Страховочное устройство (варианты) - RU2758428C1

Чертежи

Описание

Настоящая группа изобретение относится к устройствам для обеспечения безопасности тренировочного процесса верхолазов - спортсменов и промышленных альпинистов.

Предназначено для применения на скалодромах, а также в реальных условиях для защиты скалолазов (спортсменов) от падения с высоты. Основное назначение — страховка от падения скалолаза (спортсмена) в процессе самостоятельной тренировки. Это электромеханическое устройство с питанием от сети или аккумуляторов позволяет проводить тренировки индивидуально (без страхующего помощника). Возможны исполнения для крепления на полу, платформе, стене, несущих конструкциях скалодрома, а также с установкой внизу или наверху маршрута.

В настоящее время безопасность спортсмена обеспечивается напарником (страхующим) контролирующим работу страховочного оборудования. Как правило, страховочное оборудование состоит из страховочной веревки, одним концом закрепленной на обвязке тренирующегося и проходящей через закрепленные на стене блоки или карабины, второй конец веревки удерживается страхующим. Страхующий, в процессе подъема спортсмена, выбирает слабину веревки, исключая образование провисаний и петель, и таким образом защищает спортсмена от падения на землю с большой высоты. Если спортсмену нужно совершить какой-то маневр, требующий спуска по стене, то страхующий выдает веревку, позволяя спортсмену спустится самостоятельно. При падении спортсмена страхующий удерживает веревку (самостоятельно или с помощью тормозного устройства), регулируя скорость спуска спортсмена на землю.

Известны верхняя и нижняя схема страховки. Отличающиеся способом фиксации страховочной веревки на маршруте. При использовании верхней страховки веревка выпускается сверху либо напарником, находящимся над верхолазом, либо напарником, находящимся на земле и выдающим веревку, проведенную через блок, находящийся на верхнем конце маршрута, а затем спускающуюся к верхолазу. При использовании нижней страховки веревка проходит снизу (от страхующего) вверх (к спортсмену) через карабины, закрепленные на стене ниже спортсмена. В обоих случаях верхолаз защищен от последствий падения своим напарником, удерживающим веревку. Если верхолаз падает, то, независимо от того, выдается ли ему веревка сверху (при лазании с верхней страховкой) или снизу (при лазании с нижней страховкой), его безопасность определяется внимательностью и квалификацией страхующего его напарника.

Описанный метод страховки, который применяется как при лазании на открытом воздухе, так и при лазании в помещениях, означает, что верхолазы должны заниматься спортом вместе с напарником.

Трудности, связанные с поиском напарника для страховки при лазании, привели к созданию самостраховочных устройств. Обычно эти устройства выполняются на основе пружин, так что не требуют подключения к источнику питания. Подобные устройства используют вместо веревки ленту, способную нести нагрузку. Лента наматывается на центральный барабан подпружиненной инерционной катушки. Пружина всегда стремится втянуть ленту в катушку, так что если лента не нагружена, она всегда будет полностью смотана внутрь устройства. Обычно катушку закрепляют на верхнем конце маршрута, а конец размотанной ленты фиксируют на полу, у начала маршрута. Верхолаз, подходя к началу маршрута, отцепляет ленту от закрепленного в полу кольца. Он защелкивает карабин, имеющийся на конце ленты, на поясе, входящем в его обвязку, и может начинать подъем. По мере подъема верхолаза происходит втягивание ленты посредством пружины. Если верхолаз срывается, тормозное устройство, имеющееся внутри катушки, медленно спускает его на землю.

Известные самостраховочные устройства, как правило, построены по описанному принципу. Данные устройства, использующие фрикционные тормозные диски, являются эффективными в отношении обеспечения безопасности. Однако, как правило, они пригодны только для верхолазов с массой в интервале 50-120 кг и обычно имеют ограничения по высоте маршрута, в пределах которой они способны эффективно функционировать. Обычно предел высоты для подобных устройств составляет 12 м, однако стены, предназначенные для лазанья, все чаще имеют высоту 20 м и более. Другим потенциальным недостатком известных устройств является то, что они требуют частых проверок и обслуживания, обычно через каждые 6 месяцев.

Основным недостатком подобных устройств является увеличение силы втягивания ленты, в зависимости от вытянутой длины, ограниченная длина страховочной ленты (как правило, не более 12м). Также в подобных устройствах скорость спуска зависит от веса спортсмена.

Современное скалолазание достаточно динамичный вид спорта — скорость подъема спортсмена может достигать 3...5 м/с, при этом страховочная система не должна оставлять провисаний и петель, т. е. эффективно выбирать слабину веревки для защиты спортсмена от динамического рывка при падении, но при этом не должно создаваться излишних усилий, «помогающих» спортсмену подниматься вверх. Одновременно с этим условием требуется обеспечить безопасную, т. е. небольшую скорость спуска — 1...2 м/с, причем скорость спуска не должна увеличиваться при неисправностях системы или ошибочных действиях пользователей и не должна зависеть от веса страхуемого.

Можно выделить основное техническое противоречие при создании подобных устройств — должна быть обеспечена высокая скорость подъема (до 3...6 м/с) с низким усилием на страховочной веревке и низкая скорость спуска (1..2 м/с), не зависящая от усилия на страховочной веревке.

Известно устройство в виде электрической лебедки, у которой имеется управляющий механизм, регулирующий натяжение веревки в процессе подъема верхолаза по маршруту. Однако управляющий механизм данного устройства обладает рядом недостатков. В частности, в случае выхода механизма управления из строя может возникнуть опасная ситуация, когда веревка непрерывно выдается с барабана. Кроме того, управляющий механизм, предложенный в данном решении, не может различить ситуации, когда верхолаз срывается и когда веревка, используемая при лазании, натянута по другим причинам, например, когда верхолаз требует наличия у веревки некоторой "слабины", чтобы совершить какой-то маневр на стене, по которой он поднимается (см. патент FR 2727026, МПК A63B29/04, 1996 г.).

