Круж.ком

2.4. Подставки с шаровой опорой

Недостатки «козел» очевидны - кружевнице приходится часто поворачивать не только валик на подставке, но и всю конструкцию вместе с валиком относительно трёх пространственных осей. Плетение на такой оснастке в течение рабочего дня требует от кружевницы незаурядной физической выносливости, не меньшей, чем у грузчика-такелажника. А ведь рукам, занятым тончайшей работой, силовая нагрузка категорически противопоказана!
Физическая перегрузка кружевницы исключается при использовании подставок с наклонной платформой и с шаровой опорой. Но у наклонной платформы имеются серьёзные ограничения на размеры валика. Обзор в Интернете подтверждает этот факт. Вот почему русские кружевницы, работающие с большими и тяжёлыми валиками, вынуждены работать на примитивных «козлах». Многие из них просто не подозревают о существовании подставок с шаровой опорой.
Сферический шарнир даёт подставке три степени свободы. Все три угловые координаты валика - азимут, тангаж и крен - регулируются независимо друг от друга. Заметим, что подставка с наклонной платформой таким свойством не обладает даже теоретически. При повороте валика на наклонной платформе одновременно изменяются все координаты. То же самое происходит, например, с координатами самолёта, выполняющего манёвр по курсу: вектор скорости поворачивается при одновременном изменении курсового угла (азимута) и крена фюзеляжа. Справедливости ради следует заметить, что кружевница не испытывает никаких неудобств от того, что угловые координаты валика оказываются зависимыми. Ведь главное достигнуто - подставка приняла на себя вес валика и поэтому руки не устают при манипуляциях с валиком.
В идеале центр тяжести валика должен быть совмещён с центром вращения сферической опоры. Поскольку это в явном виде конструктивно неосуществимо, приходится отступать от оптимальной кинематической схемы, а именно - устанавливать валик 1 на платформе 2, соединённой штангой 3 с шаром 4 (рис.2.24).

Рис.2.24. Схема шаровой опоры валика

Схема обеспечивает хорошую управляемость, но вынос центра тяжести валика из центра вращения шарнира усложняет и без того непростую задачу фиксации платформы. Возникают длинные плечи L1 и L2 рычагов, при которых нужно создавать большие силы трения в шаровом сочленении опоры для удержания валика в заданном пространственном положении. Задача несколько облегчается при увеличении диаметра шара.
В Вятке подставки для валиков с шаровой опорой (рис.2.25). применяются уже более 30 лет [8].

Рис.2.25. Подставка с шаровой опорой. Вятка

Идея шаровой опоры не нова. Давно известны приспособления для позиционирования планшетов, мольбертов и других устройств (рис.2.26 и рис.2.27). В указанных случаях не требуется частая смена положения рабочей поверхности, да и диапазон угловых регулировок невелик.

Рис.2.26. Планшет с шаровой опорой

Рис.2.27. Оснастка для изготовления ковриков

В процессе плетения сцепного кружева валик приходится поворачивать очень часто, поэтому механизмы, показанные на рис.2.26 и рис.2.27, мало пригодны для русских кружевниц. В вятской конструкции, показанной на рис.2.25, идеально решается задача фиксации положения валика, но управляемость оказывается неудовлетворительной.
На фотографии видно, что педаль предназначена для освобождения шаровой опоры от торможения, но в конструкции ничего не предусмотрено для возврата рычага в исходное состояние. Поэтому кружевница вынуждена рукой движением «к себе» подтягивать рычаг, чтобы зафиксировать валик в новом положении. Естественно, избегая лишних движений, она выбирает такое постоянное положение рычага, при котором торможение оказывается уже достаточным для работы, но в тоже время ещё не таким сильным, чтобы можно было снова поворачивать валик. Вот почему кружевницы, которые работают на вятской подставке, единодушно заявляют, что педаль им совсем не нужна.
И с таким недостатком вятская подставка существует уже более 30 лет! А ведь эта досадная недоработка прекрасно задуманного приспособления устраняется всего лишь парой простых пружин, как это сделали авторы данной книги (рис.2.28).

Усовершенствование достигнуто простыми преобразованиями исходной подставки.
1. Рычаг управления шаровой опоры удлинён в 3.5 раза с целью уменьшения усилия торможения.
2. Удалены две «штатные» детали подставки, а именно - педаль и тяга, соединяющая педаль с рычагом шаровой опоры (здесь они действительно не нужны!).
3. Под крестовиной закреплена несущая плита, на которой установлены новые узлы подставки:
- опора управляющего шкива с педалью управления;
- кронштейн шкива, предназначенного для изменения направления вектора управляющего усилия для рычага шаровой опоры;
- кронштейн шкива, изменяющего направление вектора силы дополнительной пружины, предназначенной для восстановления положения шкива и педали.

Рис.2.28. Усовершенствованная вятская подставка

Настройка узлов управления выполняется тремя операциями:
- выбор длины первого корда, связанного с основной пружиной, по значению силы натяжения пружины, достаточному для надёжного торможения шаровой опоры;
- выбор точки закрепления второго корда на окружности шкива управления;
- выбор двух точек ограничения поворота управляющего шкива в обоих направлениях.

Теперь кружевнице не нужно руками прикасаться к рычагу управления. Она нажимает ногой педаль и тем самым освобождает шаровую опору от тормоза. При этом две пружины растягиваются, запасая энергию. Установив валик в новое положение, кружевница снимает ногу с педали. Пружины, сжимаясь, возвращают рычаг управления в исходное состояние, и валик фиксируется в выбранном положении.
Возможности управления угловым положением валика в вятской подставке определяются регулировочной характеристикой механизма торможения (рис.2.29), представляющей зависимость силы торможения шаровой опоры от углового положения рычага управления.

