КАНАТОВЕДУЩИЙ МЕХАНИЗМ

Предполагаемая полезная модель относится к области подъемно-транспортных машин и может быть использовано в устройствах для подъема и перемещения грузов, например, шахтных подъемниках, лифтах, лебедках, а также в устройствах для бестраншейной прокладки новых и замены устаревших подземных трубопроводов в качестве канатоведущего органа.
Широко известны устройства, содержащие канат, канатоведущий орган, выполненный в виде барабана, и механизм для привода барабана во вращательное движение (например, пневматическая лебедка по патенту РФ №2157333, опубл. 10.10.2000). При вращении барабана канат навивается на барабан, благодаря чему создается натяжение каната, необходимое для перемещения или подъема присоединенного к нему груза. Простота и надежность канатоведущего механизма барабанного типа обусловили широту его применения в подъемных кранах, передвижных и стационарных лебедках, тельферах и т.п.
Несмотря на указанные достоинства, данный канатоведущий механизм имеет недостатки, сущность которых заключается в следующем.
В процессе работы устройства по мере перемещения или подъема груза происходит наполнение барабана навиваемым на него канатом. В результате диаметр, на который происходит навивка каната увеличивается, что приводит к соответствующему возрастанию крутящего момента, необходимого для привода барабана во вращательное движение.
В связи с этим во избежание перегрузки приводного механизма необходимо либо снижать допустимое значение тягового усилия, развиваемое устройством, что означает ухудшение его технологических возможностей, либо применять приводной механизм с увеличенным допускаемым крутящим моментом, что неизбежно приводит к увеличению его габаритов и веса.
Указанные недостатки устранены в устройстве по патенту РФ №2087407 (МПК 6 В66В 15/00, опубл. 20.08.1997). Данное устройство содержит приводной механизм, канатоведущий шкив, на котором выполнено два круговых направляющих желоба разного диаметра. Через систему отклоняющих роликов и блочных прицепных устройств, соединенных с подъемными сосудами, канат уложен в желобах таким образом, что ветвь каната, сбегающая с одного из желобов, является набегающей на другой желоб и заведена на него с противоположной стороны относительно оси канатоведущего шкива.
Приводимый во вращательное движение канатоведущий шкив за счет сил трения увлекает за собой уложенный в направляющих желобах канат. Так как направляющие желоба имеют разный диаметр, то и скорости движения каната в желобах не одинаковы. За счет разности скоростей движения каната в желобах один из подъемных сосудов поднимается вместе с полезным грузом, а другой опускается, играя при этом роль противовеса, необходимого для предотвращения проскальзывания каната в желобах.
Очевидно, что диаметры желобов в процессе работы данного устройства остаются неизменными. Поэтому и усилия на ветвях каната зависят только от веса подъемных сосудов и полезного груза. Эти усилия постоянны на всем пути поднимаемого груза. Постоянным остается и крутящий момент, необходимый для привода устройства в работу. Несложный анализ показывает, что величина этого момента определяется соотношением:
, где
M - величина крутящего момента приводного механизма;
1
D - диаметр большего желоба;
2
D - диаметр меньшего желоба;
G - вес полезного груза;
тр
М - момент сил трения в подшипниках.
1
2
тр
1
2
Как видно из приведенного соотношения, при равенстве D и D значение крутящего момента М равно моменту M от сил трения. При этом устройство не способно поднимать полезный груз, т.к. скорости продвижения каната на прицепных блоках будут одинаковы, а подъем возможен только за счет разности этих скоростей. Однако приведенное соотношение указывает на возможность применения для привода данного устройства в работу механизма с пониженным крутящим моментом, выполненным, например, в виде простого двигателя без редуктора, что является важным достоинством данного устройства. Действительно, при заданной величине поднимаемого груза G величина приводного момента легко приводится в соответствие с разницей диаметров D и D, которая может быть как угодно малой, что соответственно приводит к снижению величины крутящего момента.. Скорость вращения приводного двигателя также легко приводится в соответствие с необходимой производительностью работы устройства.
