САМОХОДНАЯ РАБОЧАЯ МАШИНА, ПРИСПОСОБЛЕННАЯ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ
SELF-PROPELLED WORKING MACHINE INTENDED FOR OPERATION IN WINTER 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 машина с устройствами утепления ее агрегатов при эксплуатации в зимних условиях, содержащая наружные кожухи, приспособленные для утепления редукторов мостов и коробок передач, изготовленные из негорючего теплоизоляционного материала, повторяющие контуры укрываемых агрегатов и содержащие элементы встроенного электроподогрева от бортовой сети машины [1].
Ее недостатком является недостаточная эффективность подогрева агрегатов машины вследствие ограниченной емкости аккумуляторной батареи бортовой сети машины и, соответственно, недостаточная приспособленность машины для работы в условиях низких температур окружающей среды.
Наиболее близкой к предложенной является самоходная рабочая машина, выполненная в виде трактора с бульдозерным оборудованием, содержащая остов трактора с установленными на нем двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и трансмиссией, предпусковой подогреватель ДВС, ходовую систему, состоящую из гусеничного движителя и подвески, соединяющей движитель с остовом, кабину с рабочим местом оператора, оснащенную обогревателем кабины, электрооборудование, в состав которого входят системы электроснабжения и пуска ДВС, органы и приводы управления 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 предпускового подогревателя ДВС и отопителя кабины обеспечивает снижение минимальной температуры окружающей среды, при которой возможна эксплуатации машины в зимних условиях. Однако это снижение является недостаточным ввиду ограниченной реализации на данной машине средств защиты самой машины и оператора от воздействия низких температур.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех альтернативных вариантах его реализации, является обеспечение возможности работы машины при более низких температурах окружающей среды. Дополнительным техническим результатам является повышение безопасности работы машины в условиях низких температур.
На самоходной рабочей машине, приспособленной для эксплуатации в зимних условиях, содержащей остов с установленными на нем двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и трансмиссией, ходовую систему, состоящую из колесного или гусеничного движителя и подвески, соединяющей движитель с остовом, кабину с рабочим местом оператора, рабочее оборудование, систему электроснабжения, выполненную в виде аккумуляторной батареи и генератора, и систему контроля и управления, в состав которой входят органы и приводы управления ДВС, трансмиссией и рабочим оборудованием, датчики рабочих, диагностических параметров машины и условий ее работы, панель оператора и контроллер, оснащенный энергонезависимой памятью и выполненный автономным или встроенным в панель оператора, соединенный с указанными органами управления, приводами и датчиками, а также приспособленный для формирования сигналов управления ДВС, трансмиссией и рабочим оборудованием, указанный технический результат достигается за счет того, что на этой машине реализовано по меньшей мере одно из следующих технических решений:
1) система контроля и управления приспособлена для формирования предупреждающего сигнала для оператора и/или сигналов управления ДВС, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием машины, обеспечивающих ограничение тягового усилия машины, и/или скорости ее движения, и/или усилия заглубления/выглубления рабочего органа, и/или скорости перемещения рабочего органа, из условия снижения уровня ограничиваемого параметра при снижении температуры окружающей среды;
2) в системе контроля и управления предусмотрено измерение температуры охлаждающей жидкости ДВС, и/или температуры масла в системе смазки ДВС, и/или температуры масла в системе смазки трансмиссии, и/или температуры рабочей жидкости в гидравлической системе рабочего оборудованием, при этом контроллер осуществляет передачу на панель оператора предупреждающего сигнала и/или управление ДВС, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием машины, из условия предотвращения превышения максимально допустимой величины тягового усилия машины, и/или скорости ее движения, и/или усилия заглубления/выглубления рабочего органа, и/или скорости перемещения рабочего органа, причем в энергонезависимую память контроллера предварительно записана зависимость указанной максимально допустимой величины от измеренного значения температуры;