Рис.2.29. Регулировочная характеристика шаровой опоры

В идеальном механизме желательна линейная характеристика с чётко выраженными точками полного торможения и полного освобождения. В реальной подставке фактическое торможение достигается плавно, что заставляет увеличивать начальное значение силы растяжения пружины и, следовательно, угловой диапазон регулирования рычага управления.
В образце вятской подставки, доставшейся авторам книги, угол поворота рычага шаровой опоры от полного торможения до состояния освобождения от тормоза, составляет ΔX = Xmax - Xmin ≈ 70°.

Если шаровая опора не сильно изношена, диапазон регулировки может оказаться меньше, например, ΔX ≈ 30°.
Модернизация вятской подставки произведена с применением подручных средств. В их числе - дверная пружина длиной 260 мм, разрубленная на две части (диаметр витков 20 мм, диаметр проволоки 2 мм), фанера толщиной 10 мм, древесно-стружечная плита толщиной 16 мм, два ролика от коньков и велосипедная «звёздочка» с одной педалью. Ось вращения управляющего шкива с педалью установлена на четырёх шариковых подшипниках для уменьшения стартового усилия управления. В результате модернизации вес подставки уменьшен на 23% (с 27 кг до 20.8 кг).

Если подставку конструировать заново (с перспективой промышленного серийного производства), то попутно следует устранить ещё один существенный недостаток вятского устройства - его избыточную металлоёмкость и избыточную массу. На этот недостаток не обращали внимания 35 лет тому назад, но в настоящее время, когда существуют высокопрочные синтетические материалы, нужны современные технические и технологические решения.
Упомянутая избыточность объясняется тем, что вятская подставка проектировалась для художественных промыслов кружевоплетения, где используются большие и тяжёлые валики (диаметр до 35 см, длина до 70 см и масса до 5 кг). В таких условиях на первое место, естественно, выходит требование устойчивости подставки. В вятской конструкции оно удовлетворено двумя способами:
- увеличением базового размера крестовины до 55 см;
- увеличением массы подставки до 27 кг.

При этом допущена ошибка - отождествлены понятия «устойчивость» и «массивность». Конструкторы подставки, насколько можно догадаться, перенесли на новую конструкцию личный опыт проектирования тяжёлых транспортных механизмов или кузнечно-прессового оборудования. Однако уже более 100 лет в учебниках по технической механике приводятся многочисленные примеры повышения устойчивости и прочности несущих конструкций из металла, древесины, а теперь - из полимеров, причём отнюдь не за счёт увеличения массы.
Вятская подставка изготовлена малой серией для одного региона. По этой причине о ней знают немногие в других российских губерниях, и она практически недоступна в массовом кружевоплетении на дому. Однако подобную подставку можно изготовить и дома, если удастся достать готовый шарнир с механизмом торможения.
Авторам представилась возможность приобрести механизм фирмы Kaindl Industrie под названием «Kombihalter mit Kugelgelenk», что буквально переводится как «комбинированный держатель с шаровым суставом» (рис.2.30). Адрес поставщика в глобальной сети - www.kaindl.de (Германия).

Рис.2.30. Шарнир фирмы «Kaindl Industrie»

Фирма рекламирует свой механизм как средство решения задач, далёких от кружевоплетения, но в контексте обсуждаемой здесь проблемы - это главный узел универсальной подставки. Шарнир легко встроить в подставку с минимальной доработкой - как и в вятской подставке, нужно только удлинить рукоятку управления.
Под универсальностью подставки понимается её пригодность для работы с разнообразными подушками, как цилиндрическими, так и дисковыми.
Общий вид универсальной подставки показан на фотографиях (рис.2.31 и рис.2.32).

Рис.2.31. Универсальная подставка. Вид 1

Рис.2.32. Универсальная подставка. Вид 2

Её принцип действия такой же, как у модернизированной вятской подставки. Кружевница нажатием педали снимает шаровую опору с тормоза и поворачивает валик. Сняв ногу с педали, она даёт возможность пружине вернуть рычаг торможения в исходное состояние.

Ширина нижней платформы достаточна для размещения педали и элементов крепления стоек. Площадь опоры выбрана так, чтобы подставка была устойчивой при установке валиков диаметром до 40 см и дисковых подушек диаметром около 60 см. Высота платформы принимает два значения - 14 см для маленьких валиков (диаметром до 30 см) и 4 см - для больших. Регулировка высоты достигается изменением положения пары «лыж», прикреплённых «рояльными» петлями к нижней платформе. Если на подставке размещается маленький валик, «лыжи» ставят «на ребро», если большой - укладывают «плашмя». Разница между двумя размерами лыжи составляет 10 см, на такую же величину изменяется и высота подставки.

Навесные приспособления для валиков выполнены в виде лотков с бортами, высота которых составляет 30-40% от радиуса цилиндра. Каждый лоток имеет пару посадочных отверстий диаметром 8 мм с межцентровым расстоянием 110 мм. На рис.2.33 показаны приспособления для валиков диаметром до 30 см. Для управления поворотами и наклонами валиков на бортах установлены стандартные дверные ручки.

Рис.2.33. Навесные приспособления (лотки) для валиков

Примеры установки навесного оборудования на универсальной подставке показаны на рис.2.34 и рис.2.35.

Рис.2.34. Подставка с валиком диаметром 28 см.

«Лыжи» поставлены на ребро

Рис.2.35. Подставка с валиком диаметром 36 см
«Лыжи» лежат плашмя

Приспособление для дисковой подушки выполнено в виде коробки, на которой установлены радиальные держатели, заканчивающиеся ограничителями (рис.2.36).

Рис.2.36. Подставка для дисковой подушки