кабельный барабан 6 имеет установленный в опорном элементе 19 выходной вал 26, один конец которого размещен в подшипнике 20, а другой конец вала связан с помощью шпоночного соединения с втулкой 27, консольно закрепленной на торцевой стенке 24 кабельного барабана, и снабжен токосъемником 28 для передачи электрической энергии на оголовок стрелы, а также для односторонней или двунаправленной передачи между конструктивными элементами грузоподъемного крана контрольных, измерительных и/или управляющих сигналов, если это предусмотрено в каком-либо варианте технической реализации устройства. Конструкция токосъемника не является предметом настоящей полезной модели, так как различные конструкции токосъемных устройств широко описаны в технической литературе. В частности, в предлагаемом устройстве может быть использованы комплектующие токосъемника ТСУ, выпускаемого ООО «Арзамасский электромеханический завод».
Неподвижная часть токосъемника 28, включающая в себя четыре группы контактов прижимного типа, закреплена на втором торцевом элементе 29 корпуса 4 с помощью шпилек 30, свободные концы которых связаны между собой с помощью платформы 31. Подвижная часть токосъемника 28, включающая в себя набор токопроводящих колец с подсоединенными к их внутренним поверхностям проводами кабеля-троса, закреплена на торцевой поверхности втулки 27 с помощью шпилек 32. Для доступа к поверхности втулки 27 торцевой элемент 29 выполнен с осевым отверстием 33.
На свободном конце вала 7 магнитного энкодера закреплен с помощью винта 34 активатор 10 с постоянным магнитом прямоугольной формы, в качестве которого использован постоянный магнит 8 магнитного энкодера, наклеенный на головку винта 34. Активатор 10 выполнен в виде круглой пластины из немагнитного материала, на которой закреплена дополнительная круглая пластина 35 из магнитомягкого материала с вырезом 36 на ее поверхности грибовидной формы, состоящим из размещенных по обе стороны относительно диаметра полукруглой части 37 и прямоугольной части 38. Постоянный магнит 8 активатора 10 размещен в вырезе 36 с гарантированными зазорами Δ между его боковыми поверхностями и примыкающими к ним боковыми поверхностями прямоугольной части 38 фигурного выреза 36 и контактирует с торцом прямоугольной части 38 выреза 36.
На платформе 31 закреплена с помощью стоек 39 печатная плата 40. Стойки 39 выполнены в виде втулок, в отверстия которых вставлены винты, пропущенные через отверстия в печатной плате 40 и ввернутые в резьбовые отверстия платформы, при этом отверстия в печатной плате выполнены с гарантированными зазорами между ними и винтами для регулировки положения микросхемы-преобразователя 9 относительно постоянного магнита 8.
На печатной плате 40 размещены:
три датчика 11 магнитного поля в виде герконов, продольные оси которых смещены друг относительно друга на 45°;
микроконтроллер 13;
магниточувствительная микросхема-преобразователь 9 магнитного энкодера;
схема 14 согласования с линией 15 связи устройства с регистрирующей аппаратурой;
блок 16 бесперебойного питания со встроенным автономным источником питания.
Кроме того, на печатной плате 40 могут быть также смонтированы известные элементы для защиты устройства от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи (на чертеже не показаны), выбор которых не представляет труда для специалистов.
Микросхема-преобразователь 9 магнитного энкодера подключена к микроконтроллеру 13 с помощью двухсторонней линии связи. Выходы датчиков 11 магнитного поля, а также выход датчика 12 полностью втянутой секции стрелы подключены к информационным входам микроконтроллера 13. Блок 16 бесперебойного питания подключен к питающей сети грузоподъемного крана. К блоку 16 бесперебойного питания подключены линия питания микросхемы-преобразователя 9 магнитного энкодера и линия питания микроконтроллера 13.
Преобразователь угла поворота кабельного барабана в электрический информационный сигнал снабжен опорой 41 для вала 7 магнитного энкодера. Печатная плата 40 и опора 41 закреплены на платформе 31 с образованием сменного взаимозаменяемого измерительного блока 42.
Вал 7 магнитного энкодера кинематически связан с подвижной частью токосъемника 28 с возможностью компенсации радиальных, угловых и осевых смещений относительно выходного вала 26 кабельного барабана 6. Для этого вал 7 магнитного энкодера снабжен поводком 43, на свободном конце которого выполнена радиальная прорезь 44, а подвижная часть токосъемника снабжена выступом, расположенным в указанной прорези. В качестве выступа на подвижной части токосъемника использована концевая часть одной из шпилек 32 крепления подвижной части токосъемника на корпусе кабельного барабана 6.
