Способ управления работой роторного снегоочистителя на автошасси и роторный снегоочиститель на автошасси

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ РОТОРНОГО СНЕГООЧИСТИТЕЛЯ НА АВТОШАССИ И РОТОРНЫЙ СНЕГООЧИСТИТЕЛЬ НА АВТОШАССИ(73) Патентообладатели Богачев Геннадий Иванович(57) 1. Способ управления работой роторного снегоочистителя на автошасси, заключающийся в том, что переходят на уменьшенную скорость движения автошасси, двигатель привода ротора включают на заданную частоту вращения, поддерживаемую регулятором частоты вращения двигателя привода ротора, и при очистке от снега изменяют скорость движения автошасси в зависимости от толщины снежного покрытия и плотности снега, отличающийся тем, что перед Фиг. 2 началом работы по очистке от снега регулятор частоты вращения двигателя привода ротора устанавливают в положение, соответствующее частоте вращения ротора, рассчитанной исходя из требуемого расстояния отбрасывания снега и составляющей величину в пределах от 0,5 до 0,9 максимальной частоты вращения двига 1 2993 1 теля, во время работы по очистке от снега измеряют величину рассогласования расчетной и фактической частоты вращения двигателя ротора и увеличивают скорость движения автошасси до тех пор, пока значение фактической частоты вращения не станет меньше расчетной на 50-60 об/мин, а при значении фактической частоты вращения меньше расчетной на величину больше чем 60 об/мин по выработанному сигналу переходят на уменьшенную скорость движения автошасси. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость движения автошасси изменяют ступенчато. 3. Роторный снегоочиститель на автошасси, снабженном двигателем, системой регулирования скорости движения автошасси и ходоуменьшителем, содержащий рабочий орган для очистки от снега, снабженный ротором и устройством разрушения снегового покрытия и подачи снега на вход ротора, которые подключены к двигателю привода ротора, оборудованному регулятором частоты вращения двигателя привода ротора и датчиком частоты вращения, отличающийся тем, что регулятор частоты вращения двигателя привода ротора снабжен дополнительно устройством управления, которое подключено к датчику частоты вращения,оборудовано задатчиком расстояния отбрасывания снега, блоком расчета частоты вращения и командным устройством изменения установки регулятора частоты вращения двигателя привода ротора и выработки сигнала на изменение скорости движения автошасси.(56) 1. Шалман Д.А. Снегоочистители. Конструкция, теория и расчет. - Л-д. Машиностроение, 1975. 2. А.с. СССР 988953, МПК Е 01 Н 5/09, 1983. 3. А.с. СССР 1135833, МПК Е 01 Н 5/09, 1983. 4. А.с. СССР 1458472, МПК Е 01 Н 5/09, 1989. 5. А.с. СССР 1208125, МПК Е 01 Н 5/09, 1986. 6. Снегоочиститель шнекороторный на автошасси Урал-4320 ДЭ-226. Техническое описание и инструкции по эксплуатации ДЭ-226.00.00.000 ТО.-1987.-С. 5, 38-51, 68-70 (прототип). 7. Давидович С.М., Тальвик К.И. Тракторы и автомобили. - М. - Л-д. Машиностороение, 1958. Изобретение относится к машинам для очистки от снега, устанавливаемым на автомобиле с использованием дизельного двигателя для привода рабочих органов снегоочистителя. Для очистки от снега дорог, аэродромов и других путей для транспорта обычно используются снегоочистители, устанавливаемые на транспортном средстве, чаще всего на автомобиле. Очистка от снега связана со значительными расходами энергии и совершенствование снегоочистителей представляет собой актуальную техническую задачу. Снегоочиститель представляет собой автономный мобильный агрегат, оснащенный энергосиловой установкой относительно большой мощности (Р 500 кВт ). Традиционно 1 энергия силовых агрегатов распределяется следующим образом метательная установка - 6080 питатель - 1530 привод шасси - 810. Известны технические решения 2, позволяющие использовать в работе мощность двигателя автошасси и дополнительно установленного приводного двигателя ротора. При этом силовая передача содержит элементы, позволяющие объединять потоки мощности от двух двигателей. Однако это техническое решение не получило широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного с малой надежностью и большой сложностью конструкции силовой передачи Известны многочисленные технические решения, направленные на уменьшение затрат энергии при очистке от снега дорог. Например, приведенный в описании изобретения 3 способ автоматического изменения скорости вращения разрушающих снеговое покрытие шнеков в зависимости от величины тягового сопротивления автошасси позволяет снизить суммарный расход энергии на очистку от снега. Однако известный способ не исчерпывает всех возможностей экономии энергии. Известны также технические решения, позволяющие оптимизировать распределение затрат энергии на выполнение функций отдельными агрегатами снегоочистителя. Например, согласно 4, обеспечивается две различные скорости вращения роторного метателя снега при