3) в системе контроля и управления предусмотрено измерение температуры окружающей среды, или температуры охлаждающей жидкости или масла в системе смазки ДВС до проведения предпусковой подготовки и начала работы ДВС, или температуры масла в системе смазки трансмиссии, или температуры рабочей жидкости в гидравлической системе управления рабочим оборудованием, причем контроллер приспособлен для выявления момента запуска ДВС и последующего формирования и передачи на панель оператора предупреждающего сигнала и/или для управления трансмиссией из условия блокирования начала движения машины до истечения установленного интервала времени после запуска ДВС, при этом величина этого интервала времени установлена в зависимости от измеренного значения температуры;
4) машина оснащена средством беспроводной связи, соединенным с контроллером или встроенным в контроллер или в панель оператора, а также датчиком температуры воздуха в кабине машины, датчиком присутствия оператора в кресле в кабине машины и датчиком рабочего состояния ДВС, причем контроллер приспособлен для формирования и передачи на мобильное устройство или на стационарный пост аварийного сигнала в случае нахождения оператора в кресле машины при неработающем ДВС и понижении температуры в кабине машины ниже предварительно установленной величины;
5) в системе контроля и управления предусмотрено измерение направления ветра, а контроллер приспособлен для формирования и передачи на панель оператора информационного сигнала о рекомендуемом положении машины на стоянке относительно направления ветра, при котором скорость охлаждения машины ветром имеет минимальную величину;
6) датчик условий работы машины выполнен георадиолокационным или лазерным с возможностью измерения толщины льда замерзшего водоема, а контроллер приспособлен для формирования и передачи на панель оператора предупреждающего сигнала и/или для формирования сигналов управления трансмиссией, обеспечивающих остановку машины в случае, если измеренная толщина льда, по которому движется машина, меньше минимально допустимой;
7) машина оснащена средством беспроводной связи, соединенным с контроллером или встроенным в контроллер или в панель оператора, датчики условий работы машины приспособлены для получения информации, необходимой для определения возможности вмерзания ходовой части в грунт на стоянке машины, а контроллер приспособлен для выявления такой возможности и для формирования и передачи на панель оператора, или на мобильное устройство, или на стационарный пост предупреждающего сигнала о наличии такой возможности;
8) машина содержит устройство резервного электрического питания, соединенное с системой электроснабжения машины и выполненное в виде бензинового или дизельного ДВС и генератора, или преобразователя переменного напряжения 220/380 В в постоянное напряжение, согласованное с напряжением системы электроснабжения машины, или в виде устройства для подключения дополнительной аккумуляторной батареи;
9) машина оснащена дополнительным топливным баком, приспособленным для размещения на машине топлива с пониженной температурой загустевания или депрессорной присадки к топливу, а также устройством переключения основного и дополнительного топливных баков или устройством подмешивания депрессорной присадки к топливу, которое приспособлено для подачи в топливную систему ДВС топлива с пониженной температурой загустевания или топлива с депрессорной присадкой перед остановкой ДВС;
10) в системе контроля и управления предусмотрено измерение температуры окружающей среды, и/или температуры масла в системе смазки ДВС, и/или топлива в фильтре, и/или топлива в топливопроводе, и/или топлива в топливозаборнике, машина оснащена электрическими подогревателями топлива в фильтре, и/или топлива в топливопроводе, и/или топлива в топливозаборнике, и/или масла в картере ДВС, и/или воздуха, поступающего в цилиндры ДВС, при этом контроллер выполнен с возможностью оптимального регулирования времени включения/отключения и/или мощности каждого подогревателя по критерию обеспечения возможности запуска ДВС при наиболее низком значении температуры окружающей среды;
11) в системе контроля и управления предусмотрено измерение температуры окружающей среды, и/или охлаждающей жидкости ДВС, и/или воздуха в кабине машины, и/или по меньшей мере одного агрегата трансмиссии, при этом машина оснащена по меньшей мере одним регулируемым утеплителем капота, и/или радиатора, и/или кабины, и/или по меньшей мере одного агрегата трансмиссии, причем контроллере приспособлен для формирования сигнала управления утеплителем, направленного на увеличение теплоизоляции, после остановки ДВС и/или при понижении измеренного значения температуры до предварительно установленной величины;
