ПРИЦЕПНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ СНЕГА

Изобретение относится к прицепным устройствам для подготовки лыжных и снегоходных трасс. Функциями устройства являются выравнивание и уплотнение свежевыпавшего снега, рыхление и выравнивание профиля обледеневших лыжных трасс.
В настоящем описании будет использована следующая терминология:
- силовой агрегат - двигатель со всеми необходимыми для его работы устройствами;
- фреза - рабочий орган устройств для уплотнения снега в виде установленного на подшипниках горизонтального вала с выступающими режущими и дробящими элементами в виде зубьев, клиньев или лопаток. В наиболее частых случаях, когда ось вала перпендикулярна рабочему направлению движения устройств, в уровне техники называется поперечной фрезой;
- фрезерное устройство - фреза вместе со вспомогательными элементами для ее крепления и ограждения, а также силовые элементы привода ее во вращение. В уровне техники, см., например, [RU 2423574], фрезерное устройство часто называют просто фрезой.
В лыжном спорте классический двухшажный попеременный лыжный ход, подготовка трасс для которого не вызывала затруднений, практически полностью вытеснен коньковым ходом, требующим гладкой плотной поверхности шириной не менее 1,2 метра. Кроме того, вопрос создания сети снегоходных дорог, требующих поверхности такого же качества, давно назрел, поскольку снегоходы к настоящему времени стали обычным и доступным транспортным средством. Создание таких трасс и дорог требует применения специализированного оборудования. Наилучшее качество обеспечивают устройства, в которых снежный материал, как свежевыпавший, так и плотно смерзшийся, обрабатывается, точнее, взбивается, поперечной фрезой, а затем уплотняется и заглаживается под определенным давлением.
Известны и широко применяются гусеничные самоходные машины, известные в спортивной среде под общими названиями: в США - "Snow-Cat", в Европе - "RaTrac", а в России - «ратрак» [см.: http://www.ski.ru/static/750/2_21317.html, а также: Приклонова С., Козлов А. Лыжный спорт. №37, 2007]. Они состоят из гусеничного трактора, силовой агрегат которого включает тяговый двигатель внутреннего сгорания, приводимый от него гидронасос, соединенный через устройство управления трубопроводами с гидромотором привода поперечной фрезы, подвешенной вместе со всем фрезерным устройством к задней части трактора. Ширина фрезы определяет ширину получаемой трассы и обычно превышает 2,5 метра.
Недостатками этих машин является их дороговизна - от 10 млн. рублей и выше, высокие эксплуатационные расходы, необходимость в обслуживании квалифицированными специалистами. Кроме того, при прокладке трасс в лесах и парках они требуют широкой просеки. В условиях России с ее громадными расстояниями, низкими плотностью и платежеспособностью населения подобные машины по указанным причинам пока могут иметь лишь ограниченное применение. Решить проблемы массового вовлечения в лыжный спорт и создания разветвленной сети снегоходных дорог они не могут. Лыжные и снегоходные трассы, в отличие от горнолыжных, обычно не требуют ежедневного ухода, и дорогостоящие ратраки оказываются в простое. Поэтому прицепные устройства представляются более перспективными, поскольку тягачи прицепного оборудования (трактора или снегоходы) в случае отсутствия нужды в обработке трасс могут использоваться для других надобностей.
Однако используемые в качестве тягачей трактора или снегоходы не имеют запаса мощности, необходимого для вращения фрезы. Кроме того, большие технические затруднения вызывает передача мощности на фрезу от двигателя тягача. Оптимальным путем решения этой проблемы представляется размещение на прицепе с фрезерным устройством специального независимого силового агрегата.
Известно прицепное устройство для возведения снежноледяных покрытий на дорогах, содержащее установленные на полозьях силовой агрегат с двигателем внутреннего сгорания, фрезерное устройство с поперечной фрезой, механические привод фрезы и средства для ее подъема и опускания [SU 118518]. Недостатком известного устройства является его низкая надежность, из-за поломок от ударов фрезы о препятствия: камни, обломки деревьев, крупные куски льда. Кроме того, управление механическим приводом требует присутствия на прицепе оператора в добавление к водителю тягача, что удорожает обработку.
