пневматическая лебедка

Формула изобретения

1. Пневматическая лебедка, содержащая барабан, пневмодвигатель вращательного действия, редуктор, сцепную муфту, соединяющую редуктор с барабаном, и пневмоцилиндр, отличающаяся тем, что пневмоцилиндр выполнен двухстороннего действия, при этом его штоковая полость сообщена с входом пневмодвигателя посредством соответствующей магистрали, а поршневая полость - посредством соответствующих магистралей и кранов, причем поступательно движущийся элемент пневмоцилиндра соединен с барабаном посредством механизма преобразования движения и муфты свободного хода, включающей храповое колесо, установленное на барабане, и собачку, установленную на механизме преобразования движения, при этом продольные оси пневмоцилиндра и барабана являются скрещивающимися прямыми.

2. Пневматическая лебедка по п.1, отличающаяся тем, что механизм преобразования движения выполнен рычажным.

3. Пневматическая лебедка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что редуктор снабжен самотормозящейся червячной передачей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подъемно-транспортным механизмам и предназначено для использования в технологии бестраншейной прокладки подземных коммуникаций пневмоударными машинами при извлечении грунтозаборного устройства из погружаемой трубы в процессе ее очистки от грунтового керна.

Известна лебедка по а. с. СССР N 783207, В 66 D 1/08, опубликованному в БИ N 44 за 1980 г., содержащая приводной барабан, вал которого кинематически связан с ведущим валом канатоукладчика, причем привод барабана и канатоукладчика содержит кривошипы, закрепленные на ведущем звене канатоукладчика и валу барабана и сдвинутые по фазе относительно друг друга, и гидроцилиндры, корпуса и штоки которых шарнирно связаны с упомянутыми кривошипами.

Недостатком известной лебедки является неуравновешенность гидроцилиндров относительно осей вращения, так как центры тяжести гидроцилиндров расположены вне осей вращения барабана и канатоукладчика. Высокие инерционные нагрузки снижают надежность и долговечность лебедки в скоростном режиме работы.

В практике отечественного и зарубежного строительства для прокладки подземных коммуникаций широко используют технологии, основанные на применении ударных машин. Скважины диаметром свыше 300 мм получают путем забивания такими машинами погружаемых труб с последующей их очисткой от грунтового керна грунтозаборными устройствами, в качестве привода которых используют также ударные машины. Применяемые машины являются пневмоударными, что предопределено простотой их конструкции, высокой надежностью и долговечностью. Источником энергии (сжатый воздух) служат передвижные компрессоры, имеющие рабочее давление 0,6 МПа. Применение в указанных процессах вспомогательных механизмов, использующих не пневмопривод, нецелесообразно из-за усложнения производства работ и неизбежного его удорожания. По этой причине лебедки, осуществляющие извлечение из погружаемых труб грунтозаборных устройств, должны быть пневматическими. Одинаковое усилие в известной лебедке при замене гидропривода (давление до 32 МПа) на пневмопривод может быть достигнуто только за счет увеличения рабочих площадей пневмоцилиндров и, следовательно, их размеров и массы, что усугубит приведенный выше недостаток.

В известной лебедке за оборот барабана дважды возникают "мертвые" положения, когда продольная ось одного из гидроцилиндров и ось вращения барабана лежат в одной плоскости, то есть не являются скрещивающимися прямыми. В "мертвом" положении усилие гидроцилиндра действует только на ось и опоры барабана, не создавая на нем крутящего момента, поэтому в этот момент гидроцилиндр выводят из работы, соединяя его полости со сливной магистралью. Однако инертность жидкости, гидроцилиндров и системы управления не позволяет исключить перегрузку оси и опор барабана.

Таким образом, известная лебедка имеет низкие надежность и долговечность и ограниченные функциональные возможности.