12) контроллер приспособлен для выявления остановки ДВС и последующего контроля температуры окружающей среды, и/или температуры охлаждающей жидкости ДВС, и/или температуры по меньшей мере одного агрегата трансмиссии, и/или напряжения на аккумуляторной батарее, а также приспособлен для определения возможности отказа запуска ДВС и для формирования и передачи на панель оператора или на внешнее устройство предупреждающего сигнала о необходимости запуска ДВС и/или формирования сигнала автоматического запуска ДВС при возникновении такой возможности, причем порядок определения возможности отказа запуска ДВС в зависимости от сочетания текущих значений контролируемых параметров предварительно записан в энергонезависимую память контроллера;
13) привод управления ДВС, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием выполнен гидравлическим или электрогидравлическим и содержит уплотнение, оснащенное встроенным подогревателем и/или датчиком его температуры, соединенным с контроллером, который формирует сигналы управления встроенным подогревателем, и/или передает на панель оператора предупреждающий информационный сигнала, и/или блокирует управления этим приводом в случае понижения температуры уплотнения до предварительно установленной величины;
14) в системе контроля и управления предусмотрено измерение температуры окружающей среды, по меньшей мере один привод управления ДВС, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием выполнен гидравлическим или электрогидравлическим, а контроллер приспособлен для формирования и передачи на панель оператора предупреждающего сигнала о недопустимости работы этого привода под нагрузкой без предварительных циклических перемещений его выходного звена или для формирования сигналов управления этим приводом из условия циклического перемещения этого выходного звена в диапазоне его положений, не включающем предельные положения и положения, не соответствующие требованиям безопасности управления этим приводом;
15) контроллер выполнен с возможностью оценки технического состояния аккумуляторной батареи путем контроля изменения напряжения на этой батарее при включении нагрузок системы электроснабжения машины, а также с возможностью последующего формирования и передачи на панель оператора предупреждающего сигнала о необходимости замены аккумуляторной батареи в случае ее неудовлетворительного технического состояния, причем нормы напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой, используемые для оценки ее технического состояния, предварительно записаны в энергонезависимую память контроллера;
16) контроллер приспособлен для контроля уровня заряда аккумуляторной батареи и для формирования и передачи на панель оператора предупреждающего сигнала о недопустимости остановки ДВС, если уровень заряда меньше величины, записанной в энергонезависимую память контроллера;
17) рабочее место оператора оснащено устройством контактной и/или бесконтактной передачи электрической энергии, выполненным с возможностью передачи энергии от системы электроснабжения машины к устройству обогрева одежды и/или обуви оператора;
18) машина дополнительно оснащена тепловым аккумулятором, приспособленным для накопления тепловой энергии ДВС во время его работы и последующего подогрева ДВС, и/или трансмиссии машины, и/или аккумуляторной батареи, и/или воздуха в кабине машины во время ее стоянки и/или перед запуском ДВС, причем в тепловом аккумуляторе применен теплоаккумулирующей материал с фазовым переходом и с возможностью использования явления переохлаждения жидкой фазы этого материала;
19) датчики диагностических параметров выполнены с возможностью определения нижней рабочей температуры топлива, и/или охлаждающей жидкости ДВС, и/или масла в система смазки ДВС, и/или масла в трансмиссии, а также текущего значения этой температуры и/или температуры окружающей среды, при этом контроллер приспособлен для сравнения нижней рабочей температуры топлива, и/или охлаждающей жидкости, и/или масла с указанным текущим значением температуры и последующего формирования и передачи на панель оператора предупреждающего сигнала о необходимости применения топлива, и/или охлаждающей жидкости, и/или масла с более низким значением рабочей температуры;
20) параллельно основному фильтру в гидравлической и/или топливной системах машины установлены последовательно соединенные дополнительный фильтр с более высокой пропускной способностью и предохранительный или переливной клапан, срабатывающий при чрезмерном перепаде давления на основном фильтре;
21) крыша кабины имеет люк, приспособленный для эвакуации оператора из кабины машины и оснащенный приводом, соединенным с контроллером, который обеспечивает автоматическое открытие люка при вертикальном перемещении машины, причем для выявления этого перемещения на машине установлен датчик вертикального ускорения и/или перемещения машины на основе акселерометра, входящий в состав контроллера или подключенный к нему.
Дополнительно на машине с целью достижения указанного технического результата и улучшения этой машины, в частности:
- датчики условий работы машины приспособлены для измерения температуры окружающей среды, влажности грунта и/или наличия дождя, глубины погружения ходовой части машины в грунт, а контроллер выполнен с возможностью определения возможности вмерзания ходовой части в грунт на стоянке машины путем выявления понижения температуры окружающей среды до предварительно установленной величины при установленных значениях влажности грунта и глубины погружения ходовой части машины в грунт;
- контроллер приспособлен для получения прогноза погоды с использованием средства беспроводной связи и выполнен с возможностью определения возможности вмерзания ходовой части в грунт на стоянке машины с учетом этого прогноза;
- устройство резервного электрического питания имеет мощность, достаточную для работы устройств подогрева ДВС и/или трансмиссии машины во время ее стоянки с остановленным ДВС, а контроллер приспособлен для формирования сигналов автоматического включения/отключения устройства резервного электрического питания в зависимости от необходимости использования этого устройства для поддержания заданного теплового режима ДВС и/или трансмиссии машины во время ее стоянки;
- датчик рабочего состояния ДВС выполнен в виде датчика угловой скорости ДВС, или напряжения на генераторе, или акустического шума работающего ДВС, или вибраций работающего ДВС, или давления масла в системе его смазки, а контроллер выполнен с возможностью определения рабочего состояния ДВС путем контроля наличия сигнала этого датчика;
- контроллер приспособлен для управления устройством переключения основного и дополнительного топливных баков или устройством подмешивания депрессорной присадки к топливу, а также для формирования сигнала остановки ДВС после истечения интервала времени, достаточного для заполнения топливопровода и топливного фильтра топливом с пониженной температурой загустевания или с депрессорной присадкой;
- контроллер, осуществляющий регулирование времени включения/отключения и/или мощности электрических подогревателей, дополнительно приспособлен для измерения напряжения на аккумуляторной батарее или уровня ее заряда, а также изменения времени включения/отключения и/или мощности каждого подогревателя в зависимости от измеренного значения напряжения на аккумуляторной батарее или уровня ее заряда;
- регулируемый утеплитель выполнен в виде рулонной или жалюзийной шторы с электромеханическим, электрогидравлическим или электропневматическим приводом ее положения, или в виде надувного компонента с электропневматическим управлением, обладающего возможностью изменения толщины этого компонента при заполнении воздухом его внутренних каналов;
- кресло оператора оснащено электрическим разъемом или индукционным преобразователем, приспособленным для передачи электрической энергии системы электроснабжения машины устройству обогрева одежды и/или обуви оператора, содержащему контактное или индукционное средство приема этой энергии и по меньшей мере один греющий элемент этой одежды и/или обуви;
- устройство обогрева одежды оснащено встроенным регулятором температуры, а греющие элементы выполнены резистивными и/или в виде инфракрасных излучателей, в частности, саморегулирующихся;
- теплоаккумулирующий материал теплового аккумулятора, допускающий переохлаждение его жидкой фазы, выбран из условия автоматического перехода этого материала в режим фазового перехода и выделения тепла при снижении его температуры или при поступлении от контроллера сигнала на устройство инициирования этого фазового перехода путем создания зародыша твердой фазы данного материала;
- контроллер выполнен с возможностью оценки технического состояния аккумуляторной батареи путем обработки результатов измерения напряжения на аккумуляторной батарее, тока аккумуляторной батареи и ее температуры;
- контроллер и/или панель оператора содержит часы реального времени и обеспечивает запись сигналов датчиков, и/или результатов обработки сигналов этих датчиков, и/или сигналов, передаваемых на панель оператора и/или на привод управления ДВС, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием, а также времени их изменения или времени записи, в энергонезависимую память контроллера и/или панели оператора с возможностью считывания в случае необходимости;
- контроллер, панель оператора, органы и приводы управления ДВС, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием, а также датчики, 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 отображения информации, звуковые и/или световые сигнализаторы, 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.
Реализация как одного из указанных технических решений, характеризующихся их отличительными признаками, так и одновременно нескольких технических решений в их любом сочетании, позволяет создать машину, приспособленную для эксплуатации в зимних условиях и обладающую возможностью работы при более низких температурах окружающей среды.
Возможность работы машины при низких значениях температуры окружающей среды ограничивается возможностью пуска машины в работу, надежностью работы (отсутствием отказов узлов и агрегатов) в этих условиях, отсутствием недопустимого риска для машины и оператора (безопасностью работы) либо сочетанием этих факторов.
Реализация каждого альтернативного технического решения данного изобретения характеризует различные способы снижения температуры окружающей среды, при которой возможна эксплуатация машины.
