Способ контроля и обеспечения качества противогололёдной обработки поверхности дорожного покрытия и тротуара машиной с дисковым распределителем
METHOD FOR MONITORING AND ENSURING THE QUALITY OF DEICING TREATMENT OF THE SURFACE OF THE PAVEMENT AND SIDEWALK BY A MACHINE WITH A PLATE DISTRIBUTOR

Изобретение относится к оборудованию для распределения твердого противогололедного материала по тротуарам (и прочим элементам обустройства дорог) и может быть использовано для контроля и управления качеством противогололедной обработки тротуаров.
Известно устройство разбрасывателя твердого и жидкого противогололедного материала для транспортного средства, которое реализует способ обеспечения заданных показателей качества распределения противогололедного материала за пределами контура машины. Устройство содержит емкость для гранулированного материала, имеющую три подающих желоба (питателя), проходящих вдоль продольной оси транспортного средства. Два желоба (питателя), подающие твердый противогололедный материал, могут перемещаться из продольного положения в положение, поперечное по отношению к оси машины, и имеют длину, позволяющую распределительному диску располагаться за пределами внешнего бокового контура машины. Конвейер с гидравлическим двигателем расположен в каждом питателе и подает твердый материал к трем распределительным дискам. Также предусмотрен резервуар для жидкого противогололедного материала с линиями подачи жидкости к каждому из распределительных дисков. Контроль за процессом распределения материалов при помощи гидравлических средств осуществляет электронный блок управления. В зависимости от скорости движения машины, требуемой плотности распределения противогололедного материала и ширины полосы обработки в начале процесса распределения устанавливается значение расхода твердого и жидкого материала, а также значение частоты вращения дисков. При помощи гидравлических блоков управления гидравлическими двигателями конвейеров и насосов, соответственно, твердые противогололедные материалы извлекаются из бункера, а жидкие - из отдельных баков, после чего материалы подаются на вращающиеся распределительные диски для осуществления процесса распределения. При этом электронный блок управления непрерывно получает от электронного регулятора сигналы о значении скорости движения машины с целью обеспечения возможности изменения количества подаваемого противогололедного материала для соблюдения нормы расхода. Изобретение позволяет достигнуть распределения твердого и жидкого противогололедного материала с требуемой шириной полосы обработки и нормой распределения противогололедных материалов с возможностью установки распределительных дисков за пределами контура машины (см. патент США №4442979 А, Е01С 19/20, опубл. 1981 г.).
Недостатком данного изобретения является то, что в нем распределительное оборудование реализует несимметричный способ подачи противогололедного материала на диск, который изначально не обеспечивает условий равномерного распределения частиц противогололедного материала по покрытию, а именно, равенство объема противогололедного материала, одновременно поступающего на каждую область диска, ограниченную двумя лопатками. Также устройство не позволяет учитывать деформацию полосы обработки, возникающую при воздействии на нее ветровой нагрузки. Следовательно, способ не позволяет в ходе противогололедной обработки обеспечивать и контролировать равномерность распределения частиц противогололедного материала и степень отклонения фактической ширины полосы обработки от заданной.
Известно устройство для распределения противогололедных материалов, которое реализует способ автоматического контроля противогололедной обработки покрытий, принятый в качестве прототипа, который заключается в том, что при работе используют бортовую систему управления с блоком управления, реализующую при помощи введенных в блок памяти системы математических моделей движения жидкого противогололедного материала по рабочему оборудованию и в воздушной среде, процедуру расчета ширины зоны распределения, зоны перекрытия распределительных дисков и неравномерности распределения жидкого противогололедного материала как отклонение фактической плотности распределения капель по площади полосы распределения от плотности, рассчитанной при идеальных условиях в отсутствии ветра. При этом используют данные, вносимые в блок памяти системы управления, и поступающие от датчиков для фиксации частоты вращения диска, давления подачи жидкого противогололедного материала, скорости движения машины, расхода противогололедного материала, скорости и направления ветра, а также линейных и угловых перемещений диска. Кроме того, используют внесенные в блок памяти системы управления базы данных конструктивных и геометрических параметров диска. В случае, если требуемые значения ширины полосы распределения и зоны перекрытия дисков не достигнуты, а также в случае, если отклонение фактической плотности распределения противогололедного материала по площади зоны распределения от плотности, рассчитанной при идеальных условиях в отсутствии ветра превышает допускаемое максимальное значение, то непосредственно в процессе распределения противогололедного материала осуществляют подбор эксплуатационных параметров рабочего оборудования и фактического значения расхода противогололедного материала (см. патент РФ №2734623, МПК Е01Н 10/00, Е01С 11/24, опубл. 2020 г.). Недостатком данного способа является то, что он ориентирован на оборудование и технологию для распределения жидких противогололедных материалов, где реализуется несимметричный способ подачи материала на диск. Также не была рассмотрена возможность оценки и контроля степени деформации полосы обработки как численного критерия качества распределения противогололедного материала.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества распределения частиц твердого противогололедного материала по поверхности дорожного покрытия и тротуара за счет организации симметричного способа его подачи на распределительный диск, осуществляемого с учетом действующей ветровой нагрузки при контроле значений показателей качества, а также критерия качества распределения противогололедного материала.