Известна грузовая двухскоростная лебедка по а. с. СССР N 304220, В 66 D 1/12, опубликованному в БИ N 17 за 1971 г., содержащая электродвигатель с редуктором, тормоз, барабан и мультипликатор, выполненный в виде вала с зубчатым венцом на конце, соосно установленного с валами электродвигателя и редуктора, на котором размещены электромагнитные муфты и свободно сидящая шестерня, причем на валу электродвигателя установлена полумуфта с зубчатым венцом, взаимодействующая с полым валом, кинематически соединенным с промежуточной шестерней и валом мультипликатора.

В обоих режимах работы известной лебедки зубчатые колеса мультипликатора находятся в зацеплении и постоянно вращаются. Это снижает КПД привода. Известно, что снижение КПД компенсируется увеличением мощности электродвигателя, а следовательно, величины энергопотребления.

Замена в известной лебедке электродвигателя на пневмодвигатель приведет к следующему. Параметры пневмодвигателей подбирают по максимальной величине нагружающего момента. Снижение нагрузки является причиной повышения скорости вращения пневмодвигателя по сравнению с номинальной вследствие мягкой нагрузочной характеристики, присущей пневмодвигателям. Увеличение скорости вращения пневмодвигателя, в свою очередь, сопровождается повышенным расходом энергии (сжатого воздуха), чрезмерным износом его деталей и передачи в целом. Поддержание оптимальной для технологического процесса скорости вращения пневмодвигателя обеспечивают регуляторами частоты вращения. Следует отметить, что использование такого регулятора существенно усложняет конструкцию привода лебедки.

При очистке погружаемой трубы нагрузка на лебедке резко падает после отрыва грунтозаборного устройства от забоя. Практика показывает, что для отрыва от забоя требуется более чем в 10 раз большее усилие, чем для транспортирования грунтозаборного устройства по очищенному участку погружаемой трубы. В известной лебедке адаптацию падения нагрузки на барабане с номинальным режимом работы пневмодвигателя можно обеспечить мультипликатором, включение которого осуществляет оператор. Наличие субъективного фактора не исключает вероятности работы пневмодвигателя в нештатном режиме.

Таким образом, использование мультипликатора снижает КПД привода известной лебедки и не гарантирует ее надежного функционирования при замене электродвигателя на пневмодвигатель.

Известна буровая лебедка по патенту РФ N 2023645, В 66 D 1/00, опубликованному в БИ N 22 за 1994 г., содержащая раму, барабан, установленный на подшипниковых опорах, вал барабана, расположенный на подшипниках и соединенный посредством муфт и передач с двигателями, расположенными по разные стороны барабана, снабженная дополнительным приводом и муфтой, при этом одна из передач включает в себя установленный на упомянутом валу планетарный редуктор, центральное зубчатое колесо которого расположено между двумя дисками, один из которых соединен со ступицей барабана, а его зубчатое колесо кинематически связано с дополнительной муфтой, причем одна из основных муфт установлена с возможностью фиксации с барабаном, а другая кинематически связана с водилом планетарного редуктора и установлена с возможностью фиксации с рамой.

Недостатком известной лебедки является наличие трех двигателей вращательного действия. Одновременное включение двигателей для получения максимального крутящего момента на барабане приводит к существенному увеличению энергопотребления (расхода воздуха при использовании пневмопривода). Компрессоры, применяемые в строительстве, имеют ограниченную производительность, поэтому использование пневмопривода в лебедке не позволит реализовать ее функциональные возможности.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции по технической сущности и достигаемому результату является пневматическая лебедка по а. с. СССР N 290882, В 66 D 1/08, опубликованному в БИ N 3 за 1971 г., содержащая барабан и встроенные в него пневмодвигатель, редуктор, сцепную муфту, соединяющую редуктор с барабаном, механизм управления муфтой, выполненный в виде пневмоцилиндра одностороннего действия с возвратной пружиной, рабочая полость которого связана с полостью пневмодвигателя через полый вал редуктора.

