УРАВНОВЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЪЕМНЫХ ВОРОТ
BALANCING DEVICE FOR VERTICAL-LIFT GATE

Изобретение относится к уравновешивающему устройству для подъемных ворот, в частности для быстроходных промышленных ворот, содержащему пружинящий элемент, тяговый элемент и намоточное устройство, причем один конец пружинящего элемента выполнен с возможностью закрепления на полу, тяговый элемент одним концом закреплен на пружинящем элементе, а другим - на намоточном устройстве, намоточное устройство выполнено с возможностью соединения с приводом ворот, а тяговый элемент выполнен с возможностью намотки на намоточное устройство и размотки с него таким образом, что пружинящий элемент имеет максимальное натяжение, когда полотно подъемных ворот находится в закрытом положении, и, по существу, разгружен, когда полотно находится в открытом положении.
Для балансировки веса полотна подъемных ворот известны уравновешивающие устройства. Они обычно содержат пружинящие элементы, которые при закрытых воротах максимально натяжены и поэтому способствуют движению открывания полотна ворот. Этим достигается не только уменьшение необходимых приводных моментов при приведении в действие таких подъемных ворот, но и при правильной настройке устройства предотвращается неопосредованное падение полотна ворот в случае неисправности.
Для этого усилие натяжения пружинящего элемента выбирается так, чтобы оно в любом случае превышало соответствующий вес свободной длины полотна ворот, т.е. еще не выдвинутой из проема ворот секции полотна, до желаемой точки уравновешивания. В современных промышленных воротах эта точка уравновешивания находится обычно на высоте проема ворот 2,5 м. Другими словами, полотно ворот самопроизвольно движется до открытого положения с высотой прохода 2,5 м, если из-за неисправности в приводном устройстве или за счет ручного разблокирования, например в случае обесточивания, привод не будет больше создавать запорного действия.
У подъемных ворот с относительно небольшими требованиями к мощности известно, например, использование торсионных пружин для уравновешивания. Они расположены коаксиально приводному валу и в закрытом положении полотна ворот полностью натяжены, а при открытом полотне ворот соответственно ослаблены. Правда, такие торсионные пружины подвержены повышенному износу, поэтому их срок службы ограничен. В частности, при частом и внезапном реверсировании направления движения подъемных ворот такие торсионные пружины испытывают из-за движений рывками значительные пики динамических напряжений.
Поэтому для таких назначений и, в частности, в случае быстроходных промышленных ворот зарекомендовали себя уравновешивающие устройства, конструкция которых пояснялась, например, в WO 91/18178. Они содержат пружинящий элемент, обычно спиральную пружину, и закрепленный на нем тяговый элемент, как правило, в виде ленты. При этом нижний конец пружинящего элемента прочно соединен с полом, тогда как его верхний конец через тяговый элемент связан с расположенным на перемычке подъемных ворот намоточным валом. В процессе закрывания ворот тяговый элемент наматывается на этот намоточный вал непосредственно прилегающими друг к другу слоями, в результате чего пружинящий элемент все больше натягивается. С другой стороны, движение открывания полотна ворот связано с процессом размотки тягового элемента с намоточного вала, в результате чего возникает ослабление пружинящего элемента. При этом намоточный вал связан с приводом ворот.
Этот вид уравновешивания вполне зарекомендовал себя также потому, что он позволяет достичь вполне удовлетворительного регулирования характеристики процесса уравновешивания. В то время как вес находящейся в процессе движения открывания или закрывания в плоскости ворот секции его полотна изменяется, по существу, линейно в зависимости от дальнейшего движения, пружинящий элемент обычно не обладает линейной характеристикой для этого известного уравновешивающего устройства. Чтобы здесь, с одной стороны, поддержать низкими необходимые крутящие моменты двигателя, а с другой стороны, тем не менее, создать нужную точку уравновешивания, например, на высоте 2,5 м, в зависимости от вида полотна ворот и их заданной высоты возможно конструктивное согласование различных параметров, таких как выбор диаметра сердечника намоточного вала, толщина тягового элемента, а также исходная длина и пружинящее усилие пружинящего элемента. Ввиду множества различных размеров используемых на практике подъемных ворот, а также имеющихся для них в распоряжении видов полотен, таких как гибкие завесы, пластинчатые панцири и т.д., требуются значительные затраты, чтобы для каждой системы ворот обеспечить подходящее уравновешивание.
