Napęd dachu
Żadne szanujące się obserwatorium astronomiczne nie może funkcjonować bez otwieranego dachu. W Borówce zastosowałem mechanizm przesuwnego dachu, tzw. „roll-off”. W wyniku przeprowadzonych analiz, zdecydowałem się odrzucić pomysł instalacji kopuły ze względu na jej istotną wadę, jaką jest brak możliwości korzystania z więcej niż jednego teleskopu. Ponadto, okrągła konstrukcja utrudnia efektywne rozmieszczenie dodatkowego wyposażenia, takiego jak biurko czy szafki.
Skromne początki
Masa dachu szacowana jest na łączny ciężar pomiędzy 600 a 650 kg. Jest on osadzony na sześciu wózkach poruszających się po stalowych szynach, co minimalizuje opory toczenia. Mimo to, manualne przesunięcie dachu przez dorosłą osobę stanowi pewne wyzwanie, zwłaszcza że konieczne jest przyłożenie siły na wysokości około 180 cm powyżej podłogi, która znajduje się 50 cm nad poziomem gruntu. To był napęd w wersji v1.
Szybko pojawiła się koncepcja dwóch linek, zamocowanych na przeciwległych dźwigarach (poziomych belkach, na których opiera się dach). Dla większej wygody linki można owinąć wokół krótkiej listy, co dało znacznie lepszy chwyt. Wkrótce na końcowej części linki znalazło się kilka pętli, co umożliwiało montaż uchwytu w kilku miejscach, w zależności od stopnia wysunięcia dachu. Linki sprawdzały się znacznie lepiej, ale nie były pozbawione wad. Zwisały i istniało ryzyko, że mogą zaplątać się wokół teleskopu lub któregoś z elementów wyposażenia. Miały też inną podstawową wadę, wspólną z poprzednią koncepcją - wymagały obecności na miejscu, bez żadnych szans na automatyzację. Napęd v2 to był pewien postęp, ale ostatecznie okazał się ślepą uliczką.
Napęd elektryczny
Na rynku dostępnych jest kilka rozwiązań dedykowanych dla obserwatoriów, jednak żadne z nich nie spełniało moich specyficznych wymagań. Głównym problemem były rozmiary obserwatorium w Borówce, wynoszące ponad 5 na 5 metrów, oraz związana z nimi masa dachu. W rezultacie, podjąłem decyzję o zaprojektowaniu systemu od podstaw. W tym procesie nieocenioną pomoc otrzymałem od Wojtka i Kamila, właścicieli dwóch pobliskich obserwatoriów, za co serdecznie dziękuję.
Silnik i obciążenie dachu
Sercem napędu v3 jest silnik do bram przesuwnych - BTF Icaro Ultra AC A2000. Jest on w stanie przesuwać bramy o masie do 2000 kg. Niby to dużo, ale sprawa nie jest jednak tak oczywista, jak mogłoby się wydawać. Bramy posadowione są zwykle na dwóch lub trzech wózkach i przez sporą część swojego zakresu ruchu nie są podparte na całej długości. Cała masa rozkłada się w jednej linii. W Przypadku dachu jest on cały czas podparty na 6 wózkach, które poruszają się po dwóch szynach. Dach nie ma żadnych przeciwwag. Za to ma inny problem - potencjalny śnieg.
Dach musi działać również zimą, po opadach śniegu. Mroźne, zimowe noce często oferują świetne warunki obserwacyjne. Dlatego tak ważne jest, żeby dach był operacyjny również przysypany śniegiem. Powierzchnia dachu to ok. 40 m2. Ciężar śniegu mocno zależy od jego charaktrystyki. Puch waży ok. 200kg na m3. Opad śniegu wysokości 50cm zdarza się już raczej rzadko, ale nie jest to zupełnie wykluczona intensywność. Przy założeniu, że spadłoby 50cm śniegu, na każdym m2 leżałoby 100kg śniegu, a na całym dachu ok. 4 tony.
