Опора с несущей поверхностью для перемещения платформы на воздушной подушке

Опора с несущей поверхностью для перемещения платформы на воздушной подушке

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к транспортным средствам на воздушной подушке и предназначено для активного отдыха и спорта людей с использованием платформ на воздушной подушке, преимущественно безмоторных, а также для перемещения по опоре с несущей поверхностью платформ на воздушной подушке с людьми и грузами в пешеходных и курортных зонах городов.

Широко известны транспортные средства в виде аппаратов на воздушной подушке, содержащие центробежный вентилятор или компрессор с силовым приводом для нагнетания воздуха под корпус аппарата [1]. Аппарат с вентилятором и силовым приводом имеет свободу передвижения, но его большие масса и стоимость, а также высокий уровень шума ограничивают использование его для активного отдыха и спорта.

Известны устройства, в которых для создания воздушной подушки неподвижная опора с несущей поверхностью содержит большое количество отверстий для выхода воздуха, нагнетаемого в полость внутри опоры. Подобные устройства применяются, например, в машиностроении, а также в приборах точной механики в виде аэростатических и газодинамических опор для обеспечения плоскопараллельного или вращательного движения с низкими потерями на трение [2]. Указанные устройства встраиваются в станки и точные приборы и имеют специфические особенности конструкции, препятствующие использованию их в заявляемой области техники.

Известно также устройство, на основе которого реализована настольная игра "Воздушный хоккей" ("Airhockey"). Это устройство содержит опорную поверхность в виде полой столешницы с бортами. Внутрь столешницы подается воздух. Воздух выходит через отверстия, равномерно размещенные по поверхности стола. Благодаря этому между легким диском, имитирующим шайбу, и поверхностью стола образуется тонкая воздушная подушка. Поэтому диск перемещается над поверхностью стола практически без трения, испытывая лишь небольшое сопротивление воздуха. Недостаток устройства заключается в непропорционально большом расходе воздуха для реализации эффекта воздушной подушки.

Наиболее близким к заявляемому устройству можно принять изобретение, предназначенное для облегчения перемещения грузов внутри железнодорожных вагонов и автомобилей, на складах, а также для перемещения тяжелых пачек картона и бумаги на предприятиях. В данном прототипе воздушная подушка создается между основанием груза и полом за счет подачи сжатого воздуха через шариковые клапаны, вмонтированные в несущую поверхность. Под несущей поверхностью размещена система из герметичных каналов, труб и вентилей для подачи воздуха от компрессора к группам шариковых клапанов, вмонтированных в пол. Клапаны в полу установлены так, что шарики частично выступают над поверхностью пола. При прямом механическом воздействии перемещаемого груза на подвижный элемент клапана, то есть на шарик, он преодолевает действие пружины и сжатого воздуха и открывает выход воздуху в пространство между полом и грузом [3].

Недостаток прототипа заключается в том, что для открытия клапана с целью подачи воздуха для создания воздушной подушки под грузом необходимо переместить вниз подвижный элемент клапана, непосредственно воздействуя на этот элемент грузом или поддоном с грузом. Для указанного в [3] применения это не является существенным недостатком, так как грузы перемещаются на относительно небольшое расстояние с малой скоростью. Однако применение аналогичного технического решения в опоре с несущей поверхностью для платформы на воздушной подушке, предназначенной для активного отдыха и спорта, данное устройство неприемлемо. Механический контакт платформы с большим количеством шариковых клапанов приведет к существенному увеличению потерь на трение и снизит свободу перемещения платформы.

Цель предлагаемого изобретения - создание опоры с несущей поверхностью, по которой могла бы перемещаться платформа на воздушной подушке, преимущественно безмоторная, с человеком или иным грузом при минимальных затратах энергии на поддержание воздушной подушки и перемещение.

