Грунтометатель Российский патент 2024 года по МПК E02F3/18 A62C3/02 

Изобретение относится к машинам для тушения низовых лесных пожаров. Может быть использовано в устройствах для уборки снега.

Известен пожарный грунтомет-полосопрокладыватель (Патент RU 2541987 C1 E02F 3/18 Опубл. 20.02.2015. Бюл. №5. Бартенев И.М., Емтыкаль З.К., Драпалюк М.В. и др.), содержащий раму, механизм навески, сферические диски, фрезы-метатели, трансмиссию, шнеки для сдвига напочвенного покрова в стороны, глубокорыхлитель. Недостатком этого устройства является то, что его рабочий орган - "фреза-метатель" не обладает возможностью метать грунт на большие расстояния в связи с тем, что скорость частичек грунта определяется скоростью движения окружной части лопаток. Однако, при больших скоростях вращения фрезы-метателя частицы грунта не успевают разогнаться до необходимой скорости, соскальзывая с поверхности грунтоза-хватов.

Известен роторный метатель грунта (А.С. СССР 386073 E02F 3/24, E02F 3/18 Опубл. 14.06.1973. Бюл. №6. Худоногов Ю.А.), включающий в себя ротор с жестко закрепленными на нем захватами грунта в виде ковшей и привод в виде двухкривошипного шарнирного механизма, ведомый кривошип которого соединен кинематически с ротором.

Недостатком этого устройства является то, что ротор представляет собой одно вращающееся тело, которое кинематически связано с выходным звеном двухкривошипного механизма. Поскольку выходное звено этого механизма движется неравномерно, то весь ротор тоже совершает неравномерное движение. При этом количество циклов разгона-торможения ротора за один его оборот равно количеству грунтозахватов на роторе. На каждый такой цикл требуются затраты определенного количества энергии, которое пропорционально количеству захватов. Так как в работе за один цикл участвует один грунтозахват, то энергия, потраченная на разгон-торможение остальной части ротора, потрачена впустую, что влечет за собой снижение КПД всего устройства. Кроме того, одновременно с ротором также неравномерно движутся ведомый кривошип, шатун двукривошипного механизма и звенья механизма, связывающего выходной кривошип и ротор, в изобретение прототипе это цепная передача. Поскольку вышеупомянутые звенья имеют массы, следовательно, на каждом цикле разгона-торможения происходит непроизводительная трата энергии и на ускорения этих звеньев, что также снижает КПД всего устройства.

Кроме того, двухкривошипные рычажные механизмы при большой разнице передаточных отношений в различных своих положениях требуют больших углов давления в кинематических парах, что приводит также к уменьшению КПД всего механизма.

Также к недостаткам изобретения прототипа следует отнести отсутствие возможности изменения передаточной функции в механизме привода. Это приводит к тому, что скорость грунта на выходе из грунтометателя определяется только скоростью вращения входного вала привода, что снижает функциональные возможности устройства в целом, так как двигатель привода в этом случае должен иметь широкие возможности регулирования числа своих оборотов, что приводит к усложнению привода в целом.

К недостаткам изобретения прототипа следует отнести и то, что он не имеет системы изменения ориентации точек экстремумов передаточной функции в плоскости вращения ротора. Суть в том, что кинематика механизма привода такова, что ротор вращается с переменной угловой скоростью. Минимальные и максимальные значения эта скорость принимает при вполне определенных углах поворота входного кривошипа. Поэтому, положения ковшей ротора при минимальной и максимальной скорости в плоскости вращения также определенно и неизменно. Это приводит к тому, что угол, под которым осуществляется вылет грунта из устройства, а, следовательно, и дальность его полета, не может быть изменены без изменения скорости вращения вала двигателя привода непосредственно в процессе работы устройства.

Механизм грунтометателя представляет собой шестизвенник, который включает в себя двукривошипный механизм, цепную передачу, соединяющую кинематически выходной кривошип и ротор с грунтозахватами. Вследствие конструктивных особенностей цепной передачи, габариты всего устройства могут иметь значительные размеры.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение его КПД и надежности, снижение сложности, уменьшение габаритов и массы всего устройства, а также расширение функциональных возможностей грунтометателя.

Указанная цель достигается тем, что в грунтометателе, содержащем рабочий орган с грунтозахватами и привод, отличающийся тем, что привод выполнен в виде кулисного механизма, кривошип которого связан кинематически с двигателем, а рабочий орган выполнен в виде кулис кулисного механизма, вращающихся соосно относительно стойки независимо друг от друга, с каждой из которой по отдельности жестко соединены грунтозахваты.