К тому же в современных быстроходных промышленных жалюзийных воротах, описанных, например, в DE 4015215 А1, DE 19915376 А1 и DE 10236648 А1, их полотна направляются в боковых направляющих шинах так, что они при открытых подъемных воротах размещены в перемычковой зоне проема ворот, не касаясь друг друга. Такая конструкция требует, как правило, сравнительно немногих оборотов приводного вала, так что и для традиционно используемого намоточного вала для тягового элемента уравновешивающего устройства требуется лишь относительно немного оборотов. Поэтому для достижения желаемого усилия натяжения пружинящего элемента приходится обычно мириться с затратами на конструктивные доделки, например с дополнительно расположенным передаточным механизмом.
В основе изобретения лежит задача усовершенствования родового уравновешивающего устройства таким образом, чтобы с небольшими конструктивными затратами можно было создавать необходимые для эффективного уравновешивания крутящие моменты и, кроме того, повысить срок службы.
Эта задача решается посредством уравновешивающего устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения. Оно отличается, в частности, тем, что обращенный к намоточному устройству конец тягового элемента имеет меньшую ширину, чем конец, обращенный к пружинящему элементу, и что намоточное устройство содержит вал и установленное на нем направляющее устройство, посредством которого тяговый элемент может наматываться таким образом, что слои рулона не касаются друг друга, причем направляющее устройство имеет для этого со стороны периферии направляющие поверхности с плавно возрастающим в направлении намотки радиусом.
При этом благодаря изобретению впервые было обнаружено, что намотка тягового элемента без касания друг друга его слоев является предпочтительной.
Так, за счет намотки без касания автоматически возникают увеличенные радиусы рулона, поэтому уже небольшого числа оборотов намоточного устройства достаточно, чтобы создать нужное натяжение пружинящего элемента. Это предпочтительно, в частности, в случае направляемых без касания в рулоне полотен ворот, поскольку здесь также по сравнению с традиционными, намотанными с касанием полотнами приводной вал совершает меньшее число вращательных движений. Таким образом, согласно изобретению можно, как правило, отказаться от дополнительных передаточных механизмов и т.д. и приводить уравновешивающее устройство непосредственно приводным валом полотна ворот. Следовательно, в конструктивном отношении оборудованные уравновешивающим устройством подъемные ворота могут быть выполнены просто. Это, в свою очередь, предпочтительно в отношении уменьшения износа и повышения срока службы таких ворот.
Далее за счет больших радиусов рулона возникают большие длины рычага, что, в свою очередь, вызывает большие крутящие моменты, чем при традиционной, с касанием намотке тягового элемента. Уравновешивающее устройство согласно изобретению может предпочтительно использоваться тем самым даже в очень больших и тяжелых воротах.
Кроме того, предложенная в изобретении конфигурация имеет то преимущество, что выбор эффективного радиуса или эффективной длины рычага в направляющем устройстве может быть сделан независимо от толщины тягового элемента, поскольку для этого следует лишь соответственно выполнить направляющие поверхности направляющего устройства. Таким образом, специалист только за счет целенаправленного придания формы направляющему устройству может осуществлять индивидуальное согласование уравновешивания с данным размером полотна подъемных ворот и с его массой, не принимая для этого во внимание, например, толщину тягового элемента, диаметр сердцевины намоточного вала и т.д.
Другое преимущество уравновешивающего устройства в том, что тяговый элемент за счет своей особой формы может наматываться без осевых смещений. Этим можно избежать односторонних нагрузок тягового элемента и поддерживать низким износ этого весьма нагруженного при работе элемента. Это положительно сказывается на сроке службы уравновешивающего устройства.