Указанная в изобретении цель достигается тем, что опора с несущей поверхностью для перемещения платформы на воздушной подушке, выполненная в виде коробки с перфорированной верхней плоскостью для выхода из нее воздуха, нагнетаемого во внутреннее пространство коробки, при этом отверстия в верхней плоскости коробки выполнены сообщающимися с внутренним пространством коробки через автоматические клапаны, полость с одной стороны подвижного элемента клапана сообщается с отверстием в верхней плоскости коробки, полость с другой стороны подвижного элемента клапана сообщается с атмосферой, не подверженной давлению воздушной подушки, а окна на боковой стороне корпуса клапана сообщаются с внутренним пространством коробки.

Подвижный элемент автоматического клапана выполнен в виде дифференциального поршня, при этом цилиндр с одной стороны от большого поршня сообщается с отверстием в верхней плоскости коробки, а цилиндр с другой стороны большого поршня сообщается с атмосферой, не подверженной давлению воздушной подушки, при этом окна на боковой стенке цилиндра с одной стороны от большого поршня и цилиндра с другой стороны большого поршня сообщаются с внутренним пространством коробки.

Пространство с внешней стороны несущей поверхности коробки сообщается с ее внутренним пространством через воздушные жиклеры.

Коробка опоры выполнена из пустотелых модулей, смежные боковые грани которых допускают свободное перемещение воздуха по внутреннему пространству, при этом клапаны внутри модулей установлены так, что своей верхней частью они механически связаны с несущей поверхностью коробки, а нижняя часть клапанов механически связана с днищем коробки.

Коробка опоры выполнена в виде транспортного пути заданной конфигурации для перемещения по ней платформ на воздушной подушке с людьми и грузами, при этом коробка выполнена из пустотелых модулей или в виде пространственного каркаса, закрытого гибким воздухонепроницаемым материалом, например технической тканью или полимерной пленкой.

На фиг.1 представлен общий вид опоры с несущей поверхностью для платформы на воздушной подушке со следующими деталями и узлами: 1 - несущая поверхность опоры в виде коробки, состоящей из модулей; 2 - днище опоры, 3 - внутреннее пространство опоры, 4 - центробежный вентилятор, 5 - автоматический клапан, 6 - платформа на воздушной подушке. Платформа, как правило, не имеет собственного вентилятора и силового привода для создания воздушной подушки.

На фиг.2 дан поперечный разрез опоры с несущей поверхностью с изображением следующих деталей: 7 - окна в боковой стенке автоматического клапана, 8 - подвижный элемент клапана (поршень), 9 - упругий элемент (пружина), 10 - полость под платформой, 11 - воздушный жиклер.

На фиг.3 показан автоматический клапан с подвижным элементом в виде дифференциального поршня, где 12 и 13 - соответственно большой и малый поршни дифференциального клапана, 14 - канал для подвода воздуха к малому поршню, 15 - пружина дифференциального клапана.

Опора с несущей поверхностью (фиг.1) состоит из коробки с верхней несущей поверхностью 1, соединенных в площадку или смонтированных в виде протяженного пути заданной конфигурации. Опора несущей поверхности имеет днище 2. Во время работы устройства внутрь опоры подается воздух центробежными вентиляторами 4. Благодаря работе автоматических клапанов 5 воздух из внутреннего пространства 3 выходит на несущую поверхность 1 опоры только в тех местах, где в данный момент находится платформа 6. Корпуса клапанов 5 механически связывают несущую поверхность 1 и днище 2 опоры. В днище могут быть расположены дренажные отверстия или клапаны для слива конденсата (не показаны).

