Регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана

 

Регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, может быть использован в космической технике для регулирования натяжения выпускаемого троса, а также в текстильной, бумажной и других отраслях. Регулятор 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. Тормозная колодка подпружинена и взаимодействует с ободом барабана. Усилие поджатия пружины равно , где Р - усилие поджатия пружины; N_* - заданное натяжение гибкого элемента; a - длина плеча коромысла с роликом; b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана; R_o - радиус обода барабана; k_{o min} - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и ободом барабана; ε - допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения гибкого элемента. Данный регулятор натяжения гибкого элемента позволяет обеспечить точное регулирование силы натяжения. 1 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 N2256882 (МПК B 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. Недостатками этого устройства являются излишняя сложность и необходимость электропитания.

Известен регулятор постоянного натяжения гибкого продукта по заявке N 2308717 Франции (МПК B 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 B 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 B 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.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является регулятор натяжения гибкого элемента, сматываемого с барабана, по патенту США N 3520485, МПК B 65 H 77/00, 14.07.1970, 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, недостаточная надежность и точность регулирования силы натяжения.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи обеспечения регулирования относительно малой 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 точного регулирования силы натяжения.

Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства тормозная колодка подпружинена и взаимодействует с ободом барабана, при этом усилие поджатия пружины равно , где P - усилие поджатия пружины; N_* - заданное натяжение гибкого элемента; a - длина плеча коромысла с роликом; b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой, а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана; R_о - радиус обода барабана;
k_{o min} - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и ободом барабана;
ε - допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения гибкого элемента.

На чертеже представлена схема предлагаемого регулятора, в состав которого входят: гибкий элемент 1, барабан 2, коромысло 3, шарнирная опора 4, ролики 5 и 6, тормозная колодка 7, пружина 8. 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, тормозная колодка 7 установлена на другом конце коромысла 3, подпружинена поджатой пружиной 8 и взаимодействует с ободом барабана 2. 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, поджатая пружиной 8, трется об обод барабана 2 и создает на нем 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 ободу барабана 2, вследствие чего тормозной момент и, соответственно, натяжение гибкого элемента 1 уменьшаются. Таким образом реализуется обратная связь в схеме регулирования натяжения гибкого элемента 1, сматываемого с барабана 2.

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 трения, создаваемым на ободе барабана 2 тормозной колодкой 7, прижатой пружиной 8. 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;
k_о - коэффициент трения скольжения тормозной колодки 7 об обод барабана 2.

Из уравнения (3) 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_о 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 (4) 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 (6) должно выполняться на протяжении всего процесса смотки гибкого элемента 1, то есть должно охватывать полные диапазоны возможного изменения величин r и k_о. В самом критическом случае условие (6) должно выполняться для максимальной величины радиуса смотки r=r_max и минимального ожидаемого значения коэффициента трения скольжения k_о=k_{о min}. Таким образом, условие (6) 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 (2) можно, например, сделать плечо коромысла 3 со стороны ролика 5 существенно длиннее его плеча со стороны тормозной колодки 7 (a >> b). При выполнении условия (2) формулу (4) можно записать в приближенном виде

Согласно формуле (7) натяжение сматываемого гибкого элемента 1 пропорционально усилию поджатия пружины 8, причем коэффициент пропорциональности определяется соотношением длин плеч коромысла 3.

При условии a >> b, обеспечивающем малую погрешность регулирования, сила натяжения гибкого элемента 1 будет намного меньше усилия поджатия пружины 8. Это обстоятельство позволяет осуществлять достаточно точное регулирование натяжения гибкого элемента 1 при его относительно малой заданной величине. Такое регулирование может потребоваться, например, при выпуске троса связки двух космических аппаратов в процессе ее развертывания на орбите, особенно в тех случаях, когда массы аппаратов и/или длина соединяющего их троса малы и, соответственно, гравитационно-центробежные силы действуют на связку очень слабо. Кроме того, необходимость такого регулирования может иметь место при перемотке тонких волокон и нитей, имеющих очень низкую прочность на разрыв.

Из формулы (7) выводится формула (1), определяющая усилие поджатия пружины P, необходимое для обеспечения регулирования натяжения гибкого элемента 1 на заданном уровне N_*. Изменением длин плеч коромысла 3 и/или усилия поджатия пружины 8 можно устанавливать заданный уровень регулирования натяжения сматываемого гибкого элемента 1. При этом заданная точность регулирования будет обеспечиваться выполнением условия (2). Таким образом, предлагаемый регулятор при надлежащем выборе его параметров позволяет обеспечить регулирование натяжения сматываемого гибкого элемента 1 на заданном уровне, определяемом формулой (1), с допустимой достаточно малой погрешностью, определяемой формулой (2).

Формула изобретения

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 тормозная колодка подпружинено и взаимодействует с ободом барабана, при этом усилие поджатия пружины равно

где P - усилие поджатия пружины;
N_* - заданное натяжение гибкого элемента;
a - длина плеча коромысла с роликом;
b - длина плеча коромысла с тормозной колодкой,
а соотношение основных размеров регулятора соответствует условию

где r_max - максимальная величина радиуса смотки гибкого элемента с барабана;
R_о - радиус обода барабана;
k_{o min} - минимальная величина коэффициента трения скольжения между тормозной колодкой и ободом барабана;
ε - допускаемая относительная погрешность регулирования натяжения гибкого элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1