приводное устройство

Формула изобретения

1. ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее установленный на стойке с возможностью качания в вертикальной плоскости рычаг с противовесом, на котором закреплена одна из лебедок, причем противовес и одна из стоек снабжены зубчатыми элементами, расположенными по окружности с центром в точке качания рычага с противовесом, при этом приводные барабаны выполнены зубчатыми для взаимодействия с соответствующими зубчатыми элементами маховика и стойки с блоками и закреплены на основании и стойке, а рычаг маховика выполнен с механизмом натяжения одной ветви каната, отличающееся тем, что оно снабжено вторым грузоподъемным органом, дополнительной стойкой и сопряженным с первым грузоподъемным органом и противовесом механизмом включения и снятия нагрузок, причем оба грузоподъемных органа выполнены с возможностью вертикального перемещения посредством направляющих роликов по основным и дополнительным стойкам, при этом верхняя часть первого грузоподъемного органа через рейку, маховик с шестерней и ремень связана с валом генератора, а нижняя часть второго грузоподъемного органа подвешена на канате, охватывающем блоки, смонтированные на нем, стойки и рычаги, причем один конец каната закреплен на стойке через блочный механизм натяжения, а второй конец на плече противовеса, при этом зубчатые элементы маховика имеют вторые рейки, выполненные с возможностью ввода в действие попеременно механизмом управления, а лебедки снабжены вторыми храповыми колесами.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что механизм включения и снятия нагрузок закреплен на плите, установленной на основании, и через толкатель, рычаги и замки соединяет верхнюю и нижнюю части грузоподъемных органов, причем в нижней части первого грузоподъемного органа выполнено центральное внутреннее вертикальное отверстие для свободного хода пяты толкателя, а в нижней части второго грузоподъемного органа центральное сквозное отверстие для свободного хода толкателя, при этом замки опираются на второй грузоподъемный элемент снизу, а сегмент, присоединенный к плечам противовеса через кронштейн, линейку и опору при помощи вилки, примыкает снизу к его нижней части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, к грузоподъемным механизмам, может быть использовано как для привода генератора для выработки электроэнергии, так и для подъема тяжелых конструкций, затонувших судов.

Известно устройство для погружения свай в грунт, содержащее мачту с блоками, дизель-молот с наголовниками, механизм пригруза, огибавшие блоки, тяговые тросы, концы которых закреплены на корпусе дизель-молота (авт. св. N 1301927, кл. F 02 D 7/06).

Недостатком данного устройства является значительный расход мощности для подъема дизель-молота.

Известна установка для использования энергии ветра и воды, содержащая ветровые колеса с лопастями, которые через коленчатые валы и шатуны соединены с насосами, связанными с турбогенераторами (авт. св. N 1132795, кл. E 03 D 9/00). Недостатком конструкции является низкий КПД использования энергии ветра и воды, ввиду многоступенчатого преобразования их энергии.

Известно устройство станок-качалка, содержащий раму со стойкой и балансир, размещенный своей срединной частью на опоре и подключенный плечом через механизм преобразования к приводу, причем балансир связан с опорой механизмом удержания, выполненным в виде двух элементов ползуна и его направляющей, размещенной в плоскости качания балансира, один из которых жестко соединен с балансиром, а другой со стойкой (авт. св. N 1377455)

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для подъема груза, содержащее установленные на основании стойки, смонтированные в их верхних частях обводные блоки, в которых запасованы грузоподъемные канаты, закрепленные на приводных барабанах. Грузоподъемный орган, подвешенный к канатам между стойками, и привод, установленный на основании и связанный с канатами, который включает в себя установленный на стойке с возможностью качания в вертикальной плоскости рычаг с противовесом, на котором закреплена одна из лебедок, противовес и одна из стоек снабжены зубчатыми элементами с зубьями, расположенными по окружности с центром в точке качания рычага с противовесом. Приводные барабаны выполнены зубчатыми для взаимодействия с соответствующими зубчатыми элементами маховика и стойки и закреплены соответственно на основании и стойке, а рычаг маховика выполнен с механизмом натяжения одной ветви каната (авт. св. N 1763346, кл. A 1 B 66 C 23/00) прототип.

