SI26266A - Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla - Google Patents

Abstract

Izum sodi na področje strojništva, natančneje na področje gozdarskih vitlov. Izum se nanaša na sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla. Bistvo izuma je v tem, daje za zagotavljanje konstantne vlečne sile na bobnu vitla predviden premičen potisni valjček, ki je nameščen na nosilcu, ki je vrtljivo vpet na ohišju vitla. Valjček se med navijanjem žične vrvi po plasteh na boben vrti po naviti vrvi in odmika, dokler ni boben polno navit. Valjček je povezan s Hallovim senzorjem kota, ki je prilagojen za zaznavanje pozicije valjčka, prednostno se magnet Hallovega senzorja vrti skupaj z osjo in nosilcem valjčka in meri kot valjčka glede na ohišje vitla, kjer je nameščen Hallov senzor s polprevodniškim vezjem, ki zaznava magnetno polje magneta na osi. Trenutno pozicijo valjčka na podlagi informacije iz Hallovega senzorja odčita krmilnik in na podlagi izmerjene vrednosti dodeli tlačnemu senzorju ustrezno velik električni signal za spremembo tlaka sklopke vitla.

Description

Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla

Področje tehnike

Izum sodi na področje strojništva, natančneje na področje gozdarskih vitlov ter mehanizmov za kontrolo vlečne sile vitla. Izum se nanaša na sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla.

Ozadje izuma in tehnični problem

Ko je vitel v uporabi, se premer navite žične vrvi na bobnu spreminja v odvisnosti od števila plasti navite žične vrvi, kar posledično vpliva na spremembo vlečne sile vitla. Pri uporabi vitla lahko pride do situacije, da je potrebno regulirati vlečno silo glede na nastalo situacijo pri delovnem procesu. Če vitlu pada vlečna sila z naraščanjem radija vrvi na bobnu vse do te mere, da sila upora presega vlečno silo, se breme ustavi, ker začnejo lamele sklopke drseti, kar je v praksi problematično. Sodobni profesionalni vitli so zasnovani tako, da se sila vlečenja med tem, ko se vrv navija na boben iz manjšega na večji premer, bistveno ne spreminja, kar omogoča optimalno delovanje sklopke. Takšni vitli so poimenovani kot vitli s konstantno vlečno silo, ki se jo lahko zagotovi na različne načine. Znane rešitve imajo slabost, da jih ni enostavno nastaviti. Poleg tega so gabaritno obsežne, kar predstavlja dodatno težavo pri doseganju kompaktnosti.

Tehnični problem, ki ga pričujoči izum rešuje, je torej konstrukcija kompaktnega sistema za krmiljenje in upravljanje navijalnega bobna vitla, ki bo omogočal ohranjanje konstantne vlečne sile vitla. Naloga izuma je konstrukcijska razporeditev posameznih funkcionalnih elementov vitla, kar bo omogočalo vzdrževanje konstantne vlečne sile vitla tudi, ko je na bobnu vitla navita cela vlečna vrv ali pa je skoraj cela odvita.

Stanje tehnike

Vitel, ki je opisan v patentni prijavi EP 2 565 144, obsega pogonsko gred, vrvni boben za navijanje vrvi, sklopko bobna za prenos vrtilnega gibanja pogonske gredi na vrvni boben, zavoro bobna za zaviranje vrvnega bobna in odvodno napravo vrvi z vsaj eno vrvenico. Vrvenico je moč poganjati za odvijanje vrvi in preko transmisije, ki ima sklopko odvoda vrvi, pri čemer je vrvenica povezana s pogonsko gredjo. Izum je značilen po tem, da se sklopka odvoda vrvi tvori s sklopko, ki se aktivira hidravlično. Rešitev se razlikuje od pričujočega izuma, kjer je sicer hidravlično krmiljen mehanizem vključen v zagotavljanje mehanskega odmika ročic v cilju ohranjanja skoraj konstantne vlečne sile vitla.