Известна также прицепная машина для образования снеголедяного покрытия, содержащая установленные на полозьях силовой агрегат с электромотором и редуктором, фрезерное устройство с поперечной фрезой, механическую передачу от редуктора на привод фрезы, гидронасос и гидроцилиндры для подъема и опускания фрезы. [SU 277818]. Удобство управления такой машиной выше, чем у предыдущего аналога, но надежность остается на том же низком уровне из-за применения жесткой механической передачи привода фрезы. Поэтому было бы разумным использовать гидропривод как для управления положением фрезерного устройства, так и для вращения фрезы.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для сооружения снежноуплотненных покрытий, содержащее гусеничный тягач, силовой агрегат которого используется для тяги и привода гидронасоса, сцепленное с тягачом фрезерное устройство с приводом фрезы от гидромотора, гидроцилиндры для регулировки положения фрезы, трубопроводы питания гидромотора и сцепленное с фрезой устройство для уплотнения и заглаживания снежной массы [RU 2327005, фиг. 4 и стр. 6 описания]. Из уровня техники известна еще одна подобная машина [RU 29732], отличающаяся от первой тем, что у нее фреза прицеплена перед тягачом, а устройство для уплотнения и заглаживания снежной массы - сзади тягача.
Недостатком известных устройств является дороговизна тягача, поскольку его силовой агрегат имеет высокую мощность, а все прочие агрегаты, в частности, гусеницы, рассчитаны на то, чтобы выдерживать вес и усилия со стороны фрезы. К тому же такой тягач в случае отсутствия надобности в обработке трасс практически нерентабельно использовать для других нужд, например, для разъездов, И он находится в простое. А это снижает фондоотдачу.
Техническим результатом предложенной полезной модели является снижение капитальных затрат на оборудование для подготовки лыжных и снегоходных трасс и снижение эксплуатационных расходов на содержание снежноуплотненных трасс то есть, в конечном счете, повышение фондоотдачи.
Заявленный технический результат достигается тем, что прицепное устройство для уплотнения снега, содержащее фрезу с приводом от гидромотора и трубопроводы для его питания, дополнительно включены автономный источник энергии для гидропривода и полый элемент, расположенный напротив фрезы, причем полость указанного элемента включена в разрыв трубопроводов питания гидромотора.
Кроме того, полый элемент выполнен составным из соединенных последовательно трубопроводами обособленных полых элементов, параллельно каждому из которых подключен гидрораспределитель.
Кроме того, обособленные полые элементы являются силовыми элементами, служащими для крепления и ограждения фрезы.
Кроме того, прицепное устройство содержит гидрораспределитель, позволяющий включать по выбору полость в разрыв напорного или сливного трубопровода гидромотора.
Благодаря включению в состав устройства автономного источника энергии для гидропривода, снижаются капитальные затраты на приобретение оборудования для подготовки трасс, поскольку снижаются размеры, масса и стоимость тягача, освобожденного от необходимости одновременно обеспечивать энергией тягу и привод фрезы и возить на себе необходимое для этого оборудование. Кроме того, будучи отцеплен от устройства в период, когда в обработке трасс нет необходимости, тягач может использоваться как транспортное средство для других нужд, что повышает фондоотдачу оборудования для подготовки трасс.
Благодаря тому, что устройство включает полый элемент, расположенный напротив фрезы, полость которого включена в разрыв трубопроводов питания гидромотора, снижается стоимость прицепного устройства за счет отказа от использования радиатора и вентилятора для рабочей жидкости гидросистемы. Также снижаются эксплуатационные расходы, поскольку отпадает необходимость в затратах энергии и топлива на привод вентилятора.
Благодаря выполнению полого элемента составным из соединенных последовательно трубопроводами обособленных полых элементов, параллельно каждому из которых подключен гидрораспределитель, а также благодаря тому, что предложенное устройство содержит гидрораспределитель, позволяющий включать по выбору полость в разрыв напорного или сливного трубопровода гидромотора, либо отключать ее, снижаются эксплуатационные расходы, поскольку создается возможность устанавливать степень охлаждения рабочей жидкости в соответствии с температурой воздуха, оптимизируя тем самым затраты энергии на работу гидросистемы.
Благодаря тому, что обособленные полые элементы являются силовыми конструктивными элементами, служащими для крепления и ограждения фрезы, снижается стоимость фрезерного устройства, а обусловленное этим уменьшение массы снижает расходы топлива на тягу.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан вид сбоку на предложенное устройство.
На фиг. 2 показано фрезерное устройство с частичным разрезом плоскостью, проходящей через ось полого элемента и ось фрезы.
На фиг. 3 показан один из возможных вариантов гидравлической схемы устройства с полым элементом.
На фиг. 4 показан один из возможных вариантов гидравлической схемы предложенного устройства, в котором полый элемент образован двумя полыми деталями силового каркаса фрезерного устройства.