Указанная цель достигается также тем, что грунтометатель содержит дополнительно привод поступательного движения, выходное звено которого кинематически связано с валом кривошипа кулисного механизма, который кинематически связан с двигателем посредством карданного вала;

тем, что содержит дополнительно привод вращательного движения, выходное звено которого, червячный сектор, кинематически связано со стойкой и кинематически связано с валом кривошипа кулисного механизма, который кинематически связан с двигателем посредством карданного вала;

тем, что корпус дополнительного привода поступательного движения жестко соединен с червячным сектором дополнительного привода вращательного движения, а его выходное звено кинематически связано с валом кривошипа кулисного механизма, который кинематически связан с двигателем посредством карданного вала.

Предлагаемое техническое решение существенно упрощает конструкцию, убирая часть кинематической связи в виде отдельного механизма цепной передачи и сокращения количества звеньев, движущихся с переменными скоростями. Предлагаемое техническое решение приводит к сокращению затрат энергии на привод рабочего органа, уменьшение габаритов, и, следовательно, массы устройства. Покажем это.

Вращающийся рабочий орган изобретения прототипа с грунтозахватами, представляющий собой единый ротор, который движется с переменной угловой скоростью. Согласно изобретению прототипу, за один полный оборот такой рабочий орган совершает количество циклов разгона-торможения равное числу грунтозахватов. Каждый такой цикл потребляет энергию, равную половине произведения осевого момента инерции рабочего органа на квадрат его максимальной угловой скорости, достигаемой в цикле. Допустим, что осевой момент инерции рабочего органа равен сумме осевых моментов инерции грунтозахватов, и пусть количество грунтозахватов равно n. Тогда кинетическая энергия, потребляемого ротором за один цикл разгона-торможения будет определяться следующим образом:

где J_p - осевой момент инерции рабочего органа; n - число грунтозахватов; J_з - осевой момент инерции одного грунтозахвата; Т_рц - кинетическая энергия рабочего органа, которую он приобретает за цикл разгона-торможения; ω - угловая скорость рабочего органа.

Так как количество циклов разгона-торможения за один оборот ротора будет равно количеству грунтозахватов, то за один оборот ротору потребуется энергии.

В заявляемом техническом решении за один оборот рабочего органа каждый грунтозахват также, как и в прототипе, участвует один раз в метании грунта. Однако при этом он совершает всего один цикл разгона торможения. Поэтому, при равенстве осевых моментов инерции грунтозахватов в прототипе и в предлагаемом техническом решении, количество энергии, потребляемое рабочим органом за один оборот будет равно:

Отсюда легко показать, что отношение U энергий, затраченных на привод рабочего органа в предлагаемом устройстве и в устройстве прототипе, отличаются в n раз:

Как говорилось выше, выходное звено двукривошипного механизма и его шатун, а также звенья передаточного механизма в устройстве прототипе движутся также переменно, по такому же циклу разгона-торможения, что и рабочий орган. Поэтому дополнительные потери энергии составят величину пропорциональную количеству грунтозахватов на роторе и массам и моментам инерции звеньев. В заявляемом техническом решении эти звенья отсутствуют, Поэтому и затраты энергии на их разгон отсутствуют, что также приводит к повышению КПД всего устройства. Так как количество звеньев в механизме уменьшилось, снизилась сложность устройства в целом, что влечет за собой также и уменьшение габаритов и массы всего устройства.

Таким образом, цели изобретения - повышение КПД устройства, снижения его сложности, габаритов и массы достигнута.

Кроме того, при числе грунтозахватов в устройстве больше единицы, угловое ускорение вращательного движения каждой из кулис рабочего органа предлагаемого устройства меньше углового ускорения метателя в устройстве прототипе. Из законов динамики вращательного движения следует, что суммарный момент сил, необходимый для привода составного ротора в предлагаемом устройстве будет меньше, чем момент сил, необходимый для привода метателя в устройстве-прототипе. Что приводит к снижению требований прочности к деталям метателя, что приводит к повышению надежности устройства в целом.

Таким образом, цель изобретения - повышение КПД устройства достигнута.

Далее, использование для привода грунтометателя кулисного механизма также имеет свои преимущества по сравнению с приводом, куда входит двухкривошипный механизм. Суть этих преимуществ заключается в том, что для двухкривошипных механизмов получить большой коэффициент изменения средней скорости при удовлетворительном КПД сложно. Кулисные же механизмы, предлагаемые для использования в приводе метателя, имеют значительно меньшие углы давления. А известная из уровня техники замена сферической или цилиндрической кинематической пары кинематическим соединением - роликом или камнем, существенно повышает КПД устройства и его надежность в целом по сравнению с изобретением прототипом.