неизменной скорости вращения питателя. Такое решение позволяет уменьшить суммарный расход энергии на разрушение снегового покрытия и перемещение снега. Однако конструкция рабочего органа снегоочистителя при этом усложняется, и упомянутое техническое решение не получило распространения. Известны также технические решения, в которых используют электроэнергию для снижения энергоемкости разработки снега, например приведенное в 5. В этом техническом решении может быть получена экономия суммарных затрат энергии на очистку от снега. Однако это техническое решение имеет очень сложную конструкцию, низкую надежность в эксплуатации. Наличие дополнительных нагреваемых электричеством рыхлителей в виде проволочных элементов приводит к повышенным эксплуатационным расходам из-за частого разрушения таких элементов скрытыми в снегу посторонними предметами. Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является способ управления работой роторного снегоочистителя на автошасси и устрой 2 2993 1 ство роторного снегоочистителя на автошасси, приведенные в 6 и принятые авторами за прототип заявляемого изобретения. Принятый за прототип объект в части способа представляет собой способ управления работой роторного снегоочистителя на автошасси, заключающийся в том, что переходят на уменьшенную скорость движения автошасси, двигатель привода ротора включают на максимальную частоту вращения, поддерживаемую регулятором, и при очистке от снега изменяют скорость движения автошасси в зависимости от толщины снежного покрытия и плотности снега 6. Принятый за прототип объект в части устройства представляет собой роторный снегоочиститель, содержащий автошасси, снабженное двигателем, системой регулирования скорости движения автошасси и ходоуменьшителем, содержащий также рабочий орган для очистки от снега, снабженный устройством разрушения снегового покрытия и подачи снега на вход ротора и ротором, которые подключены к двигателю привода ротора, оборудованному регулятором и датчиком частоты вращения6. Принятые за прототип способ и устройство обеспечивают очистку от снега аэродромов, автомагистралей,а также отбрасывание снежных валов, образованных другими снегоочистителями. Однако принятые за прототип способ и устройство имеют существенные недостатки, заключающиеся в том, что при работе по очистке от снега затрачивается избыточное количество энергии, особенно проявляющееся при очистке от снега дорог, когда дальность отбрасывания снега ограничивается обычно 15-17 м 1. Способ управления работой роторного снегоочистителя на автошасси, принятый в прототипе, подразумевает максимальную дальность отброса массы снега, независимо от снеговой нагрузки и скорости движения автошасси. Действительно, для обеспечения безопасности не следует считаться с расходом топлива. При работе по очистке от снега автомобильных дорог такой алгоритм работы снегоочистителя является нецелесообразным. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования мощности установленных на снегоочистительном агрегате двигателей, что позволит уменьшить расход энергии и соответственно количество сжигаемого топлива. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке более эффективного режима работы и алгоритма регулирования двигателей снегоочистителя. Использование изобретения при проектировании и изготовлении новых роторных снегоочистителей на автошасси, а также при модернизации находящихся в эксплуатации позволит значительно снизить затраты топлива, что повышает их конкурентоспособность в сравнении с известными. Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении способа управления работой роторного снегоочистителя на автошасси, заключающегося в том, что переходят на уменьшенную скорость движения автошасси, двигатель привода ротора включают на заданную частоту вращения, поддерживаемую регулятором, и при очистке от снега изменяют скорость движения автошасси в зависимости от толщины снежного покрытия и плотности снега, согласно изобретению, перед началом работы по очистке от снега регулятор устанавливают на частоту вращения ротора, рассчитанную из требуемого расстояния отбрасывания снега и составляющую величину в пределах от 0,5 до 0,9 максимальной частоты вращения двигателя, во время работы по очистке от снега измеряют величину рассогласования расчетной и фактической частоты вращения двигателя привода ротора и увеличивают скорость движения автошасси до тех пор, пока значение фактической частоты вращения не станет меньше расчетной на 50-60 об/мин, а при значении фактической частоты вращения меньше расчетной на величину больше чем 60 об/мин по выработанному сигналу переходят на уменьшенную скорость движения автошасси. При этом скорость движения автошасси изменяют ступенчато. Для осуществления предлагаемого способа в роторном снегоочистителе на автошасси, снабженное двигателем, системой регулирования скорости движения автошасси и ходоуменьшителем, содержащий также рабочий орган для очистки от снега, снабженный ротором и устройством разрушения снегового покрытия и подачи снега на вход ротора, которые подключены к двигателю привода ротора, оборудованному регулятором частоты вращения двигателя привода ротора и датчиком частоты вращения, согласно изобретению,регулятор частоты вращения двигателя привода ротора снабжен дополнительно устройством управления,которое подключено к датчику частоты вращения, оборудовано задатчиком расстояния отбрасывания снега,блоком расчета частоты вращения и командным устройством изменения установки регулятора частоты вращения двигателя привода ротора и выработки сигнала на изменение скорости движения автошасси. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что перед началом работы по очистке от снега регулятор устанавливают на частоту вращения ротора, рассчитанную из требуемого расстояния отбрасывания снега и составляющую величину в пределах от 0,5 до 0,9 максимальной частоты вращения двигателя, во время работы по очистке от снега измеряют величину рассогласования расчетной и фактической частоты вращения двигателя ротора и увеличивают скорость движения автошасси до тех пор, пока значение фактической частоты вращения не станет меньше расчетной на 50-60 об/мин, а при значении фактической частоты вращения меньше расчетной на величину больше чем 60 об/мин по выработанному сигналу переходят на уменьшенную скорость движения автошасси. 3 2993 1 Такое техническое решение позволяет обеспечить оптимизацию затрат энергии на очистку от снега. При сравнительно небольших расстояниях отбрасывания снега при очистке автомобильных дорог (15-17 м) необходимая частота вращения ротора уменьшается (см. кривую Р рот на фиг. 1) по кубической зависимости. Если уменьшить частоту вращения ротора на 20(см. точку 3 на фиг. 1), то потребляемая мощность уменьшится в 2 раза. В то же время за счет увеличения скорости движения автошасси на 20 можно восстановить производительность шнекоротора по перемещаемому количеству снега. Расход топлива двигателя автошасси при этом возрастает линейно, примерно на 20 . Мощность двигателя автошасси составляет примерно 0,5 мощности двигателя привода шнекоротора. Таким образом, при оптимальном режиме работы снегоочистителя получаем значительную экономию затрат энергии. Ограничение дальности отброса снежной массы величиной 15-17 м в большинстве случаев (99 ) обеспечивает основное функциональное назначение снегоочистителя - очистку дорог. При очистке аэродромов применение изложенной методики управления снегоочистителем мало эффективно, так как в этом случае требуется максимально возможная дальность отбрасывания и снегоочиститель работает в режиме, показанном на фиг. 1 точкой 1. При установке регулятора на частоту вращения ротора, составляющую величину менее чем 0,5 максимальной частоты вращения двигателя, дизельный двигатель привода ротора попадает в область неустойчивой работы, в которой увеличивается расход топлива за счет неполноты сгорания, двигатель начинает дымить, что недопустимо по экологическим соображениям 7. При установке регулятора на частоту вращения ротора, составляющую величину более чем 0,9 максимальной частоты вращения двигателя, использование заявляемого способа малоэффективно, так как диапазон регулировочной характеристики регулятора при установке его на максимальную частоту вращения составляет 10 и перевод задатчика на установку частоты вращения в диапазоне от 0,9 до 1,0 только усложняет работу водителя, не приводит к существенной экономии топлива в связи с тем, что в этих пределах почти такая же эффективность достигается при использовании способа, принятого за прототип. Другой отличительной особенностью заявляемого способа является то, что сигнал на изменение скорости движения автошасси вырабатывают при величине рассогласования расчетной и фактической частоты вращения двигателя привода ротора в 50-60 об/мин. Как видно из характеристики двигателя привода ротора на фиг.1, до снижения частоты вращения в указанных пределах регулятор автоматически обеспечивает устойчивую работу двигателя привода ротора При этом вырабатываемая двигателем привода ротора мощность превышает потребляемую ротором мощность (точки 2, 3, 4 на фиг. 1), что позволяет увеличивать нагрузку на ротор путем увеличения плотности снега, который подается устройством подачи. Плотность снега увеличивают повышением скорости движения автошасси. Характеристика зависимости вырабатываемой дизельным двигателем мощности в зависимости от частоты вращения приведена на фиг. 1. При установке всережимного регулятора топливного насоса дизельного двигателя на поддержание заданной частоты вращения (1,2,3,4) кривая вырабатываемой дизелем мощности имеет явно выраженный оптимум. При изменении частоты вращения до 50 об/мин двигатель работает при максимальных значениях КПД. При изменении частоты вращения более чем на 60 