СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНОЙ ОБРАБОТКИ ДОРОЖНЫХ И АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD AND DEVICE FOR DEICING OF ROAD AND AIRFIELD SURFACES

Изобретение относится к способу и устройству для проведения противогололедной обработки на искусственных дорожных покрытиях (асфальтные или бетонные), таких как дорожное покрытие, автомагистрали, объекты дорожной инфраструктуры (мосты, эстакады, путепроводы, рамповые и открытые участки тоннелей, транспортные развязки) для устранения концентрации ДТП и повышения безопасности дорожного движения, а также на аэродромах в местах руления воздушных судов, рулевых дорожках и на взлетно-посадочных полосах (далее - дорожное покрытие).
Из уровня техники (RU 2287636) известен способ автоматической обработки дорог противогололедным реагентом и стационарная система для его осуществления, который предлагается в качестве наиболее близкого аналога. Указанная система состоит из насосной станции, гидравлической системы дорожного участка и автоматической метеостанции. Насосная станция представляет собой контейнер, установленный в непосредственной близости от обрабатываемого дорожного участка, внутри которого находятся емкости для хранения реагента, насосная гидравлическая система и аппаратура управления. Оборудование дорожного участка состоит из разбрызгивающих головок, расположенных вдоль дорожного участка и установленных на гидравлической линии дорожного участка без применения гидраккумуляторов, представляющей собой жесткий трубопровод большого диаметра для обеспечения. Автоматическая метеостанция (АМС) оборудована датчиками для измерения температуры воздуха, атмосферного давления, относительной влажности, количества осадков, скорости и направления ветра, встроенными дорожными датчиками покрытия. Способ осуществления противогололедной обработки включает распределение жидкого реагента на поверхности дорожного участка посредством автоматического или дистанционного включения операции разбрызгивания, при подаче сигнала после соответствующей оценки нарастания вероятности возникновения гололедных явлений на основании метеорологических данных, выдаваемых АМС, благодаря которой реагент равномерно наносят по всей протяженности дорожного участка.
К основным недостаткам упомянутого способа и системы необходимо отнести:
- использование жестких пластиковых труб большого диаметра основной гидравлической линии для жидкого противогололедного реагента, вследствие чего требуется значительно больший расход дорогостоящего реагента, необходимого для заполнения данных трубопроводов;
- расположение разбрызгивающих головок, а также кабелей управления и питания на проложенных вдоль дороги гидравлических линиях, что заставляет прокладывать ее в непосредственной близости от проезжей части;
- применение контактных, встраиваемых датчиков покрытия, измеряющих температуру дорожного покрытия на различных глубинах, а также на поверхности дороги, что приводит к уменьшению срока службы измерительного датчика и выхода его из строя;
- необходимость производить регулярные циклы подкачки реагента каждый раз перед началом разбрызгивания и соответствующей задержки своевременности обработки дорожных участков;
- значительное снижение качества обработки и точности из-за неравномерности параметров давления и расхода по длине гидравлической линии (при длине гидравлической линии в 1,5 км гидравлическая система не сможет обеспечить равные показатели расхода и давления на ближайших и дальних разбрызгивающих головках, из-за потерь давления и гидравлического сопротивления);
- оценка нарастания вероятности возникновения гололедных явлений определяется на основании метеорологических данных, выдаваемых АМС, что недостаточно для полноценного анализа состояния дорожных покрытий, т.к. метеоданные не учитывают состояние искусственного дорожного покрытия и фазу жидкости, находящейся на ее поверхности, это сводит полученные измерения лишь к метеопрогнозу с ошибкой измерений до 50% и соответствующим снижением точности в определении момента начала обработки;
- неоправданный расход жидкого реагента в больших количествах при нанесении его перед возникновением гололедной обстановки или выпадением осадков из-за отсутствия программируемых команд на блокировку (например, при продолжительном интенсивном снегопаде) в случае задержки или долго времени реакции коммунальных служб по уборке снега (от 1 до 48 часов, в зависимости от нормативной документации).