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе контроля и обеспечения качества противогололедной обработки поверхности дорожного покрытия и тротуара машиной с дисковым распределителем при работе используют бортовую систему управления с микроконтроллером, в блок памяти которого вносят данные о режимных параметрах оборудования машины, таких, как скорость движения машины, частота вращения распределительного диска с установленными на нем лопатками, высота установки диска над покрытием, угол наклона диска относительно оси его вращения, данные о физико-химических свойствах противогололедных материалов, а также показатели качества распределения, такие, как требуемая ширина полосы обработки и норма плотности распределения противогололедных материалов на единицу площади покрытия, при этом с помощью соответствующих датчиков измеряют скорость движения машины, расход противогололедных материалов, угловую скорость вращения, а также угловые и линейные перемещения распределительного диска, скорость и направление ветра, при работе также используют устройство для вынесения диска за пределы контура машины и учитывают воздействие на полосу обработки ветровой нагрузки, согласно изобретению дополнительно при работе обеспечивают симметричную подачу твердого противогололедного материала из бункера на каждую область диска, ограниченную двумя лопатками, при этом в оборудовании машины дополнительно используют направляющее устройство в виде лотка с кольцевым сечением выпускного отверстия для подачи противогололедного материала с обеспечением равенства одновременно подаваемых на диск объемов материала, одновременно в блок памяти бортовой системы управления вводят описание математической модели процесса распределения твердого противогололедного материала при симметричном способе подачи на диск и численный критерий качества распределения, а именно, максимально допускаемую степень поперечной деформации полосы обработки, а также данные о геометрических параметрах оборудования, таких, как объем бункера, внутренний и внешний радиусы лотка, длина выносной штанги и высота лопаток диска, в процессе распределения противогололедного материала непрерывно оценивают степень поперечной деформации полосы обработки, которую определяют как разницу значений ширины полосы обработки при воздействии на нее ветровой нагрузки и при отсутствии последней, отнесенную к значению ширины полосы обработки при отсутствии ветровой нагрузки, сравнивают расчетные и фактические значения показателей и критерия качества распределения и при наличии их несоответствия осуществляют процедуру изменения режимных параметров дискового оборудования, направленную на достижение требуемых значений показателей и критерия качества, с использованием ранее введенных в блок памяти данных о режимных и геометрических параметрах оборудования, а также данных о физико-химических свойствах противогололедных материалов и измеренных значениях скорости и направления действующего ветра.
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря применению в составе оборудования машины лотка с кольцевой формой поперечного сечения выпускного отверстия, при помощи которого обеспечивается равенство объемов противогололедного материала, одновременно подаваемых на диск, и равенство скоростей одновременного слета частиц твердого противогололедного материала с каждого сектора диска, а также благодаря непрерывному расчету значений показателей и критерия качества распределения с учетом действующей ветровой нагрузки, данных о геометрических и режимных параметрах оборудования с возможностью варьирования последних.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема оборудования для реализации способа; на фиг.2 представлен алгоритм реализации способа контроля и обеспечения качества противогололедной обработки поверхности покрытий дисковым распределителем с симметричным способом подачи противогололедного материала
Способ контроля и обеспечения качества противогололедной обработки поверхности дорожного покрытия и тротуара машиной с дисковым распределителем заключается в том, что при работе используют бортовую систему управления с микроконтроллером, в блок памяти которого вносят данные о режимных параметрах оборудования машины, таких, как скорость движения машины, частота вращения распределительного диска с установленными на нем лопатками, высота установки диска над покрытием, угол наклона диска относительно оси его вращения, данные о физико-химических свойствах противогололедных материалов, а также показатели качества распределения, такие, как требуемая ширина полосы обработки и норма плотности распределения противогололедных материалов на единицу площади покрытия. При этом с помощью соответствующих датчиков измеряют скорость движения машины, расход противогололедных материалов, угловую скорость вращения, а также угловые и линейные перемещения распределительного диска, скорость и направление ветра. При работе также используют устройство для вынесения диска за пределы контура машины и учитывают воздействие на полосу обработки ветровой нагрузки. Причем дополнительно при работе обеспечивают симметричную подачу твердого противогололедного материала из бункера на каждую область диска, ограниченную двумя лопатками, при этом в оборудовании машины дополнительно используют направляющее устройство в виде лотка с кольцевым сечением выпускного отверстия для подачи противогололедного материала с обеспечением равенства одновременно подаваемых на диск объемов материала. Одновременно в блок памяти бортовой системы управления вводят описание математической модели процесса распределения твердого противогололедного материала при симметричном способе подачи на диск и численный критерий качества распределения, а именно, максимально допускаемую степень поперечной деформации полосы обработки, а также данные о геометрических параметрах оборудования, таких, как объем бункера, внутренний и внешний радиусы лотка, длина выносной штанги и высота лопаток диска. В процессе распределения противогололедного материала непрерывно оценивают степень поперечной деформации полосы обработки, которую определяют как разницу значений ширины полосы обработки при воздействии на нее ветровой нагрузки и при отсутствии последней, отнесенную к значению ширины полосы обработки при отсутствии ветровой нагрузки. Сравнивают расчетные и фактические значения показателей и критерия качества распределения и при наличии их несоответствия осуществляют процедуру изменения режимных параметров дискового оборудования, направленную на достижение требуемых значений показателей и критерия качества, с использованием ранее введенных в блок памяти данных о режимных и геометрических параметрах оборудования, а также данных о физико-химических свойствах противогололедных материалов и измеренных значениях скорости и направления действующего ветра.