Известно страховочное устройство, содержащее катушку, связанную с приводом; веревку для лазанья, одним концом прикрепленную к катушке и, при использовании устройства, прикрепленную к верхолазу на участке вблизи своего дистального конца. Устройство снабжено управляющим механизмом, содержащим средство восприятия нагрузки и электронную систему управления и диагностики. Управляющий механизм выполнен с возможностью управления указанной катушкой при осуществлении первого режима в методе лазанья, при котором катушка в процессе использования устройства обеспечивает устранение слабины веревки на ее отрезке между верхолазом и катушкой. Средство восприятия нагрузки выполнено с возможностью обнаруживать приложение веса верхолаза к веревке и переключать катушку на второй режим, соответствующий падению или спуску верхолаза. Во втором режиме катушка останавливается, а верхолаз зависает на веревке. Электронная система управления и диагностики выполнена с возможностью отслеживать функционирование указанной катушки и управляющего механизма и, при обнаружении неисправности, переключать катушку в третий, соответствующий наличию неисправности, режим, в котором катушка останавливается при выявлении несоответствия в функционировании катушки и/или управляющего механизма (см. патент РФ №2396998, МПК A63B 69/00 (2006.01), 2010 г.).

В данном аналоге практически все функции, обеспечивающие безопасность, реализуются с помощью программируемой системы управления, что и является основным недостатком, т. к. возможно очень много вариантов неисправности электронных программируемых систем, которые могут привести к плохо предсказуемым вариантам поведения всего страховочного устройства. В том числе возможны неконтролируемое разматывание электроприводом веревки, недопустимое увеличение скорости спуска спортсмена, а также возможность увеличения усилия подъема, до уровня превышающего вес спортсмена, что может также привести к травмам страхуемого, т. к. применяется один привод с трансмиссией как на подъем, так и на спуск.

Известно страховочное устройство, содержащее барабан, связанный с приводом, включающим электродвигатель и механизм передачи вращения; веревку для лазанья, одним концом прикрепленную к барабану и вторым свободным концом, при использовании устройства, прикрепленную к верхолазу; тормозным устройством, связанным с барабаном через обгонную муфту (см. заявку WO9516496A1, МПК-7 A63B69/00), A62B1/12, 1995 г.). Данное решение принято за прототип для всех вариантов изобретения.

Недостатком данного устройства является необходимость достаточно точной настройки тормозного устройства плавного спуска, для обеспечения требуемой скорости спуска (как и в других чисто механических страховочных устройствах), а также зависимость скорости спуска от веса страхуемого. Также в некоторых исполнениях возможно ограничение скорости намотки страховочной веревки из-за действия тормозного механизма.

Технической проблемой, на решение которой направлена группа изобретений, является создание страховочных устройств, повышающих безопасность лазания без помощи со стороны напарника, осуществляющего страховку, а также стабилизацию скорости спуска — независимо от веса спортсмена, снижение числа необходимых регулировок и настроек.

Можно выделить основное техническое противоречие при создании подобных устройств — должна быть обеспечена высокая скорость подъема (до 3...6 м/с) с низким усилием на страховочной веревке и низкая скорость спуска (1..2 м/с), не зависящая от усилия на страховочной веревке.

Поставленная техническая проблема по варианту I решается за счет того, что в известном страховочном устройстве, содержащем барабан, связанный с электродвигателем; веревку для лазанья, одним концом прикрепленную к барабану и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикрепленную к верхолазу; тормозное устройство, связанное с барабаном через обгонную муфту, согласно изобретению, тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым электродвигателем, причем оба электродвигателя постоянно включены.

В качестве редуктора может быть применен червячный редуктор, волновой, некоторые виды цевочных и другие.

Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении безопасности индивидуального тренировочного процесса, а также стабилизации скорости спуска — независимо от веса спортсмена, снижение числа необходимых регулировок и настроек.

Использование устройства, в котором тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым электродвигателем, и оба электродвигателя постоянно включены позволяет обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса и стабилизировать скорость спуска для спортсменов с разным весом.

Использование редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым постоянно включенным электродвигателем, позволяет ограничивать частоту вращения барабана при передаче крутящего момента от барабана к редуктору, который возникает при падении или спуске спортсмена, что предотвращает падение спортсмена, вне зависимости от веса спортсмена и обеспечивает повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Использование двух постоянно работающих двигателей с подобранными характеристиками позволяет обеспечить повышение безопасности индивидуального тренировочного процесса.

Поставленная техническая проблема по варианту II решается за счет того, что страховочное устройство содержащее барабан, связанный с электродвигателем; веревку для лазанья, одним концом прикрепленную к барабану и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикрепленную к верхолазу; тормозным устройством, связанным с барабаном через обгонную муфту, согласно изобретению, тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым электродвигателем, устройство снабжено блоком управления двигателями, включающим средство восприятия нагрузки на веревке.

Средство восприятия нагрузки выполнено в виде датчика положения подпружиненного маятника, соединенного с веревкой.

В качестве редуктора может быть применен червячный редуктор, волновой, некоторые виды цевочных и другие.

Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении безопасности индивидуального тренировочного процесса, а также стабилизации скорости спуска — независимо от веса спортсмена, снижение числа необходимых регулировок и настроек.