Po slovenskem patentu št. 24108 je znana rešitev gozdarskega vitla, pri katerem navijanje vrvi poteka na kontroliran način, tako da so ovoji vrvi na površini navijalnega bobna razporejeni drug ob drugem in brez medsebojnega križanja in prekrivanja, obenem pa je preprečena preobremenitev vlečne vrvi in ostalih elementov pogonskega sklopa vitla zaradi vleke pretežkega bremena. Vitel je v ta namen v območju med zgornjim škripcem in navijalnim bobnom opremljen z okoli vertikalne geometrijske osi prosto vrtljivim ali vsaj za ustrezen kot zasukljivim usmerjevalnim sklopom, ki po izbiri vključuje dinamometer za merjenje natezne sile v vlečni vrvi, tako daje tudi pogon bobna lahko krmiljen v odvisnosti od vsakokrat izmerjene obremenitve vlečne vrvi.

Mehansko-hidravlični sistem z regulatorjem tlaka za ohranjanje konstantne moči vlečne sile vitla, kot je opisan v patentu EP 3 093 264 vključuje boben, vrv, regulator pritiska, sklopko, ki vključuje hidravlični cilinder, in je značilen po tem, da nadalje vključuje potisni valj nameščen na vilice, vzmet in drog, pri čemer se potisni valj ob navijanju vsake nove plasti vlečne vrvi na boben vitla odmakne. Pri tem se zasuka os vilic, ki nosijo potisni valj, njihov zasuk pa povzroči premik droga, ki za eno stopnjo potisne bat regulatorja tlaka, kar povzroči zvišanje tlaka olja, ki povzroči povečanje potiska bata cilindra na regulator pritiska za en korak, kar povzroči povišanje pritiska olja, kar poviša pritisk bata cilindra na sklopko. Posledično se poveča moment bobna. Razdalje »e«, »f« in »g« se spreminjajo z vsakim premikom potisnega valja oziroma osi vilic, zaradi nove plasti vlečne vrvi na bobnu in posledično premični deli nastavkov zapirajo ali odpirajo regulator tlaka, kar poveča ali zmanjša tlak olja v hidravličnem sistemu, pri čemer je razdalja »e« razdalja med središčnico osi in mestom v utoru, kjer je fiksiran prvi del droga, in je razdalja »f« dolžina droga, namreč razdalja med prvim delom droga in središčnice vpetja drugega dela droga v nosilec, ki je v kontaktu z batom regulatorja pritiska, in je razdalja »g« razdalja med središčnico osi, kamor je vpet spodnji del nastavka, in središčnico zgornjega dela nastavka, kamor je vpeta prednapeta vzmet, ki vleče vilice in s tem pritiska potisni valj na boben (30). V skladu s spreminjanjem razdalj »e«, »f« in »g« in direktno povezanih vilic potisnega valja, vzmeti in droga se ohranja skoraj konstantna vlečna sila vitla

Znane rešitve iz prakse ne rešujejo tehničnega problema na način, kot ga rešuje pričujoči izum, poleg tega pa zahteva kompleksne nastavitve ter veliko prostora.

Opis rešitve tehničnega problema

Znana rešitev iz patenta EP 3 093 264 je sicer učinkovita, vendar pa je sistem kompleksen. Zato je glavni cilj izuma poenostavitev sistema za zagotavljanje konstantne moči vitla ne glede na količino navite vrvi na bobnu. Zaželeno je tudi, da je konstrukcija sistema takšna, da je njegovo krmiljenje možno izvesti s pomočjo enotnega krmilnika vitla, ki nadzoruje vse funkcije vitla.