Таким образом, задача заявленного изобретения заключается в том, чтобы обеспечить равномерности расхода жидкости и давления по длине гидравлической линии, снижение вероятности разрушения гидравлической линии и линий управления и связи в результате ДТП, при размещении на дорожных конструкциях, а также возможность использования системы на аэродромных покрытиях, получение информации о реальном срабатывании клапанов, применения методов измерения не зависящих от разрушения и износа состояния дорожной одежды (что крайне важно для российских дорожных условий с износом дорожной одежды около 2 см в год по данным ФДА Росавтодор), экономия жидкого противогололедного реагента, повышение точности выявления момента образования гололеда, снижение вероятности возникновения ДТП и повышение безопасности дорожного движения.
Соответственно, техническим результатом, достигаемым при использовании данного изобретения, является повышение эффективности антигололедной обработки дорожных покрытий при экономии противоголедного реагента и долговечности системы.
Для достижения поставленного технического результата разработан стационарный комплекс, который реализует способ для проведения противогололедной обработки дорожных покрытий жидким реагентом, использующий гидравлическую линию разбрызгивающей системы по кольцевому принципу гидравлического контура, с исполнением гидравлических линий из синтетической резины на нитрильной основе, позволяющего аккумулировать давление жидкости в системе, при сохранении минимального используемого объема жидкости по всей длине линии. Комплекс имеет возможность передачи информации о реальном срабатывании каждого клапана по линии связи и управления их работой в режиме обратной связи при использовании индивидуального датчика, а также возможностью размещения разбрызгивающих устройств на расстоянии до 15 метров от основной гидравлической магистрали без изменения характеристик разбрызгивания, за счет сохранения жидкости в трубопроводе, от клапана до разбрызгивающей форсунки.
Сбор информации о состоянии дорожного покрытия и параметров микроклимата придорожной среды с использованием методов измерения, не зависящих от разрушения и износа дорожной одежды проезжей части, и загрязнений (бесконтактные методы измерения параметров дорожного покрытия, ультразвуковые методы фиксации количества, типа и интенсивности осадков неоптического характера). Разработанный аналитический комплекс имеет возможность внесения индивидуальных настроек для каждого объекта оснащения, учитывать состояние искусственного дорожного покрытия и фазу жидкости, находящейся на ее поверхности, а также имеет систему блокировки от перерасхода жидкого противогололедного реагента.
Противогололедный комплекс состоит из измерительной части, которая отвечает за сбор, хранение и анализ информации о реальном состоянии дорожного покрытия, а также придорожной среды; исполнительной части, отвечающий за непосредственное нанесение жидкого противогололедного реагента на дорожное покрытие путем распределения через разбрызгивающие форсунки, установленные сбоку проезжей части или интегрированные в покрытие; аналитического модуля, выполняющего функцию активатора исполнительной части на основе анализа актуальных данных от измерительной части.
Исполнительная часть состоит из насосной станции с емкостями для хранения реагента, насосами подачи, контролирующей и питающей аппаратурой, системой управления разбрызгиванием форсунок, системой трубопроводов и разбрызгивающей системы, представляющей собой сеть защитных трубопроводов с проложенными внутри гидравлическими линиями, линиями питания и управления; клапанными шкафами, с расположенными внутри клапанами, блоками управления и датчиками срабатывания; а также разбрызгивающими форсунками.
Насосная станция размещается в непосредственной близости от объекта (на удалении до 40 м от ближайшей клапанной панели) в здании некапитального характера или технологическом помещении дорожного объекта.
Внутри здания/помещения размещаются емкости для хранения жидкого противогололедного реагента, группа насосов, гидравлическая разводка, питающая и управляющая аппаратура.
Разбрызгивающая система представляет собой сеть защитных трубопроводов между клапанными шкафами, расположенными вдоль гидравлической линии. От клапанных шкафов отходят гидравлические трубопроводы к разбрызгивающим форсункам.
Трубопровод гидравлической линии имеет, например, наружный диаметр 27 мм, и внутренний 19 мм, из гибкого специального резинового материала позволяет сохранять давление жидкости в статичном состоянии.
