МУФТА КЛИНОВАЯ РОЛИКОВАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ Российский патент 1998 года по МПК F16G11/04 

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использовано однозначно в качестве канатного замка, зажима для сращивания буксирных, швартовых, грузовых и других стальных канатов, клиновой втулки или муфты для присоединения канатов к элементам подвески грузозахватных механизмов или к любым другим объектам в таких областях техники, как лесная промышленность, строительство, речной, морской, автомобильный и любой другой вид транспорта, и во многих других, где применяются грузоподъемные, трелевочные, лебедочные и буксировочные механизмы.

Охватывая широкий спектр функциональных возможностей применения, данная роликовая муфта содержит в себе все основные признаки многих подобных устройств (замков, втулок, зажимов, муфт и т.п.), которые в конкретном отличии имеют только одно-два целенаправленных предназначения и не находят широкого применения в других областях техники. По конструктивному исполнению предлагаемое изобретение довольно близких прототипов не имеет, но по таким существенным признакам, как способ заклинивания каната, зажим каната в 2-4 местах, применение роликов в качестве самозажимов, увеличение зажимающего усилия при росте нагрузки на канате, улучшение способа расклинивания, уменьшение затрат времени на все операции сращивания, заклинивания и расклинивания канатов, облегчение транспортировки к месту использования, эта соединительная муфта может иметь множество аналогов, различных по назначению и конструкции, но не имеющих всех этих признаков в одном устройстве.

Считать аналогами можно изобретения такие, например, как в описаниях SU по а. с. N 199401, кл. F 16 G 11/04, 1967, а.с. N 1736892, кл. B 66 B 7/08, 1992, US патент N 3758922, кл. F 16 G 11/04, 1973, а.с. N 1147877, кл. F 16 G 11/04, 1985 и многие другие подобные... В отличие от всех других устройств предлагаемая соединительная муфта имеет два новых существенных признака - более высокая технологичность изготовления и ее универсальность применения, что является следствием простого конструктивного решения, и во-вторых, использование новой соединительной муфты исключает применение трудоемкого процесса - плетение огонов и вязание узлов во время работы, которые безвозвратно портят канаты.

Если сравнить предлагаемое изобретение с одним из аналогов, допустим по описанию а. с. N 1147877, кл. F 16 G 11/04, 1985, в котором в качестве зажимов адекватно используются ролики, то непременно увидим множество существенных отрицательных признаков данного устройства: более сложная конструкция, износ каната зубчатыми поверхностями; металлоемкость; наличие пружин и продольных пазов в корпусе, что снижает технологичность изготовления и надежность; стационарность замкового устройства; существенные размеры и т.п. Это устройство применяется в основном только в морском транспорте и не имеет широкого распространения.

Насколько известно, переносных замковых и зажимных устройств для сращивания и присоединения канатов пока не существует, потому как все подобные устройства очень плохо поддаются расклинивают (т.е. их невозможно быстро установить и снять в обычных, в экстремальных и аварийных условиях), имеют внушительные габариты, вес и прочие отрицательные параметры.

Большинство современных соединительных муфт и втулок для стальных и прочих канатов, особенно предназначенных для предельных и тяжелых условий (подвеска грузов, буксировка тяжелых составов и т.п.), изготовленных с очень большим запасом прочности и работающих по принципу заклинивания каната в полостях их корпусов, аналогичны изобретению только лишь по отдельным техническим признакам или принципу действия, но в основном без применения роликовых зажимов, поэтому можно считать достаточным ограничиться их вполне очевидными общими характеристиками.

На многих грузоподъемных и буксировочных механизмах присоединение и крепление канатов производится при помощи специальных зажимов (жимков), устанавливающихся не менее чем в трех местах (точках). Данный существенный признак является одним из основных в новой конструкции роликовой соединительной муфты. Канат в ней зажимается роликами особой конфигурации не менее чем в двух или четырех точках, но, в отличие от других, усилие зажима в ней увеличивается пропорционально нагрузкам на канатах. При этом совершенно исключается проскальзывание каната между роликами и стенками муфты - обратное может иногда наблюдаться при других способах зажима.

Идея применения роликов для заклинивания канатов при их соединении как видим, не нова, но она не используется еще достаточно эффективно в разных областях техники. Имеются конструкции и кроме вышеперечисленных аналогов, только у всех у них почти одни и те же общие недостатки. При сложности расчета нагрузок и растягивающих усилий, их изготавливают с очень большим запасом прочности (основываясь на критериях техники безопасности), поэтому их конструкции получаются массивными, не практичными и не имеющими многоцелевых универсальных свойств.