При этом из WO 2004/076795 А1 уже известно, правда, выполнение полотна подъемных ворот так, что его конец со стороны перемычки имеет меньшую ширину, чем конец со стороны пола. Далее из этой публикации известны два отстоящих друг от друга модуля, на которые без касания наматывается полотно ворот, причем оба модуля имеют со стороны периферии направляющие поверхности с плавно возрастающим в направлении намотки радиусом. Эта конфигурация относится, однако, исключительно к возможности намотки полотна ворот без касания и тем самым предотвращению его царапания или повреждения. В отношении уравновешивания в этой публикации дана ссылка на описанную выше традиционную конфигурацию с винтовой пружиной и тяговой лентой, в которой последняя наматывается с касанием на намоточный вал. Побуждения предусмотреть вместо полотна ворот или дополнительно к нему намотку тяговой ленты без касания из этого документа не следует. Кроме того, он нисколько не касается проблематики регулирования подходящей характеристики уравновешивания в таких подъемных воротах. Очевидно, при разработке этих известных подъемных ворот не была обнаружена лежащая в основе изобретения проблематика, поэтому в данной публикации не содержится никаких побуждений к решению поставленной задачи изобретения.
Предпочтительные варианты уравновешивающего устройства являются объектом зависимых пп.2-6.
Так, ширина тягового элемента может ступенчато увеличиваться от обращенного к намоточному устройству конца к обращенному к пружинящему элементу концу, причем направляющее устройство имеет, по меньшей мере, два направляющих участка, выполненных спиралеобразными и аксиально смещенных по отношению друг к другу так, что к внутреннему направляющему участку примыкает пара внешних направляющих участков, минимальный радиус направляющей поверхности которых соответствует максимальному радиусу направляющей поверхности внутреннего направляющего участка. Таким образом, предложенное в изобретении устройство может быть реализовано со сравнительно небольшими конструктивными затратами, поскольку направляющие поверхности следует выполнить на каждом направляющем участке только в одной плоскости. В том месте, где внутренний направляющий участок не может иметь соответствующей спиралеобразной направляющей поверхности, т.е. после одного полного оборота, аксиально внешняя пара направляющих участков подходящего радиуса, взаимодействуя с соответствующим более широким участком тягового элемента, выполняет дальнейшую направляющую функцию. Благодаря этой конфигурации можно реализовать два полных оборота направляющего устройства с плавно возрастающим в направлении намотки радиусом, что достаточно для многих применений. Если потребуется больше двух оборотов направляющего устройства, то могут примыкать дополнительные внешние пары направляющих участков, которые выполнены соответственно и взаимодействуют с еще более широким участком тягового элемента.
В качестве альтернативы этому возможно также, чтобы ширина тягового элемента плавно увеличивалась от обращенного к намоточному устройству конца к обращенному к пружинящему элементу концу и чтобы направляющее устройство имело две направляющие спирали, которые от среднего участка с возрастающим радиусом расходятся аксиально наружу дальше друг от друга. Также за счет этого возможна намотка тягового элемента без касания, причем, однако, требуется трехмерная конфигурация направляющих поверхностей. Также эта конфигурация позволяет выполнить предусмотренные согласно изобретению направляющие поверхности с плавно возрастающим в направлении намотки радиусом.
Если тяговым элементом является цепь, то она позволяет создать стабильную и, тем не менее, очень гибкую в направлении намотки конфигурацию этого компонента уравновешивающего устройства. В частности, такая цепь обладает очень высокой прочностью на растяжение, поэтому она особенно предпочтительно применяется в подъемных воротах больших размеров, например шириной 8 м и высотой 6 м.
В качестве альтернативы возможно также выполнение тягового элемента в виде ленты. Эта конфигурация предпочтительна, в частности, тогда, когда ширина тягового элемента плавно увеличивается от обращенного к намоточному устройству конца к обращенному к пружинящему элементу концу, поскольку такой вариант с лентой реализовать технологически легче, чем с цепью. В качестве материала для такой ленты рассматривается, например, металл или пластик, а здесь, в частности, пластмассы, армированные волокнами.