Специальный резиновый материал должен быть эластичным и обеспечивать растяжение стенок для возможности накапливания давления, при этом выдерживая давление до 20 бар при рабочем в 14 бар. Давление жидкости в магистральной ветке гидравлической линии аккумулируется за счет растяжения стенок трубопровода из специального эластичного материала (синтетическая резина на нитрильной основе).
Коммуникации разбрызгивающей системы могут проходить под землей, на поверхности земли и выше поверхности, а также за облицовочными панелями на рамповых участках тоннеля на расстоянии до 15 метров (при необходимости выноса коммуникаций на аэродроме) от разбрызгивающих форсунок.
Клапанные шкафы в заявленном устройстве расположены параллельно (в случае забивки одного клапана последующие смогут функционировать штатно) на ответвлении от магистральной прямой гидравлической линии.
Каждый клапанный шкаф заявленного устройства содержит: клапан, прямую гидравлическую линию, обратную гидравлическую линию, линию питания, линию управления, блок управления, датчик срабатывания, трубную разводку, клемник и шкаф клапанной панели.
Клапан предназначен для подачи противогололедной жидкости из гидравлической линии в трубопровод на разбрызгивающую форсунку. Возможно применение электромагнитных клапанов различного типа и мощности, в частности мембранных клапанов и шаровых поворотных.
Прямая гидравлическая линия выполнена из синтетической резины на нитрильной основы, предназначается для подачи противогололедной жидкости на электромагнитный клапан.
Обратная гидравлическая линия выполняется из гибкого полимерного материала (для защиты от повреждений на изгиб), например нейлон; предназначена для выравнивания давления по длине трубопровода и возможности выполнения промывки в летний период.
Линия питания предназначена для питания блока управления и открытия/закрытия электромагнитных клапанов.
Линия управления осуществляет передачу сигнала по интерфейсу RS485 и передает адресный сигнал для блока управления.
Блок управления предназначен для распознавания адресного сигнала по линии связи RS485, контроля подачи напряжения на открытие электромагнитного клапана.
Датчик срабатывания измеряет физические характеристики потока противогололедного реагента при его разбрызгивании и передает информацию на управляющую аппаратуру насосной станции по линии управления.
Трубная разводка выполняет функции отделения потока жидкости из гидравлической линии прямой на электромагнитный клапан.
Клемник предназначен для электрических соединений между линиями управления, питания, проводами блока управления, электромагнитного клапана, датчика срабатывания.
Шкаф клапанной панели предназначен для размещения всех элементов клапанной панели и крепления на дорожном участке.
Разбрызгивающие форсунки располагаются сбоку проезжей части, в зоне свободной от влияния дорожного движения и не находящиеся в зоне деформации в результате ДТП. Крепление разбрызгивающих форсунок осуществляется на отдельных элементах, не связанных с металлическим барьерным ограждением, внутри закладных элементов малого размера (отверстия диаметром 63 мм), в нишах бетонных банкеток или отбойного бруса.
Существует вариант расположения разбрызгивающих форсунок интегрированных в покрытие. Такой способ размещения разбрызгивающих форсунок получил широкое распространение для покрытий увеличенного срока службы (бетонное покрытие на мостах и в тоннелях).
Разбрызгивающие форсунки располагаются вдоль проезжей части с шагом 10-15 м (в зависимости от ширины обработки и конфигурации проезжей части). При необходимости обработки проезжей части шириной 3-4 полосы движения форсунки располагаются с обеих сторон движения в шахматном порядке.
Обработка из разбрызгивающих форсунок происходит последовательно в сторону против движения автотранспорта, при направленном векторе разбрызгивания - по движению.
Возможность расположение разбрызгивающих форсунок на расстоянии до 15 метров от магистральной линии обеспечивается использованием гибкого трубопровода, подключаемого к клапану с одной стороны и к разбрызгивающим форсункам с другой стороны. Благодаря применению специальных разбрызгивающих сопел на форсунках, жидкость в статическом состоянии не вытекает из трубопровода, что позволяет использовать последний большой длины, не оказывая существенного влияния на количественные и качественные характеристики разбрызгивания.