Внедрение новых технологий и новых материалов в машиностроительной промышленности будет определять в дальнейшем прочность и технологичность подобных устройств и других изобретений.

Допустим, за последние 5-10 лет появились десятки изобретений композиционных и других материалов с прочностью на изгибы, растяжение, близкой или равной прочности высококачественной стали, но с меньшей в пять и более раз плотностью (известны полимеры с прочностью стали 220 ГПа). Поэтому для достижения основной цели изобретения - при сохранении максимальной прочности и надежности, получить облегченную компактную конструкцию соединительной муфты, воплощающую в себе все характеристики подобных устройств, - непременно потребуются новые высокопрочные недорогие материалы, и новая технология изготовления.

Изобретение отличается в сущности от своих аналогов: облегченной конструкцией, компактностью и мобильностью, многоцелевым назначением, меньшими затратами времени на операции соединения канатов между собой или с другими механизмами, и также отсоединения их, особенно при малых и средних нагрузках, возможностью применения в разных областях техники, возможностью изготовления его по новым, более качественным технологиям - литье, порошковая металлургия, полимеризация и армирование высокопрочными волокнами и т.д., и, наконец простым устройством.

С помощью такой муфты можно будет быстро соединить отрезки любого каната, два каких-либо механизма для грузовых операций или два транспортных средства для буксировки без вязания узлов (как обычно делается) и плетения огонов на их концах, или же быстро срастить оборванный канат во время обычных и аварийных грузовых такелажных работах.

На фиг.1 показано устройство, принцип заклинивания каната роликами и распределение основных напряжений, действующих на стенки муфты в динамическом режиме; на фиг. 2 - пример конкретного выполнения; на фиг. 3 - основные методы использования муфты при соединении канатов между собой и с другими предметами; на фиг. 4 - оптимальный вариант конструкции соединительной муфты; на фиг. 5 - основной способ расклинивания зажатого каната.

Основной элемент - жесткий симметричный корпус роликовой муфты состоит (фиг. 1, 2, 4) из нижней, верхней и боковых стенок 1, образующих внутреннюю рабочую полость муфты, и перегородки 2, делящей эту полость на две равные симметричные половины. Перегородка 2 расположена под небольшим углом (10-15^o) к продольной осевой линии, зависящим от отношения длины муфты к ее высоте и от наибольшего диаметра каната, для которого муфта предназначена. В полостях муфты расположены свободно перемещающиеся по поверхностям перегородки 2 ролики 3 (два ролика, если муфта предназначена для небольших нагрузок на канатах 4 - примерно до 4-5•10³ кг, допустим, при буксировке автотранспорта и др. ). При изготовлении муфты для средних и больших нагрузок (от 5•10³ кг и более) в полости устанавливаются еще два ролика 5, чуть большего диаметра, с расчетом заклинивания каната в корпусе муфты в двух точках, а при соединении огоном в 4 точках.

Ролики имеют проточки 12 по окружности опорной поверхности 11 (фиг. 2) с радиусом кривизны (R=10-15 мм), зависящим от размеров ролика, диаметра зажимаемого каната и с расчетом увеличения площади давления. Чтобы ролики не выкатывались из корпуса при транспортировке, можно установить стопорные планки 6, закрепленные винтами 7.

Длина корпуса муфты выбрана по критериям практического использования и в зависимости от сечения наибольшего каната, для которого предназначены муфта. Диаметр роликов для каждого типоразмера муфты выбирается с расчетом того, чтобы при зажатии каната наибольшего диаметра заклинивание происходило как можно ближе к поперечной (вертикальной) осевой линии. При этом сохранится условие уравновешивания сил (P₄) от давления двух роликов на перегородку 2 опорными поверхностями (в точках Д), в момент наибольших напряжений, создаваемых натянутыми канатами (фиг. 1, 4). При уменьшении сечения применяемого каната (и естественно допускаемой нагрузки) точки заклинивания роликов (Д и С) перемещаются ближе к краям муфты, где жесткость и прочность муфты несколько уменьшаются.

При этом сильнее проявляются сдвиговые, косые продольно-поперечные и продольные напряжения на растяжение корпуса муфты.