Использование дополнительного привода поступательного движения позволяет изменять расстояние между валом кривошипа кулисного механизма и осью вращения кулис, что приводит к изменению величины передаточного отношения между кривошипом и кулисами. Это обеспечивает изменение скорости захвата и скорости метания грунта за счет изменения геометрии механизма. Увеличение расстояния между валом кривошипа кулисного механизма и осью вращения кулис приводит к уменьшению скорости грунтозахвата при захвате грунта, и увеличению максимальной скорости грунтозахвата, и наоборот. Это позволяет подобрать наиболее подходящее межцентровое расстояние для того или иного типа грунта.

Использование дополнительного привода вращательного движения, выходное звено которого в виде червячного сектора, образующего одновременно кинематические пары со стойкой и с валом кривошипа кулисного механизма, позволяет изменять расположение оси вращения вала кривошипа в плоскости вращения кулис с грунтозахватами. Вследствие этого, крайние положения кулисного механизма и грунтозахватов, соответственно, изменяются. Поэтому изменяется положение точек в плоскости вращения рабочего органа, в которых грунтозахваты приобретают максимальные и минимальные скорости. Это позволяет производить регулировку направления скорости движения грунта при отрыве его от грунтозахватов, что отсутствует у изобретения прототипа.

Таким образом, цель расширения функциональности изобретения достигнута.

В итоге заявляемое устройство отвечает требованию новизны и изобретательского уровня, поскольку совокупность отличительных и ограничительных признаков не встречается в уровне техники, и с очевидностью не следует из уровня техники, т.е. отвечает критерию новизны и изобретательского уровня.

Описание изобретения поясняется рисунками, на которых изображены:

- на фиг. 1 изображен во фронтальной плоскости вариант принципиальной структурной схемы грунтометателя с рабочим органом в виде одной вращающейся кулисы. В целях удобства чтения схемы, грунтозахваты, жестко закрепленные на кулисе, развернуты в плоскость рисунка;

- на фиг. 2 изображен в профильной плоскости вариант принципиальной структурной схемы грунтометателя с рабочим органом в виде одной вращающейся кулисы;

- на фиг. 3. изображена во фронтальной плоскости принципиальная структурная схема грунтометателя с рабочим органом в виде двух независимо вращающихся кулис с двумя грунтозахватами;

- на фиг. 4 изображен в профильной плоскости вариант принципиальной структурной схемы грунтометателя с рабочим органом в виде двух независимо вращающихся кулис;

- на фиг. 5 изображен во фронтальной плоскости вариант принципиальной структурной схемы грунтометателя с рабочим органом в виде трех независимо вращающихся кулис с роликами, с тремя жестко закрепленными на них грунтозахватами;

- на фиг. 6 изображен во фронтальной плоскости вариант принципиальной структурной схемы грунтометателя с рабочим органом в виде трех независимо вращающихся кулис с камнями, с тремя жестко закрепленными на них грунтозахватами;

- на фиг. 7 изображена в профильной плоскости принципиальная структурная схема грунтометателя с дополнительным приводом поступательного движения;

- на фиг. 8 изображена в профильной плоскости принципиальная структурная схема грунтометателя с дополнительным приводом вращательного движения;

- на фиг. 9 изображена в профильной плоскости принципиальная структурная схема грунтометателя с дополнительным приводом вращательного движения;