Недостатком устройства является плохая приспособленность стандартных габаритов противовеса к режимам работы в разных условиях.

Цель изобретения снижение энергетических затрат и расширение функциональных возможностей за счет использования потенциальной и кинетической энергии тела для привода генератора, вырабатывающего электроэнергию, привода механических лебедок.

Поставленная цель достигается тем, что устройство включает в себя привод, установленный на стойке с возможностью качания в вертикальной плоскости рычаг с противовесом, на котором закреплена одна из лебедок, противовес и одна из стоек снабжены зубчатыми элементами с зубьями, расположенными по окружности с центром в точке качания рычага с противовесом, при этом приводные барабаны выполнены зубчатыми для взаимодействия с соответствующими зубчатыми элементами маховика и стойки и закреплены соответственно на основании и стойке, а рычаг маховика выполнен с механизмом натяжения одной ветви каната, а нижняя часть грузоподъемного органа вместе с верхней и дополнительной стойкой движутся по вертикали по направляющим роликам, которые взаимодействуют друг с другом и маховиком при помощи механизма включения и снятия нагрузок, при этом верхняя часть грузоподъемного органа через рейку, шестерню-маховик и ремень имеет связь с валом генератора, а нижняя часть грузоподъемного органа подвешена на канат, проложенный через блоки, стойки, рычаги, с креплением одним концом к стойке через механизм натяжения, вторым концом к плечу маховика, а зубчатые элементы имеют вторые рейки, включаемые в работу попеременно рычажным механизмом управления, и лебедки оборудованы вторыми храповыми колесами, шестернями, личинками. Кроме того механизм включения и снятия нагрузок через толкатель, рычаги, опору и замки соединяет верхнюю и нижнюю части грузоподъемного органа, причем верхняя часть по центру имеет внутреннее вертикальное отверстие для свободного хода пяты толкателя, а нижняя часть грузоподъемного органа по центру имеет сквозное отверстие для свободного хода толкателя, при этом замки на него опираются снизу, а сегмент, присоединенный к плечам маховика через кронштейн, линейку, опору при помощи вилки, примыкает снизу к его нижней части.

На фиг. 1 а приводное устройство (вариант с лебедкой); на фиг. 2 универсальная автоматическая лебедка, разрез; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5, 6 механизм управления; на фиг. 7 замок.

Приводное устройство содержит подъемно-транспортный механизм, состоящий из стоек 1, 2, 3, 4 и 5, которые жестко установлены на основании 6. В верхней и нижней части стойки 1 смонтированы обводные блоки 25 и 38, блочные механизмы натяжения каната 24, 34 и 37 соответственно. В верхней и нижней части стойки 2 смонтированы обводные блоки 28 и 41 соответственно. В средней части стоек 4 и 5 смонтированы обводные блоки 35 и 20 соответственно. В блоки 20, 24, 25, 28, 34,35, 37, 38, 41 запасованы грузоподъемные канаты 23, 31, 36. Эти канаты запасованы также в блоки 26-27, 39-40, укрепленные на верхней и нижней частях грузоподъемного органа груза 9 и 12 соответственно. Противовес маховик 13 закреплен на плече 14 двуплечего рычага 14-15, закрепленного на шарнирной опоре 17, расположенной на стойке 5, жестко связанной с основанием 6. Рычаг 15 шарнирно соединен со штангой 21, второй конец которой шарнирно соединен через палец, жестко закрепленный и смещенный от центра на плоскости фланцевого патрубка, посаженного на вал редуктора 22 (не показано) двигателя, установленного на основании 6. Противовес 13 с рычагом 14-15, двигатель с редуктором 22 и штанга 21 образуют привод устройства.