Bistvo sistema za ohranjanje konstantne moči vlečne sile vitla je v tem, da je za zagotavljanje konstantne vlečne sile na bobnu vitla predviden premičen potisni valjček, ki je nameščen na nosilcu, ki je preko osi vrtljivo vpet na ohišju vitla. Vrteči valjček se med navijanjem žične vrvi po plasteh na boben vrti po naviti vrvi in odmika, dokler ni boben polno navit. Kot valjčka se glede na omenjeno ohišje vitla spreminja ob navijanju ali odvijanju vrvi. Več kot je navite vrvi na bobnu, bolj je valjček skupaj s svojim nosilcem odmaknjen od bobna. Valjček je povezan s Hallovim senzorjem kota, ki zaznava kot valjčka in/ali nosilca glede na ohišje vitla. Hallov senzor je brezkontaktni senzor magnetnega pola, sestavljen je iz plastičnega ohišja, elektronskega mikrovezja in permanentnega magneta. Hallov senzor je sicer pritrjen fiksno na ohišje vitla s pomočjo vijačenja ali podobnega načina pritrjevanja, kabel, ki povezuje senzor s krmilnikom vitla pa je nameščen na primeren način po ohišju vitla. Tako je kabel zavarovan pred morebitnimi poškodbami. Če bi bil Hallov senzor premično nameščen, bi se kabel lahko poškodoval zaradi premikov, kar pa iz vidika zanesljivosti delovanja ni zaželeno, ali pa bi zaradi zavarovanja kabla potreboval kompleksnejšo rešitev, kar prav tako ni zaželeno. Permanentni magnet je običajno nameščen skupaj s svojim plastičnim ohišjem na katerikoli primeren način. Pri premiku valjčka se premakne tudi magnet, pri čemer polprevodniško mikrovezje senzorja zazna magnetno polje pri vrtenju magneta. Pri tem se na izhodu pojavi napetost, ki je proporcionalna moči magnetnega polja. Omenjeni magnet je nameščen na osi ali na nosilcu omenjenega valjčka. Možnih je namreč več izvedb:

- Os je lahko fiksno vpeta v ohišje vitla, nosilec pa je vrtljiv okoli osi, pri čemer se magnet Hallovega senzorja namesti na nosilec blizu osi, tako da lahko njegovo polje zaznava mikrovezje fiksno nameščeno na ohišju vitla blizu ali na enem koncu omenjene osi; ali

- pa je os vrtljivo vpeta v ohišje vitla, v tem primeru pa je nosilec fiksno povezan z osjo ter se posledično os in nosilec vrtita skupaj, pri čemer je magnet nameščen na osi in je senzor je nameščen na ohišju vitla na koncu osi.

Tako zasnovan sistem lahko meri kot valjčka glede na ohišje vitla, kjer je pritrjen Hallov senzor, ter preko zaznanega magnetnega polja Hallov senzor sporoči krmilniku stanje navitosti vrvi na bobnu.

Ko pride do spremembe lege valjčka senzor pošlje v krmilnik napetost, ki je sorazmerna zasuku magneta, ki na podlagi izmerjene vrednosti dodeli tlačnemu ventilu, prednostno proporcionalnemu tlačnemu ventilu, ustrezno velik električni signal za spremembo tlaka, s katerim sklopka pritisne na boben. Ko je valjček odprt za maksimalni kot, se tlak poveča na najvišjo vrednost, ko pa je valjček na minimalnem odklonu, je tlak najmanjši. Maksimalna in minimalna vrednost sta sprogramirani v krmilniku glede na dimenzije bobna. Kalibracija poteka kar preko krmilnika, kar poenostavi upravljanje s sistemom. Z uporabo Hallovega senzorja kota je torej omogočeno natančno spremljanje spremembe premera navite žične vrvi na bobnu in s tem natančna regulacija konstantne vlečne sile. Hallov senzor je najbolj primeren senzor izmed nabora možnih senzorjev, saj je dovolj natančen, hkrati pa neobčutljiv na umazanijo, razne tekočine in velike temperaturne spremembe. Njegovo delovanje posledično ni občutljivo na zunanje pogoje, ki se pojavljajo pri delu z vitlom v gozdu.