Использование страховочного устройства, в котором тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым электродвигателем, и снабженное блоком управления двигателями, включающим средство восприятия нагрузки на веревке, позволяет обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Использование редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым электродвигателем, позволяет ограничивать частоту вращения барабана при передаче крутящего момента от барабана к редуктору, который возникает при падении или спуске спортсмена, что предотвращает падение спортсмена, вне зависимости от веса спортсмена и обеспечивает повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Наличие блока управления двигателями, включающего средство восприятия нагрузки на веревке, позволяет надежно и просто осуществлять управление двигателями, что обеспечивает быстрое реагирование на изменяющееся усилие на веревке и повышает безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Поставленная техническая проблема по варианту III решается за счет того, что страховочное устройство содержащее барабан, связанный с электродвигателем; веревку для лазанья, одним концом прикрепленную к барабану и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикрепленную к верхолазу; тормозным устройством, связанным с валом барабана через обгонную муфту, согласно изобретению, тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости; электродвигатель соединен с валом барабана через обгонную муфту, а с редуктором через дополнительные элементы трансмиссии; устройство снабжено блоком управления, включающим средство восприятия нагрузки на веревке.

Средство восприятия нагрузки выполнено в виде датчика положения подпружиненного маятника, соединенного с веревкой.

В качестве редуктора может быть применен червячный редуктор, волновой, некоторые виды цевочных и другие.

Дополнительные элементы трансмиссии могут быть соединены с редуктором через обгонную муфту.

Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении безопасности индивидуального тренировочного процесса, а также стабилизации скорости спуска — независимо от веса спортсмена, снижение числа необходимых регулировок и настроек.

Использование страховочного устройства, в котором тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости, управление барабаном осуществляется одним двигателем, соединенным с валом барабана через обгонную муфту, а с редуктором через дополнительные элементы трансмиссии, причем устройство снабжено блоком управления, включающим средство восприятия нагрузки на веревке, позволяет обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Использование редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного с электродвигателем через элементы трансмиссии, позволяет ограничивать частоту вращения барабана при передаче крутящего момента от барабана к редуктору, который возникает при падении или спуске спортсмена, что предотвращает падение спортсмена, вне зависимости от веса спортсмена и обеспечивает повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Наличие блока управления двигателем, включающего средство восприятия нагрузки на веревке, позволяет надежно и просто осуществлять управление двигателями, что обеспечивает быстрое реагирование на изменяющееся усилие на веревке и повышает безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Использование единственного электродвигателя, соединенного с валом барабана через обгонную муфту, а с редуктором через элементы трансмиссии, и управляемого блоком управления, позволяет обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Фиг.1 - принципиальная схема страховки;

Фиг.2 - страховочное устройство вар.1;

Фиг.3 - страховочное устройство вар.2;

Фиг.4 - страховочное устройство вар.3;

Фиг.5 - компоновка страховочного устройства по вар.2.

Принципиальная схема страховки с применением страховочного устройства показана на фиг.1 и включает веревку 1 страховочного устройства, которая поднимается к блоку (карабину) 2, расположенному в максимально высокой точке, и спускается вниз, где закрепляется на страховочной обвязке верхолаза 3 (это схема обычной верхней страховки). Само страховочное устройство закреплено на полу. Возможно применение с нижней страховкой. Также страховочное устройство может быть установлено в верхней части маршрута или может встраиваться в конструкции скалодромов.

Во всех заявляемых вариантах общим является то, что тормозное устройство выполнено в виде редуктора 4, обладающего свойством необратимости (т. е. невозможности передачи крутящего момента с выходного вала на входной) и приводящегося от двигателя, так, чтобы выходной вал редуктора 4 вращался в сторону разматывания веревки с барабана 5. В качестве редуктора 4 может быть применен червячный редуктор, волновой, некоторые виды цевочных и другие.

Выходной вал редуктора 4 соединен с барабаном 5 через обгонную муфту 6 таким образом, что обгонная муфта 6 позволяет свободно вращаться барабану 5 относительно выходного вала редуктора 4 только в сторону наматывания страховочной веревки.

Вращение барабана 5 в сторону разматывания страховочной веревки возможно только при приложении к веревке внешних сил, направленных в сторону её разматывания с барабана 5 (при спуске или падении спортсмена). При этом максимальная скорость вращения барабана 5 ограничена скоростью вращения выходного вала редуктора 4 из-за обгонной муфты 6, установленной так, чтобы передавать крутящий момент с барабана, возникший под действием внешних сил, приложенных к веревке 1, на выходной вал редуктора 4 только при вращении барабана в сторону разматывания веревки. При этом крутящий момент не передается (по кинематической схеме) дальше редуктора 4 из-за свойства необратимости применяемого редуктора. Таким образом, редуктор выполняет функцию тормоза. Чтобы веревка 1, даже под действием внешних сил, разматывалась с намоточного барабана требуется вращать входной вал редуктора так, чтобы выходной вал вращался в сторону разматывания веревки, тогда барабан 5 будет вращаться со скоростью выходного вала редуктора. Причем скорость вращения выходного вала редуктора 4 не может быть заметно увеличена при прикладывании дополнительных усилий к страховочной веревке, закрепленной на намоточном барабане, из-за свойства необратимости применяемого редуктора.

Подбирая коэффициент передачи редуктора 4 и элементов трансмиссии между двигателем и редуктором, можно добиться безопасной скорости спуска даже при максимальной частоте вращения двигателя.

Страховочное устройство по варианту I содержит барабан 5, связанный с электродвигателем 8. Веревка 1 для лазанья одним концом прикреплена к барабану 5 и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикреплена к верхолазу. С барабаном 5 через обгонную муфту 6, соединено тормозное устройство, выполненное в виде редуктора 4, обладающего свойством необратимости. Входной вал редуктора 4 соединен со вторым электродвигателем 7, причем оба электродвигателя 7, 8 постоянно включены.

По варианту 1 в процессе работы оба двигателя включены постоянно. Двигатель 7 включен так, чтобы выходной вал редуктора 4 вращался в сторону разматывания веревки с барабана 5, а двигатель 8 включен так, чтобы барабан 5 вращался в сторону наматывания страховочной веревки.

