Регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана (варианты)

 

Изобретение может использоваться в космической технике, преимущественно в орбитальных тросовых системах, а также в текстильной и бумажной промышленности и обеспечивает упрощение конструкции и точность регулирования. Регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, содержит барабан с гибким элементом, коромысло на шарнирной опоре, ролики, два из которых неподвижны, а один установлен на одном плече коромысла, и тормозную колодку, установленную на другом плече коромысла. Гибкий элемент охватывает последовательно первый неподвижный ролик, ролик на плече коромысла и второй неподвижный ролик. Коромысло подпружинено на том плече, где установлен ролик, тормозная колодка взаимодействует с колесом, связанным с валом барабана через понижающий редуктор. Усилие оттяжки пружины равно удвоенному значению заданного натяжения гибкого элемента, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана; R_k - радиус колеса; а - длина плеча коромысла с роликом; b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой; k_min - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и колесом; n - передаточное число редуктора; ε- допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения. В другом варианте регулятора на том плече коромысла, где установлен ролик, закреплен груз, вес которого равен удвоенному значению заданного натяжения гибкого элемента. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое устройство может быть использовано в космической технике для регулирования натяжения выпускаемого троса при развертывании орбитальной тросовой системы - связки двух космических аппаратов. Кроме того, устройство может найти применение в текстильной, бумажной и других отраслях промышленности. В частности, устройство может применяться для поддержания с требуемой точностью заданной силы натяжения гибкого элемента (нити, провода и т. п. ), сматываемого с барабана, например при его перемотке на другой барабан.

Известно устройство для регулирования натяжения бумажного полотна по заявке ФРГ N 2256882 (МПК В 65 H 23/18), содержащее натяжной валик. Натяжение полотна регулируется путем установки числа оборотов натяжного валика в соответствии с отклонением регулируемой величины от ее заданного значения, определяемым в результате измерения натяжения и скорости движения полотна перед и после натяжного валика и сравнения произведения разности скоростей за и перед валиком на натяжение за валиком и произведения разности натяжения за и перед валиком на скорость за валиком. В этом устройстве полотно проходит через сложную систему роликов и на одном из участков охватывает последовательно сначала один неподвижный ролик, затем ролик, установленный на шарнирно закрепленном рычаге и, наконец, второй неподвижный ролик. Недостатком этого устройства является излишняя сложность и необходимость электропитания.

Известен регулятор постоянного натяжения гибкого продукта по заявке N 2308717 Франции (МПК В 65 H 17/02), содержащий щуп натяжения в виде шарнирно закрепленного коромысла, снабженного на конце роликом, через который проходит сматываемый продукт. Щуп натяжения соединен с параллельно установленными интегрирующим звеном и элементом пропорциональности, которые через общий суммирующий выход соединены с приводным элементом регулирующего органа подачи продукта. Этот регулятор реагирует на отклонения натяжения гибкого продукта изменением угловой скорости механизма его разматывания. Недостатком этого устройства является необходимость затрат энергии на принудительное разматывание катушки с гибким продуктом.

Известно устройство для контроля натяжения нити по патенту США N 3991954 (МПК В 65 H 59/22), содержащее тормоз с двумя прижимными дисками, между которыми проходит нить. На один из дисков действует замыкающий электромагнит, прижимающий диски один к другому с силой, пропорциональной подаваемому напряжению, изменением которого регулируется натяжение нити. Нить проходит через один конец шарнирно закрепленного рычага и, поворачивая его, замыкает электрические контакты цепи управления, соединенной с соленоидом замыкающего электромагнита. С другим концом рычага соединен возвратный электромагнит, который возвращает рычаг в исходное положение, противодействуя усилию со стороны нити. Недостатком этого устройства, наряду с потреблением электроэнергии, является также то, что трение прижимных дисков действует непосредственно на саму нить, что может привести к ее зажиму и разрыву.

Известно также устройство для контроля натяжения полотна по патенту США N 3913855 (МПК В 65 H 25/22), содержащее раму, на которой смонтирован рычаг - установленное на шарнирной опоре коромысло с установленным на нем кронштейном. На кронштейне находится вращающаяся цапфа с тормозным устройством, конструкция которой позволяет ей входить в рулон полотна так, что при вращении рулона при его размотке цапфа вращается вместе с рулоном. Разматываемое полотно в своем движении охватывает последовательно один неподвижный ролик, качающийся ролик и другой неподвижный ролик. С качающимся роликом соединена система контроля натяжения полотна, содержащая датчик натяжения полотна и контрольно-измерительный прибор для измерения отклонения натяжения полотна от заданной величины. Эти элементы выдают сигналы в управляющее устройство, с которым соединено большое число установочных элементов, с помощью которых регулируется величина тормозного момента, создаваемого тормозным устройством на цапфе, и, следовательно, натяжение полотна. Недостатками этого устройства являются относительная сложность устройства и необходимость энергопотребления, которые могут стать причиной недостаточной надежности.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, по авт. св. СССР N 1194810, МПК В 65 H 59/00, 30.11.1985, содержащий барабан с гибким элементом, коромысло на шарнирной опоре, ролики, два из которых неподвижны, а один установлен на одном плече коромысла и тормозную колодку, установленную на другом плече коромысла, причем гибкий элемент охватывает последовательно первый неподвижный ролик, ролик на плече коромысла и второй неподвижный ролик. Недостатками этого устройства являются сложность конструкции, недостаточные надежность и точность регулирования силы натяжения.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи обеспечения регулирования относительно большой силы натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в упрощении конструкции устройства регулирования натяжения гибкого элемента, повышении надежности и обеспечении точности регулирования силы натяжения.