Предложенное устройство (фиг. 1) содержит установленные на раме 1 силовой агрегат 2, являющийся автономным источником энергии для привода гидронасоса 3, и устройство управления 4, содержащее гидрораспределители и служащее для управления приводом фрезы 5 и гидроцилиндрами, управляющими положением фрезерного устройства 6 (на чертежах гидроцилиндры условно не показаны). Силовой агрегат 2 включает в себя двигатель внутреннего сгорания со всеми необходимыми для его работы элементами: бензобаком, радиатором, пусковым устройством и прочим. Рама 1 установлена на полозьях 7 и оснащена дышлом 8, сцепляемым с тягачом, в качестве которого может использоваться снегоход или трактор. Длина и ширина полозьев 7 назначаются такими, чтобы устройство не проваливалось чрезмерным образом в снег.
К задней части рамы прикреплен, по меньшей мере, один поворотный рычаг 9, на другом конце которого подвешено фрезерное устройство 6, включающее фрезу 5, состоящую из установленного на подшипниках вала 10 с зубьями (лопатками, выступами) 11, предназначенными для измельчения и деаэрирования снега, а также кожух 12, гидромотор 13 и, взятую в качестве примера, цепную передачу 14. На фиг. 1 фрезерное устройство 8 для удобства пояснений показано в масштабе, увеличенном по сравнению с силовым агрегатом 2. Гидронасос 3, устройство управления 4 с необходимыми аппаратами, гидромотор 13, трубопроводы и гидроцилиндры, служащие для управления положением фрезерного устройства 6, образуют гидросистему предложенного устройства. Чтобы не загромождать чертежи, трубопроводы (шланги) и гидроцилиндры на них условно не показаны.
Открытый спереди и снизу кожух 12 служит для предотвращения разбрасывания снега и может служить одновременно силовым элементом, основой для укрепления подшипников фрезы 5, кронштейнов для присоединения рычага 9 и гидроцилиндров. Для снижения массы кожуха фрезерное устройство 6 может включать элементы, несущую силовую нагрузку от фрезы 5, выполненные, например, в виде силового каркаса или стяжек 15 и 16 (их может быть больше), скрепляющих подшипниковые щиты 17. В этом случае кожух 12 может быть выполнен облегченным, из тонкого листового материала.
Вдоль задней части кожуха 12 установлен заглаживающий лист 18 представляющий собой полосу из упругого материала.
Фрезерное устройство 6 включает в себя полый элемент 19, служащий для охлаждения рабочей жидкости гидросистемы, включенный в линию питания гидромотора 13 и расположенный напротив фрезы 5 в зоне разлета взрыхляемого фрезой снега (фиг. 1). При работе фрезы снег разлетается более чем на метр, и потому при любом разумном расстоянии от полого элемента 19 до фрезы 5, он всегда оказывается осыпаемым снегом. Минимальное расстояние от этого элемента до зубьев 11 фрезы 5 должно быть равным или превосходить расстояние от зубьев 11 до кожуха 12, чтобы избежать заклинивания фрезы встречающимися на трассе ветками. Практика показала, что пяти сантиметров вполне достаточно.
Для присоединения к трубопроводам гидросистемы полый элемент 19 оснащен штуцерами 20 (фиг. 1 и 2). В качестве полого элемента может служить труба круглого, прямоугольного или иного сечения с заглушенными концами, установленная перед фрезой (фиг. 1), либо им может служить кожух 12, выполненный хотя бы частично с двойной стенкой. Образованная полость между стенками также оснащается штуцерами.
Для снижения массы устройства предпочтительно совмещение полых элементов охлаждения с конструктивными элементами фрезерного устройства. На фиг. 2 в качестве примера показан полый элемент, состоящий из двух обособленных полых элементов, в качестве которых служат полые стяжки 15 и 16 (фиг. 2), выполненные из заглушенных труб, полости которых снабжены штуцерами 20 для присоединения трубопроводов и соединены последовательно (см. схему фиг. 4).
В предпочтительном варианте исполнения предложенного устройства оно дополнительно содержит трехпозиционный гидрораспределитель 21, позволяющий включать по выбору полый элемент 19 либо в напорную Р, либо в сливную линию Т питания гидромотора 13, либо выключать его вовсе (фиг. 3). Это необходимо для выбора наилучшего температурного режима работы гидросистемы в зависимости от температуры окружающего воздуха. На фиг 3 гидрораспределитель 21 показан в положении, когда полый элемент отключен от линии питания гидромотора 13. При перемещении рукоятки управления (гидрораспределитель может иметь не только ручной привод, но и любой другой, например, электромагнитный) влево полый элемент 19 включается в напорную линию Р гидромотора 13, а при перемещении вправо - в линию слива Т.