Параметры двигателей 7, 8 (частота вращения и крутящий момент) выбираются из расчета максимальной скорости наматывания веревки на барабан (3...6 м/с), что определяется безопасной скоростью спуска спортсмена (1...2 м/с), которая также определяется диаметром барабана и передаточным числом редуктора, используемого как тормозное устройство. Причем в результате расчета можно получить такие коэффициенты передачи, при которых параметры обоих двигателей будут одинаковыми, т. е. можно использовать одинаковые двигатели как для привода барабана, так и для привода редуктора.

Двигатель 8 создает небольшое усилие, достаточное только для наматывания страховочной веревки 1 на барабан 5, но недостаточное для какого-либо заметного влияния на скорость подъема спортсмена. Соответственно, при подъеме спортсмена вверх, страховочная веревка 1 наматывается на барабан 5, который вращается свободно относительно выходного вала редуктора 4 спуска благодаря обгонной муфте 6. При этом между спортсменом и барабаном 5 не образуются провисания страховочной веревки 1, так как скорость вращения двигателя 8 может быть достаточно высокой, настолько, что максимальная скорость наматывания веревки 1 может значительно превышать скорость движения спортсмена. (понятно, что двигатель 8 должен быть подобран таким образом, чтобы его момент, скорость и перегрузочная способность соответствовали поставленной задаче).

Так как у каждого спортсмена своя техника и способности, скорость подъема может заметно отличаться, соответственно, двигатель 8 подбирается таким образом, чтобы крутящий момент на барабане 5 и, соответственно, сила натяжения веревки 1, не превышала некоторого минимального значения. На практике это значение определяется весом страховочной веревки 1, полностью смотанной с барабана. То есть сила натяжения должна превышать вес веревки 1 — чтобы хватило тяги намотать её на барабан — но при этом сила натяжения не должна быть слишком большой, чтобы не «помогать» спортсмену подниматься. При этом вес спортсмена не имеет никакого значения. Если спортсмен остановился (прекратил подъем), то двигатель 8, полностью намотав на барабан страховочную веревку, тоже остановится под действием силы натяжения веревки 1, но при этом будет продолжать создавать крутящий момент на барабане 5 (т. к. остается включенным и через него идет ток), поддерживая веревку 1 в натянутом состоянии. При очень быстром подъеме спортсмена двигатель 8 увеличивает обороты до тех пор, пока страховочная веревка не будет натянута и барабан остановлен силой натяжения веревки 1.

При приложении к веревке 1 усилия, превышающего силу, создаваемую двигателем 8 (при самостоятельном спуске или падении спортсмена), барабан 5 стремится вращаться в сторону разматывания, но обгонная муфта 6 блокирует свободное вращение барабана 5 в сторону разматывания, относительно выходного вала редуктора 4. Таким образом, скорость барабана 5 ограничивается скоростью выходного вала редуктора 4, вращающегося в сторону разматывания веревки 1 с барабана.

В этот момент вал двигателя 8 начинает вращаться в обратную сторону, поскольку он постоянно связан с валом барабана 5, который под воздействием силы натяжения страховочной веревки вращается в сторону разматывания веревки. При этом его частота вращения барабана 5 будет ограничена частотой вращения выходного вала редуктора 4. Но крутящий момент, создаваемый двигателем 8, будет направлен в сторону наматывания страховочной веревки 1 на барабан 5. Соответственно, если натяжение веревки 1 пропадет (спортсмен перестал спускаться и продолжил подъем), то под действием крутящего момента от двигателя 8, барабан 5 начнет наматывать страховочную веревку 1.

Таким образом решается поставленная задача максимально быстрой намотки страховочной веревки при небольшом усилии, поддержка страховочной веревки в натянутом состоянии и медленный спуск страхуемого спортсмена при падении, что обеспечивает повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Дополнительно барабан 5 может быть снабжен механизмом аварийного тормоза (условно аварийный тормоз не показан на схемах), например центробежного, срабатывающего, при неисправности обгонной муфты, что приводит к увеличению скорости вращения барабана 5 и приводит к увеличению скорости спуска выше, чем максимальная скорость спуска обеспечиваемая редуктором 4 и двигателем 7. Такой тормоз предназначен для защиты от падения спортсмена при выходе из строя штатных элементов трансмиссии (не показан -известное решение из уровня техники).

Использование в качестве тормозного устройства редуктора 4 со свойством необратимости позволяет избавиться от регулировок тормозного механизма и обеспечить одинаковую скорость спуска для спортсменов с разным весом. При этом оптимальная скорость спуска обеспечивается подбором двигателя 7 и редуктора спуска 4, таким образом, чтобы при максимальной частоте вращения двигателя 7, скорость спуска не превышала некоторой безопасной величины.

Дополнительно двигатель 7 может быть оснащен блоком управления, позволяющим настраивать скорость спуска путем изменения частоты вращения двигателя 7.

Двигатель 7 может быть соединен со входным валом редуктора 4 непосредственно или через дополнительные элементы трансмиссии (муфты, валы, шкивы, ременные, зубчатые цепные передачи с различными коэффициентами), предназначенные для оптимизации работы двигателя и конструкции страховочного устройства. Данные элементы условно не показаны на схеме.

Типов редукторов со свойством необратимости достаточно много — червячные, волновые, некоторые виды цевочных и другие. Для оптимизации работы двигателя 8 также могут применяться дополнительные элементы трансмиссии, установленные между двигателем 8 и барабаном 5 (валы, муфты, ременные, цепные, зубчатые и др. передачи с различными коэффициентами). Данные элементы условно не показаны на схеме.

Страховочное устройство по варианту II содержит барабан 5, связанный с электродвигателем 8. Веревка для лазанья 1, одним концом прикреплена к барабану 5 и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикреплена к верхолазу. Тормозное устройство выполнено в виде редуктора 4, обладающего свойством необратимости и связанного с барабаном 5 через обгонную муфту 6. Редуктор 4 соединен входным валом со вторым электродвигателем 7. Устройство снабжено блоком 9 управления двигателями 7, 8. Блок 9 включает средство восприятия нагрузки на веревке. Средство восприятия нагрузки выполнено в виде датчика 11 положения подпружиненного маятника 10, соединенного с веревкой 1.