об/мин двигатель выходит за пределы оптимальной работы. Из анализа фиг. 1 следует, что в заявляемом роторном снегоочистителе на автошасси наиболее оптимально в сравнении с известными техническими решениями используется мощность двигателя привода шнекоротора. Заявляемое техническое решение позволяет получить устойчивую работу двигателя привода шнекоротора, без увеличения нагрузки на водителя. Такое техническое решение позволяет значительно лучше использовать мощности устанавливаемых на снегоочистителях двигателей, что особо существенно при модернизации действующих роторных снегоочистителей с использованием заявляемого изобретения. Кроме того, использование заявляемого алгоритма управления работой роторного снегоочистителя не требует каких-либо дополнительных затрат, что снижает эксплуатационные расходы. В таблице приведены результаты проверки заявляемого способа, выполненные в сезон 1996-1997 г. Параметры работы снегоочистителя 21 27 Фактическая частота вращения двигателя ротора, об/мин 1160 1150 1400 1340 1330 1450 1400 2993 1 Мощность на привод ротора,кВт Мощность на автошасси, кВт Суммарный расход топлива,кг/час Как видно из таблицы, при уменьшенных расстояниях отбрасывания снега производительность снегоочистителя лимитируется его рабочим органом, возможностью разрушения снегового покрытия и подачи снега на вход ротора, которая определяется ограничениями в скорости движения автошасси при очистке снега. Еще одной отличительной особенностью заявляемого способа является то, что скорость движения автошасси изменяют ступенчато. Это позволяет снизить нагрузку на водителя, так как ему достаточно выполнить переключение коробки передач. При разработке автоматического переключателя коробки передач управление скоростью движения снегоочистителя при работе по очистке от снега может быть полностью автоматизировано. Роторный снегоочиститель на автошасси для осуществления заявляемого способа, кроме элементов,обеспечивающих выполнение рассмотренных выше функций, которые в основном могут быть реализованы уже известными средствами, имеет дополнительно свои отличительные особенности, обеспеченные разделением функций между элементами установки. Отличительной особенностью конструкции является то, что регулятор частоты вращения двигателя привода ротора снабжен дополнительно устройством управления, которое подключено к датчику частоты вращения, оборудовано задатчиком расстояния сбрасывания снега, блоком расчета частоты вращения и командным устройством изменения установки регулятора частоты вращения двигателя привода ротора и выработки сигнала на изменение скорости движения автошасси. Эта отличительная особенность позволяет использовать увеличенную скорость движения автошасси без дополнительной нагрузки на водителя. Требовать от водителя одновременно следить за дорогой и за расстоянием отброса снежной массы нецелесообразно, предлагаемое устройство обеспечивает требуемое расстояние отброса снега без отвлечения водителя. Отличительной особенностью конструкции является и то, что командное устройство вырабатывает сигнал на изменение скорости движения автошасси. Эта отличительная особенность позволяет обеспечить автоматизацию управления снегоочистителем за счет, например, разработки блока автоматического регулирования скорости движения автошасси по этому сигналу. В то же время сохраняется возможность использовать заявляемое изобретение на существующих снегоочистителях, передавая выработанный командным устройством сигнал водителю. Эксперименты показали, что при использовании заявляемого устройства, значительно снижается нагрузка на водителя. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать более эффективный режим работы водителя и алгоритм регулирования двигателей снегоочистителя, экономящий расход топлива, что соответственно обеспечит конкурентоспособность заявляемого изобретения на современном рынке. На фиг.1 представлено изменение относительной мощности Р от частоты вращения , Кривая Р рот отображает изменение потребляемой ротором снегоочистителя энергии. Кривые Р 1, Р 2, Р 3 отображают изменение мощности двигателя привода ротора при различных установках регулятора - рычага управления топливным насосом дизельного двигателя. Точками 1, 2, 3, 4 отмечены характерные для потребляемой ротором снегоочистителя мощности значения частоты его вращения. На фиг.2 изображена принципиальная схема заявляемого роторного снегоочистителя на автошасси, поясняющая осуществление заявляемого способа. Заявляемый роторный снегоочиститель содержит автошасси 1, снабженное двигателем 2, системой 3 регулирования скорости движения автошасси и ходоуменьшителем 4. К системе регулирования скорости движения автошасси следует отнести, кроме водителя, также средства управления коробкой перемены передач 5, муфтой переключения ходоуменьшителя 6, муфтой сцепления 7 и муфтой 8 подключения шнеков. Трансмиссия автошасси содержит также стандартные передающие мощность карданные валы, коробку перемены передач 5, раздаточную коробку 9, дифференциалы 10. Снегоочиститель содержит также рабочий орган для очистки от снега, снабженный устройством разрушения снегового покрытия и подачи снега на вход ротора, выполненное в виде шнеков 11, и ротором 12, которые подключены к двигателю 13 привода ротора через промежуточный редуктор 14 и раздаточную передачу 15. Шнеки 11 подключены к раздаточной передаче 15 с помощью цепной передачи 16 и муфты 8. Двигатель 13 привода ротора оборудован регулятором 17, представляющим собой стандартный для дизельного двигателя всережимный регулятор топливного насоса. 