Способ контроля и обеспечения качества противогололедной обработки поверхности дорожного покрытия и тротуара машиной с дисковым распределителем реализуется с помощью оборудования (фиг.1), которое включает в себя установленное на базовой машине 1 выносную штангу 2, обеспечивающую перемещение распределительного оборудования в вертикальной и горизонтальной плоскостях, бункер 3 с лотком 4, выпускное отверстие которого имеет форму кольца в поперечном сечении, характеризуемого внутренним и внешним радиусами, распределительный диск 5 с закрепленными на его поверхности лопатками 6.
Способ контроля и обеспечения качества противогололедной обработки поверхности дорожного покрытия и тротуара машиной с дисковым распределителем реализуется следующим образом.
2
В начале работы согласно алгоритму реализации (фиг.2) в блок памяти бортовой системы управления машины вводят математическую модель, описывающую процесс движения частиц симметрично поданного противогололедного материала по диску и в воздушной среде, вводят значения геометрических, исходных режимных параметров оборудования, а также показатели качества распределения, а именно, ширину полосы обработки, которую требуется обеспечить и требуемую к обеспечению норму распределения (г/м), а также вводят значение численного критерия качества, а именно, максимально допускаемую степень поперечной деформации полосы обработки. Также вводят данные о физико-химических свойствах противогололедного материала, а именно, средний диаметр, объем и масса частицы, плотность противогололедного материала. Вводятся данные о плотности воздушной среды и значении расхода противогололедного материала в единицу времени. После этого путем математических вычислений система определяет ширину полосы обработки и плотность распределения противогололедного материала, которые оборудование обеспечивает при условии отсутствии ветровой нагрузки на полосу обработки. Затем включается режим симметричной подачи материала и начинается процесс распределения частиц противогололедного материала совместно с движением базовой машины. Одновременно в блок памяти бортовой системы управления вводятся данные о ветровой нагрузке на полосу обработки, то есть о скорости и направлении действующего ветра. После этого осуществляется расчет фактической ширины полосы обработки и плотности распределения противогололедного материала, которые оборудование обеспечивает с учетом действующей на полосу обработки ветровой нагрузки. Затем осуществляется процедура сравнения фактических значений показателей и критерия качества распределения с требуемыми.
Если требуемая ширина полосы обработки не достигнута, плотность распределения не соответствует норме, а степень поперечной деформации полосы обработки превышает установленное максимальное значение, то система управления осуществляет поиск вариантов изменения значений режимных параметров, способных обеспечить достижение требуемых показателей и критерия качества распределения. Оператор может выбрать самостоятельно, какой из режимных параметров, предложенных бортовой системой управления, изменить. Данные об изменении режимных параметров поступают в систему управления от соответствующих датчиков - это датчик частоты вращения диска, датчики линейного и углового перемещений диска, расходомер (на фиг.1 не показаны). После изменения значения режимного параметра система управления вновь осуществляет расчет фактических показателей качества с целью проверки соблюдения условий соответствия их требуемым значениям. Эта процедура осуществляется на протяжении всего процесса распределения противогололедного материала. Реализацию алгоритма осуществления способа можно пояснить на примере.