Estymacja wagi samego dachu jest raczej zgrubna. Dwie największe niewiadome to masa i objętość drewna. Dach posadowiony jest na 4 dźwigarach, o profilu 14x14cm i długości 5m lub 5.25m. Tutaj estymacja jest dość precyzyjna, choć heblowanie nieco zmniejszyło objętość. Dach posiada 8 przęseł, każde składające się z ukośnych elementów ciętych pod nietypowymi kątami, wystających poza obrys budynku itd. Masa jednostkowa blachy dachowej jest dobrze znana, natomiast nie wiadomo, jakiej szerokości są zakładki. Kompletnie nieznana jest masa opierzenia, czyli elementów wykończeniowych skraju dachu. Z elementów, które udało się oszacować wyszło 611kg, zatem mogę założyć, że dodatkowe elementy nieuwzględnione w szacunkach podniosły masę całkowitą do 650kg.
Dach posadowiony jest na 6 wóżkach o nośności 2500kg każdy, więc same wózki są w stanie przenieść obciążenie do 15 ton. Konstrukcja nośna budynku składa się z 16 słupów o przkeroju 14x14cm. Wydaje się, że konstrukcja jest na tyle solidna, że powinna bez problemu wytrzymać obciążenie nawet w największe śnieżyce.
Zamontowany silnik BFT Icaro Ultra jest projektowany do bram o masie do 2000kg. Wartość ta jest jednak nieco myląca, ponieważ taki sam silnik w wersji veloce oferuje szybszy przesuw bram do 1000kg. Różnią się one wyłącznie wielkością zębatki. W Przypadku obserwatorium, zastosowałem przekładnię 18:25, zatem z prostej proporcji wynika, że silnik powinien poradzić sobie z masą do 2778kg. Innym istonym czynnikiem, którego niestety nie umiem oszacować jest inna konstrukcja. Bramy zazwyczaj przesuwają się na dwóch lub trzech wózkach, masa rozłożona jest wzdłuż jednej linii. Wóżki montowane są statycznie, a przesuwana brama posiada przeciwwagi, które zapobiegają jest przywróceniu w pozycjach kiedya koniec bramy nie jest podparty. Dach jest posadowiony na 6 wózkach, które cały czas mają pełny kontakt z szynami. Myślę, że dodatkowe równo rozłożone podparcie poprawia opory toczenia. Czy zadziała po śnieżycy, która przyniesie pół metra śniegu? Jest tylko jeden sposób, żeby się przekonać: poczekać i sprawdzić.
Silnik ze zdjętą obudową i założonym łańcuchem wygląda tak:
Wał napędowy
Wojtek i Marceli, właściciele zaprzyjaźnionego obserwatorium początkowo wykonali napęd w taki sposób, że przeniesienie napędu było zrobione tylko wzdłuż jednej z dwóch szyn. Taka konstrukcja napędu jest prostsza. Można zamontować silnik od bramy praktycznie bez żadnych modyfikacji. Niestety, z czasem ujawniły się niefortunne skutki takiego rozwiązania. Siły działające tylko z jednej strony powodowały skręcanie (“przekoszenie”) dachu. Wraz z nieuchronnym powstawaniem luzów, dach coraz bardziej w czasie ruchu przyjmował kształt romboidalny. Co gorsze, przy każdym zamknięcie i otwarciu dach odkształcał się w przeciwne strony, co tylko potęgowało degradację jego sztywności. Nawet Kamil i Michał, z obserwatorium Astrobudka doszli do podobnych wniosków, choć u nich początkowy napęd był nieco inny (listwa przechodząca przez środek dachu).
We wszystkich trzech obserwatoriach konkluzja jest taka sama: w dachach tej wielkości przeniesienie napędu musi następować z dwóch stron. Tak też został zaprojektowany napęd w Borówce. Centralnym elementem napędowym jest silnik bramowy. Jego zębatka bramowa została zastąpiona zębatką łąńcuchową Z18, która przenosi napęd za pomocą łańcucha 08B-1 na kolejną zębatkę Z25, osadzoną na wale.