Как видно на фиг.2, давление воздушной подушки платформы воздействует на поршень 8 через отверстия в несущей поверхности 1. Диаметр поршня 8 и механические свойства пружины 9 заданы такими, что сила давления воздушной подушки на поршень всегда больше усилия сжатия пружины. Поршень, сжимая пружину 9, опускается вниз и открывает окна 7 в боковой стенке корпуса клапана. Воздух через окна выходит под избыточным давлением из внутреннего пространства 3 опоры на ее несущую поверхность 1 и попадает под платформу 6. Благодаря большому числу открытых клапанов 5, находящихся в данный момент под воздействием давления воздушной подушки платформы, под платформу поступает большой поток воздуха из внутреннего пространства опоры. При этом поддерживается динамическое равновесие между притоком и расходом воздуха из-под платформы. Очевидно, что толщина воздушной подушки зависит от производительности центробежных вентиляторов 4 (фиг.1). Для получения воздушной подушки при старте платформы пространство с внешней стороны несущей поверхности коробки сообщается с ее внутренним пространством через воздушные жиклеры 11 (их назначение описано ниже).

На фиг.3 видно, что в автоматическом клапане в качестве упругого элемента может быть использован также воздух под избыточным давлением, находящийся во внутреннем пространстве опорной поверхности. Для этого подвижный элемент клапана выполнен в виде дифференциального поршня, состоящего из большого и малого поршней 12 и 13. При появлении платформы над клапаном давление воздушной подушки перемещает дифференциальный поршень вниз, преодолевая давление воздуха на малый поршень 13 и противодействие пружины 15. Воздух к малому поршню 13 клапана подводится по каналу 14 из внутреннего пространства опоры. Окна 7 открываются и воздух из внутреннего пространства опоры выходит под платформу. В дифференциальном клапане пружина 15 имеет небольшую жесткость, так как она предназначена в основном для закрытия клапана при выключенных вентиляторах.

Таким образом, при движении платформы клапаны в опорной поверхности перед ней автоматически открываются под воздействием давления воздушной подушки, а позади платформы закрываются под действием упругого элемента, как только давление над опорной поверхностью падает до атмосферного. Как видно из приведенного описания, клапаны автоматически открываются и закрываются без прямого механического контакта с платформой.

Платформа на воздушной подушке может стоять над горизонтальной несущей поверхностью неподвижно лишь в частном случае, когда имеет место строго симметричное истечение воздуха по периметру платформы. Это возможно, когда вектор центра масс платформы с грузом и вектор давления воздушной подушки лежат на одной вертикальной оси. Поэтому для горизонтального движения платформы ее необходимо наклонить в направлении желаемого движения. Величина ускорения этого движения зависит от массы платформы, угла ее наклона и величины давления воздуха в воздушной подушке. В то же время максимальный угол наклона платформы определяется толщиной воздушной подушки и размерами платформы. На основе известных уравнений аэродинамики дозвуковых потоков и с учетом поправочных коэффициентов рассчитывается необходимая мощность центробежных вентиляторов, снабжающих опору с несущей поверхностью воздухом.

В наиболее простом случае эксплуатации платформ на воздушной подушке специально допускается некоторая утечка воздуха через клапаны, расположенные в несущей поверхности опоры. Тогда подъем платформы на воздушную подушку при ее старте происходит следующим образом. Когда в начальный момент платформа лежит на несущей поверхности, то полость 10 под платформой (фиг.2) за несколько секунд заполняется воздухом, вытекающим через неплотности в закрытых клапанах. Однако утечке воздуха из полости 10 препятствует мягкое уплотнение платформы по периметру. Поэтому скорость утечки воздуха из-под лежащей платформы меньше притока воздуха через зазоры в десятках клапанов, находящихся в несущей поверхности под платформой.

По достижении под платформой определенного давления автоматические клапаны открываются под действием этого давления, приток воздуха под платформу резко увеличивается и платформа поднимается над несущей поверхностью на высоту, равную толщине воздушной подушки.