Двуплечий рычаг 14-15 снабжен рычажным механизмом натяжения двух ветвей грузоподъемных канатов 31 и 36 соответственно. Этот механизм включает в себя шарнирно соединенные одними концами рычаги 18 и 19 с блоками, взаимодействующими с канатами 31 и 36 соответственно. Рычажный механизм натяжения исключает провисание одного каната относительно другого. На противовесе 13 закреплена первая лебедка 29, имеющая кинематическую связь с зубчатым элементом 30, закрепленным на стойке 3. Вторая лебедка 32 жестко закреплена на стойке 4. Приводные барабаны лебедок 29 и 32 выполнены с винтовыми пазами под канат и кинематически связаны с зубчатыми элементами 30, 33 соответственно. Зубчатый элемент 33 расположен на противовесе (маховике) 13. Обводные блоки 20, 25-28, 35 двойные. Через блоки 25-28 проходят ветви канатов 23 и 31, через блоки 20 и 35 канаты 31 и 36 соответственно. Канат 23 укреплен одним концом на первой лебедке 29, а другим концом на стойке 1, и проходит последовательно через блоки 28-24. Канат 31 укреплен одним концом на плече 15 двуплечего рычага 14-15, другим концом на второй лебедке 32, и огибает последовательно рычаги 18, 19 и блоки 20, 35, 28 25, 34. Канат 36 укреплен одним концом на плече 15, другим концом на стойке 1 и огибает последовательно рычаги 18, 19 и блоки 20, 35, 41 37.

Верхняя и нижняя части грузоподъемного органа 9 и 12 расположены между стойками 1 и 2 соответственно и передвигаются по вертикали по направляющим роликам 7-8, 10-11, соединены между собой механизмом включения и снятия нагрузок (МВСН), который в этой части состоит из толкателя 42, рычагов 43, шарнирной опоры 44 и замков 45. Планка 81 замка (фиг. 7) жестко крепится к плите 46, а сама плита в вертикальном положении закреплена на основании 6 с таким расчетом, чтобы замки 45 находились по краям оси средней линии основания нижней части грузоподъемного органа 12. Остальная часть МВСН соединяет двуплечий рычаг 14-15 с нижней частью грузоподъемного органа 12 через сегмент 16, жестко закрепленный на двуплечем рычаге, кронштейн 50, линейку 48, шарнирную опору 49 и вилку (четырехрожковую) 47.

На верхней части грузоподъемного органа 9 жестко закреплена линейка, которая через зубчатую передачу соединена с шестерней-маховиком 51. Шестерня с маховиком имеют торцовое зубчатое одностороннее зацепление. Маховик соединен с валом генератора через шкивы ременной передачей с передаточным числом 1:1.

В приводном устройстве в режиме работы с генератором верхняя и нижняя части грузоподъемного органа 9 и 12 соответственно, противовес (маховик) выполнены из чугуна с удельным весом 7 г/см³, а с лебедкой, например, в виде емкости, в которую закачивают воду или другую жидкость.

Масса грузов верхней и нижней частей грузоподъемного органа делятся в соотношении 0,382: 0,618. Это свойство золотой пропорции и чисел Фибоначчи. Во взаимодействиях они обеспечивают минимальные затраты электроэнергии.

Генератор применяется синхронный тихоходный, многополюсный переменного тока типа СГД 15-26-20 400/230 в 300 об/мин, сила вращения которого должна быть эквивалентна массе нижней части грузоподъемного органа 12.

Лебедки 29, 32 (фиг. 2) содержат приводной барабан с тросом и 4 храповых устройства с личинками. Первое и второе храповые устройства содержат храповые колеса 59, 60 с наружной и внутренней зубчатыми передачами. Колеса 59, 60 свободно посажены на диски 55 и 56 соответственно (фиг. 2, 3 и 4), которые выполнены за одно целое с приводным барабаном 54, предназначенным для закрепления и наматывания канатов 23 и 31. Барабан 54 свободно и с продольным передвижением посажен на вал 52, который жестко закреплен с рамой 53 лебедки. На фланцах 55, 56 шарнирно на пальцах посажены храповые личинки 57 и 58 для взаимодействия с колесами 59, 60 соответственно. На вал 52 свободно (с продольным передвижением) посажены втулки 61, 62, которые имеют двухсторонний эксцентрик, взаимодействующий с двумя храповыми личинками 57, 58 соответственно, а в точках соприкосновения с синхронизаторами 63, 64 имеются резьбовые передачи с односторонним зацеплением (фиг. 2, 3, 4). Третье и четвертое храповые устройства содержат колеса 67, 68, выполненные за одно целое с валом 52. Колеса 67, 68 имеют наружную зубчатую передачу для фиксации с храповыми личинками 65, 66 соответственно шарнирно закрепленных на неподвижных кронштейнах синхронизаторов 63, 64, свободно посаженных на вал 52 (фиг. 2, 3, 4). На колесах 59, 60 устанавливаются боковые упоры 69, 70 для взаимодействия с зубчатыми элементами 30, 33, причем упоры для лебедок 29, 32 устанавливаются с левой стороны колес (положение лебедки при зубчатом элементе сзади). Взаимосвязь реек зубчатых элементов 30, 33 с лебедками 29, 32 соответственно осуществляется с помощью механизма управления, состоящего из двух совмещенных параллельно шарнирно-рычажных кронштейнов (не показанo), состоящих из шарнирных опор 71-74, коромысла 75, посаженными на него сферическими рейками 76, 77, толкателей 78, 79, рычага 80 с изменяющейся длиной (фиг. 5, 6). Толкатели 78, 79, служащие для переключения реек 76, 77, устанавливаются вверху для зубчатых элементов 30, 33 с левой стороны реек.