В качестве редуктора 4 может быть применен червячный редуктор, волновой, некоторые виды цевочных и другие.

Работа по варианту II.

Устройство содержит редуктор 4, обладающий свойством необратимости (т. е. невозможности передачи крутящего момента с выходного вала на входной), который приводится в действие от двигателя 7. Выходной вал редуктора 4 соединен с барабаном 5 через обгонную муфту 6 таким образом, что барабан 5 может свободно вращаться относительно выходного вала редуктора 4 только в сторону наматывания страховочной веревки 1.

Свободному вращению барабана 5 в сторону разматывания препятствует обгонная муфта 6, не позволяя вращаться барабану 5 быстрее чем выходной вал редуктора 4.

Причем скорость вращения выходного вала редуктора 4 не может быть заметно увеличена при прикладывании дополнительных усилий к страховочной веревке 1, закрепленной на барабане 5, из-за свойства необратимости применяемого редуктора 4. Двигатель 7 предназначен только для обеспечения спуска, т. е. только для задания максимальной допустимой скорости разматывания страховочной веревки 1 с барабана 5.

Для наматывания страховочной веревки на барабан 5 и поддержания её в натянутом состоянии используется двигатель 8.

Усилие, создаваемое двигателем 8, должно быть достаточным только для наматывания страховочной веревки на барабан 5, но недостаточным для какого либо заметного влияния на скорость подъема спортсмена, а максимальная скорость вращения двигателя 8 должна обеспечивать такую скорость наматывания веревки 1, которая существенно превышает самую большую известную скорость подъема спортсмена. Это необходимо для исключения провисания страховочной веревки 1 при подъеме спортсмена.

Соответственно, при подъеме спортсмена вверх, страховочная веревка 1 наматывается на барабан 5, который вращается свободно относительно выходного вала редуктора 4 благодаря обгонной муфте 6.

При приложении к веревке 1 усилия, превышающего силу, создаваемую двигателем 8 (при самостоятельном спуске или падении спортсмена), барабан 5 стремится вращаться в сторону разматывания, но обгонная муфта 6 блокирует свободное вращение барабана 5 в сторону разматывания, относительно выходного вала редуктора 4. Таким образом, скорость вращения барабана 5 ограничивается скоростью выходного вала редуктора 4, вращающегося в сторону разматывания веревки 1 с барабана 5.

Для управления двигателем 8 и двигателем 7 используется блок управления 9, который в зависимости от силы натяжения страховочной веревки 1 включает соответствующий двигатель и управляет его скоростью.

Для контроля натяжения веревки используется подпружиненный маятник 10 с роликом, связанный с датчиком положения 11 подпружиненного маятника 10. Также подпружиненный маятник 10 используется для стабилизации натяжения страховочной веревки и компенсации колебаний натяжения, возникающих при небольших и быстрых движениях страхуемого. Использование подпружиненного маятника 10 позволяет снизить быстродействие блока управления 9 и системы в целом и использовать более доступные компоненты (двигатели, электронику и др.), а также компенсировать время, требуемое для разгона барабана 5 из-за инерции.

При слабом натяжении страховочной веревки, подпружиненный маятник 10 опускается вниз (по схеме) и блок управления 9, получая сигнал от датчика положения 11 подпружиненного маятника 10, включает двигатель 8, который наматывает веревку на барабан 5, увеличивая натяжение. При этом подпружиненный маятник 10 поднимается вверх (по схеме), по мере увеличения натяжения (изменения положения подпружиненного маятника 10), блок управления 9 может снижать частоту вращения двигателя 8, обеспечивая полную остановку барабана 5 примерно к середине диапазона положений подпружиненного маятника 10.

Если натяжение страховочной веревки продолжает расти (например, спортсмен решил немного спуститься), то подпружиненный маятник 10 продолжает подниматься вверх (по схеме). В этом случае блок управления 9, отслеживая сигнал с датчика 11 положения подпружиненного маятника 10, включает двигатель 7, обеспечивая разматывание веревки с барабана с небольшой скоростью. Если этого оказалось достаточно и маятник 10 вернулся в среднее положение, то оба двигателя останавливаются, и система ожидает дальнейшего развития событий. Если натяжение страховочной веревки продолжает расти (например, спортсмен сорвался и висит), подпружиненный маятник 10 окажется в верхнем (по схеме) положении и тогда блок управления 9 включит двигатель 7 до тех пор, пока подпружиненный маятник 10 не вернется в среднее (по схеме) положение. Это может случится, когда спортсмен спустится на землю, после этого натяжение страховочной веревки уменьшится, подпружиненный маятник 10 снова вернется в среднее положение и блок управления 9 выключит двигатель 7.

Возможность плавной регулировки скорости обоих двигателей позволяет поддерживать подпружиненный маятник 10 в среднем положении и позволяет ему компенсировать колебания натяжения страховочной веревки. Использование механической компенсации колебаний натяжения страховочной веревки за счет подпружиненного маятника 10, применения датчика положения 11 подпружиненного маятника и блока управления 9 позволяет оптимизировать работу двигателей, сократить расход энергии и увеличить ресурс механических компонентов системы и обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Снижение расхода энергии позволяет использовать в системе автономные источники энергии, например аккумуляторы, что позволяет использовать устройство в местах, где отсутствуют другие источники энергии, в том числе для занятий на открытой местности.