Изготавливать подобные соединительные муфты в промышленных масштабах можно унифицированным способом - 3-4-е типоразмера, путем литья, полимеризации с армированием или по другой технологии. Вокруг корпуса муфты можно предусмотреть усиленные пояса жесткости вместе с ручками, для удобства транспортировки и расклинивания (на фиг. не показано). Не противопоказано использовать муфту не только как переносное приспособление, но и как стационарное замковое устройство, прикрепив ее к корпусу любого механизма (машины).

На фиг. 2 представлен чертеж роликовой муфты, изготовленной прессово-сварочным способом из отрезков стандартного прокатного швеллера N 10. Боковые тавры швеллера обрезаны до размеров 30 мм. Швеллер 1 стыкуется со швеллером 2 и крепится сварочным швом по линиям 8. Внутренняя перегородка 3 крепится шпильками 9 через заранее просверленные отверстия 5, способом опрессовки (или клепки). Перегородка 3 делит рабочую полость, образованную двумя швеллерами на две симметричные половины, таким образом, чтобы свободно проходил стальной канат диаметром 25 мм. Ролики 4 изготовлены на токарном станке (сталь 35(45) и имеют проточки по окружности опорной поверхности примерно с радиусом кривизны R=11-12 мм. Муфту можно изготовить из швеллера N 8 и применять для канатов диаметром от 6-10 мм до 20 мм. Ширина ролика выбирается такой, чтобы зазор между стенками муфты и роликом находился в пределах 0,6-0,8 ± 0,1 мм (по 0,3-0,4 мм с каждой стороны), а диаметр и глубина проточки выбираются с учетом того, чтобы канат диаметром 25 мм заклинивался в области поперечной осевой линии.

Такой способ изготовления муфты очень трудоемок и нетехнологичен.

Допустим, что два ролика заклинили канат в муфте точно по поперечной оси, или около этого и силы давления P₄ в точках (Д) взаимно компенсировались. Точность определения поперечных сил P₂, приложенных в точках (C), стремящихся растянуть боковые стенки муфты зависит от правильного расчета площадей контактирования ролика с канатом (область "а" на фиг. 1) и каната с верхней полкой (стенкой муфты (область "в"), что определить достаточно сложно. Если взять F₁=F₂=1•10⁴•H≈ (1000 кг) и S=0,03 м²=3 см², тогда , или 33 кгс/мм², в области (b) S=6 см², P=16,6 кгс/мм².

Примерно таким будет наибольшее напряжение, создаваемое натяжением канатов 4 с силой (F₁=F₂), равной одной тонне. Если канат замыкается в муфте огоном, то это напряжение в два раза уменьшится. Предельную силу трения каната о верхнюю полку муфты можно найти:
F_тр= μ•F_N, ,
где
F_N - сила реакции; μ - коэффициент трения стального троса о материал муфты.

С помощью данной муфты в конечном итоге (фиг. 3) можно производить любые операции со стальными канатами всяких типоразмеров, пользуясь при этом всего лишь двумя-тремя способами привязки. Основное значение этой конструкции заключается в том, что появилась возможность очень быстро заделать огон на конце любого каната (троса), а это дает возможность, в свою очередь, быстро без всяких усилий зацепить канат в любом месте и к любому предмету.

На фиг. 3 (а, б, в, г) показаны несколько способов заделки каната, которые настолько уже углубились во все виды деятельности человека, что декларировать и описывать их нет никакого смысла.

1. Роликовая муфта.

2. Стальной канат.

3. Причальная тумба или другой любой предмет механизации и т.п.

4. Огон.

5. Предмет, который следует захватить способом - "удавкой".

6. Грейфер или любой другой грузозахватный механизм.

7. Бандаж из толстой проволоки или кабалки.

На фиг. 4 показан эскиз роликовой муфты в наиболее оптимальном варианте, если изготовить ее методами литья, порошковой металлургии, полимеризации или др.

Верхнюю и нижнюю стенки в ней можно изготовить несколько изогнутыми (выпуклыми наружу) с радиусом кривизны R≈500-700 мм. При использовании двух роликов 3 и 5, площадь контакта каната и верхней (нижней) полки увеличится (область "в"), по сравнению с первым случаем (фиг. 2) в 3-4 раза, поэтому силы давления и поперечные растягивающие и изгибающие напряжения согласно формуле
,
намного снизятся. Кроме этого, при таком расположении (форме) верхней и нижней полок, предельная сила трения каната материал стенок возрастает на косинус некоторого угла (cosϕ) , или же результирующая сила в точках C составит примерно
,
где
P_N - сила реакции верхней или нижней стенки.