Недостатки устройства по патенту РФ №2087407 заключаются в следующем:
- Расстояние, на которое возможно перемещение груза не может превышать продольный габарит шахты;
- Устройство не способно перемещать грузы в горизонтальном направлении;
- Наличие на всем пути подъема и опускания прицепных корзин, большого количества отклоняющих роликов и блочных устройств, увеличивающих вес, усложняющих конструкцию и снижающих надежность работы устройства;
- Необходимость применения противовесов, вес которых, необходимый для предотвращения проскальзывания каната, должен превышать вес полезного груза.
Действительно, соотношение усилий натяжения ветвей каната, необходимое для предотвращения проскальзывания относительно желобов, определяется общеизвестным соотношением Л.Эйлера:
, где
с
G - вес сосуда;
гр
G - вес полезного груза;
α - угол обхвата шкива канатом, в радианах;
f - коэффициент трения в паре шкив-канат;
е - основание натуральных логарифмов, е≈2,718.
Отсюда следует, что
.
В рассматриваемом случае угол обхвата каждого желоба равен я радиан. Как показывает простой расчет, при коэффициенте трения, который может принимать значения в пределах 0,12-0,2, вес прицепной корзины должен превышать вес полезного груза в 1,5-2,2 раза. Понятно, что кроме вынужденного увеличения веса это приводит к увеличению нагрузки на все элементы конструкции и необходимости применения каната с несущей способностью, превышающей вес полезного груза в несколько раз.
Техническая задача, решаемая в предполагаемой полезной модели, заключается в расширении области применения путем обеспечения возможности перемещения грузов в любом направлении на неограниченные расстояния при уменьшении габаритных размеров устройства.
Поставленная задача решается тем, что канатоведущий механизм, содержащий приводное устройство, шкив, по меньшей мере с двумя направляющими желобами, в которых уложен канат, имеющий набегающие и сбегающие ветви и навитый на направляющие желоба таким образом, что ветви, сбегающие с одного направляющего желоба, являются набегающими на другой направляющий желоб, а сбегающая ветвь каната имеет средство для ее натяжения, в отличие от прототипа канатоведущий механизм снабжен по меньшей мере одним дополнительным шкивом, причем шкивы сопряжены между собой с возможностью вращения с одинаковой линейной скоростью в зоне контакта с канатом и имеют направляющие желоба одинакового диаметра. При этом для натяжения сбегающей ветви каната может быть использован как противовес (в случае, когда механизм используется для подъема грузов), так и натяжное устройство, выполненное, например, в виде подпружиненного прижимного ролика, установленного таким образом, что сбегающая ветвь каната расположена между поверхностью направляющего желоба и прижимным роликом.
Такое выполнение канатоведущего механизма делает возможным:
- Снять ограничение на длину пути перемещения груза;
- Исключить необходимость применения противовесов, необходимых для натяжения сбегающей ветви каната;
- Снизить натяжение сбегающей ветви каната до минимального значения;
- Обеспечить возможность перемещения грузов в любом направлении.
Целесообразно укладку каната выполнить таким образом, чтобы сбегающие ветви каната с желобов одного из шкивов являлись набегающими на направляющие желоба другого шкива с одной и той же стороны. При этом шкивы сопряжены с возможностью вращения в одинаковых направлениях. Такое исполнение упрощает технологический процесс навивки каната на шкивы.
Для увеличения суммарного угла обхвата кантом шкива целесообразно укладку каната выполнить таким образом, чтобы ветви каната, сбегающие с направляющих желобов одного шкива, набегали на направляющие желоба другого шкива с противоположной стороны. При этом шкивы сопряжены с возможностью вращения в противоположных направлениях.
Целесообразно боковые стенки направляющих желобов выполнить в виде двух оппозитно расположенных конусов. В этом случае увеличится приведенный коэффициент трения между канатом и поверхностью направляющего желоба, что позволит уменьшить количество направляющих желобов, необходимое для предотвращения проскальзывания каната.
Направляющие желоба на обоих шкивах целесообразно выполнить на одинаковом расстоянии между ними, а шкивы целесообразно установить таким образом, чтобы направляющие желоба одного из них были смещены в осевом направлении относительно другого на величину, равную половине расстояния между направляющими желобами.
Предполагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен общий вид канатоведущего механизма; на фиг.2 - вариант навивки каната на шкивы по п.3 формулы изобретения; на фиг.3 - профиль направляющих желобов в сечении плоскостью, проходящей через ось шкива; на фиг.4 - взаимное расположение направляющих желобов.
Канатоведущий механизм включает приводное устройство 1, канат 2, шкивы 3 и 4 с направляющими желобами 5 и 6 одинакового диаметра. Шкивы 3 и/или 4 сопряжены с приводным устройством 1 с возможностью вращения с одинаковой линейной скоростью в зоне контакта с канатом 2. Канат 2 в зоне каждого направляющего желоба 5, 6 имеет набегающие 8 и сбегающие 9 ветви (участки) и навит таким образом, что ветви, сбегающие с одного шкива 3, являются набегающими на другой шкив 4. В зоне по меньшей мере одной из сбегающих ветвей установлен прижимной ролик 10. При этом сбегающая ветвь 9 каната находится между прижимным роликом 10 и поверхностью направляющего желоба 5. Для: сбора освободившегося (ненагруженного) участка каната служит накопитель 11.
Навивка каната 2 может быть осуществлена таким образом, что ветвь каната 2, сходящая с направляющего его желоба 5 или 6 одного шкива (например, 3), является набегающей на другой шкив (например, 4) с одной и той же стороны, как показано на фиг.1. При этом между собой шкивы 3 и 4 сопряжены с возможностью: вращения в одинаковом направлении.
Возможен другой вариант навивки каната 2 (фиг.2) - ветвь каната 2, сбегающая с направляющих желобов одного шкива (например, 3), является набегающей на направляющие желоба другого шкива (например, 4) с противоположной стороны. При этом варианте шкивы 3 и 4 сопряжены между собой с возможностью вращения в противоположных направлениях.
Ветвь каната 2, которая является набегающей на первый направляющий желоб 5 присоединяется к полезному грузу, а для приема ветви каната 2, сбегающей с последнего направляющего желоба 6 может быть использован накопитель 11 каната 2, выполненный, например, в виде барабана с ребордами.
Накопитель 11 целесообразно снабдить приводом - механическим или ручным.
Канатоведущий механизм работает следующим образом.
Посредством приводного устройства 1 шкивы 3 и/или 4 приводятся во вращательное движением одном (фиг.1) или в противоположных (фиг.2) направлениях. За счет сил трения между канатом 2 и поверхностью направляющих желобов 5 и 6 на набегающих ветвях 8 создается натяжение каната 2, необходимое для преодоления сопротивления перемещаемого груза. Усилие натяжения сбегающей ветви 9 каната 2, необходимое для предотвращения проскальзывания каната 2 в направляющих желобах 5 и 6, создается силой трения между поверхностью направляющих желобов 5, 6 и участком сбегающих ветвей 9 каната 2, прижатого прижимным роликом 10. При этом усилие может быть уменьшено до минимального значения благодаря специальному профилю направляющих желобов 5, 6 (фиг.3, 4), выполненных в виде двух оппозитно расположенных усеченных конусов, что способствует увеличению приведенного коэффициента трения в контакте каната 2 со стенками направляющих желобов 5, 6.
Снижению усилия натяжения сбегающей ветви 9 каната 2 способствует также навивка каната 2 на канатоведущие желоба 5, 6 в несколько оборотов. Например, если коэффициент трения f в паре «сталь по стали» находится в пределах 0,12-0,18, угол γ между образующими конусов в направляющих желобах 5, 6 равен 36°, а число оборотов каната 2 вокруг шкивов 3, 4 находится в пределах 2-2,5 и составляет 4π-5π, то согласно известной формуле Л.Эйлера, усилие натяжения сбегающей ветви 9 по сравнению со значением тягового усилия, создаваемого канатоведущим механизмом, снизится в пределах от 135 до 9050 раз.
Очевидно, что в данном случае канатоведущий механизм работоспособен без противовеса, что позволяет применять его в устройствах для перемещения грузов в любом направлении. При этом расстояние, на которые может быть перемещен груз ограничено только длиной используемого каната.
Сбегающую с канатоведущего механизма ненагруженную ветвь 9 каната 2 собирают в накопителе с ручным или механическим приводом.