Дополнительно между двигателем 7 и редуктором 4 может быть установлена дополнительная обгонная муфта 12, которая позволяет передавать крутящий момент от двигателя 7 к редуктору 4 только в одном направлении — когда вращение двигателя приводит к вращению выходного вала редуктора в сторону разматывания страховочной веревки с барабана. Если выходной вал редуктора 4 будет вращаться в сторону наматывания страховочной веревки на барабан, то это может привести к нежелательному подъему страхуемого вверх и, возможно, к получению им травм и повреждению оборудования.

Использование дополнительной обгонной муфты 12 позволяет механически исключить работу страховочного устройства в качестве лебедки, исключая таким образом, нежелательный подъем спортсмена вверх и использование страховочного устройства не по назначению.

Такого же эффекта можно добиться без использования дополнительной обгонной муфты 12, если каким-то другим способом обеспечить вращение двигателя 7 только в одну сторону, например, применив коллекторный двигатель и схему его включения без возможности реверса (электрический способ).

Дополнительно, для правильной укладки страховочной веревки, страховочное устройство может быть оснащено системой направляющих элементов 13, которые обеспечивают необходимое для правильной работы страховочного устройства, положение веревки 1.

К направляющим элементам 13 могут относится ролики, шкивы, системы равномерной укладки веревки на намоточный барабан, элементы, обеспечивающие требуемое направление выхода веревки из страховочного устройства и прочие компоненты.

Описанные направляющие элементы достаточно широко известны и применяются в разных областях техники.

Таким образом решается поставленная задача максимально быстрой намотки страховочной веревки при небольшом усилии, поддержка страховочной веревки в натянутом состоянии и медленный спуск страхуемого спортсмена при падении для обеспечения повышенной безопасности индивидуального тренировочного процесса.

Использование в качестве тормозного устройства редуктора 4 со свойством необратимости позволяет избавиться от регулировок тормозного механизма и обеспечить одинаковую скорость спуска для спортсменов с разным весом. При этом скорость спуска можно регулировать (с помощью блока управления 9), не опасаясь задать слишком большую скорость спуска. Последнее обеспечивается подбором двигателя 7 и редуктора 4, таким образом, чтобы даже при максимальной частоте вращения двигателя 7, скорость спуска не превышала некоторой безопасной величины.

Типов редукторов со свойством необратимости достаточно много — червячные, волновые, некоторые виды цевочных и другие.

Для оптимизации работы двигателя 8, могут применяться дополнительные элементы трансмиссии 14 (фиг. 5), установленные между двигателем 8 и барабаном 5 (валы, муфты, ременные, цепные, зубчатые и др. передачи с различными коэффициентами).

Также для управления двигателем 8 может применяться блок управления 9 с функцией стабилизации тока двигателя для стабилизации и нормирования крутящего момента, такое решение позволит регулировать усилие натяжения страховочной веревки 1 (это известное решение).

Двигатель 7 может быть соединен со входным валом редуктора 4 непосредственно или через дополнительные элементы трансмиссии 15 (фиг 5) (муфты, валы, шкивы, ременные, зубчатые цепные передачи с различными коэффициентами), предназначенные для оптимизации работы двигателя и конструкции страховочного устройства.

Блок управления 9 может быть программируемым — для оптимальной подгонки параметров под особенности спортсмена или скалодрома. Также блок управления 9 может быть оснащен различными сервисными функциями, например функцией самодиагностики, диагностики двигателей, датчиков, аккумуляторов и др. элементов системы, может иметь различные варианты пользовательских интерфейсов, может быть подключен к сети передачи данных (в т.ч. Интернет). Может иметь систему приема платежей — для автоматизированной системы спортзалов и многое другое, что требуется для конкретного применения.

Питание такого устройства возможно как от сети, так и от аккумуляторов (или других автономных источников) — определяется типом применяемых двигателей.

Дополнительно страховочное устройство может быть оснащено механизмом ручного привода первичного вала редуктора 4, для обеспечения возможности спуска страхуемого при неисправности электродвигателя, блока управления или датчика натяжения страховочной веревки (условно не показано).

Дополнительно барабан 5 может быть снабжен механизмом аварийного тормоза (например центробежного), срабатывающим, например, при увеличении скорости спуска выше, чем максимальная скорость спуска обеспечиваемая редуктором 4 и двигателем 7. Такой тормоз предназначен для защиты от падения спортсмена при выходе из строя штатных элементов трансмиссии (условно не показан).

Страховочное устройство по варианту III содержит барабан 4, связанный с электродвигателем 8. Веревка 1 для лазанья одним концом прикреплена к барабану 5 и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикреплена к верхолазу. Тормозное устройство выполнено в виде редуктора 4, обладающего свойством необратимости, и связано с валом барабана 5 через обгонную муфту 6. Электродвигатель 8 соединен с валом барабана 5 через обгонную муфту 17, а с редуктором 4 через дополнительные элементы трансмиссии 16. Устройство снабжено блоком управления 9, включающим средство восприятия нагрузки на веревке. Средство восприятия нагрузки выполнено в виде датчика 11 положения подпружиненного маятника 10, соединенного с веревкой 1.

В качестве редуктора 4 может быть применен червячный редуктор, волновой, некоторые виды цевочных и другие.

Дополнительные элементы трансмиссии 18 могут быть соединены с редуктором 4 через обгонную муфту 12.

Работа устройства по варианту III.