Разбрызгивающая форсунка, устанавливая сбоку дорожного покрытия или на дорожном покрытии, производит распределение противогололедного реагента через разбрызгивающие сопла.
Разбрызгивающие сопла обеспечивают:
а) тип 1 выпуск струи на дальнее расстояние (до 12 и более метров),
б) тип 2 выпуск струи для обработки участка от 1 до 5 м,
в) тип 3 выпуск струи для обработки большого сектора на расстояние до 15 м,
г) удерживание жидкость внутри форсунки, не позволяя вытекать ей через сопла (иметь односторонний пропускной клапан),
Указанные свойства в пунктах «а-в» достигаются за счет геометрии выходного отверстия сопла, а в пункте «г» за счет применения обратного клапана.
Устройство для проведения антигололедной обработки дорожных покрытий, имеющий в своем составе одну насосную станцию, может обслуживать разбрызгивающие системы длиной 1,5 км и более в одну сторону (при необходимости одна насосная станция может обслуживать одну и более разбрызгивающих систем). При необходимости разбрызгивания на большую длину может применяться серия разбрызгивающих станций.
Одна насосная станция может обслуживать несколько разбрызгивающих систем одновременно. Возможности активации устройства для проведения антигололедной обработки дорожных покрытий следующие.
1. Работа в полностью автоматическом автономном режиме.
2. Работа в автоматизированном режиме (требуется подтверждение необходимости срабатывания).
3. Запуск в принудительном ручном режиме.
В полностью автоматическом режиме заявленное устройство работает, получая информацию с измерительной части, обрабатывает ее при помощи аналитического модуля и генерирует тревогу для активации срабатывания по заданному согласно конкретным локальным условиям объекта оснащения алгоритму. При этом учитываются необходимые факторы состояния дорожной среды и окружающей атмосферы (особая газовоздушная среда в придорожной зоне).
Автоматизированный способ активации устройства предусматривает подтверждение оператором команды на запуск исполнительной разбрызгивающей части. Запрос на срабатывание системы с указанием причины активации тревоги (дорожная ситуация, осадки и прочее) приходит на компьютер, установленный на рабочем месте оператора (или контактный телефон дежурного), и в случае подтверждения активизирует разбрызгивающую систему.
В случае необходимости ручного пуска разбрызгивающей системы оператор может выполнить пуск или с компьютера, установленного на рабочем месте, или от кнопки, расположенной в насосной станции.
Измерительная часть устройства представляет собой систему датчиков и модулей связи для передачи, а также контроля параметров дорожной среды и возможности образования гололеда или зимней скользкости.
Автоматическая дорожная метеостанция АДМС, которая может входить в состав измерительной части состоит из:
1) метеомачты и основания для крепления (устанавливается в непосредственной близости от дорожного объекта),
2) шкафа с контроллером управления (модулями коммуникации),
3) метеодатчиков, устанавливаемых на мачте или конструкциях транспортного объекта,
4) бесконтактных датчиков покрытия,
5) встроенных датчиков покрытия.
Метеодатчики фиксируют параметры, такие как:
1) температура и влажность воздуха,
2) скорость и направление ветра - измеряется при помощи ультразвука и не зависит от загрязнения,
3) атмосферное давлении воздуха - необходимо для коррекции прогноза обледенения,
4) интенсивность солнечной радиации - используется для специальных условий, в особенности горной местности для прогноза возможного образования,
5) количество, вид и интенсивность осадков.
Бесконтактные датчики покрытия измеряют параметры дорожной среды, не имея при этом элементов внутри дорожной одежды. Оптические измерительные элементы располагаются на уровне 4-5 м над поверхностью земли и поэтому меньше подвержены загрязнению.
