СИСТЕМА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ
ELECTRIC EQUIPMENT SYSTEM FOR TRACK-LAYING VEHICLE

Изобретение относится к гусеничным сельскохозяйственным, строительно-дорожным и землеройно-транспортным машинам, в частности к бульдозерам.
Известна система электрооборудования землеройно-транспортной машины (бульдозера), содержащая электронный блок управления трансмиссией и рабочим оборудованием и подключенные к нему средства измерения скорости движения бульдозера, а также буксования и ускорения его левого и правого бортов. Эта система обеспечивает управление подъемом/опусканием рабочего оборудования (отвала бульдозера), а также движением машины, в том числе стабилизацию ее прямолинейного движения путем воздействия на механизмы управления поворотами и перекоса рабочего органа [1].
Недостатком известной системы являются ограниченные функциональные возможности, поскольку в ней не предусмотрено управление двигателем, приборами освещения, звуковыми сигналами и другими устройствами машины.
Наиболее близкой к предложенной является система электрооборудования гусеничной машины, содержащая систему электроснабжения, электронные контроллеры, приспособленные для управления двигателем, трансмиссией и рабочим оборудованием машины, приборы освещения и звуковой сигнализации, кондиционер и стеклоочистители, управление которыми осуществляется от контроллеров или клавишных переключателей, а также органы управления и датчики параметров работы двигателя и трансмиссии машины, подключенные к контроллерам и к приборной панели оператора [2].
Недостатком этой системы электрооборудования является пониженная безопасность работы оператора на машине. Это обусловлено тем, что в данной системе не реализованы функции автоматизированной или автоматической зашиты машины и оператора от возникновения аварийных ситуаций и режимов в различных условиях эксплуатации машины.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех вариантах его исполнения, является повышение безопасности работы оператора машины.
В системе электрооборудования гусеничной машины, содержащей систему электроснабжения, электронные контроллеры, приспособленные для управления двигателем, трансмиссией, рабочим оборудованием и/или приборами освещения, устройствами звуковой сигнализации, а также датчики параметров работы машины, подключенные, по меньшей мере, к одному контроллеру, органы управления машиной, подключенные, по меньшей мере, к одному контроллеру, и панель оператора, приспособленную для отображения параметров работы машины, указанный технический результат достигается за счет того, что в этой системе реализовано одно или несколько следующих технических решений в их любом сочетании:
- в состав системы включено устройство считывания персональных или биометрических данных оператора, а сигналы разрешения работы машины формируются только после сравнения считанных данных с данными, по меньшей мере, об одном операторе, допущенном к управлению машиной, хранящимися в энергонезависимой памяти системы;
- энергонезависимая память системы содержит информацию о требования или правилах безопасной работы на машине, а панель оператора приспособлена для ее отображения;
- энергонезависимая память системы содержит информацию о наряде или технологической карте производства работ, маршруте движения машины или месте выполнения работ, и/или об особенностях безопасного выполнения этих работ, а панель оператора приспособлена для ее отображения;
- предусмотрен ввод в энергонезависимую память системы и отображение информации о техническом состоянии машины;
- реализована передача данных о параметрах работы машины и ее техническом состоянии на терминал, расположенный вне машины, а также записи этих данных для хранения в энергонезависимую память терминала с возможностью считывания в случае необходимости;
- контроллер обеспечивает проверку, контроль и регистрацию в энергонезависимой памяти проведения оператором действия (работы) на холостом ходу (справности) механизмов машины после запуска двигателя перед началом работы машины путем выявления изменений выходных сигналов датчиков параметров работы машины;
- система выявляет режим заправки машины топливом путем контроля снятия крышки топливного бака или изменений уровня топлива в баке и далее формирует сигнал остановки двигателя или устанавливает малую частоту его вращения в этом режиме режиме, а также содержит датчик дыма (курения оператора-заправщика) и/или освещенности машины в районе топливного бака и блокирует подачу топлива в бак в случае наличия дыма и/или недостаточной освещенности;
- контроллер, после получения сигнала от ключа, осуществляет контроль условий безопасного запуска двигателя: отключение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины, включенное состояние стояночного тормоза, нахождение оператора в кабине или в кресле машины и отключенное состояние привода технологического оборудования;
- система содержит датчик концентрации выбросов вредных веществ с отработавшими газами или дымности отработавших газов двигателя и информирует оператора о превышении максимально допустимого значения этого параметра, предварительно записанного в ее энергонезависимую память;
- система содержит, по меньшей мере, один датчик концентрации пыли, окиси углерода, паров алкоголя или топлива в воздухе кабины, уровня звука на рабочем месте оператора, вибрации на сиденьи или органе управления машины, температуры воздуха в кабине оператора и информирует оператора о превышении максимально допустимого значения этого параметра, записанного в ее память, и/или формирует сигнал остановки двигателя или машины;
- система содержит датчик внешней освещенности (освещенности рабочей площадки или трассы движения), а ее контроллер осуществляет автоматическое включения приборов освещения, если уровень этой освещенности ниже минимально допустимой величины, либо формирует предупредительный сигнал для оператора и/или сигнал остановки двигателя или машины, если при наличии сигнала включения приборов освещения уровень внешней освещенности остается меньше минимально допустимой величины, например, вследствие неисправности или загрязненности приборов освещения;
- система содержит, по меньшей мере, один датчик интенсивности тумана, дождя, снегопада и/или запыленности окружающей среды, а ее контроллер осуществляет постоянное или периодического включение приборов освещения и/или звуковой сигнализации, если величина контролируемого датчиком параметра превышает величину, записанную в его энергонезависимую память, и/или реализует управление машиной из условия ограничения скорости ее движения на уровне, предварительно записанном в память контроллера;
- система содержит датчик угла наклона машины в продольной и/или поперечной плоскости и, по меньшей мере, один датчик внешней освещенности, тумана, дождя, снегопада и/или запыленности окружающей среды, а контроллер формирует предупредительный сигнал и/или блокирует работу машины, если фактическая величина продольного и/или поперечного наклона машины превышает предельно допустимую величину, зависящую от внешней освещенности, интенсивности тумана, дождя, снегопада и/или запыленности окружающей среды, предварительно записанную в память контроллера;