Устройство содержит редуктор 4, обладающий свойством необратимости (т. е. невозможности передачи крутящего момента с выходного вала на входной), который приводится в действие от двигателя 8 через элементы трансмиссии 16. Выходной вал редуктора 4 соединен с барабаном 5 через обгонную муфту 6 таким образом, что барабан 5 может свободно вращаться относительно выходного вала редуктора 4 только в сторону наматывания страховочной веревки. Вращение барабана 5 в сторону разматывания страховочной веревки 1 возможно только при приложении к веревке внешних сил, направленных в сторону её разматывания с барабана. При этом максимальная скорость вращения барабана в сторону разматывания ограничивается скоростью вращения выходного вала редуктора 4, из-за обгонной муфты 6, установленной так, чтобы передавать крутящий момент с барабана 5, возникший под действием внешних сил, приложенных к веревке, на выходной вал редуктора 4 только при вращении барабана 5 в сторону разматывания веревки. При этом крутящий момент не передается (по кинематической схеме) дальше редуктора 4 из-за свойства необратимости применяемого редуктора. Таким образом редуктор 4 выполняет функцию тормоза. Чтобы веревка, даже под действием внешних сил, разматывалась с барабана 5, требуется вращать входной вал редуктора так, чтобы выходной вал вращался в сторону разматывания веревки 1, тогда барабан 5 будет вращаться со скоростью выходного вала редуктора. Подбирая коэффициент передачи редуктора 4 и элементов трансмиссии 16 между двигателем 8 и редуктором 4, можно добиться безопасной скорости спуска даже при максимальной частоте вращения двигателя 8, что позволит обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Двигатель 8 используется как для наматывания страховочной веревки 1 на барабан, так и для задания скорости вращения барабана 5 при разматывании страховочной веревки 1. При наматывании страховочной веревки 1 двигатель 8 вращается условно вперед приводя во вращения барабан 5 через обгонную муфту 17, установленную таким образом, что при вращении вала двигателя 8 вперед, передает его крутящий момент на барабан 5, наматывая страховочную веревку 1. При этом барабан 5 может свободно вращаться относительно выходного вала редуктора 4, благодаря обгонной муфте 6, которая установлена так, что передает крутящий момент с барабана 5 на выходной вал редуктора 4 только при вращении барабана 5 в сторону разматывания страховочной веревки. При спуске страхуемого (самостоятельно или при падении) требуется разматывать страховочную веревку с барабана, для этого нужно включить двигатель 8 в обратную сторону. Тогда крутящий момент с двигателя 8 перестанет передаваться обгонной муфтой 17 на барабан, а через элементы трансмиссии 16 будет передаваться на входной вал редуктора 4, в результате чего выходной вал редуктора 4 начнет вращаться, позволяя барабану разматывать страховочную веревку. При этом частота вращения барабана 5 будет ограничена частотой вращения выходного вала редуктора 4 из-за действия обгонной муфты 6.

Момент, создаваемый двигателем 8, должен быть достаточным только для наматывания страховочной веревки на барабан 5, но недостаточным для какого-либо заметного влияния на скорость подъема спортсмена. Максимальная скорость вращения двигателя 8 должна обеспечивать такую скорость наматывания веревки 1, которая существенно превышает самую большую известную скорость подъема спортсмена. Это необходимо для поддержания натяжения страховочной веревки 1 при подъеме спортсмена. Для спуска страхуемого также не требуется большого крутящего момента двигателя 8, требуется только момент, необходимый для преодоления сил трения в элементах трансмиссии и редукторе 4, так как спуск происходит под действием внешних сил, приложенных к страховочной веревке 1. Поэтому для привода редуктора 4 можно использовать тот-же двигатель, что и для наматывания и натяжения страховочной веревки.

Для управления двигателем 8 используется блок управления 9, который в зависимости от силы натяжения страховочной веревки 1 включает соответствующее направление вращения двигателя 8 и управляет его скоростью.

Для контроля натяжения веревки используется подпружиненный маятник 10 с роликом, связанный с датчиком положения 11 подпружиненного маятника 10. Также подпружиненный маятник 10 используется для стабилизации натяжения страховочной веревки и компенсации колебаний натяжения, возникающих при небольших и быстрых движениях страхуемого. Использование подпружиненного маятника 10 позволяет снизить быстродействие блока управления и системы в целом и использовать более доступные компоненты (двигатели, электронику и др.), а также компенсировать время, требуемое для разгона намоточного барабана из-за инерции.

При слабом натяжении страховочной веревки, подпружиненный маятник 10 опускается вниз (по схеме) и блок управления 9, получая сигнал от датчика положения 11 подпружиненного маятника 10, включает двигатель 8 вперед, обеспечивая наматывание страховочной веревки на барабан и увеличивая её натяжение. При этом подпружиненный маятник 10 поднимается вверх (по схеме), по мере увеличения натяжения (изменения положения маятника), блок управления 9 может снижать частоту вращения (и ток) двигателя 8, обеспечивая полную остановку намоточного барабана примерно к середине диапазона положений подпружиненного маятника 10.

Если натяжение страховочной веревки продолжает расти (например, спортсмен решил немного спуститься), подпружиненный маятник 10 продолжает подниматься вверх (по схеме) и блок управления 9, отслеживая сигнал с датчика положения 11 подпружиненного маятника 10, включает двигатель 8 в обратную сторону, обеспечивая разматывание веревки с барабана с небольшой скоростью. Если этого оказалось достаточно и подпружиненный маятник 10 вернулся в среднее положение, двигатель останавливается, и система ожидает дальнейшего развития событий. Если натяжение страховочной веревки продолжает расти (например, спортсмен сорвался и висит), маятник окажется в верхнем (по схеме) положении и тогда блок управления переключит вращение двигателя 8 в обратную сторону до тех пор, пока подпружиненный маятник 10 не вернется в среднее (по схеме) положение. Это может случится, когда спортсмен спустится на землю, после этого натяжение страховочной веревки уменьшится, маятник снова вернется в среднее положение и блок управления 9 выключит двигатель 8.

Возможность плавной регулировки скорости двигателя в обоих направлениях позволяет поддерживать подпружиненный маятник 10 в среднем (по схеме) положении и позволяет ему компенсировать колебания натяжения страховочной веревки. Использование механической компенсации колебаний натяжения страховочной веревки за счет подпружиненного маятника 10, применение датчика положения 11 подпружиненного маятника и блока управления 9 позволяет оптимизировать работу двигателя, сократить расход энергии и увеличить ресурс механических компонентов системы и обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Снижение расхода энергии позволяет использовать в системе автономные источники энергии, например аккумуляторы, что позволяет использовать устройство в местах, где отсутствуют другие источники энергии, в том числе для занятий на открытой местности.