Łączna długość wału to 489cm. Nie ma praktycznej możliwości wytoczenia takiego wału w jednym kawałku. Być może jakoś się da, ale obróbka i transport elementu takiej wielkości niezwykle skomplikowałby i podniósł koszty operacji. Dlatego też wał składa się z 5 głównych elementów:
- wałek końcowy - zakończony zębatką napędową, która przenosi napęd na listwę zębatą
- pręt gwintowany fi 20
- wałek centralny - łączy dwa pręty oraz posiada zębatkę łańcuchową, która przenosi napęd z silnika na wał
- pręt gwintowany fi 20
- wałek końcowy
Projekt wału centralnego wygląda tak:
Takie podejście ma jeszcze jedną ogromną zaletę. Pręty gwintowane można łatwo dociąć na miejscu na odpowiednią długość, a w przypadku pomyłki, kupno nowego pręta zajmie godzinkę. W przypadku próby toczenia takiego elementu od nowa koszty i opóźnienia byłby o rzędy wielkości większe.
Ta technologia ma jednak pewne ograniczenia. W 2024 w Polsce nie udało mi się znaleźć hurtowni, która sprzedawałaby pręty gwintowane dłuższe niż 2 metry.
A tak przedstawia się wykonany i zamontowany wał centralny:
Jedyną różnicą pomiędzy projektem a wykonaniem jest zmiana gwintu zewnętrznego na wewnętrzny. Zmianę zaproponował tokarz. Gwint wewnętrzny jest solidniejszy, a dodatkowo upraszcza konstrukcję, bo niepotrzebne okazały się złączki i kontry.
Oba wałki końcowe są identyczne. Każdy z trzech wałki osadzony jest na dwóch łożyskach UCPA-206. Wałki posiadają rowki, w których osadzone są pierścienie Segera. Te sprytne pierścienie sprężynowe można nieco rozciągać, a po założeniu mocno trzymają się na miejscu i zabezpieczają całość wału przed przesuwaniem się. Pierścienie Segera mają standaryzowane rozmiary. Na wałek fi 30mm kupuje się pierścień Z30. Rzeczywista średnica jest mniejsza.
Plan wału końcowego przedstawia się tak: 
Wałki zabezpieczone są kontr-nakrętkami oraz umieszczonymi w poprzek kołkami sprężystymi. Wiercenie otworu w pręcie gwintowanym ze stali M88 było nie lada wyzwaniem. Najlepsze wietrła kobaltowe DeWalt extreme tępiły się po kilku wierceniach.
A tak wygląda wałek końcowy zmontowany i osadzony na miejscu: 
Pierwsze próby wykonania projektu w programie FreeCAD zakończyły się niepowodzeniem. Chociaż jest on potężny, mniej zaawansowanego użytkownika odrzuca niejasnym interfejsem, wielością trybów oraz sporą ilością trudnych do zdiagnozowania błędów. Chociaż całość szkieletu obserwatorium narysowałem we FreeCADzie, projekt wałków wykonałem metodą klasyczną - ołówkiem na papierze. Czasami trochę tradycyjnych metod nie zaszkodzi.
Wałki wytoczył Pan Krzysztof w firmy 3D Carbon z Chwaszczyna, którego gorąco polecam.
Regulacja wału
W celu dokładnego spozycjonowania całego wału każdy wałek osadzony jest na dwóch formatkach. Każda posiada otwory podłużne, tzw. fasolki, które umożliwają regulację w jednej osi - jedna formatka wdłuż, a druga w poprzek wału. Całość posadowiona jest na śrubach, które umożliwiają regulację w trzeciej osi. W ten sposób możliwe było dokładne ustawienie osiowości wału. Bałem się, że nieco krzywo zamocowany wał z czasem będzie się wyginał, a zębatki ścierały z jednej strony.
Projekt osady wałków wygląda tak:
Podsumowanie
Jestem programistą i nie znam się na typach łożysk, zębatkach, silnikach bramowych, automatyką sterowania, problemach ślusarsko-tokarskich i wielu innych. Temat pochłonął ogromne ilości czasu. Grubo ponad setkę godzin i prawie pół roku. Ale w końcu mam to za sobą. Napęd działa. Dach odsuwa się wciśnięciem przycisku. Kolejnym krokiem była automatyka, ale temu poświęcę oddzielny wpis już wkrótce.