Данный технический результат достигается тем, что в регуляторе натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, содержащем барабан с гибким элементом, коромысло на шарнирной опоре, ролики, два из которых неподвижны, а один установлен на одном плече коромысла, и тормозную колодку, установленную на другом плече коромысла, причем гибкий элемент охватывает последовательно первый неподвижный ролик, ролик на плече коромысла и второй неподвижный ролик, согласно изобретению коромысло подпружинено на том плече, где установлен ролик, тормозная колодка взаимодействует с колесом, связанным с валом барабана через понижающий редуктор, при этом усилие оттяжки пружины равно удвоенному значению заданного натяжения гибкого элемента, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана; R_k - радиус колеса; а - длина плеча коромысла с роликом; b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой; k_min - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и колесом; n - передаточное число редуктора;
ε - - допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения гибкого элемента.

В другом варианте регулятора на том плече коромысла, где установлен ролик, закреплен груз, вес которого равен удвоенному значению заданного натяжения гибкого элемента, тормозная колодка взаимодействует с колесом, связанным с валом барабана через понижающий редуктор, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию (1).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого регулятора по первому варианту, а на фиг. 2 - схема регулятора по второму варианту.

В состав регулятора по первому варианту входят (фиг. 1): гибкий элемент 1, барабан 2, коромысло 3, шарнирная опора 4, ролики 5 и 6, тормозная колодка 7, пружина 8, колесо 9, редуктор 10. Гибкий элемент 1 намотан на барабане 2, коромысло 3 установлено на шарнирной опоре 4, ролик 5 установлен на одном конце коромысла 3, ролики 6 установлены неподвижно, коромысло 3 подпружинено оттянутой пружиной 8 на том плече, где установлен ролик 5, тормозная колодка 7 установлена на другом конце коромысла 3 и взаимодействует с колесом 9, связанным с валом барабана 2 через редуктор 10. Гибкий элемент 1 при его смотке с барабана 2 охватывает последовательно сначала один неподвижный ролик 6, затем ролик 5, установленный на одном конце коромысла 3, и наконец, второй неподвижный ролик 6.

При смотке гибкого элемента 1 с барабана 2 тормозная колодка 7, прижимаемая к колесу 9 оттянутой пружиной 8, действующей через коромысло 3 на шарнирной опоре 4, создает на барабане 2 тормозной момент, вследствие чего гибкий элемент 1 натягивается. С другой стороны, при натяжении гибкого элемента 1 он через коромысло 3 на шарнирной опоре 4 воздействует на тормозную колодку 7, уменьшая усилие ее прижатия к колесу 9, вследствие чего тормозной момент на барабане 2 и соответственно натяжение гибкого элемента 1 уменьшаются. Таким образом реализуется обратная связь в схеме регулирования натяжения гибкого элемента 1, сматываемого с барабана 2.

Регулятор по второму варианту содержит (фиг. 2): гибкий элемент 1, барабан 2, коромысло 3, шарнирную опору 4, ролики 5 и 6, тормозную колодку 7, колесо 9, редуктор 10, груз 11. Груз 11 выполняет ту же функцию, что и оттянутая пружина 8 в первом варианте регулятора, то есть через коромысло 3 на шарнирной опоре 4 создает усилие прижатия тормозной колодки 7 к колесу 9.

Выбором конструктивных параметров регулятора можно обеспечить заданный уровень и требуемую точность регулирования натяжения гибкого элемента 1. Ниже выводятся формульные соотношения, позволяющие установить основные параметры регулятора, определяющие режим смотки гибкого элемента 1 с барабана 2.

В установившемся режиме работы регулятора вращающий момент на барабане 2, создаваемый силой натяжения сматываемого с него гибкого элемента 1, должен уравновешиваться тормозным моментом, создаваемым на барабане 2 тормозной колодкой 7, прижимаемой пружиной 8 к колесу 9, связанному с валом барабана 2 через редуктор 10. Это условие может быть записано в виде уравнения

где N - сила натяжения гибкого элемента 1;
r - текущий радиус смотки гибкого элемента 1 с барабана 2;
P - усилие оттяжки пружины 8 в первом варианте регулятора или же вес груза 9 во втором его варианте;
k - коэффициент трения скольжения тормозной колодки 7 о колесо 9.