Бесконтактные датчики покрытия измеряют параметры, такие как:
- толщина водяной пленки на поверхности дороги,
- состояние дорожного покрытия (лед, снег, водно-соевая смесь и др.),
- температура дорожного покрытия,
- процентное содержание ледяных частиц в жидкой среде на поверхности дороги,
- характеристика коэффициента сцепления на поверхности дороги
- и другие.
Заявленное устройство может работать в автоматическом режиме, так как укомплектовано оптическими бесконтактными датчиками покрытия и датчиками контроля метеопараметров.
Контактные (активные) датчики покрытия могут применять для измерения тех же параметров, что и бесконтактные датчики покрытия. Помимо того, активный датчик покрытия измеряет точку замерзания жидкости, находящейся на поверхности дороги, проводя циклы нагрева/охлаждения жидкости и фиксируя реальную температуру замерзания (циклы охлаждения до -15°С относительно актуальной температуры покрытия).
Область применения встроенных датчиков покрытия распространяется на сложные локальные участки, где трудно установить бесконтактный датчик покрытия, а также на мостах и эстакадах, где применяются дорожные покрытия с увеличенным сроком службы (бетон и прочее).
Необходимый сигнал на активацию автоматической антигололедной системы вырабатывает аналитический модуль на основе последовательного алгоритма.
На чертежах и схемах представлены:
Схема 1 - принцип работы противогололедного комплекса.
Схема 2 - автоматический противогололедный комплекс.
Фиг.1 - расположение оборудования на объекте.
Фиг.2 - клапанный шкаф.
Фиг.3 - специальное разбрызгивающее сопло.
Насосная станция автоматического противогололедного комплекса располагается на объекте оснащения. Противогололедный реагент хранится в емкостях внутри помещения насосной станции или рядом с ним.
Оборудование насосной станции обеспечивает подачу противогололденого реагента в гидравлические линии (в рабочем режиме в прямую и обратную).
Противогололедный реагент, поступая через гидравлические линии через тройник клапанной панели, подается к электромагнитному клапану под давлением. В случае активации системы электромагнитные клапаны в определенной последовательности, в том числе и не ограничиваясь, против движения открываются на определенные временные промежутки, подавая определенное количество противогололедного реагента сначала в трубопровод, а потом и на саму разбрызгивающую форсунку.
Измерительная часть фиксирует параметры дорожного покрытия и метеоданные и передает их в аналитический блок, который в свою очередь, используя алгоритм (см. схему 1), выдает команду на необходимость активации исполнительной части или блокировки на определенный промежуток времени.
При работе автоматического противогололедного комплекса имеется система в составе аналитического модуля, которая позволяет предупредить перерасход противогололедного реагента при наличии за счет фиксации наличия большого количества снега на покрытии, а также блокировки повторного разбрызгивания системы по причине начала снегопада. Для достижения поставленной цели учитывается информация о наличии снега на покрытии от контактных и бесконтактных датчиков покрытия, а также временная задержка по срабатыванию в результате начала снегопада.
Фиксация параметров дорожного покрытия и метеоданных происходит постоянно. Проведение противогололедной обработки при помощи исполнительной части заблаговременно предотвращает образование зимней скользкости путем изменения химического состава жидкости, нанесенной на поверхность.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Из емкости (1) для реагентов через насос (2) реагент, минуя трубную разводку (3), по прямой гидравлической линии (4) направляется вдоль обрабатываемой поверхности, в данном случае участок дороги (7), параллельно распределяясь по клапанным шкафам (6), расположенным также на протяжении участка дороги (7), и обратно по обратной гидравлической линии (5) в сторону емкости для реагентов. Доходя до трубной разводки (3), реагент опять возвращается в прямую гидравлическую линию (4), что обеспечивает минимизацию потерь реагента. Из клапанных шкафов (6) реагент поступает на разбрызгивающие форсунки (8), которые разбрызгивают его в области их обработки (9) на участке дороги (7).
На фиг.2 представлен клапанный шкаф, где:
10 - блок управления,
11 - клемник,
12 - линия управления,
13 - датчик срабатывания,
14 - шкаф клапанной панели,
15 - линия питания,
16 - прямая гидравлическая линия,
17 - обратная гидравлическая линия.