- на фиг. 10 изображена плоскости принципиальная структурная схема грунтометателя с дополнительным приводом вращательного движения и дополнительным приводом поступательного движения.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 1) стойку, которая образует кинематическую пару А с кривошипом 1, сферический палец 2 которого образует кинематическую пару В с вращающейся кулисой 3, которая жестко соединена с грунтозахватом 4, и которая образует кинематическую пару С со стойкой.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 2) двигатель 5, соединенный с валом 6 кривошипа 1, образующим кинематическую пару А со стойкой, с помощью муфты 6, сферический палец 2 кривошипа 1, образующий кинематическую пару В с кулисой 3, с которой жестко соединен грунтозахват 4, и которая образует кинематическую пару С со стойкой.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 3) стойку, которая образует кинематическую пару А с кривошипом 1, сферические пальцы 2 которого образуют кинематические пары В с кулисами 3, с закрепленными на них жестко грунтозахватами 4, и которые образует кинематические пары С и С со стойкой.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 4) двигатель 5, соединенный с валом 6 кривошипа 1, образующим кинематическую пару А со стойкой, с помощью муфты 6, два сферических пальцы 2 кривошипа 1, образующих кинематические пары В с двумя кулисами 3, с которыми жестко соединены грунтозахваты 4, и которые образуют кинематические пар С и С со стойкой.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 5) стойку, которая образует кинематическую пару А с кривошипом 1, который кинематически связан с тремя независимо вращающимися кулисами 3 посредством кинематических соединений В - роликов 8, и которые образуют кинематические пары С, С и С" со стойкой.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 6) стойку, которая образует кинематическую пару А с кривошипом 1, который кинематически связан с тремя независимо вращающимися кулисами 3 посредством кинематических соединений В - камней 8, и которые образуют кинематические пары С, С' и С'' со стойкой.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 7) двигатель 5, соединенный с валом 6 кривошипа 1 с помощью кардана 9 и муфты 7, два сферических пальца 2 которого образуют кинематические пары В с двумя независимо вращающимися кулисами 3, на которых жестко закреплены грунтозахваты 4, вал 6 кривошипа 1 образует кинематическую пару А со звеном 10, которое образует кинематическую пару D со стойкой и кинематическую пару G со звеном 11, которое образует кинематическую пару с выходным звено дополнительного привода поступательного движения 13.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 8, фиг. 9) двигатель 5, соединенный с валом 6 кривошипа 1 с помощью кардана 9 и муфты 7, два сферических пальца 2 которого образуют кинематические пары В с двумя независимо вращающимися кулисами 3, на которых жестко закреплены грунтозахваты 4, червячный сектор 14 образует кинематическую пару А с валом 6 кривошипа 1, кинематическую пару N со стойкой и зацепление с червяком 15, кинематически соединенным с дополнительным двигателем 16, причем оси вращения кулис 3 и ось червячного сектора соосны.

Грунтометатель включает в себя (фиг. 10) двигатель 5, соединенный с валом 6 кривошипа 1 с помощью кардана 9 и муфты 7, два сферических пальца 2 которого образуют кинематические пары В с двумя независимо вращающимися кулисами 3, на которых жестко закреплены грунтозахваты 4, вал 6 кривошипа 1 образует кинематическую пару А со звеном 10, которое образует кинематическую пару D с червячным сектором 14 и кинематическую пару G со звеном 11, которое образует кинематическую пару с выходным звено дополнительного привода поступательного движения 13, корпус которого жестко связан с червячным сектором 14, образующим зацепление с червяком 15, который кинематически связан с выходным валом дополнительного двигателя 16.

Устройство работает следующим образом. Равномерное вращательное движение (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5, фиг. 6) от входного звена 1 передается посредством кинематических пар В на пальцы 2 (фиг. 1, фиг. 3) или на кинематические соединения 2 - ролики (фиг. 5) или камни (фиг. 6), которые посредством кинематических пар В передают движение на независимо друг от друга вращающиеся кулисы 3, которые в результате совершают неравномерное вращательное движение относительно неподвижной оси кинематических пар С, совершают неравномерное движение и поочередный захват, ускорение и метание грунта. Так как кулисы 3 вращаются относительно стойки независимо, то движение каждой из них описывается своими функциями. Но так как привод их осуществляется от одного кривошипа 1, функции эти будут отличаться друг от друга только фазой. В процессе своего вращения грунтозахваты 4 захватывают покоящийся грунт, сообщают грунту ускорение. В тот момент, когда угловое ускорение кулис 3 и грунтозахватов 4 равно нулю, скорость вращения кулис 3 и грунтозахватов 4 приобретает максимальное значение. После того, как угловое ускорение кулис 3 и грунтозахватов 4 станет отрицательным, то, благодаря явлению инерции, грунт будет сохранять свою скорость, а скорость движения кулис 3 и грунтозахватов 4 будет уменьшаться, т. е. грунт далее движется самостоятельно, с той начальной скоростью, которую ему сообщили грунтозахваты 4.

Устройство работает также следующим образом. Равномерное вращательное движение от двигателя 5 (фиг. 2, фиг. 4) передается посредством муфты 7 на вал 6 и жестко соединенный с ним кривошип 1. Движение кривошипа 1 посредством сферических пальцев 2 передается независимо вращающимся кулисам 3, которые совершают неравномерное движение и поочередный захват, ускорение и метание грунта. Когда их скорости вращения принимают нижние значения, грунтозахваты захватывают грунт, сообщают грунту ускорение и необходимую скорость движения. После того, как угловое ускорение кулис 3 и грунтозахватов станет отрицательным, то, благодаря явлению инерции, грунт будет сохранять свою скорость, а скорость движения кулис 3 и грунтозахватов 4 будет уменьшаться, т.е. грунт далее движется самостоятельно, с той начальной скоростью, которую ему сообщили грунтозахваты 4.