Из уравнения (2) можно определить натяжение гибкого элемента 1 в установившемся режиме работы регулятора:

В процессе смотки гибкого элемента 1 с барабана 2 радиус смотки r постепенно уменьшается, при этом коэффициент трения скольжения k является нестабильной и случайной величиной. Вследствие этого натяжение гибкого элемента 1 при его смотке изменяется, отклоняясь от заданной величины. Однако параметры регулятора можно выбрать такими, чтобы влиянием переменной величины r в знаменателе (3) можно было пренебречь:

Чтобы обеспечить регулирование натяжения гибкого элемента 1 с относительной погрешностью, не превышающей допустимой достаточно малой (намного меньшей единицы) величины ε, должно выполняться условие

Условие (5) должно выполняться на протяжении всего процесса смотки гибкого элемента 1, то есть должно охватывать полные диапазоны возможного изменения величин r и k. В самом критическом случае условие (5) должно выполняться для максимальной величины радиуса смотки r = r_max и минимального ожидаемого значения коэффициента трения скольжения k = k_min. Таким образом, условие (5) для такого критического случая следует записать в виде приведенного выше условия (2), левая часть которого представляет собой безразмерное соотношение основных геометрических размеров регулятора.

Для выполнения условия (4) можно, например, сделать плечо коромысла 3 со стороны ролика 5 существенно длиннее его плеча со стороны тормозной колодки 7 (а >> b). Кроме того, использование редуктора 10 с достаточно большим передаточным числом n >> 1 позволяет достичь требуемой точности регулирования даже при небольшой разнице длин плеч коромысла 3. При выполнении условия (4) формулу (3) можно записать в приближенном виде
N ≈ P/2 (6)
Согласно формуле (6) натяжение сматываемого гибкого элемента 1 равно половине усилия поджатия пружины 8 в первом варианте регулятора или же половине веса груза 11 во втором его варианте. Поскольку согласно формуле (6) сила натяжения гибкого элемента 1 сравнима по величине с усилием оттяжки пружины 8 в варианте 1 или соответственно с весом груза 11 в варианте 2, при достаточно больших величинах усилия оттяжки пружины 8 или веса груза 11 можно обеспечить регулирование натяжения гибкого элемента 1 для очень большой заданной величины этого натяжения. Такое регулирование может понадобиться, например, при перемотке толстых тросов и канатов, при спуске на тросе очень тяжелых грузов и т.п.

Из формулы (6) определяется усилие поджатия пружины 8 в варианте 1 или вес груза 11 в варианте 2, необходимые для обеспечения регулирования натяжения гибкого элемента 1 на заданном уровне. Таким образом, предлагаемый регулятор при надлежащем выборе его параметров позволяет обеспечить регулирование натяжения сматываемого гибкого элемента 1 на заданном уровне с допустимой достаточно малой погрешностью.

Формула изобретения

1. Регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, содержащий барабан с гибким элементом, подпружиненное коромысло на шарнирной опоре, ролики, два из которых неподвижны, а один установлен на одном плече коромысла, и тормозную колодку, установленную на другом плече коромысла, причем гибкий элемент охватывает последовательно первый неподвижный ролик, ролик на плече коромысла и второй неподвижный ролик, отличающийся тем, что коромысло подпружинено на том плече, где установлен ролик, тормозная колодка взаимодействует с колесом, связанным с валом барабана через понижающий редуктор, при этом усилие оттяжки пружины равно удвоенному значению заданного натяжения гибкого элемента, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию

где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана;
R_k - радиус колеса;
а - длина плеча коромысла с роликом;
b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой;
k_min - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и колесом;
n - передаточное число редуктора;
ε - допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения гибкого элемента.

2. Регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, содержащий барабан с гибким элементом, коромысло на шарнирной опоре, ролики, два из которых неподвижны, а один установлен на одном плече коромысла, и тормозную колодку, установленную на другом плече коромысла, причем гибкий элемент охватывает последовательно первый неподвижный ролик, ролик на плече коромысла и второй неподвижный ролик, отличающийся тем, что на том плече коромысла, где установлен ролик, закреплен груз, вес которого равен удвоенному значению заданного натяжения гибкого элемента, тормозная колодка взаимодействует с колесом, связанным с валом барабана через понижающий редуктор, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию

где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана;
R_k - радиус колеса;
а - длина плеча коромысла с роликом;
b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой;
k_min - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и колесом;
n - передаточное число редуктора;
ε - допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения гибкого элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2