Устройство антигололедной обработки дорожных и аэродромных покрытий содержит емкость для реагентов, выходящую из нее через насос прямую гидравлическую линию, имеющую ответвления к клапанным шкафам, которая переходит в обратную гидравлическую линию, соединенную с трубной разводкой насосной станции, которая в свою очередь соединена с прямой гидравлической линией, причем клапанные шкафы соединены через трубопровод с разбрызгивающими форсунками, которые предназначены для разбрызгивания реагента на участке дороги, причем трубопровод, прямая и обратная гидравлические линии выполнены из синтетической резины на нитрильной основе, а каждый из клапанных шкафов управляет работой (работа, включение, выключение), соединенной с ней разбрызгивающей форсункой. Трубопровод, прямая и обратная гидравлические линии проходят под землей, над землей или по земле. Разбрызгивающие форсунки располагаются вдоль проезжей части с шагом 10-15 м. Соединение обратной гидравлической линии через трубную разводку насосной станции с прямой гидравлической линией обеспечивает кольцевой принцип движения реагента (см. фиг.1), обеспечивая тем самым экономию реагента.
Разбрызгивающие форсунки укомплектованы специальными разбрызгивающими соплами (см. фиг.3).
Сопла могут быть выполнены из нержавеющей стали, латуни, пластика, композитных материалов. На фиг.3 представлено специальное сопло, где:
18 - задняя часть сопла,
19 - разбрызгивающая часть сопла,
20 - обратный клапан,
21 - стабилизатор потока жидкости,
22 - выходное отверстие сопла,
23 - резьбовое соединение частей сопла,
24 - втулка клапана,
25 - пружина клапана,
26 - крепление к корпусу разбрызгивающей форсунки.
Для предотвращения вытекания жидкости в статичном состоянии применяется обратный клапан 20.
Разбрызгивающая форсунка, установленная в том числе, но не ограничиваясь, сбоку дорожного покрытия или на дорожном покрытии, производит распределение противогололедного реагента через сопла.
Пояснения к геометрии выходного отверстия сопла разбрызгивающей форсунки:
а) тип 1 - выпуск струи на дальнее расстояние (до 12 и более метров).
Применяется выпускное отверстие 22 круглого сечения, без стабилизатора потока 21 (для уменьшения сопротивления), при этом угол распыления становится минимальным, следовательно, вся энергия потока направлена на перемещение вперед.
б) тип 2 - выпуск струи для обработки участка от 1 до 5 м.
Применяется выпускное отверстие 22 плоского сечения (овального, вытянутого), совместно с стабилизатором потока 21. В этом случае угол распыления принимается максимальным с тем расчетом, чтобы покрыть необходимую площадь (рассчитывается индивидуально исходя из требований к конкретному объекту). Плоскость потока в начальный момент времени принимается параллельной дорожному покрытию.
в) тип 3 - выпуск струи для обработки большого сектора на расстояние до 8 и более метров.
Применяется выпускное отверстие 22 овального сечения, близкого к круглому, совместно с стабилизатором потока 21. В этом случае применяется средний угол распыления. Данный тип сопел может применяться в разбрызгивающих форсунках, имеющих три и более сопел в своем составе, для покрытия большого сектора дорожного покрытия.
Заявленное изобретение является новой, поскольку совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники и, соответственно, отвечает условию патентоспособности изобретения "новизна".
Заявленное изобретение имеет изобретательский уровень, поскольку для специалиста оно явным образом не следует из уровня техники.
Заявленное изобретение отвечает условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку она может использоваться в промышленности.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто со ссылкой на предпочтительные варианты ее осуществления, это не предназначено для ограничения настоящего изобретения, специалисты с общими знаниями в данной области техники настоящего изобретения могут модифицировать и осуществить его, не отступая от идеи и объема изобретения, следовательно, объем охраны настоящего изобретения должен регулироваться объемом, заданным в формуле изобретения.