Nadalje, uporaba Hallovega senzorja omogoča tudi dodatne varnostne funkcije, da ne pride do poškodbe žične vrvi, uhajanja bremena in zastojev stroja. Z zaznavanjem prve ovite plasti žične vrvi se namreč lahko definira izklop vlečenja vitla, da se vrv ne odvije do konca iz bobna in izpuli iz vpetja. Ker ima vitel prednostno že vgrajen sistem za merjenje hitrosti in smeri vrtenja bobna, se lahko tako zelo natančno določi kdaj naj pride do izklopa vlečenja, da se prepreči popolno odvitje vrvi. Druga varnostna funkcija, ki se jo doseže z vgrajenim Hallovim senzorjem kota, pa je zaznavanje zunanjega premera polno navitega bobna. Vlečenje vitla se ustavi nad premerom navitja žične vrvi, ki je večji od premera, ki je vnesen v krmilnik. Na ta način je onemogočeno prekomerno navijanje žične vrvi. Do izklopa vlečenja pride tudi v primeru, da se vrv kopiči na enem delu bobna, ko je presežen maksimalni definiran premer navitja.

Sistem, kot je bil opisan zgoraj, je enostaven, z majhnim številom komponent in kompakten, tako da se lahko vgradi v katerikoli vitel.

Kot alternativa Hallovemu senzorju se lahko uporabi tudi ustrezno nameščen potenciometer, merilna letev ali inkrementalni enkoder. Pri uporabi merilne letve je letev montirana tako, da se pretvori krožno gibanje nosilca potisnega valja v linearno, ki se ga lahko izmeri s pomočjo merilne letve. Pretvorba gibanja se lahko izvede na katerikoli način znan strokovnjaku na področju. Na primer, lahko se izvede tako, da se na vrtišče nosila potisnega valja namesti majhen škripec na katerega se namesti žično vrv, ki se na izhodu giblje linearno in vrača s pomočjo vzmeti. Na žično vrv je vpet element, ki ga zazna merilna letev.

Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla bo v nadaljevanju podrobneje opisan s pomočjo izvedbenega primera in slik, ki prikazujeta:

Slika 1 sestava in elementi sistema za zagotavljanje konstantne vlečne sile Slika 2 Prečni prerez osi in Hallovega senzorja

Na boben 1 se navija oziroma se iz njega odvija vlečna vrv vitla. Za boljše navijanje vrvi na boben 1 je predviden potisni valj 2, ki je vrtljivo vpet, prednostno kroglično uležajen na nosilcu 3. Nosilec 3 je vpet v osi 6, tako da se lahko skupaj z osjo premika tako kot prikazuje puščica na sliki 1, torej proti bobnu ali stran od njega, odvisno od količine vrvi, ki je navita na boben 1. Os 6 je vrtljivo vpeta na ohišje vitla. Na eni strani osi 6 je pritrjen nosilec 4 Hallovega senzorja 5, os 6 nosilca 3 potisnega valja 2 pa je direktno povezana z magnetom 5a Hallovega senzorja 5. Sam Hallov senzor 5 je fiksno pritrjen, prednostno privit na nosilec 4 ter ohišje vitla. Nosilec 4 senzorja 5 je fiksno pritrjen na ogrodje vitla, hkrati je na nosilec 4 vrtljivo vpet tudi nosilec 3 potisnega valja 2. Del 3a nosilca 3 je predviden za vpetje vzmeti (ni na sliki), ki pritiska potisni valj 2 na boben. Vrv, ki se navija na boben, izhaja med bobnom in potisnim valjčkom navpično navzgor.

Potisni valj 2 ima funkcijo tipala o količini navitih plasti žične vrvi na bobnu 1, njegova pozicija pa se zaznava s Hallovim senzorjem 5, katerega napetost povezana z zaznanim magnetnim poljem odčitava krmilnik, ki ustrezno prilagaja električni signal za tlačni ventil, ki uravnava spremembo tlaka sklopke.

Slika 2 prikazuje prečni prerez osi 6 in Hallovega senzorja 5 z magnetom 5a, ki je nameščen neposredno na enem koncu osi 6, tako da se lahko vrti skupaj z njo. Magnet 5a obdaja nosilec 4, ki je fiksno pritrjen in se ne vrti skupaj z osjo, s čemer je magnet 5a zavarovan pred izpadom iz osi 6. Na nosilcu 4 je nameščen Hallov senzor 5 s svojim ohišjem in polprevodniškim vezjem, ki zaznava magnetno polje, ki ga v odvisnosti od vrtenja osi 6 in s tem nosilca 3 s potisnim valjčkom 2 ustvarja magnet 5a. Na levi strani senzorja 5 izhaja kabel ali ožičenje (ni na sliki), ki povezuje senzor s krmilnikom. Krmilnik ima nastavljeno maksimalno in minimalno vrednost tlaka sklopke na boben, vse vmesne vrednosti pa se prilagajajo glede na zaznano pozicijo potisnega valjčka 2, ki je odvisna od količine navite vrvi na bobnu 1.