При этом заклинивание канатов произойдет при меньших давлениях роликов на канаты. И здесь важным является еще и то, что, если потянуть канат в обратную сторону, тогда с более наименьшими усилиями можно производить расклинивание канатов, по сравнению с муфтой, где прямые, горизонтальные стенки. Снять поперечные, растягивающие напряжения важно еще и потому, чтобы увеличить усталостную прочность и долговечность материала муфты, т.к. прочность на растяжение в продольном направлении намного больше.

Дальнейший предварительный расчет роликовой соединительной муфты можно произвести, основываясь на законе Роберта Гука и общих формулах сопротивления материалов.

Наибольшие напряжения в сечении муфты (разрез А-А) будут находиться в точках А и В по углам соединения стенок муфты. Статический прогиб верхней и нижней стенок
,
где
l - ширина стенки (полки);
E - модуль упругости (Томаса Юнга)

J - момент инерции площади поперечного сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести этого сечения.

Мы имеем две стенки прямоугольного сечения, для которых
I_x= a⁴/12 =bh³/12,
где
b - толщина стенки;
h - ширина области (в) (на фиг. 1, 4), к которой приложено основное усилие от давления роликов на трос. Все усилия распределяются поровну на верхнюю и нижнюю полки (стенки) муфты.

Статическое удлинение боковых стенок находим:
,
где
l - высота боковой стенки; S - площадь поперечного сечения боковой стенки в области (в) (фиг. 1, 4), если сделать разрез муфты по горизонтальной, продольной осевой линии (не показан).

Растягивающие напряжения на две боковые стенки распределяются симметрично поровну. Модуль упругости для некоторых материалов приведен в таблице.

В заключение следует отметить, что все напряжения, создаваемые давлением роликов на канат и среднюю перегородку и от продольных растягивающих усилий, создаваемых натяжением муфты (область δ на фиг. 1), а не только в области b контакта и наибольшего давления, поэтому прочность муфты будет несколько болше, чем по предварительным расчетам, что должно быть нивелировано при статических и динамических испытаниях данной конструкции на прочность.

Расклинивание данной муфты производится (фиг. 5а, б) путем натяжения и сдвига каната в обратную (затяжке) сторону. Удобнее расклинивать, если свободный конец 3 каким-либо приспособлением (тиски и т.п.). Сложнее расклинить, если канат будет сильно зажат роликами при очень больших, предельных нагрузках, допустим на грузоподъемных механизмах), для этого можно использовать лебедочные механизмы.

Использование: изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению и может быть использовано в качестве канатного замка, зажима для сращивания буксирных, грузовых или других канатов, в качестве клиновой втулки или муфты для присоединения канатов к другим объектам во всех областях техники и деятельности человека, где применяются грузоподъемные, трелевочные, лебедочные, буксировочные и другие механизмы. Сущность изобретения: соединительная муфта для стальных канатов содержит корпус, выполненный с перегородкой, разделяющей его на две одинаковые половины и установленной под углом к его продольной оси, и ролики, установленные с двух сторон перегородки, которые могут свободно перемещаться в полостях корпуса в двух направлениях. На опорных поверхностях роликов выполнены с возможностью обеспечения заклинивания одного или двух канатов в полостях половин корпуса. Муфта устроена так, что при натяжении каната в одну сторону происходит самозаклинивание канатов в полостях муфты - при натяжении в обратную сторону, канат расклинивается, при этом усилие зажима каната растет с ростом нагрузки натяжения. простая конструкция муфты - четыре стенки, перегородка и два-четыре ролика, позволит изготавливать ее по современным технологиям или автоматическим методом. 1 табл., 5 ил.

Соединительная муфта для стальных канатов, содержащая установленные в корпусе заклинивающие ролики, отличающаяся тем, что корпус выполнен с перегородкой, разделяющей его на две одинаковые половины и установленной под углом к его продольной оси, причем ролики установлены с двух сторон перегородки и могут свободно перемещаться в полостях в двух направлениях, а на опорных поверхностях роликов выполнены проточки с возможностью обеспечения заклинивания одного или двух канатов в полостях половин корпуса.