Другое преимущество в том, что пружинящий элемент содержит, по меньшей мере, одну винтовую пружину. По сравнению с другими пружиняще-упругими элементами, которые сами по себе также вполне могут использоваться, винтовые пружины уже многократно зарекомендовали себя на практике в известных уравновешивающих устройствах благодаря своей прочности и надежности. Кроме того, с такими винтовыми пружинами без проблем могут быть созданы нужные пружинящие свойства.
Согласно другому аспекту изобретения по п.7 подъемные ворота содержат закрывающее проем полотно, установленное с возможностью движения посредством привода из открытого положения в закрытое положение и обратно, причем эти подъемные ворота оборудованы предложенным в изобретении уравновешивающим устройством. Таким образом, эти ворота используют предпочтительные свойства уравновешивающего устройства, так что они имеют относительно небольшое число компонентов, являются особенно прочными, малоизнашивающимися и долговечными. В частности, особенно предпочтительным образом могут быть созданы быстроходные промышленные ворота, надежно эксплуатируемые со скоростями более 1 м/с и предпочтительно более 3 м/с.
Изобретение более подробно поясняется ниже на примерах его осуществления с помощью чертежей, на которых изображают:
- фиг.1: перспективный вид подъемных ворот, оборудованных уравновешивающим устройством, причем их полотно и другие компоненты для наглядности не показаны;
- фиг.2: вид сбоку подъемных ворот по фиг.1, причем их полотно также не показано;
- фиг.3: вид спереди подъемных ворот по фиг.1;
- фиг.4: перспективный вид направляющего устройства уравновешивающего устройства;
- фиг.5: вид сбоку направляющего устройства по фиг.4 со схематично показанной траекторией движения тягового элемента;
- фиг.6: вид сверху направляющего устройства;
- фиг.7: вид сверху тягового элемента;
- фиг.8: характеристику уравновешивающего устройства.
На фиг.1-3 выполненные в виде жалюзийных ворот подъемные ворота 1 содержат полотно 2 из шарнирно связанных между собой пластин 21, перемещаемых посредством роликов 22 в боковых направляющих 3, 4. При этом ролики 22 установлены на боковых шарнирных лентах 23, которые воспринимают растягивающие и сдвигающие нагрузки полотна 2 и удерживают пластины 21.
Каждая направляющая 3, 4 имеет вертикальный участок 31, 41, верхний конец которого виден, в частности, из фиг.2 и который проходит традиционным образом от показанного конца ворот 1 со стороны перемычки к концу со стороны пола, однако, как и косяки, на фигурах подробно не показан. Со стороны перемычки вертикальный участок 31, 41 переходит в соответствующий спиральный участок 32, 42 в форме круговой спирали, на котором полотно 2 в открытом положении ворот 1 размещено таким образом, что отдельные пластины 21 не касаются друг друга в спиралеобразном рулоне.
Движение полотна 2 между его конечными положениями вызвано приводом 5. Он содержит электродвигатель 51, здесь угловой электродвигатель, установленный в зоне бокового косяка в перемычковой зоне ворот и присоединенный там непосредственно к приводному валу 52. Последний проходит через спиральные участки 32, 42 направляющих 3, 4 в центральной зоне. На приводном валу 52 с обеих сторон проема ворот рядом со спиральными участками 32, 42 расположены консоли 53, 54, лишь обозначенные на фигурах. Они проходят через центр приводного вала 52 и радиально отстоят от него. Расстояние между местами присоединения консолей 53, 54 к полотну 2 и совпадающей с приводным валом 52 осью поворота консолей 53, 54 может изменяться. Приводимые таким образом подъемные ворота более подробно поясняются в поданной в тот же день параллельной немецкой заявке № EF01К48. В отношении подробностей привода и его функции следует сослаться на содержание этой заявки.