Замки 45, находящиеся во взаимосвязи с основанием нижней части грузоподъемного органа 12, состоят из планки 81, рычага 82, опоры 83, которая имеет свободный ход в скобе 84, накладки 85, пружины 86 (фиг. 7).

Приводное устройство работает следующим образом.

Во время подъема верхней части грузоподъемного органа (груза) 9 рейка через шестерню-маховик 51 и ременную передачу приводит во вращение вал генератора, лебедки или другого механизма, лебедки 29, 32 находятся в рабочем положении храповые колеса 59 лебедок 29, 32 находятся в зацеплении с рейками 76 зубчатых элементов 30, 33 соответственно. Включается двигатель и редуктор 22 преобразует вращение ротора двигателя в вертикальное перемещение штанги 21, а система кривошипно-шатунного механизма (рычаги 18, 19, двуплечий рычаг 14-15 на стойке 5) передают это перемещение противовесу 13, который передвигается вниз на угол 45^о. Храповое колесо 59 лебедки 29 делает холостой ход прокатывается по рейке 76 зубчатого элемента 30. Барабан 54 лебедки 29 находится в зацеплении с колесом 56 с помощью двухстороннего эксцентрика муфты 62, который разжимает две храповые личинки 58, а сама муфта 62 имеет зубчатую передачу с синхронизатором 64. С помощью каната 23 барабан 54 удерживается в первоначальном положении (личинкой 66, зафиксированной на колесе 68).

Одновременно с началом движения противовеса 13 и подъемом верхней части грузоподъемного органа 9, и вращением вала генератора, лебедки или другого механизма включается в работу лебедка 32, происходит натяжение каната 31, до этого ослабленного. До этого воспринимал рабочую нагрузку только канат 23. В верхнем положении верхней части грузоподъемного органа 9 прекращается передача усилия на вращение вала генератора, лебедки или другого механизма, под действием сил инерции маховика происходит раcсоединение зубчатой передачи шестерни-маховика 51 и вал приводного механизма, в зависимости от нагрузки, продолжает вращаться по инерции или остановится. Одновременно кулачок сегмента 16 давит на торец кронштейна 50, который передает усилие на линейку 48, вилку 47 и приподнимает (на 2-4 мм) нижнюю часть грузоподъемного органа 12. После этого пята толкателя 42 упирается в нижнюю часть отверстия в верхней части грузоподъемного органа 9, передает усилие на рычаг 43 и открывает замки 45, канат 36 принимает на себя нагрузку.

Затем противовес 13 начинает перемещаться вверх и занимает первоначальное положение. Меняется роль канатов канат 31 принимает на себя нагрузку, а канат 23 не нагружен. Перемещение происходит автоматически по мере изменения направления вращения лебедок, при одном направлении вращения храповые личинки 58 (фиг. 4) передают вращение фланца 56 храповому колесу 60, которое вне зацепления с рейкой 77 (фиг. 5), не в зацеплении с муфтой 62 и синхронизатором 64, а храповая личинка 66 зафиксирована колесом 68, при другом направлении вращения происходит продольное перемещение барабана 54 с муфтой 61 по оси вала 52 в обратную сторону и передается вращение фланца 55 храповому колесу 59, которое в зацеплении с рейкой 76 (фиг. 5), муфтой 61 и синхронизатором 63, а храповая личинка 65 скользит по наружным зубьям колеса 67. Лебедка 32 делает холостой ход, а лебедка 29 натягивает прослабляемый канат 23. Лебедки 29 и 32 работают по схеме параллельной запасовки канатов, попеременно воспринимающих нагрузку.