Однако для опоры с большой несущей поверхностью или большой протяженности рационально использовать клапаны с минимальной утечкой воздуха. Это необходимо для снижения затрат энергии на подачу воздуха внутрь опоры с несущей поверхностью. При малой утечке воздуха через клапаны его необходимое количество для старта платформы обеспечивается выходом воздуха через калиброванные воздушные жиклеры 11 (фиг.2), установленные в несущей поверхности опоры. При этом жиклеры могут устанавливаться в несущей поверхности двумя способами

а) для старта платформы в любом месте жиклеры устанавливают так, что на единицу площади опоры, равной нормальной проекции воздушной платформы на несущую поверхность, приходится не менее одного жиклера;

б) для старта платформы только в предназначенных для этого местах несущей поверхности группы воздушных жиклеров ставят в соответствующих местах несущей поверхности.

По дополнительным затратам энергии на подачу воздуха внутрь опоры оба способа установки воздушных жиклеров приемлемы. При этом очевидно, что второй способ более экономичен.

Выполнение опоры с несущей поверхностью для платформ на воздушной подушке с одновременным использованием корпусов автоматических клапанов в качестве силовых элементов конструкции, соединяющих верхнюю поверхность опоры и ее днище, снижает материалоемкость и стоимость опоры.

Изготовление опоры с несущей поверхностью в виде пространственного каркаса, закрытого воздухонепроницаемой технической тканью или светостойкими конструкционными полимерными пленками, позволяет упростить доставку и монтаж опоры большой площади и снизить ее материалоемкость.

Как видно из материалов заявки, опора с несущей поверхностью состоит из небольшого перечня деталей, изготовление которых возможно методами массового производства - литьем под давлением из пластмасс, экструзией с пневматическим формованием, штамповкой и др.

Проведенные расчеты подтверждают, что устройство работоспособно и поставленная в изобретении цель достигается.

Источники информации

1. Корытов Н.В. Суда и аппараты на воздушной подушке. М., 1964.

2. Пельпор Д.С. Гироскопические приборы и автопилоты. М., 1964.

3. Патент США № 1021040 А, МПК В 60 V 3/04, опублик. 23.02.1966.

1. Опора с несущей поверхностью для перемещения платформы на воздушной подушке, выполненная в виде коробки с перфорированной верхней плоскостью для выхода из нее воздуха, нагнетаемого во внутреннее пространство коробки, при этом отверстия в верхней плоскости коробки выполнены сообщающимися с внутренним пространством коробки через автоматические клапаны, отличающаяся тем, что полость с одной стороны подвижного элемента клапана сообщается с отверстием в верхней плоскости коробки, полость с другой стороны подвижного элемента клапана сообщается с атмосферой, не подверженной давлению воздушной подушки, а окна на боковой стенке корпуса клапана сообщаются с внутренним пространством коробки.

2. Опора по п.1, отличающаяся тем, что подвижный элемент автоматического клапана выполнен в виде дифференциального поршня, при этом цилиндр с одной стороны от большого поршня сообщается с отверстием в верхней плоскости коробки, а цилиндр с другой стороны большого поршня сообщается с атмосферой, не подверженной давлению воздушной подушки, при этом окна на боковой стенке цилиндра с одной стороны от большого поршня и цилиндра с другой стороны большого поршня сообщаются с внутренним пространством коробки.

3. Опора по п.1, отличающаяся тем, что пространство с внешней стороны несущей поверхности коробки сообщается с ее внутренним пространством через воздушные жиклеры.

4. Опора по п.1, отличающаяся тем, что коробка опоры выполнена из пустотелых модулей, смежные боковые грани которых допускают свободное перемещение воздуха по внутреннему пространству, при этом клапаны внутри модулей установлены так, что своей верхней частью они механически связаны с несущей поверхностью, а нижняя часть клапанов механически связана с днищем коробки.

5. Опора по п.1, отличающаяся тем, что коробка опоры выполнена в виде транспортного пути заданной конфигурации для перемещения по нему платформ на воздушной подушке с людьми и грузами, при этом коробка выполнена из пустотелых модулей или в виде пространственного каркаса, закрытого гибким воздухонепроницаемым материалом, например, технической тканью или полимерной пленкой.