Как видно далее из фиг.1-3, ворота 1 оборудованы уравновешивающим устройством 6. Оно содержит пружинящий элемент 61, тяговый элемент 62 и намоточное устройство с направляющим устройством 63 и валом 64. Направляющее устройство 63 установлено на валу 64. Как видно далее из фигур, вал 64 присоединен непосредственно к приводному валу 52 и вращается с ним при срабатывании электродвигателя 51.
Пружинящий элемент 61 содержит в данном варианте выполнения четыре винтовые пружины 611, закрепленные со стороны пола. Своим другим концом винтовые пружины 611 посредством скобы 612 прочно соединены с тяговым элементом 62, выполненным здесь в виде цепи. Конец тягового элемент 62 со стороны перемычки проходит в перемычковой зоне по огибному блоку 65 и закреплен на направляющем устройстве 63.
На фиг.4-7 направляющее устройство 63 вместе с тяговым элементом 62 изображено более подробно. Как видно, в частности, из фиг.5 и 6, тяговый элемент 62 посредством направляющего устройства 63 наматывается без касания во время движения закрывания полотна 2. Тяговый элемент 62 закреплен в точке 66 на направляющем устройстве 63 и проходит в намотанном состоянии по штрихдвухпунктирной линии 67 на фиг.5, описывающей центр вращения цепи.
Как видно из фиг.4-7, направляющее устройство 63 имеет внутренний 631, первый 632 внешний и второй 633 внешний направляющие участки. При этом направляющие участки выполнены так, что они имеют со стороны периферии направляющие поверхности с плавно возрастающим в направлении намотки радиусом. Оба внешних направляющих участка 632, 633 выполнены в виде дисковых пар 632а, 632b, 633a, 633b, которые аксиально окружают внутренний направляющий участок 631. Второй внешний направляющий участок 633 аксиально охватывает первый внешний направляющий участок 632.
Кроме того, максимальный радиус направляющей поверхности внутреннего направляющего участка 631 соответствует минимальному радиусу направляющей поверхности первого внешнего направляющего участка 632, так что здесь возникает плавный переход. В равной мере максимальный радиус направляющей поверхности первого внешнего направляющего участка 632 соответствует минимальному радиусу направляющей поверхности второго внешнего направляющего участка 633.
Как видно, в частности, из фиг.7, тяговый элемент 62 выполнен при этом так, что ширина его конца со стороны перемычки увеличивается в направлении конца со стороны пола. В данном примере тяговый элемент 62 имеет соответственно числу направляющих участков три разные ширины. На фиг.6 цепь для наглядности показана в разрезанном состоянии, как она прилегает к направляющим участкам направляющего устройства 63. Видно, что тяговый элемент 62 намотан в направляющем устройстве 63 без касания и без осевого смещения относительно вала 64.
Для этого ширина тягового элемента 62 на конце со стороны перемычки выбрана с возможностью намотки его участка 62а непосредственно на внутренний направляющий участок 631. Второй участок 62b тягового элемента 62 средней ширины соответствует ширине первого внешнего направляющего участка 632, так что участок 62b тягового элемента 62 наматывается на его направляющие поверхности. Соответственно ширина следующего, более широкого участка 62с тягового элемента 62 согласована с шириной второго внешнего направляющего участка 633, так что он приходится на его направляющие поверхности. За счет поясненных выше согласований радиусов отдельных направляющих участков 631-633 возникает плавный переход в процессе намотки, т.е. происходит равномерная намотка тягового элемента 62 во время движения закрывания полотна 2.
На фиг.8 с помощью кривых схематично поясняется характеристика уравновешивающего устройства 6. При этом показана примерная высота ворот 6 м, а вправо нанесена высота в свету оставшегося проема ворот. Значение «0,00» соответствует полностью закрытым воротам 1, а значение «6,00» - полностью открытым. Вверху действующий на приводной вал 52 момент на основе массы свободной секции полотна ворот обозначен кривой 81 с ромбами, тогда как действующий за счет уравновешивающего устройства 6 на приводной вал 52 момент обозначен кривой 82 с квадратами. Она указывает вызванный пружинящим элементом 61 момент.