Claims (10)

1. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla, značilen po tem, da na boben vitla oziroma cev bobna, na katero se navija vrv, pritiska vrtljiv potisni valjček, ki je nameščen na nosilcu, ki je preko osi vrtljivo vpet na ohišju vitla, pri čemer se valjček med navijanjem žične vrvi po plasteh na boben vrti po naviti vrvi in odmika, kot valjčka glede na ohišje vitla ob navijanju ali odvijanju vrvi pa zaznava Hallov senzor, potenciometer, merilna letev ali inkrementalni enkoder, ki krmilniku sporoči stanje navitosti vrvi na bobnu za prilagoditev tlaka sklopke.

2. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po zahtevku 1, značilen po tem, da je Hallov senzor sestavljen iz plastičnega ohišja, elektronskega mikrovezja in permanentnega magneta, pri čemer je ohišje z elektronskim mikrovezjem nameščeno na ohišju vitla permanentni magnet pa je nameščen na osi ali na nosilcu omenjenega valjčka.

3. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po zahtevku 2, da je ohišje z elektronskim mikrovezjem fiksno pritrjeno na ohišje vitla s pomočjo vijačenja, kabel, ki povezuje senzor s krmilnikom vitla pa je nameščen na primeren način po ohišju vitla.

4. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da se pri premiku valjčka premakne tudi magnet Hallovega senzorja, pri čemer polprevodniško mikrovezje senzorja zazna magnetno polje, ki ga ustvarja magnet med vrtenjem.

5. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da je os fiksno vpeta v ohišje vitla, nosilec pa je vrtljiv okoli osi, pri čemer se magnet Hallovega senzorja namesti na nosilec blizu osi, tako da lahko njegovo polje zaznava mikrovezje fiksno nameščeno na ohišju vitla blizu ali na enem koncu omenjene osi.

6. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po kateremkoli izmed zahtevkov od 1 do 4, značilen po tem, da je os vrtljivo vpeta v ohišje vitla, v tem primeru pa je nosilec fiksno povezan z osjo ter se posledično os in nosilec vrtita skupaj, pri čemer je magnet nameščen na osi in je senzor nameščen na ohišju vitla na koncu osi.

7. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da Hallov senzor pošlje krmilniku napetost, ki je sorazmerna zasuku magneta, krmilnik na podlagi tega v tuljavo tlačnega ventila, prednostno proporcionalnega tlačnega ventila pošlje ustrezno velik električni tok za spremembo tlaka, s katerim sklopka pritisne na boben.

8. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po predhodnem zahtevku, značilen po tem, da je tlak maksimalen, ko je valjček odprt za maksimalni kot, in minimalen, ko je valjček na minimalnem odklonu, pri čemer sta maksimalna in minimalna vrednost sprogramirani v krmilniku v odvisnosti od dimenzij bobna.

9. Sistem za zagotavljanje konstantne vlečne sile vitla po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, značilen po tem, da Hallov senzor omogoča tudi dodatne varnostne funkcije, da ne pride do poškodbe žične vrvi, uhajanja bremena in zastojev stroja, in sicer preko zaznavanja prve ovite plasti žične vrvi, tako da se definira izklop vlečenja vitla ob zaznani eni plasti vrvi, da se vrv ne odvije do konca iz bobna in izpuli iz vpetja, in/ali preprečevanje prekomernega navitja vrvi na boben, tako da Hallov senzor zazna maksimalen zunanji premera polno navitega bobna, s čemer se vlečenje vitla ustavi nad premerom navitja žične vrvi, ki je večji od premera, ki je vnesen v krmilnik.

10. Vitel, ki vključuje sistem po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov.