САМОХОДНАЯ МАШИНА С УЛУЧШЕННЫМИ УСЛОВИЯМИ ТРУДА
SELF-PROPELLED MACHINE WITH IMPROVED WORKING CONDITIONS

Изобретение относится к промышленным и сельскохозяйственным тракторам, бульдозерам, погрузчикам, автогрейдерам и другим гусеничным и колесным самоходным машинам, предназначенным для выполнения землеройных, строительных, дорожных, транспортных, сельскохозяйственных и других работ.
Известна самоходная машина с отопительно-вентиляционной системой кабины, содержащей кожух отопителя, в котором последовательно расположены вентилятор, ведомая заслонка управления отопителем, теплообменник, смонтированный в нижней части кожуха, ведущая заслонка отопителя и камера смешивания, имеющая выходы к воздухораспределителю [1].
Ее недостатком является повышенная сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества сопрягаемых деталей и рециркуляционных каналов в отопительно-вентиляционной системе кабины.
Известна также самоходная машина (бульдозерный агрегат), содержащая остов трактора с установленными на нем двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и трансмиссией, бульдозерное оборудование, ходовую систему и кабину, в которой установлено подрессоренное кресло с пневмогидравлическим демпфером двойного действия, система вентиляции и отопитель, установленный под креслом и работающий на разогретой жидкости системы охлаждения ДВС. Электрооборудование машины содержит систему электроснабжения, органы и приводы управления отопителем, ДВС, трансмиссией и рабочим оборудованием, датчики параметров работы и контроля машины, панель оператора (приборная панель) и электронный контроллер, соединенный с органами и приводами управления и с частью датчиков параметров работы и контроля машины, вторая часть которых соединена с панелью оператора [2].
Наличие подрессоренного кресла с пневмогидравлическим демпфером и отопителя кабины обеспечивает улучшение условий работы оператора в первую очередь при эксплуатации машины в зимних условиях. Однако при этом не обеспечивается достижение комфортных условий его работы при эксплуатации машины в условиях повышенной температуры окружающей среды из-за отсутствия системы охлаждения воздуха в кабине.
Наиболее близкой к предложенной является самоходная машина, в кабине которой установлен кондиционер и, в качестве дополнения к нему, в системе вентиляции кабины реализован воздухозабор с наветренной стороны этой кабины. Для этого используются воздухозаборники, переключаемые электронным блоком управления (контроллером) с помощью привода заслонки (клапана) по сигналам с указателя наветренной стороны, который реализован на основе датчиков температуры воздуха, установленных по разные стороны вертикального столба отработавших (выхлопных) газов ДВС и фиксирующих его отклонение. Датчики температуры воздуха выполнены, например, в виде полукольцевых термопар или термисторов [3].
На этой самоходной машине обеспечивается улучшение условий труда за счет уменьшения температуры воздуха, подаваемого в кабину, путем рационального забора воздуха из зон с наименьшей температурой наружного воздуха.
Однако это улучшение является недостаточным, поскольку обеспечивается лишь за счет небольшого снижения температуры воздуха в кабине путем изменения точки его забора. Однако в целом условия труда во время работы машины при повышенных температурах наружного воздуха (окружающей среды) остаются неблагоприятными. На известной машине не устраняется также дискомфорт оператора, обусловленный загазованностью воздуха в кабине, шумом и вибрациями, воздействием на оператора солнечной радиации и сложностью управления машиной.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех альтернативных вариантах его реализации, является улучшение физических показателей, характеризующих условия труда на самоходной машине, в том числе эффективности нормализации микроклимата в кабине самоходной машины. К таким показателям, улучшение которых дополнительно достигается при реализации различных альтернативных технических решений, относятся снижение загазованности воздуха, снижение уровня шума и вибраций в кабине машины и т.п.
На самоходной машине с улучшенными условиями труда, содержащей ДВС, трансмиссию, ходовую систему с колесным или гусеничным движителем, рабочее оборудование, кабину с рабочим местом оператора и с устройствами нормализации микроклимата, систему контроля и управления, в состав которой входят органы и приводы управления ДВС, трансмиссией, рабочим оборудованием и устройствами нормализации микроклимата, датчики рабочих параметров машины, условий ее работы и параметров микроклимата, панель оператора и контроллер, выполненный автономным или встроенным в панель оператора и соединенный, в общем случае, с органами управления, устройствами нормализации микроклимата, приводами управления и датчиками, а также приспособленный для формирования сигналов управления ДВС, трансмиссией, рабочим оборудованием и устройствами нормализации микроклимата, указанный технический результат достигается за счет того, что на этой машине реализовано одно или одновременно насколько следующих технических решений в их любом сочетании:
1) с помощью привода, контроллера и микромеханического датчика угла наклона реализована стабилизация положения кресла оператора или кабины в целом относительно гравитационной вертикали;
2) с использованием контроллера и датчика тумана реализовано автоматическое включение противотуманных фар при снижении оптической прозрачности тумана до предварительно установленной величины;
3) предусмотрено оснащение машины солнечной батареей, обеспечивающей устройства нормализации микроклимата (вентилятор, отопитель и т.п.) электрической энергией при неработающем ДВС, в частности, с целью предотвращения перегрева/переохлаждения воздуха в кабине машины во время ее стоянки в летнее/зимнее время года;
4) в кабине установлен инфракрасный обогреватель (излучатель), направленный на оператора или на органы управления машиной, управляемый в ручном режиме или имеющий управление от контроллера, обеспечивающего поддержание заданного параметра осуществляемого им зонального обогрева;
5) стекло кабины имеет электропроводящее прозрачное покрытие, которое используется для подогрева стекла до температуры, исключающей возможность его запотевания и обледенения, причем эта температура определяется по величине электрического сопротивления этого покрытия и регулируется контроллером в зависимости от температуры и влажности воздуха в кабине;
6) установка в кабине машины двух и более датчиков температуры и поддержание комфортной для оператора температуры воздуха в кабине из условия предотвращения повышенных значений градиентов этой температуры по высоте и по горизонтали кабины;
7) установка комфортных для оператора углов поворота и наклона кресла относительно пола кабины или гравитационной вертикали с помощью привода в зависимости от используемого рабочего оборудования и режимов работы машины в ручном режиме или с помощью контроллера, определяющего величины устанавливаемых углов на основе информации, полученной с переключателя ручного выбора рабочего оборудования или с датчиков, контролирующих направление взгляда оператора или поворот его головы, режимы работы трансмиссии и рабочего оборудования, а также скоростные и нагрузочные режимы работы машины в целом;
8) применение для установки кабины или кресла оператора электронно-управляемых амортизаторов, соединенных с контроллером, который управляет характеристиками этих амортизаторов из условия снижения амплитуды виброударных воздействий на оператора в зависимости от выходных сигналов датчиков скорости движения машины, веса оператора и ускорений кабины или кресла оператора, измеряемых микромеханическим акселерометром;
9) снаружи кабины за стеклом, крышей или стенкой кабины установлен щиток (жалюзи) с приводом ручного управления или электрического управления от контроллера, обеспечивающий регулирование светового и/или воздушного потока из условия обеспечения комфортных условий работы оператора в соответствии с выходными сигналами датчика микроклимата;
10) стекло кабины выполнено с переменным коэффициентом светопропускания и/или поглощения тепла, причем этот коэффициент автоматически изменяется при изменении уровня внешней освещенности кабины и/или температуры воздуха снаружи кабины, либо стекло выполнено с электрически управляемой величиной этого коэффициента, причем это управление осуществляется оператором или контроллером в зависимости от выходных сигналов датчиков внешней освещенности кабины и/или температуры воздуха снаружи кабины;
11) предусмотрен вывод на панель оператора информационных сигналов, указывающих, какие окна и форточки кабины и в какой степени должен открыть оператор для улучшения микроклимата в кабине в зависимости от температуры воздуха снаружи кабины и направления ветра;
12) педаль, использующаяся для управления трансмиссией или рабочим оборудованием машины, выполнена с регулируемым усилием нажатия, причем это усилие регулируется вручную оператором либо контроллером, который устанавливает более высокое усилие нажатия при увеличении изгибной жесткости обуви, оценка величины которой дается контроллером в зависимости от температуры воздуха снаружи кабины, размера обуви и/или сигналов устройства ее идентификации;
13) контроллер обеспечивает автоматическое включение/отключение, а также переключение направления и параметров рабочего освещения машины, в том числе переключение освещения передней/задней рабочей зоны машины, включение освещения рабочей зоны определенного навесного или прицепного рабочего оборудования и изменение формы и/или интенсивности светового потока фар при прикосновении или приближении руки оператора к определенному органу управления или в зависимости от сигнала переключателя ручного выбора рабочего оборудования, от выходных сигналов датчика внешней освещенности, скорости движения, массы машины, угла поворота кресла и/или направления взгляда оператора или поворота его головы;
14) контроллер реализует алгоритм управления устройствами нормализации микроклимата из условия обеспечения комфортных условий труда в соответствии с алгоритмом, определенным расчетным или экспериментальным путем и записанным в энергонезависимую память контроллера, причем этот алгоритм предусматривает, в общем случае, изменение поддерживаемой температуры воздуха в кабине машины в зависимости от температуры окружающего воздуха, уровня теплозащиты одежды и обуви оператора, влажности воздуха и скорости воздухообмена в кабине, а также уровня и направления солнечной радиации, воздействующей на оператора;
15) контроллер осуществляет управление устройствами нормализации микроклимата при изменении условий работы машины, для контроля которых, в общем случае, установлены датчики силы и направления ветра относительно машины, интенсивности солнечной радиации и ее направления относительно машины, температуры окружающего воздуха, причем указанное управление осуществляется путем реализации контроллером алгоритма компенсации влияния на микроклимат указанных изменений условий работы машины, позволяющего исключить запаздывание сигналов управления относительно изменений условий работы машины;
16) машина оснащена датчиком наличия и/или направления солнечной радиации и стеклами кабины с управляемой прозрачностью, соединенными с контроллером, который обеспечивает управление прозрачностью стекол из условия автоматического снижения уровня светопроницаемости стекол или их отдельных участков в зависимости от сигнала этого датчика и соответствующего предотвращения воздействия солнечной радиации на оператора и/или на панель оператора;
17) машина содержит датчик наличия верхней одежды оператора на крючке или в месте ее хранения в кабине машины, а контроллер обеспечивает автоматическое повышение температуры, поддерживаемой устройством обогрева кабины, при наличии этой одежды на крючке или в месте хранения;
18) машина оснащена устройством изменения направления отвода отработавших газов ДВС, включающим в себя, в частности, датчик направления ветра и привод поворота выхлопной трубы ДВС, соединенный с контроллером, который осуществляет изменение этого направления отвода в зависимости от направления ветра из условия предотвращения сноса отработавших газов ветром в сторону воздухозаборников системы вентиляции кабины;
19) машина содержит несколько воздухозаборников системы вентиляции кабины, соединенных воздуховодами с электрически управляемыми клапанами, и датчики температуры наружного воздуха около этих воздухозаборников, причем контроллер осуществляет управление этими клапанами из условия подачи воздуха в кабину из того воздухозаборника, у которого температура воздуха имеет наименьшее отклонение от комфортной для оператора;
20) стекло, стенка, крыша, пол или стойка каркаса кабины имеет полость (канал) или воздушную прослойку, приспособленную для естественной вентиляции или для присоединения к вентилятору или иному устройству поддержания микроклимата в кабине, а также, в случае необходимости, теплоизоляцию поверхности снаружи кабины;
21) панель оператора и контроллер выполнены или размещены на машине таким образом, что тепловая энергия, выделяемая их элементами при работе машины, в минимальной степени влияет на температуру воздуха в кабине, например, система вентиляции панели оператора и контроллера отделена от системы вентиляции кабины;
22) машина оснащена видеокамерой, направленной на ориентир, использующийся оператором при управлении трансмиссией машины (например, на край борозды на поверхности почвы или грунта, на след маркера или предыдущего прохода машины) с целью поддержания направления ее движения, и соединенной с панелью оператора, которая приспособлена для отображения этого ориентира и положения машины относительно него;
23) кабина оснащена датчиком концентрации пыли или вредных химических соединений в воздухе вне кабины (отработавших газов ДВС, паров дизельного топлива, ядохимикатов и т.п.), а панель оператора приспособлена для формирования предупреждающего сигнала об опасности открывания оператором двери, окна кабины и форточки этого окна, либо окно кабины или его форточка оснащена электромеханическим замком, соединенным с контроллером, который осуществляет блокирование открывания окна кабины или форточки, если концентрация пыли или этих вредных соединений превышает предельно допустимую величину (ПДК);
24) система вентиляции кабины содержит несколько воздухозаборников, около которых установлены датчики концентрации пыли или вредных химических соединений в воздухе вне кабины (отработанных газов ДВС, паров дизельного топлива, ядохимикатов и т.п.), причем воздухозаборники соединены воздуховодами с электрически управляемыми клапанами, а контроллер обеспечивает управление этими клапанами из условия подачи воздуха в кабину из того воздухозаборника, у которого указанная концентрация имеет наименьшую величину, либо из условия закрытия всех воздухозаборников, если концентрация пыли или вредного химического соединения около всех воздухозаборников превышает предельно допустимую величину (ПДК);
25) панель оператора имеет графический дисплей и обеспечивает вывод на этот дисплей информации о правилах пользования машиной и/или о выполняемых технологических операциях, причем эта информация предварительно записана в энергонезависимую память панели оператора и/или контроллера или передается на машину с удаленного терминала с использованием беспроводного средства связи;
26) место для хранения питьевой воды оснащено индивидуальным охладителем, например элементом Пельтье с соответствующим терморегулятором, или соединено с кондиционером кабины посредством воздуховода;
27) контроллер путем обработки выходных сигналов соответствующих датчиков определяет параметры, характеризующие условия труда, и далее передает данные об этих параметрах на панель оператора и/или на удаленный терминал по каналу беспроводной связи;
28) контроллер, после определения параметров микроклимата, а также уровней загрязнения воздуха в кабине машины, шума и вибраций, осуществляет сравнение этих параметров с предельно допустимыми значениями, предварительно записанными в энергонезависимую память контроллера, и далее формирует и передает предупреждающий сигнал о превышении этих параметров на панель оператора и/или на удаленный терминал по каналу беспроводной связи.
Дополнительно на самоходной машине, с целью достижения указанного технического результата и улучшения этой машины, в частности:
- панель оператора приспособлена для вывода на графический дисплей рекомендаций для оператора об осуществлении операций управления ДВС, трансмиссией и рабочим оборудованием, наилучших по критериям условий труда, или производительности машины, или безопасности ее работы;
- контроллер, панель оператора, органы и приводы управления ДВС, трансмиссией, рабочим оборудованием и устройствами нормализации микроклимата, а также датчики параметров машины, условий ее работы и параметров микроклимата соединены между собой шиной последовательной цифровой передачи данных промышленной сети контроллеров - Controller Area Network (CAN);
- панель оператора содержит графические, и/или символьные, и/или электромеханические устройства визуального отображения информации, звуковые и/или световые сигнализаторы, органы управления этой панелью, а также устройство сопряжения с шиной CAN;
- по меньшей мере один орган управления ДВС, трансмиссией и/или рабочим оборудованием выполнен в виде джойстика, аппарата управления или педали, а также содержит устройство сопряжения с шиной CAN;
- по меньшей мере один привод управления ДВС, или трансмиссией, или рабочим оборудованием, или по меньшей мере одним устройством нормализации микроклимата выполнен электромеханическим, или электрогидравлическим, или электропневматическим и содержит встроенный микроконтроллер и соединенные с ним силовые электронные ключи и устройство сопряжения с шиной CAN;
- контроллер содержит энергонезависимое запоминающее устройство, часы реального времени и осуществляет запись в это запоминающее устройство данных о параметрах работы машины и условиях работы оператора в реальном масштабе времени с возможностью их считывания в случае необходимости, а также передает эти данные на удаленный терминал с использованием специализированного радиоканала, или сети сотовой связи, или канала спутниковой связи, или сети Интернет.
Реализация как одного из указанных альтернативных технических решений, характеризующихся их отличительными признаками, так и одновременно нескольких технических решений в их любом сочетании, позволяет улучшить условия труда на самоходной машину. При этом достигаемый уровень улучшения условий труда определяется количеством и сочетанием реализованных технических решений.
Указанный технический результат достигается, главным образом, путем не стабилизации, а целенаправленного изменения различных физических параметров и характеристик самоходной машины в направлении создания более комфортных и менее напряженных условий труда на этой машине.
В соответствии с отличительными признаками изобретения предложенный комплекс технических средств, обеспечивает поддержание оптимальных параметров микроклимата в различных климатических и метеорологических условиях при работе машины с различным оборудованием в различных скоростных и нагрузочных режимах, в частности, путем повышения эффективности защиты от воздействия солнечной радиации и ветра, учета параметров верхней одежды и обуви оператора. Улучшение условий труда достигается также за счет оптимизации воздухозабора в системе вентиляции и, соответственно, повышения чистоты воздуха в кабине, за счет применения стабилизации положения кресла оператора и активного подавления виброударных воздействий на него, повышения эффективности освещения рабочей зоны при наличии тумана или при работе в темное время суток, за счет улучшения информационного обеспечения оператора и т.д.
В случаях, когда влияние отдельных альтернативных отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат требует дополнительных пояснений, наличие этой причинно-следственной связи дополнительно показано при описании работы предложенной машины.
Улучшение условий труда (оператора, машиниста, механизатора) достигается при реализации как одного, так и одновременно нескольких указанных альтернативных технических решений, указанных в независимом пункте формулы изобретения, в их любом сочетании. При этом наилучшие условия труда достигаются при одновременной реализации всех альтернативных технических решений данного изобретения.
На чертеже представлена самоходная машина с улучшенными условиями труда, именуемая также «машиной».
Она содержит остов с установленными на нем двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 1 и трансмиссией 2, ходовую систему, состоящую из колесного или гусеничного движителя 3 и подвески, соединяющей движитель с остовом, кабину 4 с рабочим местом оператора и устройствами нормализации микроклимата 5, рабочее оборудование 6, систему электроснабжения, выполненную в виде аккумуляторной батареи и генератора, и систему контроля и управления, в состав которой входят органы 7 и приводы 8 управления ДВС 1, трансмиссией 2, рабочим оборудованием 6 и устройствами нормализации микроклимата 5, панель оператора 9 и контроллер 10.
Трансмиссия 2 машины может быть механической, гидромеханической, гидростатической или электрической (электромеханической).
К устройствам для нормализации микроклимата 5 относятся детали, узлы и системы машины, приспособленные для отопления, вентиляции, охлаждения и очистки воздуха в кабине машины - кондиционер, отопитель (обогреватель), вентилятор, защитные шторы и жалюзи и т.д.
Органы управления 7 в зависимости от конструкции машины и исполнения приводов управления 8 ДВС 1, трансмиссией 2, устройствами нормализации микроклимата 5 и рабочим оборудованием 6, могут быть выполнены в виде электрических джойстиков, педалей, переключателей (клавиш), гидравлических аппаратов управления, механических рычагов и т.п.
Для управления работой ДВС 1, трансмиссией 2, устройствами нормализации микроклимата 5 и рабочим оборудованием 6 от контроллера 10, в том числе для блокирования (остановки) их работы, приводы 8 могут содержать встроенные микроконтроллеры и силовые электронные ключи, а также дополнительные электрические входы управления. Например, гидравлический привод управления 8 может содержать электрогидравлический клапан, при снятии напряжения с которого осуществляется блокирование движения управляемого им механизма.
Контроллер 10, преимущественно электронный микропроцессорный, может именоваться также блоком управления, управляющим или микропроцессорным контроллером и т.д., что не имеет принципиального значения. В его состав, как правило, входит энергонезависимое запоминающее устройство (блок памяти) 11, часы реального времени 12, цифровой вычислитель 13 и устройство ввода/вывода информации 14, выполняющее функции проводного или беспроводного интерфейса при передаче сигналов управления и при обмене информацией с органами управления 7, приводами 8, панелью оператора 9 и внешним (не входящим в состав машины) терминалом 15.
В состав устройства ввода/вывода информации 14 могут входить силовые электронные или электромеханические ключи, формирующие дискретные или аналоговые сигналы, либо сигналы с широтно-импульсной модуляцией. Выходы этих ключей с помощью отдельных линий связи соединены с исполнительными элементами приводов 8 и других компонентов системы контроля и управления машины, в частности с электромагнитами электрогидравлических клапанов или распределителей.
Основные сигнальные блоки контроллера 10 могут быть реализованы на основе микроконтроллера. В частности, в виде единой микросхемы могут быть реализованы энергонезависимое запоминающее устройство 11, часы реального времени 12, цифровой вычислитель 13 и сигнальная часть устройства ввода/вывода информации 14. Возможно также конструктивное объединение панели оператора 9 и контроллера 10.
Внешнее стационарное или мобильное устройство 15 может быть выполнено, в частности, в виде удаленного компьютерного терминала, имеющего проводную или беспроводную связь с контроллером 10 машины через сеть Интернет, специализированный радиоканал связи, сеть сотовой связи GSM/GPRS, CDMA или систему спутниковой подвижной связи. В этом случае машина оснащена средством беспроводной связи, соединенным с контроллером (на чертеже условно не показано) или встроенным в контроллер 10 (например, сходящим в состав устройства ввода/вывода информации 14). Средство беспроводной связи может быть также встроено в панель оператора 9 или подключено к ней.
Датчики 16 рабочих параметров машины, внешних условий ее работы, параметров микроклимата и иных условий работы оператора, входящие в состав системы контроля и управления машины, могут быть дискретными (пороговыми, релейными) и/или аналоговыми (пропорциональными).
К датчикам 16 рабочих параметров машины относятся датчики, характеризующие скоростные, нагрузочные и технологические параметры работы машины, в частности датчики тягового усилия машины, теоретической скорости левого и правого борта (датчики угловой скорости бортовых редукторов или ведущих колес), угловой скорости ДВС 1, буксования движителей машины 3 и т.д.
К датчикам 16 условий работы машины относятся, в частности, датчики температуры окружающего воздуха (вне кабины машины), скорости и направления ветра, наличия дождя, тумана, уклона грунтовой поверхности (креномеры), концентрации пыли и вредных химических соединений, направления и интенсивности солнечной радиации т.д.
Датчики 16 параметров микроклимата включают в себя датчики температуры и влажности воздуха в кабине машины, направления и интенсивности солнечной радиации в кабине машины, скорости воздухообмена и т.д. В состав датчиков 16 могут входить также датчики уровня загрязненности воздуха в кабине машины, вибраций и ударов, воздействующих на оператора, освещенности рабочей зоны и т.д.
Состав и технические характеристики датчиков 16, устройств нормализации микроклимата 5 и иных технических средств, обеспечивающих улучшение условий труда, в общем случае определяется при разработке машины в зависимости от требований к ее конструкции, технологических особенностей работ, для выполнения которых она предназначена, внешних условий работы машины, в том числе климатических, а также требований к условиям труда на ней.
Машина может быть оснащена встроенным регистратором параметров. В этом случае в состав контроллера 10 входят часы реального времени 12, а устройство ввода/вывода 14 имеет разъем для подключения мобильного устройства считывания 17, выполненного, например, в виде флеш-накопителя USB или SD-карты. Возможна также реализация дистанционного считывания информации с помощью удаленного терминала 15.
Контроллер 10, панель оператора 9, органы 7 и приводы 8 управления ДВС 1, трансмиссией 2, рабочим оборудованием 6, устройствами нормализации микроклимата 5 и другими устройствами, обеспечивающими улучшение условий труда, а также датчики 16 и другие электронные или электромеханические устройства машины соединены между собой шиной последовательной цифровой передачи данных, в частности, выполненной с физическим уровнем промышленной сети CAN (Controller Area Network), определенным в стандарте ISO 11898, и с использованием протокола высокого уровня CANopen, или DeviceNet, или CAN Kingdom, или J1939. Возможно также применение интерфейса цифровой передачи данных LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), J1850 (SAE), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (СОМ-порт), RS-485 (Recommended Standard 485), «токовая петля», MEDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д.
ДВС 1, предпочтительно дизельный, может иметь отдельный контроллер управления ДВС и отдельные датчики параметров его работы, которые также подключены к шине CAN или к иной шине передачи данных.
Возможно также применение параллельных линий (отдельных проводов) для связи между собой отдельных устройств системы управления машины.
Панель оператора 9 выполнена, предпочтительно, на основе микроконтроллера и содержит графические (например, цветные жидкокристаллические), символьные и электромеханические (стрелочные) устройства отображения информации о параметрах и режимах работы машины и условиях труда, а также звуковые и световые сигнализаторы, предупреждающие оператора об отклонениях этих параметров и условий труда за пределы допустимых значений или о нарушениях правил эксплуатации машины. На панели оператора 9 могут быть установлены органы управления этой панелью, использующиеся, например, для переключения отображаемых параметров, а также отдельные (вспомогательные, сервисные, дублирующие) органы управления различными устройствами системы контроля и управления машины, устройствами нормализации микроклимата в ее кабине и рабочим оборудованием 6, выполненные, например, в виде бесконтактных или квазисенсорных клавиш, кнопок или переключателей.
В состав машины, в зависимости от варианта ее исполнения, могут также входить иные устройства, условно не показанные на чертеже.
Самоходная машина с улучшенными условиями труда работает следующим образом.
ДВС 1 является источником энергии при работе машины. Его крутящий момент с помощью трансмиссии 2 передается на колесный или гусеничный движитель 3, обеспечивая поступательное перемещение машины и выполнение тех технологических операций, для выполнения которых она предназначена.
Управление скоростью и направлением движения машины, а также ее рабочим оборудование 6, осуществляется оператором с помощью органов управления 7, размещенных в кабине 4.
Сигналы с органов управления 7 поступают на контроллер 10, работающий под управлением программы, записанной в ее энергонезависимой памяти 11, и формирующий сигналы управления приводами 8 в соответствии с управляющими воздействиями оператора. Управление отдельными приводами 8 возможно также без участия контроллера 10. В этом случае реализуется гидравлическое или механическое управление этими приводами.
В первом варианте реализации самоходной машины с помощью привода 8, контроллера 10 и датчика обратной связи - микромеханического датчика угла наклона, входящего в состав датчиков 16 и выполненного на основе микромеханического акселерометра, реализована стабилизация положения кресла оператора или кабины относительно гравитационной вертикали. В этом случае кресло или кабина оснащены механизмом его наклона, например электроприводом с соответствующим передаточным механизмом.
Подержание горизонтального или предварительно установленного оператором угла наклона сиденья кресла оператора обеспечивает улучшение условий его работы при движении машины по трассе с переменным продольным или поперечным уклоном.
Во втором варианте реализации машины с помощью контроллера 10 и датчика тумана 16 реализовано автоматическое включение противотуманных фар при снижении оптической прозрачности тумана до предварительно установленной величины. Это обеспечивает улучшение условий труда за счет сокращения операций, необходимых для управления машиной.