- контроллер системы электрооборудования гусеничной машины, оснащенной тяговой лебедкой, блокирует включение привода этой лебедки, если датчик ограждения заднего стекла кабины из металлической решетки указывает ее на отсутствие, или если оператор не подтверждает наличия этого ограждения путем воздействия на органы управления;
- контроллер осуществляет сравнение какого-либо направления и/или скорости линейного или углового перемещения машины и/или ее рабочего оборудования с сигналами органов управления машины, задающими эти скорости и направления, и, при наличии несоответствий, например, вследствие неисправности машины, формирует предупредительный сигнал для оператора и/или сигнал остановки двигателя или машины;
- система содержит, по меньшей мере, один датчик наличия на машине огнетушителя, лопаты, аптечки первой медицинской помощи, емкости для питьевой воды и/или буксирного троса, а контроллер формирует предупредительный сигнал и/или сигнал остановки двигателя или машины в зависимости сигнала этого датчика. Каждый из этих датчиков может быть выполнен в виде транспондера (RFID-метки), прикрепленного к соответствующему устройству (предмету) и устройства его считывания. Датчик наличия на машине огнетушителя или емкости для питьевой воды может быть также выполнен в виде датчика веса. В последнем случае контроллер дополнительно определяет наличие достаточного количества огнетушащего средства в огнетушителе или питьевой воды в указанной емкости;
- контроллер преобразует параметры работы машины и сигналы органов управления машины в сигналы управления устройствами световой или звуковой сигнализации в соответствии с программой этого преобразования, предварительно записанной в его энергонезависимой памяти и определяющей порядок этого преобразования, характеристику и/или вид сигналов управления устройствами световой или звуковой сигнализации. Эти сигналы управления формируются, в частности, из условия подачи предупредительного звукового и/или светового сигнала перед началом или изменением направления движения машины и ее рабочего оборудования, при движении машины задним ходом, причем для различных направлений движения или поворота машины и ее рабочего оборудования контроллером устанавливаются различные частоты, длительности, периоды следования или различные комбинации длительностей и пауз этого предупредительного сигнала. Панель оператора при этом может быть оснащена органом управления, используемом для переключения вида и характеристик предупредительных сигналов в зависимости от уровня опасности, создаваемой работающей машиной, от внешних условий ее работы, от наличия людей в рабочей зоне машины, либо из условия обеспечения возможности идентификации по этим сигналам различных машин, работающих на одной площадке (в одной зоне);
- система содержит датчик угла наклона машины в продольной и/или поперечной плоскости и датчик наличия устройства защиты оператора при опрокидывании машины (ROPS), либо панель оператора приспособлена для подтверждения оператором наличия ROPS, а контроллер осуществляет изменение предельно допустимой величины продольного и/или поперечного угла наклона машины в зависимости от наличия ROPS, а также формирование предупредительного сигнала и/или сигнала остановки двигателя или машины, если угол продольного и/или поперечного наклона машины превышает предельно допустимую величину;
- система содержит датчик ремня безопасности кресла оператора и датчик наличия ROPS, или панель оператора приспособлена для подтверждения оператором наличия ROPS, а контроллер формирует предупредительный сигнал и/или сигнала остановки двигателя или машины, если при наличии ROPS ремень безопасности не застегнут;
- система содержит датчик фиксации левой и/или правой двери кабины в открытом положении и датчик поперечного и/или продольного крена машины, а контроллер формирует предупредительный сигнал и/или сигнал остановки двигателя или машины, если дверь кабины закрыта, а величина угла поперечного и/или продольного наклона машины превышает максимально допустимую величину, предварительно записанную в память контроллера;
- система содержит датчик угла наклона машины в продольной плоскости, а контроллер сравнивает текущее значение этого угла с предварительно записанными в его энергонезависимой памяти величинами углов наклона машины на подъемах и спусках, превышение которых требует реализации мер безопасности, а также, в случае этого превышения, управляет двигателем и/или трансмиссией машины с реализацией запрета потенциально опасных управляющих воздействий на крутых подъемах и спусках: остановки двигателя, движения машины накатом или под уклон с остановленным двигателем, выключения муфты сцепления, переключения передач с разрывом потока мощности, запуска двигателя от силы инерции движущейся под уклон машины, поворота с радиусом меньше величины, предварительно записанной в памяти контроллера, торможения с ускорением, превышающим величину, предварительно записанную в память контроллера, и/или отключения одной гусеницы;
- система содержит датчик угла наклона машины в поперечной плоскости, а контроллер сравнивает текущее значение этого угла с предварительно записанной в его энергонезависимой памяти величиной угла поперечного наклона машины, превышение которого требует реализации мер безопасности, а также, в случае этого превышения, формирует сигналы управления трансмиссией или механизмами поворота машины с реализацией запрета поворота с торможением одной гусеницы в нагорную сторону или поворота с радиусом меньше величины, предварительно записанной в памяти этого контроллера;
- система, с целью реализации безопасного управления машиной при преодолении брода, содержит содержит датчик наличия воды, установленный на машине с возможностью выявления движения машины в этом режиме, а контроллер при этом осуществляет управление двигателем и/или трансмиссией машины с реализацией запрета остановки двигателя, уменьшения его угловой скорости меньше величины, предварительно записанной в памяти контроллера, переключения передач трансмиссии, остановки машины, увеличения скорости движения машины свыше величины, предварительно записанной в памяти контроллера, и/или поворота с радиусом меньше величины, предварительно записанной в памяти контроллера;
- система содержит датчик тягового усилия машины, а контроллер формирует сигнал остановки машины при ее наезде на препятствия, выявляемом по скорости возрастания тягового усилия, превышающей величину, предварительно записанную в память контроллера;
- система содержит датчик направления ветра и сигнализатор, используемые для обеспечения безопасности оператора при снятии крышки радиатора нагретого двигателя путем индикации положения наветренной стороны этой пробки или крышки;