Как видно из фиг.8, уравновешивающее устройство 6 отрегулировано так, что при закрытых воротах пружинящий элемент 61 растянут настолько, что избыточный момент, превышающий созданный весом полотна ворот момент, составляет около 200 Н·м. Этим достигается то, что при приведении в действие закрытых подъемных ворот 1 их полотно 2 даже без дополнительного привода поднимается вверх приблизительно на высоту, при которой вес свободной секции полотна находится в равновесии с приложенным усилием пружинящего элемента 61. На фиг.8 это та точка, в которой пересекаются обе кривые, т.е. на высоте около 2,5 м.
При дальнейшем открывании полотна ворот необходимый приводной момент находится почти в равновесии с созданным уравновешивающим устройством 6 моментом, так что привод 5 должен действовать, по существу, только против имеющихся сил трения.
При полностью открытых воротах созданный уравновешивающим устройством 6 момент в соответствии с диаграммой на фиг.8, в свою очередь, превышает созданный весом полотна 2 момент на приводном валу 52, в результате чего падение полотна надежно предотвращено даже при неисправности привода 5.
Помимо описанных вариантов изобретение обеспечивает и другие возможности его осуществления.
Уравновешивающее устройство 6 необязательно должно быть установлено на валу, непосредственно соединенном с приводным валом 52, а может быть установлено также на отдельном опорном валу. В частности, возможно также, чтобы электродвигатель 51 приводил приводной вал 52 или его секции и/или уравновешивающее устройство 6 не непосредственно, а косвенно через зубчатые ремни, цепи, передачи и т.д. Для обеспечения максимальной компактности следует, однако, предпочесть непосредственный привод этих компонентов.
Кроме того, для подъемных ворот 1, по существу, не имеет значения, какой вид полотна 2 используется. Предусмотренный согласно изобретению ввод усилий в конец полотна 2 со стороны перемычки может применяться в равной мере для пластинчатых панцирей, натянутых в рамах гибких завес, полотен, описанных в DE 10236648 А1, и др. В зависимости от вида полотна 2 и/или области применения подъемных ворот 1 можно также отказаться от боковых направляющих роликов 22 на полотне 2 и направлять его просто со скольжением. Это предпочтительно, в частности, при использовании ворот 1 в чистых помещениях, фармацевтической промышленности и т.д., поскольку их тогда легче поддерживать в чистоте.
Далее привод полотна 2 может быть конфигурирован иначе, нежели описано. В частности, можно, например, описанным в WO 91/18178 образом осуществлять ввод усилий в конец полотна 2 со стороны пола. Уравновешивающее устройство 6 может применяться также с другими приводами.
Далее можно предусмотреть такое уравновешивающее устройство на обоих боковых косяках. В частности, в случае полотен ворот большей ширины оно может быть предпочтительным для снижения односторонних нагрузок.
Число винтовых пружин 611 пружинящего элемента 61 зависит от возникающих нагрузок, т.е., в частности, от вида полотна, его массы и размеров. Кроме того, можно также предусмотреть вместо винтовых пружин другие упругие элементы, например растягивающиеся ленты и др.
Тяговый элемент 62 необязательно должен быть выполнен в виде цепи, а может быть выполнен также в виде ленты. Для этого следует предпочесть формостабильный материал, в частности металл. Количество направляющих участков в направляющем устройстве 63 зависит от длины тягового элемента 62 и соответственно косвенно от высоты ворот. В соответствии с этим можно предусмотреть также больше или меньше описанных трех направляющих участков.
Далее возможно использование направляющего устройства, содержащего две направляющие спирали, которые от среднего участка с увеличивающимся радиусом расходятся аксиально наружу дальше друг от друга. Этот вариант подходит, в частности, в связи с тяговым элементом, плавно или почти плавно увеличивающимся по ширине от обращенного к намоточному устройству конца к обращенному к пружинящему элементу концу и наматываемому на намоточное устройство непосредственно без касания и свободно от осевого смещения. В этом варианте тяговый элемент выполнен предпочтительно в виде ленты.