В первом и втором альтернативных технических решениях реализовано принудительное снижение максимальной величины тягового усилия машины, скорости ее движения, усилия заглубления/выглубления рабочего органа и скорости перемещения рабочего органа при снижении температуры окружающей среды или температуры ее отдельных узлов и агрегатов. Это обеспечивает возможность работы машины при более низких температурах окружающей среды за счет того, что снижение допустимых скоростных и нагрузочных режимов работы машины при низких значениях температуры приводит не к запрету, а к продолжению эксплуатации машины в облегченных режимах.
Блокирование начала работы машины под нагрузкой в течении установленного интервала времени после запуска ДВС до прогрева машины обеспечивает возможность ее работы при более низких температурах окружающей среды за счет предотвращения выхода машины из строя в начале ее работы.
Дистанционный контроль температуры воздуха в кабине машины при остановленном ДВС и присутствии оператора в кабине машины позволяет исключить ограничения на минимально допустимую рабочую температуру машины из условия обеспечения безопасности оператора.
Расположение машины на стоянке с учетом направления ветра обеспечивает снижение скорости охлаждения машины ветром и приводит к облегчению ее пуска в работу, что также обеспечивает снижение минимальной температуры окружающей среды, при которой возможна работа машины.
Контроль безопасной толщины льда водоема, по которому движется машина, также обеспечивает возможность эксплуатации машины в условиях более низких температур окружающей среды. В этому же результату приводит реализация технического решения, обеспечивающего предотвращение вмерзания ходовой части в грунт на стоянке машины.
Применение устройства резервного электрического питания в виде бензинового или дизельного ДВС и генератора, преобразователя переменного напряжения 220/380 В в постоянное напряжение или устройства для подключения дополнительной аккумуляторной батареи, обеспечивает возможность прогрева машины и запуска ДВС при более низкой температуре окружающей среды, что также приводит к достижению указанного технического результата.
К этому же результату приводит оснащение машины дополнительным топливным баком для топлива с пониженной температурой загустевания или депрессорной присадки к топливу, а также устройства переключения основного и дополнительного топливных баков или устройства подмешивания депрессорной присадки к топливу, обеспечивающего подачу в топливную систему ДВС топлива с пониженной температурой загустевания или топлива с депрессорной присадкой перед остановкой ДВС, что обеспечивает возможность запуска ДВС при пониженных значениях температуры окружающей среды.
В случае использования на машине группы электрических подогревателей топлива в фильтре, топлива в топливопроводе, топлива в топливозаборнике, масла в картере ДВС и воздуха, поступающего в цилиндры ДВС, для достижения наиболее низкого значения рабочей температуры, при которой возможен запуск ДВС, в следующем альтернативном техническом решении с помощью контроллера осуществляется оптимальное управление продолжительностью включения и мощности каждого подогревателя - оптимальное перераспределение энергии аккумуляторной батареи.
Применение регулируемых утеплителей капота, радиатора, кабины и трансмиссии позволяет обеспечить эксплуатацию машины при более низких значениях температуры окружающей среды за счет автоматического увеличения теплоизоляции, т.е. защиты от переохлаждения этих узлов и агрегатов машины, при понижении измеренного значения этой температуры.
Определение возможности отказа запуска ДВС в зависимости от сочетания текущих значений контролируемых параметров машины при ее охлаждении во время стоянки позволяет обеспечить своевременный запуск ДВС при более низких значениях температуры окружающей среды.
К существенному понижению допустимой рабочей температуры машины приводит оснащение гидравлических или электрогидравлических приводов машины интеллектуальными уплотнениями, оснащенными встроенным подогревателями и/или датчиками их температуры, а также автоматическое управление подогревом этих уплотнений. К этому же результату приводит реализуемое в следующем альтернативном техническом решении циклическое перемещение гидроприводов машины на холостом ходу перед началом их работы.
Оценка технического состояния аккумуляторной батареи с последующим информированием оператора о необходимости ее замены обеспечивает возможность своевременно заменить эту батарею и, соответственно, обеспечить возможность запуска ДВС и работы машины при более низких значениях температуры окружающей среды. К этому же результату приводит блокирование остановки ДВС при недостаточном уровне заряда аккумуляторной батареи, реализуемое в следующем альтернативном техническом решении.
Для снятия ограничений по снижению рабочей температуры машины, обусловленных ухудшением условий труда оператора, реализовано оснащение рабочего места оператора устройством передачи электрической энергии системы электроснабжения машины к устройству обогрева одежды и обуви оператора.