- контроллер, при поступлении на него сигнала торможения машины, реализует алгоритм безопасной остановки машины, формируя сигналы управления двигателем, трансмиссией и прицепным рабочим оборудованием (если оно имеет колесный ход), в следующей последовательности: уменьшение подачи топлива в двигатель, включение тормозов колес прицепного оборудования, выключение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины, включение тормоза машины;
- система содержит датчик угла наклона машины в продольной плоскости, а контроллер обеспечивает реализацию безопасного управления машиной при непредвиденной остановке двигателя машины на подъемах и спусках, превышающих величины, предварительно установленные и записанные в память контроллера, путем формирования сигналов управления двигателем и трансмиссией в следующей последовательности: включение тормоза машины, выключение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины, запуск двигателя и одновременное выключение тормоза и включение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины;
- система содержит датчики скорости движения и угла наклона машины в продольной плоскости, а контроллер формирует сигналы торможения машины из условия ограничения интенсивности торможения машины, максимального допустимая величина которой при различной скорости движения машины на подъемах и спусках предварительно записана в энергонезависимую память контроллера;
- система содержит устройство глобального спутникового позиционирования GPS/ГЛОНАСС, подключенное к контроллеру или панели оператора, в энергонезависимой памяти которого/которой предварительно записаны координаты или область допустимого местоположения машины и/или величины уклонов грунтовой поверхности с привязкой к этим координатам, а контроллер обеспечивает управление двигателем и трансмиссией из условия перемещения машины в пределах ее допустимого местоположения и предотвращения опрокидывания;
- система содержит датчик напряженности электрического поля линии электропередачи (ЛЭП) и устройство, приспособленное для выявления наличия у оператора наряда-допуска на работу в охранной зоне ЛЭП и подключенное контроллеру, который обеспечивает остановку двигателя и/или машины при отсутствии этого наряда-допуска при величине напряженности электрического поля, превышающей максимально допустимую величину, предварительно записанную в память контроллера. При этом устройство, выполненное с возможностью выявления наличия у оператора этого наряда-допуска, может быть реализовано в виде устройства считывания данных о наличии этого наряда-допуска с памяти смарт-карты, чип-карты, Flash-карты, накопителя Flash USB Drive либо в виде клавиатуры панели оператора, приспособленной для ввода и анализа кода этого допуска.
Кроме того, с целью достижения указанных технических результатов, в системе управления землеройно-транспортной машины, в частности:
- устройство считывания персональных или биометрических данных оператора выполнено в виде устройства считывания отпечатков его пальцев, или перезаписи данных с долговременной памяти смарт-карты, или чип-карты, или Flash-карты, или накопителя Flash USB Drive, или удостоверения оператоpa, или его паспорта, или акустического контроля голоса оператора, или видеоконтроля черт его лица, или в виде приемника радиочастотного, или ультразвукового, или оптического, или инфракрасного сигнала, сформированного мобильным устройством идентификации оператора;
- контроллер приспособлен для хранения в энергонезависимой памяти предварительно записанной информации о квалификации оператора, либо устройство считывания данных о операторе дополнительного считывает информацию, характеризующую его квалификацию, а контроллер реализует изменение максимально допустимых параметров работы машины (скорости движения, продольного и поперечного крена машины и т.д.) в зависимости от информации об этой квалификации (от квалификации оператора);
- контроллер обеспечивает подсчет продолжительности работы каждого оператора и их запись в долговременную энергонезависимую память с возможностью считывания в случае необходимости и, при необходимости, выявление нарушений установленного режима труда и отдыха и последующей записи информации об этих нарушениях в долговременную энергонезависимую память с возможностью считывания в случае необходимости, а также формирования предупредительного информационного сигнала;
- контроллер осуществляет выявление и/или идентификацию неисправностей машины, влияющих на безопасность ее работы, путем обработки записей информации о техническом состоянии машины по программе, предварительно записанной в блок энергонезависимой памяти панели оператора или контроллера, и/или выявляет отклонения параметров работы машины за пределы их допустимых значений, предварительно записанных в указанный блок энергонезависимой памяти, а также формирует предупредительный сигнал или сигнал остановки двигателя и/или блокирования работы трансмиссии при наличии указанных неисправностей или отклонений;
- система содержит датчики фиксации дверей кабины в открытом положении и датчик поперечного крена машины, а контроллер формирует предупредительный сигнал и/или сигнал остановки двигателя или машины, если сигнал датчика положения двери кабины со стороны, обращенной к верхней части склона, указывает на ее закрытое положение, а величина угла поперечного крена машины превышает максимально допустимую величину, предварительно записанную в энергонезависимую память контроллера;
- любые параметры, устанавливаемые оператором, включая признаки наличия ROPS, ограждения заднего стекла кабины и ограничения на параметры работы машины и ее рабочего оборудования, при первоначальном включении системы устанавливаются из условия отсутствия этих защитных устройств и наименьших значений параметров безопасной работы машины и ее рабочего оборудования;
- система содержит устройство глобального спутникового позиционирования GPS/ГЛОНАСС, подключенное к контроллеру или панели оператора, в энергонезависимой памяти которого/которой предварительно записаны координаты положения опор ЛЭП, а контроллер приспособлен для управления движением машины из условия пересечения линии электропередачи под прямым углом вблизи опоры (в зонах наименьшего провисания проводов ЛЭП);
- контроллер, формирующий сигналы управления или предупредительные сигналы, дополнительно выполнен с возможностью записи этих сигналов в энергонезависимую память с возможностью считывания в случае необходимости;
- контроллеры и панель оператора реализованы на основе микроконтроллеров и связаны между собой с использованием протоколов последовательного интерфейса Controller Area Network (CAN) и/или Local Interconnect Network (LIN).
- панель оператора содержит цветную графическую панель, устройство звуковой или речевой сигнализации и органы управления этой панелью и/или машиной, выполненные в виде кнопок или клавиш;
- органы управления машиной выполнены в виде джойстиков управления движением и рабочим оборудованием машины, ключа запуска двигателя, рукоятки управления подачей топлива, педалей тормоза и десселератора, а также клавишных выключателей приборов освещения.