Устройство работает также следующим образом. Движение от двигателя 5 (фиг. 7) передается карданном валом 9, валу 6 кривошипа 1, пальцы 2 которого передают вращение кулисам 3, которые вращаются независимо друг от друга относительно стойки относительно одной оси, осуществляя поочередный захват, ускорение и метание грунта. Для того, чтобы изменить расстояние между осями вращения кулис 3 и вала 6 кривошипа 1 приводится в действие дополнительный привод поступательного движения 13, выходное звено 12 которого смещает поступательно в необходимую сторону вал 6 кривошипа 1 посредством кинематической цепи, состоящей из звеньев 11 и 10, соединенных между собой кинематическими парами Q, G, D и А.

Устройство работает также следующим образом. Движение от двигателя 5 (фиг. 8, фиг. 9) передается карданном валом 9, валу 6 кривошипа 1, пальцы 2 которого передают вращение кулисам 3, которые вращаются независимо друг от друга относительно стойки относительно одной оси, осуществляя поочередный захват, ускорение и метание грунта. Для того, чтобы изменить ориентацию межосевого расстояния между осью вращения вала 6 кривошипа 1 и осью вращения кулис 3, приводим во вращение дополнительный двигатель 16, который вращает червяк 15. Червяк 15 вращает червячный сектор 14, который поворачиваясь относительно стойки, перемещает по дуге кинематическую пару А, и вместе с ней и вал 6 кривошипа 1. В результате ориентация межосевого расстояния между осью вращения вала 6 кривошипа 1 и осью вращения кулис 3 изменяется.

Устройство работает также следующим образом. Движение от двигателя 5 (фиг. 10) передается карданном валом 9, валу 6 кривошипа 1, пальцы 2 которого передают вращение кулисам 3, которые вращаются независимо друг от друга относительно стойки относительно одной оси, осуществляя поочередный захват, ускорение и метание грунта. Изменение расстояния между осями вращения кулис 3 и вала 6 кривошипа 1 осуществляется включением в действие дополнительного привода поступательного движения 13, выходное звено 12 которого смещает поступательно в необходимую сторону вал 6 кривошипа 1 посредством кинематической цепи, состоящей из звеньев 11 и 10, соединенных между собой кинематическими парами Q, G, D и А. Изменение ориентации расстояния между осями вращения кулис 3 и вала 6 кривошипа 1 осуществляется включением дополнительного двигателя 16, который приводит в движение червяк 15, червяк 15 вращает червячный сектор 14 относительно стойки, вместе с которым вращается жестко закрепленный с ним корпус дополнительного привода поступательного движения 13 с выходным звеном 12 и кинематическая цепь, состоящая из звена 11 и звена 10, связанного кинематической парой D с червячным сектором 14 и кинематической парой А с валом 6 кривошипа 1. В результате, ось вращения вала 6 перемещается по дуге окружности с центром на оси вращения пары N.

Изобретение относится к машинам для тушения низовых лесных пожаров. Технический результат – повышение коэффициента полезного действия и надежности, снижение сложности, уменьшение габаритов и массы устройства, расширение функциональных возможностей. Грунтометатель содержит рабочий орган с грунтозахватами и привод. Привод выполнен в виде кулисного механизма, кривошип которого связан кинематически с двигателем. Рабочий орган выполнен в виде кулис кулисного механизма, вращающихся соосно относительно стойки независимо друг от друга, с каждой из которых по отдельности жестко соединены грунтозахваты. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Грунтометатель, содержащий рабочий орган с грунтозахватами и привод, отличающийся тем, что привод выполнен в виде кулисного механизма, кривошип которого связан кинематически с двигателем, а рабочий орган выполнен в виде кулис кулисного механизма, вращающихся соосно относительно стойки независимо друг от друга, с каждой из которых по отдельности жестко соединены грунтозахваты.

2. Грунтометатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит привод поступательного движения, выходное звено которого кинематически связано с валом кривошипа кулисного механизма, который кинематически связан с двигателем посредством карданного вала.

3. Грунтометатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит привод вращательного движения, выходное звено которого, червячный сектор, кинематически связано со стойкой и кинематически связано с валом кривошипа кулисного механизма, который кинематически связан с двигателем посредством карданного вала.

4. Грунтометатель по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что корпус дополнительного привода поступательного движения жестко соединен с червячным сектором дополнительного привода вращательного движения, а его выходное звено кинематически связано с валом кривошипа кулисного механизма, который кинематически связан с двигателем посредством карданного вала.