Лебедки 29, 32 работают в цикле со смещением повторяемых операций на один ход качка в одном направлении противовеса 13, но обратного счета, что вызвано направлением положения каната на барабане 54 (сверху или снизу). Окончание каждого качка (туда и обратно) противовеса 13 связано с тем, что боковые упоры 69, 70 лебедок 29, 32 (фиг. 2) наезжают на торцы толкателей 78, 79 и попеременно включают на кинематическую связь рейки 76, 77 (фиг. 5, 6) с храповыми колесами 59, 60 соответственно.

При опускании груза 9 храповые колеса 60 лебедок 29, 32 находятся в зацеплении с рейками 77 (фиг. 6) зубчатых элементов 30, 33. Канаты 31, 36 находятся под нагрузкой. Противовес 13 начинает движение вниз на 45^оС, но груз 10 пока не движется, так как рычажный механизм натяжения канатов 31 и 36 через блоки рычагов 18, 19 при изменении угла двуплечего рычага 14, 15 обеспечивает постоянное положение канатов 31 и 36. Храповое колесо 60 лебедки 29 при зацеплении с рейкой 77 зубчатого элемента 30 приводит в движение барабан 54 лебедки 29, барабан раскручивает канат 23. Это подготовительная операция для опускания груза 9. Затем противовес 13 начинает обратный ход и возвращается в первоначальное состояние. Канаты 23 и 36 находятся под нагрузкой, канат 31 без нагрузки. Лебедка 29 начинает холостой ход, груз 9 опускается вниз. Рейка на грузе 9 опускается вниз и вращает шестерню 51, которая вне зацепления с маховиком 51, вал генератора или другого механизма (без нагрузки) по инерции продолжает вращаться. В нижнем положении груза 9 пята толкателя 42 упирается в верхнюю часть отверстия груза 9, передает усилие на замки 45, которые закрываются, канат 36 снимает с себя нагрузку. С началом движения противовеса 13 вниз входят в зацепление шестерня 51 и маховик 51, канат 23 принимает на себя нагрузку, канат 31 без нагрузки и цикличность повторяется.

Таким образом циклическое перемещение противовеса 13 (качание его на угол 45^о) обеспечивает вращение приводного барабана 54 лебедок, когда храповые колеса 59, 60 поочередно входят в зацепление с внутренними фланцами 55, 56 через вал 52, втулки с эксцентриками 61, 62, личинки 57, 58 или торможение барабана 54 с находящимся на нем канатом.

Энергозатраты в данном устройстве производятся только в режиме холостого хода при выводе двух уравновешенных грузов (верхняя и нижняя части грузоподъемного органа 9 и 12 соответственно или верхняя часть грузоподъемного органа 9 и эквивалент силы вращения вала генератора или другого механизма с одной стороны и противовес 13 с другой стороны) из состояния равновесия. Подъем же груза с вращением вала генератора или другого механизма происходит за счет энергии колебательного движения противовеса 13.

Минимум расхода электроэнергии для работы приводного устройства складывается из применения новых механизмов, которые ранее не использовались в механике:

1. В приводном устройстве применен прототип "устройство для подъема груза" ав. св. N 1763346 Al, разработка автора заявки, в котором сила трения впервые используется как источник энергии (принцип действия уравновешенных тел с применением подшипников в точках опоры, которые уменьшают силу трения при выводе тел из состояния покоя).

2. Применено устройство для привода генератора или другого механизма с использованием потенциальной и кинетической энергии тела.

3. В устройстве применено "золотое правило механики" закон рычага в его одностороннем действии (механизм включения и снятия нагрузок во взаимосвязи с верхней и нижней частями грузоподъемного органа 9 и 12 соответственно), когда выигрыш в силе используется односторонне для подъема груза 12, а проигрыш в пути заложен в схему работы механизма в замкнутом цикле.