Реализация как одного из указанных отличительных признаков изобретения, так и одновременно любого количества альтернативных признаков в их любом сочетании, приводит к достижению одного и того же технического результата - к повышению безопасности работы оператора на машине. При этом уровень достигаемого повышения безопасности зависит от выбора этих альтернативных признаков и их сочетания, что далее показано при описании примеров реализации предложенной системы электрооборудования.
На чертеже представлена упрощенная схема системы электрооборудования гусеничной машины с электромеханической трансмиссией. Эта система применима также на машине с механической, гидромеханической, гидростатической и гибридной трансмиссией.
Роль первичного источника энергии выполняет приводной двигатель 1, выполненный, как правило, в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно дизеля.
В приведенном примере используется последовательная кинематическая схема моторно-трансмиссионной установки машины, которая исключает механическую связь ДВС с гусеничным движителем. ДВС соединен с генератором 2, который является источником электрической энергии для двух тяговых электродвигателей 3 и 4, которые соединены с бортовыми редукторами 5, 6.
На бортовых редукторах закреплены ведущие колеса (звездочки) 7, 8 гусеничного движителя.
Система электрооборудования, которая может именоваться системой контроля, защиты и управления. В общем случае она включает в себя высоковольтную (для машины с электромеханической или гибридной трансмиссией) и низковольтную части и содержит один или несколько контроллеров, в частности, главный (ведущий) контроллер 9, контроллер 10 генератора 2, два контроллера 11, 12 электродвигателей 3, 4, контроллер 13 привода рабочего оборудования или вала отбора мощности 14, органы управления движением и рабочим оборудованием машины 15, панель оператора (оператора, тракториста водителя) 16, датчики параметров работы машины 17 и приборы низковольтного оборудования (электроснабжения, освещения, звуковой сигнализации, поддержания микроклимата в кабине, стеклоочистители и т.д.) 18 и другие устройства, условно не показанные на чертеже.
Контроллеры могут именоваться также блоками управления, управляющими устройствами, блоками входов и нагрузок, информационно-управляющими блоками или устройствами и т.д., что не имеет принципиального значения.
Контроллер 10 генератора 2 выполнен, в частности, в виде синхронного выпрямителя и преобразует выходное напряжение генератора 2 в постоянное напряжение силовой сети трансмиссии, например, 550 В.
Контроллеры 11 и 12 осуществляют преобразование этого напряжения в переменное напряжение или однополярные импульсы перед подачей на электродвигатели 3, 4. Они выполнены в виде силовых частотных преобразователей, инверторов или коммутаторов и имеют встроенные системы управления, реализованные на основе микроконтроллеров.
Возможно как объединение контроллеров 9-13 в единый блок (модуль), так и их раздельное исполнение в зависимости от выполняемых функций и требований к компоновке машины. Возможно также конструктивное объединение контроллера 10 с генератором 1, а контроллеров 11, 12 - с электродвигателями 3, 4.
Линии передачи информационных сигналов между контроллерами выполнены с использованием стандарта промышленной сети CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров), ориентированной на объединение в единую сеть различных устройств с использованием последовательного, широковещательного и пакетного режимов передачи. Возможно также применение интерфейсов LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (стандарт EIA/TIA) и т.д., а также беспроводных интерфейсов типа ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4), Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11), Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1) и т.п.
Главный контроллер 9 осуществляет координацию работы всей системы электрооборудования, а также реализует функции управления двигателем 1 непосредственно, либо через дополнительный контроллер двигателя, встроенный в него.
Электродвигатели 3, 4 могут быть асинхронными частотно-управляемыми. Более предпочтительным является применение вентильных реактивных (индукторных, индукционных) электродвигателей (ВРД, ВИД, ВИРД) - трех или более фазных электродвигателей без магнитов и электромагнитов в роторе и статоре, управляемых электронными ключами контроллеров 11, 12. В англоязычной литературе они называются электродвигателями с переменным магнитным сопротивлением: «Switched Reluctance Motor (SRM)».
Перспективно также применение синхронных электродвигателей с постоянными магнитами в роторе, которые на английском языке называются «Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)». Реже используется название «BrushLess Direct Current motor (BLDC)», что переводится, как «Бесщеточный мотор постоянного тока».
Генератор 2 может иметь конструкцию, аналогичную электродвигателям 3, 4, или отличающуюся от них.
Контроллер 10 обеспечивает также коммутацию обмоток генератора 2 при его работе в режиме электродвигателя (выполняет функции синхронного выпрямителя), а контроллеры 11, 12 - коммутацию обмоток электродвигателей 3, 4 при их работе в режиме генератора.
Машина может быть оснащен рабочим (навесным) оборудованием и/или валом отбора мощности (ВОМ) с гидромеханическим, гидравлическим, электрогидравлическим или электромеханическим приводом 14, управление которым осуществляется оператором (именуемым также машинистом, трактористом или водителем) с помощью органов управления 15 через главный контроллер 9 и контроллер 13 привода 14, либо этими контроллерами в автоматическом режиме.
В случае применения гидравлического (гидромеханического, электрогидравлического) привода 14, на машине дополнительно устанавливается гидрораспределитель, связывающий гидронасос, по меньшей мере, с одним гидравлическим цилиндром или гидромотором. Распределитель, гидронасос и/или гидромотор могут быть выполнены с пропорциональным или дискретным управлением от контроллера 13.
В электродвигатели 3, 4 или в бортовые редукторы 7, 8 встроены нормально замкнутые стояночные тормоза 19, 20, управление которыми осуществляется непосредственно главным контроллером 9 или контроллерами 11, 12 электродвигателей. Контроллеры обеспечивают включение тормозов 19, 20 для предотвращения скатывания машины под уклон, а также для ее торможения и остановки, если по каким-либо причинам интенсивность торможения электродвигателями 3, 4 оказывается недостаточной.
Контроллеры 11 и 12 осуществляют управление электродвигателям 3, 4 с возможностью изменения как скорости, так и направления движения машины. Альтернативным вариантом реализации трансмиссии машины является применение одного электродвигателя, главной передачи, устройства дифференциального управления, бортовых фрикционов и рабочих тормозов.
Органы управления 16 предназначены для формирования сигналов управления движением и приводом рабочего оборудования 14 машины и включают с себя, по меньшей мере, один аппарат управления движением машины (джойстиком), соединенный с главным контроллером 9, ключ запуска двигателя, клавишные и кнопочные переключатели, рукоятку управления подачей топлива, педали тормоза и десселератора. Управление приборами низковольтного оборудования 18 возможно непосредственно от переключателей, либо через контроллеры.
Сигналы торможения машины могут формироваться аппаратом управления (джойстиком) путем установки его рукоятки в нейтральное положение, либо с помощью педали тормоза.
Контроллер 9 соединен также с панелью оператора 16, именуемую также панелью контрольно-измерительных приборов, комбинацией приборов, блоком индикации, блоком отображения информации и т.п, выполненной в виде набора электромеханических указателей, графической панели и обеспечивающих отображение параметров работы машины и формирование аварийных и предупредительных сигналов для оператора. Панель оператора 16 может быть выполнена в виде отдельного блока или совмещена с одним из контроллеров.
Для контроля параметров работы машины в состав системы электрооборудования входят датчики 17. К ним относятся датчики температуры и давления в трансмиссии и двигателе 1, датчики продольного и поперечного наклона машины (креномеры), параметров окружающей среды (температуры, освещенности рабочей зоны, запыленности, дождя, тумана, ветра), положения машины (приемники сигналов GPS/ГЛОНАСС), тягового усилия машины, ускорения, угловых скоростей валов трансмиссии (электродвигателей, гидромоторов) 21, 22 и другие датчики.
В систему электроснабжения системы входят генераторная установка и аккумуляторная батарея (на чертеже условно не показаны).
Предельно допустимые значения параметров работы машины и ее рабочего оборудования зависят от конструктивного исполнения машины и применяемой технологии выполнения работ. Их численные значения предварительно определяются расчетным или экспериментальным путем при проектировании системы электрооборудования и записываются в память контроллеров и/или панели оператора.
Система электрооборудования гусеничной машины работает следующим образом.
При вращении выходного вала дизельного двигателя 1 контроллер 10 в соответствии с информационными сигналами, поступающими от генератора 2, формирует необходимые сигналы на его обмотки (в случае применения вентильного индукторно-реактивного генератора).
Контроллер 10 выполняет функции выпрямителя. Напряжение постоянного тока силовой сети трансмиссии с его выхода поступает на контроллеры 11, 12, выполняющие функции силовых электронных коммутаторов или инверторов - преобразователей постоянного напряжения в переменное регулируемой частоты.
Тяговые электродвигатели 3, 4, получающие электрическую энергию от контроллеров 11, 12, преобразуют ее в механическую энергию и передают вращающий момент на бортовые редукторы 5, 6 и далее на ведущие звездочки 7, 8 гусеничного движителя, обеспечивая движение машины.
Режимы работы двигателя 1, генератора 2 и электродвигателей 3, 4 задаются главным контроллером 9, связанным с органами управления машины 16 и панелью оператора 16. Он реализован на основе микроконтроллера и выполняет функции координатора системы электрооборудования машины.
Во время работы машины скорость ее движения устанавливается контроллерами 9, 11, 12 в зависимости от положения рукоятки органа управления 16. Повороты машины осуществляются путем задания разных угловых скоростей электродвигателей 3, 4. Датчики угловой скорости 21, 22 при этом используются для контроля этих скоростей и синхронизации работы бортов машины с целью обеспечения ее прямолинейного движения при отсутствии поворотов.
При поступлении на главный контроллер 9 сигнала остановки (торможения) машины путем перевода органа управления ее движением в нулевое положение или путем воздействия на орган управления тормозом (например, педаль), контроллеры 11, 12 по сигналам с главного контроллера 9, переводят электродвигатели 3, 4 в режим генераторов. Интенсивность торможения определяется положением (перемещением), углом наклона органа управления 16, или силой, с которой на него воздействует оператор (машинист).
При этом электродвигатели 3, 4, работающие в режиме генераторов, преобразуют кинетическую энергию движения машины в электрическую энергию и подают ее в силовую сеть трансмиссии. Избыточная энергия силовой сети трансмиссии утилизируется путем ее передачи в аккумуляторную батарею, двигатель 1, привод рабочего оборудования или блок тормозных резисторов (на чертеже условно не показан).
Путем регулирования тормозного момента, создаваемого электродвигателями 3, 4, обеспечивается необходимая интенсивность торможения, заданная органом управления 16. Сигнал торможения может быть также сформирован самой системой электрооборудования машины в автоматическом режиме без участия оператора (машиниста).
Машина может быть оснащена нормально замкнутыми стояночными тормозами 19, 20, которые предназначены для удержания машины на уклоне и не принимают участия при ее нормальной работе (не являются рабочими тормозами машины). Однако контроллеры 11, 12 могут осуществлять включение этих тормозов, если главным контроллером 9 будет установлено, что тормозного момента, создаваемого при реализации альтернативных способов торможения, недостаточно для торможения машины с интенсивностью, заданной органом управления торможением 16.
Контроль действительных значений скорости движения, интенсивности торможения и радиуса поворота машины осуществляется главным контроллером 9 с использованием выходных сигналов датчиков теоретической скорости движения машины 21, 22, действительной скорости или ускорения машины, а также датчиков 17 других параметров работы машины. Далее главный контроллер 9, используя шину CAN, LIN или другой интерфейс передачи данных, передает в другие контроллеры информацию о требуемых параметрах и режимах работы связанных с ними узлов и агрегатов машины, обеспечивая приведение в соответствие заданных оператором и действительных значений скорости движения, интенсивности торможения и радиуса поворота машины.
Аналогичным образом осуществляется управление машиной с гидростатической или гидромеханической трансмиссией. Различие конструктивных параметров трансмиссий различного типа учитывается в конструкции контроллеров и панели оператора, в программах работы микроконтроллеров, на основе которых они реализованы, а также при выборе состава датчиков 17.
На гусеничной машине с любым типом трансмиссии система электрооборудования реализует ряд функций безопасности, описанных в формуле изобретения в виде альтернативных признаков. Их реализация в любом сочетании приводит к достижению одного и того же технического результата - повышению безопасности работы оператора на машине.
В первом варианте реализации системы в ее состав включено устройство считывания персональных или биометрических данных оператора, выполненное, в частности, в виде устройства считывания отпечатков его пальцев, устройства перезаписи этих данных с долговременной памяти смарт-карты, чип-карты, Flash-карты, накопителя Flash USB Drive, удостоверения или паспорта оператора, или устройства акустического контроля голоса оператора (микрофона и средства обработки речевой информации), или видеоконтроля черт его лица (видеокамеры и средства обработки видеоизображения), или в виде приемника радиочастотного, ультразвукового, оптического инфракрасного сигнала, сформированного мобильным устройством идентификации оператора, например, транспондера. При этом одновременно могут считываться или храниться в памяти контроллера или панели оператора данные о квалификации оператора. Это техническое решение позволяет повысить безопасность за счет обеспечения возможность доступа к управлению машиной только тех операторов, которые имеют такой доступ, причем с учетом их квалификации, поскольку контроллер 9 осуществляет автоматическое изменение максимально допустимых параметров работы машины (скорости движения, продольного и поперечного крена машины и т.д.) в зависимости от этой квалификации.
В дополнение к такому контролю и автоматическому изменению максимально допустимых параметров работы машины контроллером 9 может быть реализован контроль продолжительности работы каждого оператора и их запись в долговременную энергонезависимую память с возможностью считывания в случае необходимости, а также, при необходимости, выявление нарушений установленного режима труда и отдыха различных операторов с записью информации об этих нарушениях в энергонезависимую память и формированием предупредительного сигнала. Это позволяет повысить безопасность за счет ограничения работы на машине уставшего оператора.
Во втором варианте реализации системы в энергонезависимую память контроллера 9 или панели оператора 16 записана информация о требованиях или правилах безопасной работы на машине, а панель оператора приспособлена для ее отображения. В этом случае оператор оперативно (непосредственно на машине) получает информацию требованиях (правилах) работы, позволяющих предотвратить возникновение опасных ситуаций при транспортировании, монтаже (демонтаже) и эксплуатации машины, что повышает безопасность его работы. Такое информирование оператора может быть реализовано как к самостоятельно (отдельно), так и в дополнение к реализации ограничения доступа к управлению машиной и изменения максимально допустимых параметров работы машины.
В третьем варианте реализации системы, независимо или в дополнение к реализации предыдущих альтернативных признаков, энергонезависимая память системы содержит информацию о наряде или технологической карте производства работ, маршруте движения машины или месте выполнения работ, и/или об особенностях безопасного выполнения этих работ. Оперативное отображение этой информации на панели оператора, в том числе непосредственно во время движения машины, когда оператор не имеет возможности изучать документацию в бумажном виде, позволяет повысить безопасность производства работ.
Перед началом работы оператор обязан ознакомиться техническим состоянием машины, например, путем прочтения записей в журнале технического состояния машины и устранить эти неисправности, а после окончания работы сделать записи о неисправностях, возникших во время его работы. С целью повышения эффективности реализации таких действий оператора, обеспечивающих повышение безопасности его работы, в четвертом варианте системы предусмотрен ввод в энергонезависимую память системы и отображение информации о техническом состоянии машины, т.е. бумажный вариант ведения такого журнала заменен электронным, реализованным непосредственно на машине. Неисправности машины, влияющие на безопасность ее работы, могут быть также выявлены контроллером 9 путем обработки записей информации о техническом состоянии машины по программе, предварительно записанной в блок энергонезависимой памяти панели оператора или контроллера, либо путем контроля отклонения параметров работы машины за пределы их допустимых значений, предварительно записанных в энергонезависимую память контроллера.
В дополнение к этому в системе может быть реализована передача данных о параметрах работы машины и ее техническом состоянии на терминал, расположенный вне машины, а также запись этих данных для хранения в энергонезависимую память терминала с возможностью считывания в случае необходимости. Это позволяет осуществить дистанционный контроль работы оператора, что является дисциплинирующим фактором, способствует снижению нарушений правил эксплуатации машины и, соответственно, повышает безопасность ее работы.
Эти варианты повышения безопасность также могут быть реализованы как самостоятельно, так и в любом сочетании с указанными выше.
Оператор, для повышения безопасности работы машины, после устранения обнаруженных неисправностей должен проверить действие всех ее механизмов на холостом ходу. В пятом варианте системы, предусматривающем реализацию этой функции безопасности, контроллер 9, путем выявления изменений выходных сигналов датчиков параметров работы машины 17, обеспечивает проверку, контроль и регистрацию в энергонезависимой памяти проведения оператором действия (работы) на холостом ходу (исправности) механизмов машины после запуска двигателя.
Контроллер 9 в шестом варианте реализации системы выявляет режим заправки машины топливом путем контроля снятия крышки топливного бака или изменений уровня топлива в баке и далее формирует сигнал остановки двигателя или устанавливает малую частоту его вращения в этом режиме и/или на основании сигналов датчика дыма и внешней освещенности машины в районе топливного бака блокирует подачу топлива в бак в случае наличия дыма (курения оператора-заправщика) и/или недостаточной освещенности машины. Эта функция, реализованная как отдельно, так и в сочетании с другими функциями безопасности, соответствующими другим альтернативным признакам изобретения, позволяет повысить безопасность за счет исключения аварий и травм при заправке машины топливом.
В седьмом варианте реализации системы контроллер 9, после получения сигнала от ключа, реализует алгоритм безопасного запуска двигателя, а именно, осуществляет контроль условий безопасного запуска двигателя: отключение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины, включенное состояние стояночного тормоза, нахождение оператора в кабине или в кресле машины и отключенное состояние привода технологического оборудования.