Третий альтернативный вариант реализации машины предусматривает ее оснащение солнечной батареей, обеспечивающей электрической энергией устройства нормализации микроклимата (вентилятор, отопитель и т.п.) 5 при неработающем ДВС. Благодаря этому достигается предотвращение перегрева или переохлаждения воздуха в кабине 4 во время стоянки машины в летнее или зимнее время года и, соответственно, улучшение микроклимата в кабине в начальный период работы машины.
В кабине 4 машины в четвертом варианте ее реализации установлен инфракрасный обогреватель (отопительный прибор, отдающий тепло в окружающую среду посредством инфракрасного излучения) 5, например трубчатый электронагреватель (ТЭН) с рефлектором, направленный на оператора или на органы управления машиной, управляемый в ручном режиме или имеющий управление от контроллера 10 с дистанционным контролем температуры локальных поверхностей (зон) нагрева датчиком 16. В этом случае достигается улучшение условий работы оператора в холодное время года или при открытой кабине при недостаточной мощности иных средств обогрева 5.
Локальный обогрев органов управления 7 при этом позволяет оператору осуществлять управление машиной без перчаток, что также улучшает условия труда.
В следующем варианте реализации машины по меньшей мере одно стекло кабины 4 имеет электропроводящее прозрачное покрытие, подключенное к контроллеру 10. Это покрытие используется как для определения температуры стекла по величине его электрического сопротивления, так и для подогрева стекла. Причем величина температуры стекла, поддерживаемая контроллером 10, установлена в зависимости от температуры и влажности воздуха в кабине на уровне, исключающей возможность его запотевания и обледенения (выше точки росы). Это приводит к улучшению условий труда за счет улучшения обзорности зоны работы машины.
Шестой вариант реализации машины предусматривает установку в ее кабине двух и более датчиков температуры и регулирование интенсивности и направления потоков воздуха в системе вентиляции кабины контроллером 10, заслонками, клапанами и другими приводами 8 с целью не только поддержания комфортной для оператора температуры воздуха в кабине, но и предотвращения повышенных значений градиентов этой температуры по высоте и по горизонтали кабины.
В следующем варианте машины реализована установка комфортных для оператора углов поворота и наклона кресла относительно пола кабины или гравитационной вертикали с помощью привода 8 в зависимости от используемого рабочего оборудования 6 и режимов работы машины в ручном режиме или с помощью контроллера 10, формирующего сигналы управления приводами 8 на основе информации, полученной с переключателя ручного выбора рабочего оборудования 7 или с датчиков 16, контролирующих направление взгляда оператора или поворот его головы (реализованных, например, в виде видеокамеры, направленной на оператора и устройств обработки видеоизображения), режимы работы трансмиссии и рабочего оборудования 6, а также скоростные и нагрузочные режимы работы машины в целом.
Известно, что при изменении рабочего оборудования, например при переходе управления с бульдозерного оборудования на рыхлительное или с переднего на заднее навесное орудие, изменяются как направление взгляда машины (влево/вправо или вперед/назад по ходу машины), так и органы управления машиной. Это приводит к изменению комфортного положения оператора в кресле.
Наиболее комфортное положение оператора в кабине машины зависит также от скорости движения и нагрузочных режимов работы машины. Например, в транспортном режиме, т.е. при повышенной скорости движения машины и отсутствии необходимости управления рабочим оборудованием 6, оператор может откинуться в кресле, что улучшает условия труда в этом режиме работы машины.
К улучшению условий труда приводит также применение для установки кабины или кресла оператора электронно-управляемых амортизаторов. Управление характеристиками этих амортизаторов осуществляется контроллером 10 из условия снижения амплитуды виброударных воздействий на оператора в зависимости от выходных сигналов датчиков скорости движения машины, веса оператора и ускорений кабины или кресла оператора, измеряемых микромеханическим акселерометром. Алгоритмы этого управления предварительно определяются расчетным или экспериментальным путем, записываются в энергонезависимую память 11 контроллера 10 и реализуются цифровым вычислителем 13.
В девятом варианте реализации машины снаружи кабины - за стеклами, крышей или стенками кабины, установлены щитки или жалюзи с приводом ручного или электрического управления от контроллера 10, который осуществляет регулирование световых и воздушных потоков в соответствии с выходными сигналами датчиков 16 микроклимата. При этом установка щитков или жалюзи снаружи кабины, по сравнению с их установкой внутри кабины, приводит к более существенному улучшению микроклимата, поскольку в первом случае эти щитки и жалюзи обеспечивают отвод тепловых потоков от кабины.
В следующем варианте машины стекла кабины выполнены с переменным коэффициентом светопропускания или поглощения тепла («электрохромное стекло», «смарт-стекло», «стекло с изменяющимися свойствами» и т.п.), причем величина этого коэффициента автоматически изменяется при изменении уровня внешней освещенности кабины и/или температуры воздуха снаружи кабины в силу конструктивного исполнения этого стекла, либо в силу применения стекол с электрически управляемой величиной коэффициента прозрачности или поглощения тепла. Это управление осуществляется оператором или контроллером 10 в зависимости от выходных сигналов датчиков внешней освещенности кабины и/или температуры воздуха снаружи, либо внутри кабины.
Применение таких стекол позволяет улучшить микроклимат в кабине за счет сокращения проникновения солнечной радиации и тепловой энергии в кабину в летнее время года и потерь тепла в зимнее время.
Еще в одном варианте реализации машины предусмотрен вывод на панель оператора 9 информационных сигналов, указывающих, какие окна и форточки кабины 4 и в какой степени должен открыть оператор для улучшения микроклимата в кабине в зависимости от температуры воздуха снаружи кабины и направления ветра. Это обеспечивает улучшения микроклимата в кабине за счет более правильного и более своевременного открытия/закрытия окон и форточек кабины.
В двенадцатом варианте машины педаль, использующаяся для управления трансмиссией или рабочим оборудованием машины, выполнена с регулируемым усилием нажатия, причем это усилие регулируется вручную оператором либо контроллером. Смысл этого регулирования заключается в повышении удобства управления путем установки более высокого усилия нажатия, если оператор работает в зимней обуви. С этой целью контроллер 10 осуществляет оценку изгибной жесткости обуви в зависимости от температуры воздуха снаружи кабины, размера обуви и/или сигналов устройства ее идентификации, например RFID-метки, прикрепленной к обуви.
В следующем варианте контроллер 10 обеспечивает автоматическое включение/отключение либо переключение направления и параметров рабочего освещения машины, в том числе переключение освещения передней/задней рабочей зоны машины, включение освещения рабочей зоны определенного навесного или прицепного рабочего оборудования и изменение формы и/или интенсивности светового потока фар при прикосновении или приближении руки оператора к определенному органу управления или в зависимости от сигнала переключателя ручного выбора рабочего оборудования, от выходных сигналов датчика внешней освещенности, скорости движения, массы машины, угла поворота кресла и/или направления взгляда оператора или поворота его головы.
Смысл этого технического решения заключается в том, что для улучшения условий труда при работе машины в темное время суток необходимо повысить уровень освещенности рабочей зоны машины. При этом, ввиду ограниченной мощности системы электроснабжения, осуществляется указанное перераспределение светового потока фар. Например, если оператор работает с бульдозерным оборудованием и машина движется вперед, то освещение рабочей площадки сзади машины не требуется и имеющие резервы мощности системы электроснабжения используются для улучшения освещенности рабочей зоны впереди машины. Если же осуществляется работа с рыхлителем, то в первую очередь необходимо освещение рабочей площадки сзади машины. Поэтому перераспределение светового потока фар рабочего освещения позволяет повысить уровень освещенности именно тех зон работы работы, освещение которых необходимо в текущий момент времени.
Еще в одном варианте реализации машины кабина 4 рассматривается как открытая термодинамическая система со своими параметрами воздушной среды. В этом случае контроллер 10 реализует алгоритм управления устройствами нормализации микроклимата из условия обеспечения комфортных условий труда в соответствии с алгоритмом, определенным расчетным или экспериментальным путем и записанным в энергонезависимую память 11 контроллера 12. Этот алгоритм предусматривает, в общем случае, изменение поддерживаемой температуры воздуха в кабине машины в зависимости от температуры окружающего воздуха, уровня теплозащиты одежды и обуви оператора, влажности воздуха и скорости воздухообмена в кабине, а также уровня и направления солнечной радиации, воздействующей на оператора.
Контроллер машины в следующем варианте ее реализации осуществляет опережающее управление устройствами нормализации микроклимата при изменении условий работы машины, контролируемых датчиками силы и направления ветра относительно машины, интенсивности солнечной радиации, ее направления относительно машины и температуры окружающего воздуха. Это управление осуществляется путем реализации контроллером 10 алгоритма компенсации влияния на микроклимат указанных изменений условий работы машины, позволяющего исключить запаздывание сигналов управления устройствами нормализации микроклимата 5 относительно изменений условий работы машины и, соответственно, улучшить условия труда.
Машина в шестнадцатом варианте ее исполнения оснащена датчиками уровня наличия и направления солнечной радиации, а также стеклами кабины с управляемой прозрачностью. В этом варианте контроллер 10 обеспечивает управление прозрачностью стекол из условия автоматического снижения уровня светопроницаемости стекол или их отдельных участков в зависимости от сигналов этих датчиков и соответствующего предотвращения неблагоприятного воздействия солнечной радиации на оператора и на панель оператора.
В следующем варианте реализации машины предусмотрена установка датчика наличия верхней одежды оператора на крючке (например, датчика усилия на крючке) или в месте ее хранения в кабине машины (например, датчика приближения). При этом контроллер обеспечивает автоматическое повышение температуры, поддерживаемой устройством обогрева кабины, если оператор снимает верхнюю одежду и размещает ее на крючке или в месте хранения (в шкафу).
В восемнадцатом варианте реализации машины, с целью снижения уровня загазованности воздуха в кабине, предусмотрено изменение направления отвода отработавших газов ДВС. Для этого используются датчик направления ветра 16 и привод 8 поворота выхлопной трубы ДВС, соединенные с контроллером 10. Изменение направления отвода осуществляется из условия предотвращения сноса отработавших газов ветром в сторону воздухозаборников системы вентиляции кабины.
Например, если выхлопная труба находится с подветренной стороны кабины, то отработавшие газы ДВС, очевидно, целесообразно направить в противоположную сторону от кабины.
Однако если выхлопная труба находится с наветренной стороны кабины, то установка направления отработавших газов ДВС в сторону, противоположную кабине, целесообразна. Поскольку в этом случае отработавшие газы ДВС после потери их кинетической энергии будут снесены ветром на кабину. Поэтому необходимо реализовать отвод этих газов в боковую сторону.
В общем случае зависимость рационального направления отвода отработавших газов от направления ветра относительно машины зависит от конструкции машины, в том числе от расположения выхлопной трубы ДВС. Эта зависимость предварительно определяется расчетным или экспериментальным путем и записывается в энергонезависимую память 11 контроллера 10. Возможна также реализация этой зависимости механическими средствами на основе флюгера.
Машина в еще одном варианте ее реализации содержит несколько воздухозаборников системы вентиляции кабины, соединенных воздуховодами с электрически управляемыми клапанами, и датчики температуры наружного воздуха около этих воздухозаборников. Контроллер 10 осуществляет управление этими клапанами из условия подачи воздуха в кабину из того воздухозаборника, у которого температура воздуха имеет наименьшее отклонение от комфортной для оператора.
В следующем варианте реализации машины стекла, стенки, крыша, пол или стойки каркаса кабины имеют полости (каналы) или воздушные прослойки, которые используются для естественной вентиляции, принудительной вентиляции или подачи теплоносителя системы поддержания микроклимата в кабине. При необходимости, с целью дальнейшего повышения эффективности поддержания микроклимата, дополнительно используется теплоизоляция поверхности указанных вентилируемых элементов кабины с наружной стороны. Например, пол кабины 4 может быть теплоизолирован от трансмиссии 2 и в этом полу могут быть каналы, приспособленные для принудительной вентиляции или подачи в них теплоносителя системы охлаждения ДВС или системы кондиционирования.
Поскольку при работе машины значительная часть тепла в кабину поступает от устройств электрооборудования, в следующем варианте машины панель оператора 9 и контроллер 10 выполнены или размещены на машине таким образом, что тепловая энергия, выделяемая их элементами при работе машины, в минимальной степени влияет на температуру воздуха в кабине. Например, их система вентиляции отделена от системы вентиляции кабины. Благодаря этому достигается снижение температуры воздуха в кабине при работе в жаркое время года.
В следующем варианте машина оснащена видеокамерой, направленной на ориентир, использующийся оператором при управлении трансмиссией машины при поддержания направления ее движения (например, на край борозды на поверхности почвы или грунта, на след маркера или предыдущего прохода машины). Этот ориентир отображается на панели оператора 9 одновременно с положением машины относительно него, что повышает удобство управления машиной и снижает нервное напряжение оператора. Кроме того, оператор имеет возможность управлять машиной, заняв наиболее удобную позу в кресле, что также улучшает условия труда.
Еще в одном варианте реализации машины она оснащена датчиком концентрации пыли или вредных химических соединений в воздухе вне кабины (отработавших газов ДВС, паров дизельного топлива, ядохимикатов и т.п.), а панель оператора обеспечивает информирование оператора об опасности открывания двери, окна кабины и форточки. Возможно также оснащение окна кабины или его форточки электромеханическим замком, соединенным с контроллером, который осуществляет блокирование открывания окна кабины или форточки, если концентрация пыли или этих вредных соединений превышает предельно допустимую величину (ПДК).
Возможна также реализация системы вентиляции кабины с двумя или более воздухозаборниками, около которых установлены датчики концентрации пыли или вредных химических соединений в воздухе вне кабины (отработавших газов ДВС, паров дизельного топлива, ядохимикатов и т.п.). В этом случае контроллер 10 обеспечивает выбор подачи воздуха в кабину из того воздухозаборника, у которого указанная концентрация имеет наименьшую величину, либо закрывает все воздухозаборники, если концентрация пыли или вредного химического соединения около всех воздухозаборников превышает предельно допустимую величину (ПДК). Это, как и в предыдущем варианте, обеспечивает улучшение условий труда за счет снижения концентрации вредных химических соединений в кабине машины.
На панель оператора с графическим дисплеем 9 может выводиться информация о правилах пользования машиной и/или о выполняемых технологических операциях. Указанная информация предварительно записана в энергонезависимую память панели оператора и/или контроллера или передается на машину с удаленного терминала 15 с использованием беспроводного средства связи. Это позволяет улучшить условия труда за счет снижения нервного напряжения оператора.
В следующем варианте реализации машины улучшение условий труда достигается за счет обеспечения оператора охлажденной питьевой водой. С этой целью место для хранения питьевой воды в кабине 4 оснащено индивидуальным охладителем, например элементом Пельтье с соответствующим с терморегулятором, или соединено с кондиционером кабины посредством воздуховода.
Еще в одном варианте реализации машины контроллер на основе обработки выходных сигналов соответствующих датчиков 16 определяет параметры, характеризующие условия труда, и далее передает данные об этих параметрах на панель оператора 9 и/или на удаленный терминал 15 по каналу беспроводной связи. Это дает возможность провести своевременный ремонт или техническое обслуживание устройств нормализации микроклимата 5 и иных устройств, предназначенных для улучшения условий труда оператора, что обеспечивает это улучшение.
В последнем варианте машины контроллер 10, после определения параметров микроклимата, а также уровней загрязнения воздуха в кабине, шума и вибраций, осуществляет сравнение этих параметров с предельно допустимыми значениями, предварительно записанными в энергонезависимую память 11 контроллера 10, и далее формирует и передает предупреждающий сигнал о превышении этих параметров на панель оператора 9 и/или на удаленный терминал 15 по каналу беспроводной связи. Это позволяет в экстренном порядке привести машину в надлежащее состояние по условиям труда, что также обеспечивает достижение указанного технического результата.
Каждое из перечисленных альтернативных технических решений предложенного изобретения может быть реализовано как отдельно (только это техническое решение), либо совместно с любыми техническими решениями в их любом сочетании.
Для специалиста в данной области техники понятно, что кроме описанной самоходной машины с улучшенными условиями труда возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.