В известной лебедке отсутствует регулятор частоты вращения пневмодвигателя, поэтому неизбежны ситуации, когда при снижении нагрузки частота его вращения будет превышать номинальную. Следствие - повышенный расход воздуха, чрезмерный износ деталей пневмодвигателя и лебедки в целом.

Пневмоцилиндр, установленный внутри барабана, имеет ограниченный рабочий объем, существенно меньший рабочего объема пневмодвигателя. По этой причине пневмоцилиндр не может выполнять функцию аккумулятора для стабилизации давления на входе пневмодвигателя, то есть для сглаживания пульсаций давления, неизбежных при работе пневмодвигателя и снижающих его КПД. Применение аккумулятора особенно эффективно при использовании источника энергии ограниченной производительности.

Концентричное расположение пневмоцилиндра и барабана снижает надежность и долговечность лебедки, ввиду того что реактивное усилие пневмоцилиндра действует по продольной оси барабана и воспринимается его опорами. Данное обстоятельство существенно ограничивает возможность придания пневмоцилиндру силовой функции для увеличения крутящего момента на барабане.

Автоматическое замыкание и размыкание муфты осуществляется только при включении и выключении пневмодвигателя, что ограничивает функциональные возможности лебедки, так как для изменения режима ее работы требуется остановка процесса.

Вышеперечисленные недостатки свидетельствуют о повышенном расходе воздуха, низких надежности и долговечности и ограниченных функциональных возможностях.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является снижение расхода воздуха пневматической лебедкой, увеличение ее КПД, надежности и долговечности, а также расширение функциональных возможностей в условиях работы с источником энергии ограниченной производительности, то есть получение высокого крутящего момента и высокой скорости вращения барабана при числе оборотов пневмодвигателя не выше номинального, что достигается путем придания пневмоцилиндру функций аккумулятора давления и силового органа.

Она решается за счет того, что в пневматической лебедке, содержащей барабан, пневмодвигатель вращательного действия, редуктор, сцепную муфту, соединяющую редуктор с барабаном, и пневмоцилиндр, последний согласно изобретению выполнен двухстороннего действия, при этом его штоковая полость сообщена с входом пневмодвигателя посредством соответствующей магистрали, а поршневая полость - посредством соответствующих магистралей и кранов, причем поступательно движущийся элемент пневмоцилиндра соединен с барабаном посредством механизма преобразования движения и муфты свободного хода, включающей храповое колесо, установленное на барабане и собачку, установленную на механизме преобразования движения, при этом продольные оси пневмоцилиндра и барабана являются скрещивающимися прямыми. Механизм преобразования движения может быть выполнен рычажным, а редуктор может быть снабжен самотормозящейся червячной передачей.

Выполнение пневмоцилиндра двухстороннего действия позволяет реализовать дифференциальную схему его включения, при которой поршневая полость соединена со штоковой. При этом штоковая полость выполняет функцию демпфера, ограничивая скорость движения штока при резком уменьшении нагрузки на барабане. Тем самым достигается снижение динамических нагрузок на лебедку.

Установка пневмоцилиндра вне барабана так, что их продольные оси являются скрещивающимися прямыми, позволяет использовать пневмоцилиндр в качестве силового органа для увеличения крутящего момента на барабане и исключить возникновение "мертвых" положений, когда пневмоцилиндр нагружает только опоры барабана, не производя полезной работы.

Соединение штоковой полости пневмоцилиндра с входом пневмодвигателя обеспечивает при любом положении штока сообщение всего полезного объема пневмоцилиндра с рабочим объемом пневмодвигателя. Использование пневмоцилиндра в качестве силового органа однозначно связано со значительными его рабочими площадями, а следовательно, и большим полезным объемом, соизмеримым с рабочим объемом пневмодвигателя. Это позволяет эффективно использовать пневмоцилиндр в качестве аккумулятора для стабилизации давления на входе пневмодвигателя, то есть для улучшения режима его работы и повышения КПД. Высокий уровень нагрузки на штоке ограничивает скорость его движения, а следовательно, и расход воздуха пневмоцилиндром.