Микроконтроллер 13 выполнен с возможностью изменения разрешающей способности магнитного энкодера и коррекции его показаний по сигналам с датчика 12 пересечения фиксированной точкой секции телескопической стрелы контрольной точки. Указанные установки могут быть выполнены по внешним управляющим командам, полученным по линии 15 связи устройства с регистрирующей аппаратурой, с сохранением данных в энергонезависимом запоминающем устройстве.
В качестве микроконтроллера 13 можно использовать, например, микросхему MSP430F147 фирмы "Texas Instruments" (США), а в качестве микросхемы-преобразователя магнитного энкодера 9 - микросхему MLX 90316 фирмы "Milexis".
Схема 14 согласования с линией 15 связи включает в себя в общем виде контроллер стандартного последовательного интерфейса, например, CAN, и приемопередатчик этого интерфейса для подключения к общему последовательному интерфейсному каналу. В случае, когда микроконтроллер 13 содержит в себе контроллер последовательного интерфейса, то схема 14 согласования с линией 15 связи может включать в себя только приемопередатчик последовательного интерфейса. В качестве контроллера последовательного интерфейса можно использовать, например, микросхемы МСР2515 или микросхемы SJA1000, а в качестве приемопередатчиков последовательного интерфейса - микросхемы SN65HVD1040 или ISO1050DUB (в случае использования интерфейсной шины CAN). Кроме того, схема 14 согласования с линией 15 связи может быть выполнена на основе специализированной микросхемы TJA1050T.
Блок 16 бесперебойного питания может быть реализован на базе компаратора МАХ9117ЕХК-Т. В качестве автономного источника питания может быть использована, например, батарея SL-360/PT.
Устройство может содержать одно или несколько дополнительных функциональных узлов: датчик угла наклона стрелы, выполненный, например, в виде акселерометра, датчик температуры, устройство термостатирования микросхемы акселерометра, включающее в себя термореле, управляемое микроконтроллером, и электронагреватель, и т.п.
Устройство работает следующим образом.
При любом положении выдвижных секций телескопической стрелы 1, подпружиненный кабельный барабан 6, взаимодействующий с гибким элементом (кабелем-тросом 2), обеспечивает его постоянное натяжение.
Перемещение секций телескопической стрелы вызывает вращение выходного вала 26 кабельного барабана 6 и соединенной с ним подвижной части токосъемника 28, которая приводит во вращение вал 7 магнитного энкодера с активатором 10 и постоянным магнитом 8. При вращении постоянного магнита 8 происходит срабатывание герконов, служащих для определения точки начала отсчета, подсчета числа оборотов и определения направления вращения. Число оборотов определяется по количеству срабатывания герконов. Направление вращения выходного вала 26 кабельного барабана 6 определяется порядком срабатывания герконов. Одновременно при вращении выходного вала 26 магнитный энкодер регистрирует прохождение магнитных полюсов вращающегося постоянного магнита 8 непосредственно вблизи чувствительного элемента - микросхемы-преобразователя 9, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код. Выходные сигналы датчиков 11 и 12 поступают на входы микроконтроллера 13, который обрабатывает полученную информацию в соответствии с программой его работы и выдает через схему 14 согласования результаты в регистрирующую аппаратуру в цифровом виде по CAN-каналу для дальнейшей обработки цифрового сигнала в регистрирующей аппаратуре, например, в информационно-управляющем блоке системы безопасности грузоподъемного крана.
При отключении питающей сети от устройства блок 16 бесперебойного питания отключает микросхему-преобразователь 9 магнитного энкодера от питающей сети и формирует управляющий сигнал на переход микроконтроллера 13 в режим пониженного энергопотребления («спящий режим») с питанием от батареи, т.е. когда он потребляет ток на уровне микроампер. Микроконтроллер 13 «просыпается» когда изменяется состояние хотя бы одного из датчиков 11 магнитного поля. Далее микроконтроллер 13 корректирует значение полных оборотов выходного вала 26 кабельного барабана 6 в своем оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и снова переходит в «спящий режим».
Предлагаемое устройство может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов, электронных компонентов и технологий.