5 2993 1 Контроль частоты вращения двигателя 13 осуществляется с помощью датчика 18 частоты вращения. Регулятор 17 частоты вращения двигателя привода ротора снабжен дополнительно устройством управления,которое подключено к датчику 18 частоты вращения и оборудовано задатчиком 19 расстояния отбрасывания снега, блоком 20 расчета частоты вращения и командным устройством 21 изменения установки регулятора 17 частоты вращения двигателя привода ротора и выработки сигнала на изменение скорости движения автошасси. Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Так же как и в прототипе, для выполнения работ по очистке от снега переходят на уменьшенную скорость движения автошасси 1, для чего подключают с помощью муфты 6 ходоуменьшитель 4. Перед началом работы по очистке от снега регулятор 17 устанавливают на частоту вращения ротора 12,рассчитанную из требуемого расстояния отбрасывания снега. Для этого задатчиком 19 устанавливают величину расстояния отбрасывания и двигатель 13 привода ротора включают на заданную частоту вращения, составляющую величину в пределах от 0,5 до 0,9 максимальной частоты вращения двигателя и поддерживаемую регулятором 17, соединенным с рейкой топливного насоса. Во время работы по очистке от снега измеряют величину рассогласования расчетной частоты вращения двигателя привода ротора, которая определена блоком 20 по установке задатчика 19, и фактической, измеряемой датчиком 18, и увеличивают скорость движения автошасси до тех пор, пока значение фактической частоты вращения не станет меньше расчетной на 50-60 об/мин. При увеличении скорости движения автошасси производительность снегоочистителя соответственно увеличивается. Устройством разрушения снегового покрытия и подачи снега - шнеками 11 захватывается большее количество снега и производится его уплотнение перед подачей на ротор 12, что позволяет привести в соответствие потребляемую ротором мощность и мощность, вырабатываемую двигателем 13 привода ротора. При появлении значения фактической частоты вращения меньше расчетной, превышающей величину 60 об/мин, что свидетельствует о перегрузке двигателя 13 привода ротора, вырабатывают с помощью командного устройства 21 сигнал, передаваемый в систему управления 3 двигателем автошасси или водителю, и переходят на уменьшенную скорость движения автошасси. Водитель с помощью коробки 5 перемены передач переключает привод автошасси 1 на другую скорость движения. При таком алгоритме работы дизельный двигатель 13 привода ротора большую часть времени работает на средних (50-90 от номинальных) оборотах, что обеспечивает уменьшение расхода топлива за счет работы в пределах максимума индикаторного давления и КПД. Ресурс работы дизеля в этом случае возрастает. Из диаграммы на фиг. 1 видно, что появляется возможность увеличения скорости автошасси, например,если линейная скорость машины вырастает в 2 раза, а скорость метания снега снижается примерно на 20 ,то при этом производительность агрегата в целом возрастает на 60 . Кроме того, при таком режиме работы снегоочистителя резко снижается расход топлива на привод двигателя шнекоротора. Повышение производительности снегоочистителя при снижении частоты вращения ротора объясняется эффектом уплотнения снежной массы в питателе как следствие, более высокой эксплуатационной скоростью движения автошасси 1 снегоочистителя. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом повышают конкурентоспособность заявляемого технического решения, так как оно обеспечивает повышение экономичности эксплуатации. Расчеты и эксперименты, выполненные авторами, показали, что в сравнении с известными техническими решениями, заявляемое изобретение обеспечивает снижение нагрузки на водителя при эксплуатации при значительном уменьшении энергозатрат. Натурные испытания модернизированного снегоочистителя в течение зимы 1996-1997 гг. показали, что использование заявляемого способа управления работой роторного снегоочистителя на 40-50 снижает расход топлива на двигатель привода шнекоротора. Экономический эффект от использования приведенного способа управления работой роторного снегоочистителя достигает 0,8 - 1,1 млн. руб/смен (при 10 часовом рабочем дне). Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.