Восьмой вариант реализации системы, в котором реализована защита оператора от воздействия выбросов вредных веществ с отработавшими газами с недопустимо высокой концентраций или отработавших газов двигателя высокой дымности, предусматривает установку датчиков контроля этих параметров и информирование оператора о превышении максимально допустимых значений этих параметров. Предотвращение работы машины с высокой дымностью отработавших газов двигателя позволяет также повысить безопасность работы машины за счет улучшения видимости рабочей зоны или трассы движения машины (например, на тракторах выхлопная труба двигателя устанавливается впереди кабины).
Аналогичным образом, в девятом варианте реализации системы, к повышению безопасности приводит контроль концентрации пыли, окиси углерода, паров алкоголя или топлива в воздухе кабины, уровня звука на рабочем месте оператора, вибрации на сиденье или органе управления машины, температуры воздуха в кабине оператора, а также информирование оператора о превышении максимально допустимого значения какого-либо из этих параметров.
Десятый вариант системы, реализованный отдельно, либо в сочетании с другими функциями безопасности, предусматривает контроль внешней освещенности (освещенности рабочей площадки или трассы движения), автоматическое включение контроллером 9 приборов освещения 18, если уровень этой освещенности ниже минимально допустимой величины, а также автоматическое формирование предупредительного сигнала для оператора и/или сигнала остановки двигателя или машины, если при наличии сигнала включения приборов освещения уровень внешней освещенности по каким либо причинам, например, вследствие неисправности или загрязненности приборов освещения, остается меньше минимально допустимой величины.
Система еще в одном варианте ее реализации содержит, датчик интенсивности тумана, дождя, снегопада и/или запыленности окружающей среды, а ее контроллер 9 осуществляет постоянное или периодического включение приборов освещения и/или звуковой сигнализации, если величина контролируемого датчиком параметра превышает установленную величину, и/или реализует управление машиной из условия ограничения скорости ее движения на уровне, предварительно записанном в память контроллера 9. Это позволяет повысить безопасность за счет исключения наезда машины на людей или на другие машины в условиях плохой видимости.
Система в двенадцатом варианте ее реализации автоматически ограничивает работу машины при повышенных углах продольного и/или поперечного наклона при работе в условиях плохой видимости. Эту функцию безопасности контроллер 9 реализует программно, с использованием сигналов датчиков угла наклона, внешней освещенности, интенсивности тумана, дождя, снегопада и/или запыленности окружающей среды 17, путем формирования предупредительного сигнала для оператора и/или блокирования работы машины. При этом допустимые значения углов наклона машины зависят от уровня внешней освещенности, интенсивности тумана, дождя, снегопада и/или запыленности окружающей среды и предварительно записаны в память этого контроллера.
Тринадцатый вариант реализации системы, предусматривающий повышение безопасности работа оператора на машине, оснащенной тяговой лебедкой, предусматривает блокирование включения привода этой лебедки при отсутствии датчика ограждения заднего стекла кабины из металлической решетки. Для этого используется либо датчик наличия ограждения, либо подтверждение оператором его наличия путем воздействия на органы управления панели оператора. Эта функция безопасности также может быть реализована либо отдельно, либо в любом сочетании с реализацией других функций безопасности, характеризующих альтернативные признаки формулы изобретения.
Аварии и несчастные случаи нередко происходит по причине возникновения неисправностей машины во время ее работы. Для их предотвращения еще в одном варианте реализации системы электрооборудования контроллер 9 выявляет эти неисправности путем сравнения направлений и/или скоростей линейного или углового перемещения машины и/или ее рабочего оборудования с сигналами органов управления, задающими эти скорости и направления, и, при наличии несоответствий, формирует предупредительный сигнал для оператора и/или сигнал остановки двигателя или машины.
Система в следующем варианте ее исполнения содержит датчик наличия на машине огнетушителя, лопаты, аптечки первой медицинской помощи, емкости для питьевой воды и/или буксирного троса. Каждый из этих датчиков выполнен, в частности, в виде транспондера (RFID-метки), прикрепленного к соответствующему устройству (предмету) и устройства его считывания. Датчик наличия на машине огнетушителя или емкости для питьевой воды может быть также выполнен в виде датчика веса, что позволяет определяет наличие достаточного количества огнетушащего средства в огнетушителе или питьевой воды в указанной емкости. Наличие устройств (предметов), выявляемое контроллером 9 повышает эффективность ликвидации произошедших аварий машины, что также обеспечивает повышение безопасности работы оператора.
Еще в одном варианте системы электрооборудования реализуются различные алгоритмы формирования световых и звуковых предупреждающих сигналов о работе машины, что также повышает безопасность ее работы. С этой целью контроллер 9 преобразует сигналы с датчиков 17 и органов управления 15 в сигналы управления приборами освещения и устройствами световой или звуковой сигнализации 18 в соответствии с программой этого преобразования, определяющей его порядок, а также характеристику и/или вид этих предупреждающих сигналов. Они формируются, в частности, из условия подачи предупредительного звукового и/или светового сигнала перед началом или изменением направления движения машины и ее рабочего оборудования, а также при движении машины задним ходом.
При этом для различных направлений движения или поворота машины и ее рабочего оборудования устанавливаются различные частоты, длительности, периоды следования или различные комбинации длительностей и пауз этого предупредительного сигнала. Изменение вида и характеристик предупредительных сигналов в зависимости от уровня опасности, создаваемой работающей машиной, от внешних условий ее работы, от наличия людей в рабочей зоне машины, либо из условия обеспечения возможности идентификации по этим сигналам различных машин, работающих на одной площадке (в одной зоне), осуществляется с панели оператора 16.
В следующем варианте системы, также реализуемом отдельно, либо в любом сочетании с реализацией других альтернативных признаков изобретения, осуществляется контроль угла наклона машины в продольной и/или поперечной плоскости и наличия устройства защиты оператора при опрокидывании машины (ROPS). Далее контроллер осуществляет изменение предельно допустимой величины продольного и/или поперечного угла наклона машины в зависимости от наличия ROPS, а также формирование предупредительного сигнала и/или сигнала остановки двигателя или машины, если угол продольного и/или поперечного наклона машины превышает предельно допустимую величину. Смысл реализации этого варианта системы заключается в том, что для обеспечения безопасности работы оператора необходимо снижение максимально допустимых величин продольного и/или поперечного наклона машины, если на ней отсутствует ROPS. К дополнительному повышению безопасности приводит формирование для оператора предупредительного сигнала и/или сигнала остановки двигателя или машины, если при наличии ROPS ремень безопасности не застегнут.