Так как у каждого спортсмена своя техника и способности, скорость подъема может заметно отличаться, соответственно, двигатель 8 подбирается таким образом, чтобы крутящий момент на барабане 5 и, соответственно, сила натяжения веревки 1, не превышала некоторого минимального значения. На практике это значение определяется весом страховочной веревки, полностью смотанной с барабана. т. е. сила натяжения должна превышать вес веревки — чтобы хватило тяги намотать её на барабан — но при этом сила натяжения не должна быть слишком большой, чтобы не «помогать» спортсмену подниматься. При этом вес спортсмена не имеет никакого значения. Если спортсмен остановился (прекратил подъем), то намоточный двигатель, полностью намотав на барабан страховочную веревку, тоже остановится под действием силы натяжения веревки, но при этом будет продолжать создавать крутящий момент на барабане (т. к. остается включенным и через него идет ток), поддерживая веревку в натянутом состоянии. При очень быстром подъеме спортсмена двигатель увеличивает обороты до тех пор пока страховочная веревка не будет натянута и барабан остановлен силой натяжения веревки.

Дополнительно в трансмиссии 16 привода редуктора 4 может быть установлена обгонная муфта 12, которая позволяет передавать крутящий момент от двигателя к редуктору 4 только в одном направлении — когда вращение двигателя 8 приводит к вращению выходного вала редуктора в сторону разматывания страховочной веревки с барабана.

Дополнительно, для правильной работы датчика положения 11 подпружиненного маятника 10, страховочное устройство может быть оснащено системой направляющих элементов 13, которые обеспечивают необходимое для правильной работы страховочного устройства, положение веревки 1.

К направляющим элементам 13 могут относится ролики, шкивы, системы равномерной укладки веревки на намоточный барабан, элементы, обеспечивающие требуемое направление выхода веревки из страховочного устройства и прочие компоненты.

При использовании вместо веревки текстильной ленты или ленты другого типа, могут применяться направляющие элементы 13, обеспечивающие правильный вход ленты в страховочное устройство, гасители колебаний ленты, устройства и механизмы, препятствующие закручиванию ленты вокруг продольной оси.

Описанные направляющие элементы достаточно широко известны и применяются в разных областях техники.

Таким образом решается поставленная задача максимально быстрой намотки страховочной веревки при небольшом усилии, поддержка страховочной веревки в натянутом состоянии и медленный спуск страхуемого спортсмена при падении.

Дополнительно барабан 5 может быть снабжен механизмом аварийного тормоза (например центробежного), срабатывающего, при увеличении скорости спуска выше, чем максимальная скорость спуска, обеспечиваемая редуктором 4 и двигателем 8. Такой тормоз предназначен для защиты от падения спортсмена при выходе из строя штатных элементов трансмиссии (условно не показан).

Использование в качестве тормозного устройства редуктора 4 со свойством необратимости позволяет избавиться от регулировок тормозного механизма и обеспечить одинаковую скорость спуска для спортсменов с разным весом. При этом скорость спуска можно регулировать (с помощью блока управления 9), не опасаясь задать слишком большую скорость спуска. Последнее обеспечивается подбором двигателя 8 и редуктора 4, таким образом, чтобы даже при максимальной частоте вращения двигателя 8, скорость спуска не превышала некоторой безопасной величины, что позволяет обеспечить повышенную безопасность индивидуального тренировочного процесса.

Типов редукторов со свойством необратимости достаточно много — червячные, волновые, некоторые виды цевочных и другие.

Для оптимизации работы двигателя 8 и конструкции страховочного устройства, могут применяться дополнительные элементы трансмиссии, установленные между двигателем 8 и барабаном 5 (валы, муфты, ременные, цепные, зубчатые и другие передачи с различными коэффициентами, условно не показаны). Также вместо внешних элементов трансмиссии 16 для передачи крутящего момента от двигателя к редуктору могут использоваться конструкции со скрытыми элементами, например вал внутри вала и т.п.

Также для управления двигателем может применяться блок управления с функцией стабилизации тока двигателя для стабилизации и нормирования крутящего момента, такое решение позволит регулировать усилие натяжения страховочной веревки (это известное решение).

Питание такого устройства возможно как от сети, так и от аккумуляторов (или других автономных источников) — определяется типом применяемых двигателей.

Заявленные варианты страховочного устройства могут быть изготовлены с применением известных элементов – двигателей, редукторов, барабанов, обгонных муфт и прочих элементов и собраны как в заводских условиях, так и мелкосерийном производстве.

Заявленные варианты страховочного устройства могут быть использованы на скалодромах, а также в реальных условиях для защиты скалолазов (спортсменов) от падения с высоты.

Реферат

Настоящая группа изобретений предназначена для применения на скалодромах, а также в реальных условиях для защиты скалолазов (спортсменов) от падения с высоты. Страховочное устройство содержит барабан, связанный с электродвигателем; веревку для лазанья, одним концом прикрепленную к барабану и вторым свободным концом, при использовании страховочного устройства, прикрепленную к верхолазу; тормозное устройство, связанное с барабаном через обгонную муфту, причем тормозное устройство выполнено в виде редуктора, обладающего свойством необратимости, соединенного входным валом со вторым электродвигателем, причем оба электродвигателя постоянно включены, так чтобы первый электродвигатель был включен с возможностью вращения выходного вала редуктора в сторону разматывания веревки с барабана, а второй электродвигатель включен так, чтобы барабан имел возможность вращения в сторону наматывания страховочной веревки. Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении безопасности индивидуального тренировочного процесса, а также стабилизации скорости спуска — независимо от веса спортсмена, снижение числа необходимых регулировок и настроек. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула