ВЕДУЩИЙ ШКИВ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ПАР ТРЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК B66B15/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к новой конструкции ведущих шкивов для канатных приводов и т.п., в частности канатоведущих шкивов для подъемных устройств (лифтов), обеспечивающей улучшение передачи усилий.

Главными областями применения изобретения являются:

- ведущие шкивы подъемных устройств, работающих в многоканатном режиме;

- несущие ведущие шкивы подъемных устройств, работающих с задействованием одного каната по выбору, например:

- подъемные платформы с канатным приводом (например, устройства для ухода за фасадами, монтажные леса);

- устройства с канатным приводом для перемещения по неподвижным канатным конструкциям (подвесные мосты, расчаленные крыши павильонов, кабельные краны, канатные дороги);

- некоторые типы приводов канатных дорог;

- некоторые типы приводов кресельных подъемников;

- непрерывные подъемные лебедки любого назначения.

Другой областью применения изобретения являются непрерывные механические транспортеры с силовым замыканием и допускающие применение в них магнитных материалов.

Уровень техники

Уровень техники для канатоведущих шкивов лифтов характеризуется решениями, в основу которых положен закон трения Кулона с использованием однородного ручья (желобка).

В области шахтных подъемных установок, используемых в горной промышленности, известны решения, которые повышают тяговую способность системы канат-ведущий шкив за счет ручьевых вкладышей из разных мягких материалов, которые, однако, непригодны для лифта. Примерно восемьдесят лет назад в горном деле возникла идея улучшения передачи усилий с использованием электромагнитов. В соответствующем патенте DE 346727 С для этого был предложен ручей ведущего шкива под несущий нагрузку элемент, состоящий из сегментов, выполненных в виде полюсных башмаков ряда электромагнитов с чередующейся полярностью, поток силовых линий которых направляется от одного полюса к соседнему посредством нагрузочного органа.

У установок для размотки кабеля на кабелеукладочных судах из US 3512757 известно решение, в котором магниты использованы в отводных шкивах лебедок. В этих случаях используются традиционные магниты, которые требуют значительного места и дополнительных технических затрат, и вследствие этого могут использоваться только в одноканатном режиме с большими размерами.

Из DE 3312522 А1 известен ведущий шкив, в частности, для использования в горном деле, у которого в ручьи обода помещен свободно подвижный по окружности обода вкладыш в виде гибкого эластичного кольца с закрепленными на нем элементами вкладыша. Также в DE 3626045 А1 описан ведущий шкив для горного дела, у которого вдоль окружности ручья обода расположена свободно подвижная накладка. Эта накладка состоит из двух слоев, а именно верхнего слоя из полосы эластичного материала и прилегающего непосредственно к ободу разделенного на секции слоя, которые жестко соединены между собой. Названные секции состоят здесь из подшипникового материала (материала подшипников скольжения).

Объектом публикации DE 3923192 А1 является ведущий шкив, в частности, для одноканатных подъемных устройств горной промышленности, в ручье обода которого свободно с зазором по отношению друг к другу расположены накладки-вкладыши. Эти V-образные накладки-вкладыши снабжены на концах обоих своих колен сквозными в направлении движения ведущего шкива отверстиями, сквозь которые проходит обхватывающий ручей тяговый элемент.

В патенте DE 1202587 В описана арматура, применяемая для канатных и ведущих шкивов в горном деле, у которой вкладыш из легкого металла, жесткого пластика и т.п. закрепляют на корпусе шкива, что повышает коэффициент трения и износостойкость вкладыша.

В патенте DE 1120702 В описан специальный материал вкладыша ведущих шкивов для шахтных подъемных устройств горной промышленности, состоящий из специального литейного сплава GAISi. Эти вкладыши-колодки устанавливают по окружности ведущего шкива попеременно с вкладышами-колодками из термопластичных или аналогичных термопласту пластиков.

С помощью известных из уровня техники вкладышей в ручьях обода ведущего шкива удалось достичь улучшений характера износа и трения используемых в горном деле ведущих шкивов. Однако необходимые для этого конструктивные решения сложны. Для больших отношений диаметра ведущего шкива к диаметру каната - примерно больше 40 - соответствующие применения возможны также в лифтостроении. Тенденция к легким конструкциям приводит эти отношения диаметров для лифтов к диапазону 20-30. Здесь вследствие повышенных сжимающих нагрузок и срезающих напряжений, вызванных неодинаковыми усилиями каната, известные до сих пор материалы вкладышей отказывают. Использование полей силовых линий для повышения тяговой способности известно в горном деле и у размоточных лебедок в одноканатном режиме. Решения, однако, конструктивно сложны, требуют много места и удорожают оборудование.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения соответственно является существенное повышение передаваемых усилий ведущих шкивов лифтов на приводимый канат, в частности, в экстремальных нагрузочных условиях, возникающих при высоких соотношениях усилий каната и/или малых соотношениях диаметров ведущего шкива и каната. Задачей изобретения являются также аналогичные усовершенствования для повышения передаваемых усилий у пар приводной барабан/стальная транспортерная лента и приводной барабан/цепь, соответственно при упрощенном выполнении других компонентов системы.

Решение этой задачи достигается совокупностью признаков формулы изобретения в предлагаемой конструкции ведущего шкива для высоконагруженных пар трения, в частности, для подъемных устройств с канатным приводом, состоящем из корпуса, обода и выполненного на наружной стороне обода по меньшей мере одного ручья для направления каната. Причем шкив содержит сегменты обода, размещенные по окружности обода с промежутком друг от друга и выполненные в качестве сегментов ручья из одинаковых или разных с ободом материалов с высоким коэффициентом трения, и магниты высокой мощности, размещенные в виде вкладышей, чередующихся с сегментами обода.

Таким образом, согласно концепции изобретения вдоль окружности имеющегося в ободе ведущего шкива ручья (ручьев) на расстоянии друг от друга помещены вкладыши в виде магнитов высокой мощности из редкоземельной группы с плотностью энергии, например 385 кДж/м³, утопленные в соответствующие выемки ручьев заподлицо с их поверхностью. Это расположение может быть осуществлено для группы расположенных рядом друг с другом ручьев с сегментами обода и/или вкладышами, расположенными в направлении оси ведущего шкива по всей его ширине. Дополнительно между вкладышами расположены сегменты обода, причем в ободе могут быть выполнены выемки, в которые плотно установлены сегменты обода, имеющие в основном дугообразную форму, сопрягаемую с поверхностью выемок.

Корпус изготавливается из материла, выбранного из группы, включающей серый чугун, стальное литье, сталь, композиционные материалы, пластик, при этом обод установлен на корпусе без возможности растяжения и может содержать выемки для размещения магнитов высокой мощности, расположенные с промежутком друг от друга. В качестве материалов для вышеназванного обода ведущего шкива и сегментов обода могут применяться классические материалы ведущих шкивов, такие как серый чугун, легированный серый чугун, стальное литье, легированное стальное литье и т.п. или же новые, повышающие коэффициент трения конструкционные материалы, такие как пористая сталь (пеносталь), специальная керамика, в частности волокнистая композиционная керамика, специальные пластики, которые отвечают требованиям к прочности на сжатие и износостойкости для использования в ведущих шкивах лифтов и подобных областях. При выборе материалов сегментов обода предпочтительно применение пористой стали и/или волокнистой композиционной керамики.

Благодаря такому выполнению удается повысить силу трения Кулона, поскольку коэффициенты трения при применении, например, волокнистой композиционной керамики, достигают значений 0,4, а дополнительно за счет помещенных с равными промежутками в качестве вкладышей магнитов высокой мощности на нормальную силу из усилий каната накладывается нормальная сила, полученная за счет магнитных сил. Для вышесказанного справедливо:

F_uMgn=μ_Mgn·F_Mgn.

В этом уравнении обозначают:

F_uMgn - действующая по окружности ведущего шкива касательная сила сопротивления в зоне магнитов против вызванного максимальным усилием каната растяжения каната или проскальзывания,

F_Mgn - магнитная удерживающая сила,

μ_Mgn - коэффициент трения в зоне магнитов.

Применяются вышеназванные магниты высокой мощности, которые изготавливаются в виде постоянных магнитов, приспосабливаемых для каждого отдельного случая в отношении удерживающих сил, твердости, формы, износостойкости. Их расположение в соответствующем ручье осуществляется таким образом, чтобы ось магнитного поля и, тем самым, магнитная сила имели радиальное направление относительно корпуса шкива.