2
Перед началом процесса распределения противогололедного материала вводят в блок памяти бортовой системы управления (фиг.2) заданное значение численного критерия качества - максимально допустимую степень поперечной деформации полосы, равную 10% от первоначальной ширины полосы обработки, а также заданные показатели качества: требуемую ширину полосы обработки - 1,5 м, норму распределения противогололедного материала - 90 г/м. Пусть исходными геометрическими параметрами оборудования для ввода в блок памяти бортовой системы управления (фиг.2) будут следующие данные: длина лопатки 6 (фиг.1) диска 5 (фиг.1) - 0,16 м, высота лопатки 6 диска 5 - 0,05 м, угол наклона лопатки 6 диска 5-45 град. (число лопаток равно 8), внутренний радиус лотка 4 (фиг.1) - 0,04 м, внешний радиус лотка 4 - 0,1 м, диаметр диска 5 - 0,18 м, угол наклона диска 5 к оси вращения - 90 град, длина выносной штанги 2 (фиг.1) - 1,6 м.
-8
3
-5
3
3
2
2
Исходные значения основных режимных параметров для ввода в блок памяти бортовой системы управления: высота диска 5 над покрытием - 0, 4 м, частота вращения диска 5 - 18,85 рад/с, скорость движения машины 1 (фиг.1) - 20 км/ч. Вводят в блок памяти бортовой системы управления (фиг.2) данные о физико-химических свойствах противогололедного материала. В качестве материала выбран твердый комбинированный противогололедный материал со средним радиусом частиц, равным 0,0025 м, объемом частиц, равным 6,7⋅10 10 м, массой 7,522⋅10 10 кг и плотностью 1150 кг/м. Плотность воздуха составляет 1,318 кг/м. Вводят в блок памяти бортовой системы управления (фиг.2) значения расхода противогололедного материала, подаваемого на диск, равное 90 г/м. Вводят в блок памяти бортовой системы управления (фиг.2) данные о допускаемом диапазоне варьирования режимных параметров: высота диска 5 (фиг.1) над покрытием - от 0,1 м до 0,6 м, частота вращения диска 5 (фиг.1) - от 12 рад/с до 25 рад/с, скорость движения машины 1 (фиг.1) - от 5 км/ч до 40 км/ч. После ввода всех исходных данных при помощи математической модели процесса распределения, введенной в форме программного кода в блок памяти системы управления (см. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021613272, РФ, Программа построения зоны распределения твердого противогололедного материала при симметричном способе подачи материала на диск, опубл. 2021 г.), производят автоматизированный расчет ширины полосы обработки, которая составит при отсутствии ветровой нагрузки 1,5 м. При этом с началом распределения противогололедного материала по покрытию непрерывно вводятся в блок памяти системы управления данные о скорости и направления ветра, измеренные анемометром (на фиг.1 не показан). Пусть измеренная и введенная в блок памяти системы управления скорость ветра равна 7 м/с, направление - 10 град. к оси, перпендикулярной продольной оси машины. Тогда, рассчитанное при помощи упомянутой ранее программы фактическое значение ширины полосы обработки составит 1,335 м, плотность распределения составит 101,21 г/м, а степень поперечной деформации полосы обработки составит 11%. После процедуры сравнения требуемых и рассчитанных фактических значений можно сформировать заключение о том, что требуемая ширина полосы обработки и плотность распределения не достигнуты и превышена максимально допустимая степень поперечной деформации полосы обработки (10%), то есть качество распределения не обеспечено (фиг.2). Так как требуемые показатели и критерий качества не достигнуты, необходимо осуществить поиск вариантов изменения значений режимных параметров (фиг.2). Путем имитационного моделирования, осуществляемого с помощью упомянутой ранее программы, делается заключение о том, что сглаживания негативных последствий от возникшей деформации зоны обработки можно достигнуть или изменением высоты диска над покрытием до значения 0,45 м, в таком случае, ширина полосы обработки составит 1,51 м, или увеличением частоты вращения диска до 0,3 рад/с. В таком случае, ширина полосы обработки составит 1,56 м, а степень деформации зоны будет полностью устранена.
В итоге применение изобретения позволит добиться повышения качества распределения частиц твердого противогололедного материала, например, по тротуарам за счет реализации симметричного способа подачи материала на диск 5 (фиг.1). Применение лотка с кольцевой формой поперечного сечения, реализующего данный способ, обеспечивает равенство объемов противогололедного материала, одновременно подаваемых на диск, и равенство скоростей одновременного слета частиц твердого противогололедного материала с каждого сектора диска. Изобретение позволит обеспечить контроль численного критерия качества, а именно, степени поперечной деформации непосредственно в процессе проведения противогололедной обработки с учетом действующей на полосу обработки и постоянно меняющейся ветровой нагрузки.
Таким образом, изобретение позволяет повысить качество распределения частиц твердого противогололедного материала по поверхности дорожного покрытия и тротуара за счет организации симметричного способа его подачи на распределительный диск, осуществляемого с учетом действующей ветровой нагрузки при контроле численных значений показателей качества, а также степени поперечной деформации полосы обработки.