В варианте выполнения полого элемента 19 в виде соединенных последовательно обособленных полых элементов, в качестве которых, для примера, выступают полые стяжки 15 и 16, выполняющие функции силовых элементов фрезерного устройства 6 (фиг. 2 и 4) оно дополнительно содержит гидрораспределители 22 и 23, позволяющие включать полости стяжек в напорную Р (стяжка 15), или сливную Т линии гидромотора 13 (стяжка 16), или в обе линии сразу, или, в случае сильного мороза, отключать оба полых элемента, устанавливая гидрораспределители 22 и 23 в положение, показанное на фиг. 4. Учитывая, что гидрораспределители 22 и 23 однолинейные, вместо них могут использоваться клапаны, ч ручным или дистанционным управлением.
Работает предложенное устройство следующим образом.
Перед запуском двигателя силового агрегата 2 полый элемент 19 (или функционально составляющие его полые стяжки 15 и 16) посредством гидрораспределителя 21 (фиг. 3) или гидрораспределителей 22 и 23 (фиг. 4) отключаются от линий Р и Т питания гидромотора 13. Запускается двигатель силового агрегата 2 и, после прогрева, он подключается к гидронасосу 3. После прогрева гидросистемы и установления в ней должной температуры рабочей жидкости, с помощью гидрораспределителей устанавливается режим охлаждения, соответствующий температуре воздуха, вращающаяся фреза 5 посредством механического или гидравлического устройства погружается в снег на требуемую глубину и начинается рабочее движение. Взрыхляемый фрезой 5 снег набрасывается на полый элемент 19 и эффективно охлаждает проходящую по нему рабочую жидкость гидросистемы.
Диапазон температур, при которых производится обработка снежноуплотненных трасс, составляет примерно (+5…-25)°С. В таком широком диапазоне вязкость и условия охлаждения рабочей жидкости гидросистемы существенно изменяются. Кроме того, степень нагрева рабочей жидкости зависит от нагрузки фрезы, которая, в свою очередь, зависит от твердости и толщины обрабатываемого снежного слоя. При высоких температурах, примерно от +5 до - 5°С, и при больших нагрузках, когда требуется эффективное охлаждение, полый элемент 19 включают в напорную линию Р гидромотора 13 (по схеме фиг. 3). Или, если устройство выполнено по схеме фиг. 4, включают оба полых элемента (стяжки) 15 и 16 в напорную Р и сливную линии Т гидромотора 13, закрывая гидрораспределители 22 и 23. При умеренном (-5…-15)°С морозе полый элемент 19 включают в сливную линию Т гидромотора (по схеме фиг. 3), либо отключают (шунтируют) один из обособленных полых элементов (стяжку) 16 в сливной линии, открывая гидрораспределитель 23 (по схеме фиг. 4). При сильном морозе полые элементы отключают от линий.
Спустя несколько минут после начала рабочего движения, после проезда короткого пробного участка, проверяется температура рабочей жидкости и, если необходимо, корректируется гидрораспределителем или клапанами схема подачи и отвода рабочей жидкости к гидромотору. Для контроля температуры рабочей жидкости гидросистема может быть снабжена термометром.
Рабочая жидкость, находясь вследствие указанных мер всегда при оптимальной температуре, оказывает минимальное сопротивление при прохождении гидросистемы, что экономит топливо. Если бы для охлаждения рабочей жидкости использовался радиатор, то потребовался бы вентилятор, поскольку скорость движения и скоростной напор воздуха при обработке снежной трассы недостаточны для эффективной работы радиатора. А вентилятор, требуя примерно 5…7% мощности двигателя, снижает экономичность всего устройства.
Эксплуатация нескольких опытных образцов предложенного устройства показала, что они обеспечивают высокое качество подготовки снежноуплотненных трасс в широком диапазоне температур, толщины и плотности снежного покрова, хорошо работают как на рыхлых, так и обледенелых, промороженных трассах. При ширине фрезы до 1,25 метра тягового усилия снегохода оказывается вполне достаточно для движения с оптимальной для обработки скоростью. При существующем недостатке и дороговизне пригодных для езды по снежноуплотненным трассам тракторов, это существенное достоинство. В среднем за четырехмесячный период работы на трассах, снегоход оказывается свободен (30…45) дней и используется для других нужд, тогда как специализированный трактор-тягач находился бы в простое. Благодаря автономности гидросистемы и силового агрегата, при отцепке предложенного устройства от тягача не требуется отсоединять какие-либо шланги, провода или элементы силовой передачи. С началом применения предложенного технического решения по охлаждению рабочей жидкости, отказы гидросистемы прекратились полностью.