Соединение поступательно движущегося элемента пневмоцилиндра, в качестве которого может быть шток или корпус пневмоцилиндра, с барабаном посредством механизма преобразования движения и муфты свободного хода позволяет трансформировать поступательное перемещение, например, штока пневмоцилиндра во вращательное движение барабана. Использование пневмоцилиндра в качестве силового органа обеспечивает достижение на барабане высокого крутящего момента. При этом пневмодвигатель, редуктор и сцепная муфта разгружены от высокого усилия. С другой стороны, муфта свободного хода производит автоматическое переключение лебедки из силового режима в скоростной при падении нагрузки.

Использование пневмоцилиндра в качестве силового органа обеспечивает возможность снижения крутящего момента на редукторе. Это позволяет применить в лебедке менее мощный пневмодвигатель для осуществления скоростного режима работы, и тем самым снизить расход потребляемого воздуха. С другой стороны, снижение крутящего момента на редукторе позволяет уменьшить передаточное отношение редуктора и увеличить его КПД.

Таким образом, перечисленная совокупность признаков предлагаемого технического решения снижает расход воздуха пневматической лебедкой (снижает энергопотребление), увеличивает ее КПД, надежность и долговечность, а также расширяет функциональные возможности пневматической лебедки в условиях работы с источником ограниченной производительности: позволяет получить высокий крутящий момент на барабане или высокую скорость его вращения при числе оборотов вала пневмодвигателя не выше номинального.

Целесообразно механизм преобразования движения выполнить рычажным.

Это наиболее простой способ реализации поставленной технической задачи. Выполнение механизма преобразования движения рычажным позволяет управлять величиной крутящего момента на барабане посредством изменения длины рычага (точки приложения усилия пневмоцилиндра относительно продольной оси барабана).

Целесообразно редуктор снабдить самотормозящейся червячной парой, что позволит при холостом ходе штока пневмоцилиндра удерживать барабан от раскручивания реактивным усилием каната. Это расширяет функциональные возможности лебедки.

Сущность изобретения иллюстрируется примером конкретного исполнения, использования и чертежами.

На фиг. 1 показан общий вид пневматической лебедки с рычажным механизмом преобразования движения и пневмоцилиндром, поступательно движущимся элементом которого является шток.

На фиг. 2 - вид А лебедки на фиг. 1.

На фиг. 3 показаны операции извлечения из погружаемой трубы грунтозаборного устройства пневматической лебедкой: 3а - отрыв от забоя, 3б - транспортирование.

Пневматическая лебедка содержит раму 1 (фиг. 1), на которой установлены пневмодвигатель 2, редуктор 3, барабан 4 и пневмоцилиндр 5 двустороннего действия. Редуктор 3 соединен с барабаном 4 посредством сцепной муфты 6. Корпус пневмоцилиндра связан с рамой 1 шарнирно, а его шток соединен с барабаном 4 при помощи рычажного механизма 7 преобразования движения (фиг. 2) и муфты (поз. не обозначена) свободного хода, которая включает в себя храповое колесо 8 и собачку 9, соответственно установленные на барабане 4 и рычажном механизме 7 преобразования движения.

Вход пневмодвигателя 2 (фиг. 1), сообщенный с его рабочим объемом, и поршневую полость 10 пневмоцилиндра 5 соединяют с источником сжатого воздуха 11 с помощью кранов 12, 13 и магистралей 14, 15. Магистраль 16 связывает штоковую полость 17 пневмоцилиндра 5 с входом пневмодвигателя 2. В магистрали 14 установлен обратный клапан 18, обеспечивающий одностороннее движение сжатого воздуха.

Механизм 7 преобразования движения может быть зубчато-секторным или зубчато-реечным (на фиг. 1-3 не показано). Пневматическая лебедка 19 (фиг. 3) обеспечивает извлечение из погружаемой трубы 20 грунтозаборного устройства 21 с помощью каната 22.