Сегменты вкладышей и сегменты обода расположены с распределением по всей окружности в 360° ручья (обода ведущего шкива) попеременно чередующимися, причем эти сегменты равномерно отстоят друг от друга по окружному углу α. Величина угла α зависит от желаемой тяговой способности пары ведущий шкив-канат или ведущий шкив-лента.

Это техническое решение позволяет выполнить полукруглые ручьи по меньшей мере с коэффициентами трения, которые соответствуют коэффициентам трения клиновых ручьев при определенном угле клина и достигаемом состоянии износа, однако в противоположность клиновому ручью или подрезанному полукруглому ручью обеспечивают резкое уменьшение износа ручья (небольшое давление) и высокий срок службы каната в отношении соответствующего выполнения.

Для удовлетворения экстремальных требований, например к передаче усилий, этим техническим решением могут быть оснащены и ручьи других форм, в частности полукруглые ручьи с подрезом.

Оптимизация выполнения ведущего шкива в отношении

- магнитной удерживающей силы, геометрической формы постоянных магнитов высокой мощности, установления других физических параметров, расположения магнитов, с одной стороны, и/или

- выполнения обода ведущего шкива из серого чугуна, пластиков и т.п., пористой стали или композиционной керамики, с другой стороны,

- происходит на выбор в соответствии с постановкой данной технической задачи.

Решение требует измененной формулировки уравнения Эйтельвейна:

F1/F2·ϕ(p)≤e^μβ,

где:

F1, F2 - усилия каната,

ϕ(p) - коэффициент задержки,

e - основание натурального логарифма,

μ - кажущийся коэффициент трения,

β - геометрическая дуга обхвата.

За счет расширения ширины описанного ведущего шкива в осевом направлении, может быть обеспечен приводной барабан для непрерывных механических транспортеров, выполненный по своей основной конструкции, как ведущий шкив, причем производится расширение расположения сегментов обода и вкладышей в осевом направлении, т.е. по ширине приводного барабана.

В изобретении достигается ряд преимуществ, а именно в том числе:

- повышение силы трения Кулона за счет повышения кажущегося коэффициента трения системы вследствие применения волокнистой композиционной керамики или пористой стали и т.п.;

- наложение на силу трения Кулона магнитной силы трения, полученной за счет магнитов высокой мощности из элементов редкоземельной группы;

- выборочный расчет ведущего шкива для малоизнашивающейся передачи больших окружных усилий или передачи очень больших окружных усилий для специальных назначений.

Было достигнуто существенное повышение тяговой способности, в частности, полукруглых ручьев (имеющих полукруглое или дугообразное сечение).

Передача усилий существенно улучшена благодаря названным мерам, а связанными с этим вторичными последствиями являются:

- уменьшение веса в канатном приводе за счет увеличенного и технически передаваемого отношения F1/F2, обеспечение предельно легкой конструкции в технике лифтов;

- возможное уменьшение необходимого диаметра ведущего шкива;

- уменьшение диаметра каната вследствие меньших нагрузок, поскольку износ значительно уменьшается за счет растяжения и проскальзывания в зоне ведущего шкива;

- будучи обусловлены меньшим диаметром ведущего шкива, меньшие приводы за счет повышенной частоты вращения ведущего шкива;

- сокращение энергетических затрат, что соответственно связано с экономическими преимуществами.

Краткое описание чертежей

Другие подробности, признаки и преимущества изобретения приведены в нижеследующем описании примеров выполнения со ссылкой на соответствующие чертежи, на которых представлено:

на фиг.1 и 2 - ведущий шкив с выполнением обода с сегментами обода из волокнистой композиционной керамики, расположенными между вкладышами из магнитов высокой мощности;

на фиг.3 - сегмент ручья, состоящий из материала, отличающегося от прочего выполнения обода ручья; из этого материала в другом конструктивном выполнении может состоять также весь обод, в котором затем выполняют отверстия для размещения магнитов высокой мощности;

фиг.4 и 5 - ведущий шкив для высоконагруженных пар трения, у которого в ручьи его обода в виде сегментов вкладышей помещены магниты высокой мощности.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображен ведущий шкив, имеющий корпус (тело) 1 и обод 2, и примерное расположение сегментов 5 обода (венца) и, при необходимости, вкладышей 6 по всей окружности в 360° обода 2 ведущего шкива. Сегменты 5 обода расположены в каждом ручье 3 (см. разрез А-А на фиг.2) на расстоянии друг от друга по окружному углу α. В качестве альтернативы они могут состоять в осевом направлении из одного куска, в котором выполнены все ручьи 3.

Для достижения определенной тяговой способности ведущего шкива дополнительно или исключительно могут быть выбраны другие расположения, конструкции и плотности распределения сегментов вкладышей (магнитов высокой мощности) 6 по окружности обода 2 ведущего шкива.

Примерная геометрическая форма сегмента 5 обода схематично без соблюдения масштаба изображена в увеличенном виде В на фиг.3. Форма ручья 3 определяется радиусом его кривизны, причем d обозначает диаметр каната 4 (фиг.2). Размеры для ширины b и высоты h сегмента 5 обода примерно соответствуют двойному диаметру d каната или ручья, т.е. b=h˜2d.

Длина I сегмента 5 обода составляет по меньшей мере 3-кратный диаметр d каната, т.е. I˜3d.

На фиг.4 и 5 изображено выполнение ведущего шкива для высоконагруженных пар трения с размещенными аналогично конструкции на фиг.1 магнитами высокой мощности в качестве сегментов вкладышей 6. Магниты высокой мощности имеют цилиндрическую форму (см. увеличенный вид С) со следующими размерами для высоты h и диаметра d_M, магнитов:

h˜25-35 мм

d_m˜20-32 мм.

Здесь показана также полярность.

Подобные магниты достигают в настоящее время удерживающих сил 42-700 Н.

В качестве материала для корпуса (тела) 1 ведущего шкива и его обода 2 в обоих примерах выполнения применяется традиционный серый чугун.

Обод, если для него применяются высококачественные материалы, такие как пористая сталь, волокнистая композиционная керамика и т.п., может быть изготовлен отдельно и соединен с корпусом ведущего шкива в подходящей форме.

Изобретение относится к конструкции ведущих шкивов, в частности для лифтов с канатным приводов и т.п. Шкив состоит из корпуса (1), обода (2) и ручьев для направления каната, выполненных на наружной стороне обода (2). По окружности в обод (2) ведущего шкива помещены сегменты (5) обода в качестве сегментов ручья из одинаковых или разных материалов и вкладыши из магнитов (6) высокой мощности. Сегменты (5) обода выполнены из материла, выбранного из группы, включающей серый чугун, легированный серый чугун, стальное литье, легированное стальное литье, пористую сталь, волокнистую композиционную керамику соответственно с повышенными коэффициентами трения. Ось магнитного поля и направление магнитной силы магнитов имеют радиальное направление относительно шкива. Изобретение обеспечивает улучшение передачи усилий. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ведущий шкив для высоконагруженных пар трения, в частности, для подъемных устройств с канатным приводом, содержащий корпус (1), обод (2), имеющий сегменты (5) обода, размещенные по окружности обода (2) с промежутком друг от друга, выполненный на наружной стороне обода (2) по меньшей мере один ручей (3) для направления каната, и постоянные магниты, выполненные в виде вкладышей (6), чередующихся с сегментами (5) обода, отличающийся тем, что сегменты (5) обода выполнены из материла, выбранного из группы, включающей серый чугун, легированный серый чугун, стальное литье, легированное стальное литье, пористую сталь, волокнистую композиционную керамику, а ось магнитного поля и направление магнитной силы магнитов имеют радиальное направление относительно шкива.2. Шкив по п.1, отличающийся тем, что ручьи (3) имеют полукруглое или дугообразное сечение.3. Шкив по п.1, отличающийся тем, что в ободе (2) выполнены выемки, в которые плотно установлены сегменты (5) обода, имеющие в основном дугообразную форму, сопрягаемую с поверхностью выемок.4. Шкив по п.1, отличающийся тем, что сегменты (5) обода и вкладыши (6) расположены по всей окружности ручья (3) попеременно чередующимися и со смещением на окружной угол α.5. Шкив по п.1, отличающийся тем, что он содержит группу ручьев (3), сегменты (5) обода и вкладыши (6), расположенные в направлении оси ведущего шкива (1) по всей его ширине.6. Шкив по п.1, отличающийся тем, что корпус (1) изготовлен из материла, выбранного из группы, включающей серый чугун, стальное литье, сталь, композиционные материалы, пластик, при этом обод (2) установлен на корпусе (1) и выполнен из материла, выбранного из группы, включающей серый чугун, легированный серый чугун, стальное литье, легированное стальное литье, пористую сталь, керамику, пластики.