При работе на склонах дверь кабины, для повышения безопасности оператора, должна быть открыта, чтобы оператор мог ее покинуть при опрокидывании машины. Контроллер 9 в соответствующем варианте реализации системы формирует предупредительный сигнал и/или сигнал остановки двигателя или машины, если сигнал с датчика фиксации левой и/или правой двери кабины в открытом положении отсутствует, а величина угла поперечного и/или продольного наклона машины превышает максимально допустимую величину, предварительно записанную в память этого контроллера.
В следующем варианте реализации системы в ее состав включен датчик угла наклона машины в продольной плоскости, а контроллер 9 формирует сигналы управления двигателем и/или трансмиссией машины с реализацией блокирования опасных режимов работы машины и опасных управляющих воздействий оператора при движении машины на крутых подъемах и спусках - остановки двигателя, движения машины накатом или под уклон с остановленным двигателем, выключения муфты сцепления, переключения передач с разрывом потока мощности, запуска двигателя от силы инерции движущейся под уклон машины, поворота с радиусом меньше величины, предварительно записанной в памяти контроллера, торможения с ускорением, превышающим величину, предварительно записанную в память контроллера, и/или отключения одной гусеницы.
Еще в одном варианте реализации системы, контроллер 9 при повышенных значениях угла наклона машины в поперечной плоскости формирует сигналы запрета поворота с торможением одной гусеницы в нагорную сторону, либо поворота с радиусом меньше величины, предварительно записанной в его памяти.
Вариант системы электрооборудования, обеспечивающий безопасность машины при преодолевании брода, содержит содержит датчик наличия воды, сигнализирующий о преодолевании брода, а контроллер в этом режиме осуществляет управление двигателем и/или трансмиссией машины с реализацией запрета остановки двигателя, уменьшения его угловой скорости ниже предварительно установленной величины, переключения передач трансмиссии, остановки машины, увеличения скорости движения машины свыше предварительно установленной величины, а также ее поворота с малым радиусом.
С целью предотвращения аварий при наезде машины на препятствия и соответствующего повышения безопасности оператора, система в соответствующем варианте ее исполнения содержит датчик тягового усилия машины, а контроллер формирует сигнал остановки машины в случае, если скорость возрастания тягового усилия превышает предварительно установленную величину.
Для повышения безопасности оператора при снятии крышки радиатора нагретого (перегретого) двигателя реализован вариант системы электрооборудования, содержащий датчик направления ветра и сигнализатор положения наветренной стороны этой пробки или крышки.
В следующем варианте системы электрооборудования, обеспечивающей повышенную безопасность машины при ее торможении, контроллер реализует алгоритм безопасной остановки машины, формируя сигналы управления двигателем, трансмиссией и прицепным рабочим оборудованием (если оно имеет колесный ход), в следующей последовательности: уменьшение подачи топлива в двигатель, включение тормозов колес прицепного оборудования, выключение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины, включение тормоза машины.
В случае непредвиденной остановке двигателя машины на крутых подъемах и спусках контроллер 9, с использованием сигналов датчика угла наклона машины в продольной плоскости, формирует сигналы безопасного управления двигателем и трансмиссией машины в следующей последовательности: включение тормоза машины, выключение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины, запуск двигателя и одновременное выключение тормоза и включение передачи крутящего момента от двигателя к ведущим звездочкам машины.
Независимо или в дополнение к реализации других альтернативных признаков изобретения, контроллер 9 на крутых подъемах и спусках может формировать сигналы торможения машины из условия ограничения интенсивности торможения машины, максимального допустимая величина которой при различной скорости движения машины на подъемах и спусках предварительно записана в энергонезависимую память этого контроллера.
Следующий вариант реализации системы предусматривает включение в ее состав устройства глобального спутникового позиционирования GPS/ГЛОНАСС и записи в энергонезависимую память какого-либо блока системы координат или области допустимого местоположения машины, а также величин уклонов грунтовой поверхности с привязкой к этим координатам. Это обеспечивает управление двигателем и трансмиссией из условия перемещения машины в пределах ее допустимого местоположения и предотвращения опрокидывания. В частности, система обеспечивает выбор и реализацию траектории движения машины из условия пересечения линии электропередачи под прямым углом вблизи опоры (в зонах наименьшего провисания проводов ЛЭП).
Система в еще одном варианте ее исполнения осуществляет контроль напряженности электрического поля линии электропередачи (ЛЭП) и наличие у оператора наряда-допуска на работу в охранной зоне ЛЭП с формированием соответствующих предупредительных сигналов или сигналов блокирования работы машины, что также повышает безопасность работы оператора.
Во всех вариантах реализации системы электрооборудования контроллер, формирующий сигналы управления или предупредительные сигналы, может дополнительно записывать эти сигналы в энергонезависимую память с возможностью считывания с панели оператора или с помощью внешнего считывающего устройства. Реализация такого регистратора параметров («черного ящика»), также повышает безопасность работы, поскольку позволяет выявить нарушения оператором правил безопасной эксплуатации машины после произошедших аварий, что является для оператора дисциплинирующим фактором.
Максимально высокий уровень безопасности оператора при работе на машине достигается при одновременной реализации всех альтернативных признаков, указанных в формуле изобретения. Возможна также реализация как одного их этих альтернативных признаков, так и их любого количества в любом сочетании. Это также приводит к повышению безопасности. Однако достигаемый при этом уровень безопасности не достигает максимально возможного значения.
Заявленная система электрооборудования гусеничной машины допускает также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.
Источники информации
1. SU 18104441 A1, Е02F 9/20, Е02F 3/76, 23.04.1993.
2. Тракторы. Конструкция: Учебник для студентов вузов/ И.П. Ксеневич, В.М. Шарипов, Л.Х. Арустамов и др.; Под общ. ред. И.П. Ксеневича, В.М. Шарипова. - М.: МГУ «МАМИ», 2001-821.