Лебедка работает следующим образом.

При устройстве подземных переходов под дорогами и другими сооружениями пневмоударной машиной забивают в грунт погружаемую трубу 20, имеющую открытый передний торец (операция забивания трубы на фиг. 3 не показана). Далее погружаемую трубу 20 очищают от грунтового керна грунтозаборным устройством 21. Очистка погружаемой трубы 20 включает операции отрыва от забоя (фиг. 3а) и транспортирования грунтозаборного устройства 21 в рабочий котлован (фиг. 3б).

Для отрыва от забоя и извлечения грунтозаборного устройства 21 из погружаемой трубы 20 соединяют сцепной муфтой 6 (фиг. 1) редуктор 3 с барабаном 4 и включают кран 12 для подачи сжатого воздуха от источника 11 по магистралям 14, 16 в пневмодвигатель 2 и штоковую полость 17 пневмоцилиндра 5. Далее включают кран 13 и подают сжатый воздух по магистрали 15 в поршневую полость 10 пневмоцилиндра 5, шток которого начнет выдвигаться за счет разности рабочих площадей поршневой 10 и штоковой 17 полостей.

Поступательное перемещение штока пневмоцилиндра 5 с помощью рычажного механизма 7 преобразования движения (фиг. 2) трансформируется во вращательное движение рычага и посредством храпового колеса 8 и собачки 9 передается барабану 4, рабочее усилие которого через канат 22 (фиг. 3а) передается грунтозаборному устройству 21, находящемуся в забое. При совместной работе пневмодвигателя 2 (фиг. 1) и пневмоцилиндра 5 воздух, благодаря обратному клапану 18, вытесняется из штоковой полости 17 по магистрали 16 только в пневмодвигатель 2 и стабилизирует давление на его входе. Таким образом осуществляется операция отрыва от забоя грунтозаборного устройства 21 (фиг. 3а).

После отрыва от забоя грунтозаборного устройства 21 (фиг. 3б) силы сопротивления и нагрузка на барабане 4 (фиг. 1) резко падают. При этом дифференциальная схема включения пневмоцилиндра 5 не позволяет скорости движения штока пневмоцилиндра 5 резко возрасти. Снижение крутящего момента на барабане 4 до величины, реализуемой пневмодвигателем 2, позволит ему выйти на номинальную частоту вращения, увеличив скорость вращения барабана 4. При этом муфта свободного хода автоматически снимет силовое воздействие пневмоцилиндра 5 на барабан 4. Шток пневмоцилиндра 5, завершив рабочий ход, останавливается, а поршневая полость 10 пневмоцилиндра 5, сообщенная через магистрали 15, 14 и кран 13 с входом пневмодвигателя 2, служит аккумулятором для стабилизации давления воздуха на входе пневмодвигателя 2.

В зависимости от величины внедрения в грунтовый керн грунтозаборного устройства 21 (фиг. 3а) отрыв его от забоя возможен за несколько циклов работы пневмоцилиндра 5 (фиг. 1). При этом целесообразно редуктор 3 снабдить самотормозящейся червячной парой (не показана) для удержания барабана 4 от раскручивания реактивным усилием каната 22 (фиг. 3а) во время холостого хода пневмоцилиндра 5 (фиг. 1). Холостой ход последнего обеспечивают выхлопом воздуха из его поршневой полости 10 по магистрали 15 при возвращении крана 13 в исходное положение.

Таким образом, предлагаемое изобретение расширяет функциональные возможности пневматической лебедки 19 (фиг. 3) при работе с источником энергии ограниченной производительности, а именно: при использовании пневмодвигателя 2 (фиг. 1) незначительной мощности реализует высокие усилия отрыва от забоя грунтозаборного устройства 21 (фиг. 3а) и обеспечивает высокие скорости его транспортирования (фиг. 3б).