Эффективным средством обеспечения работы машины при более низких значениях температуры окружающей среды является применение теплового аккумулятора, обеспечивающего накопление тепловой энергии ДВС во время его работы и последующий подогрев ДВС, трансмиссии машины, аккумуляторной батареи и воздуха в кабине машины во время ее стоянки или перед запуском ДВС. В этом случае необходимый технический результат достигается в случае, если в тепловом аккумуляторе применен теплоаккумулирующей материал с фазовым переходом и с возможностью использования явления переохлаждения жидкой фазы этого материала. Под переохлаждением в данном случае подразумевается явление образования метастабильного состояния жидкости, охлажденной ниже температуры плавления соответствующей твердой фазы. Переохлажденная жидкость (теплоаккумулирующей материал) может существовать неограниченное время без всяких изменений, если в ней не появляется зародыш твердой фазы.
В следующем техническом решении реализован контроль нижней рабочей температуры (холодостойкости) топлива, охлаждающей жидкости ДВС, масла в системе смазки ДВС и масла в трансмиссии, проверка возможности использования этого топлива, охлаждающей жидкости и масла в существующих температурных условиях и последующая выдача указаний оператору о необходимости их замены. Это позволяет обеспечить работу машины при более низких значениях температуры окружающей среды за счет своевременной замены топлива, охлаждающей жидкости и масла на более холодостойкие.
Для обеспечения работы машины при более низких значениях температуры окружающей среды в условиях загустевания топлива и масла еще в одном альтернативном техническом решении параллельно основным фильтрам в гидравлической и топливной системах машины установлены последовательно соединенные дополнительные фильтры с более высокой пропускной способностью и предохранительные или переливные клапаны.
При работе в зимних условиях на болоте или на замерзшем водоеме возможно разрушение замерзшей поверхности и быстрое погружение машины в болото или в водоем. Для обеспечения возможности работы машины в таких условиях в следующем альтернативном техническом решении реализовано автоматическое открывание люка в крыше кабины, приспособленного для эвакуации оператора из кабины машины.
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.
Снижение температуры окружающей среды, при которой возможна эксплуатация машины, 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 наиболее низкое значение температуры, при которой возможна эксплуатация машины, достигается при одновременной реализации всех альтернативных технических решений данного изобретения.
На чертеже представлена самоходная рабочая машина, именуемая также «машиной», приспособленная для эксплуатации в зимних условиях.
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, рабочее оборудование 5, систему электроснабжения, выполненную в виде аккумуляторной батареи и генератора, и систему контроля и управления, в состав которой входят органы 6 и приводы 7 управления ДВС 1, трансмиссией 2 и/или рабочим оборудованием 5, панель оператора 8 и контроллер 9.
Трансмиссия 2 машины может быть механической, гидромеханической, гидростатической или электрической (электромеханической).
Органы управления 6, в зависимости от конструкции машины и исполнения приводов управления 7 ДВС 1, трансмиссией 2 и рабочим оборудованием 5, могут быть выполнены в виде электрических джойстиков, гидравлических аппаратов управления, механических рычагов, переключателей и т.п.
Для управления работой ДВС 1, трансмиссией 2 и/или рабочим оборудованием 5 от контроллера 9, в том числе для блокирования их работы (принудительной остановки ДВС и машины), приводы 7 могут содержать встроенные контроллеры, либо дополнительные электрические входы управления. Например, гидравлический привод управления 7 может содержать электрогидравлический клапан, при снятии напряжения с которого осуществляется блокирование движения управляемого им механизма.
Контроллер 9, преимущественно электронный микропроцессорный, может именоваться также блоком управления, управляющим или микропроцессорным контроллером и т.д., что не имеет принципиального значения.
В состав контроллера 9 входит энергонезависимое запоминающее устройство (блок памяти) 10, часы реального времени 11, цифровой вычислитель 12 и устройство ввода/вывода информации 13, выполняющее функции проводного или беспроводного интерфейса при передаче сигналов управления и при обмене информацией с органами управления 6, приводами 7, панелью оператора 8 и внешним (не входящим в состав машины) терминалом 14.
В состав устройства ввода/вывода информации 13 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 7 и других компонентов системы контроля и управления машины, в частности с электромагнитами электрогидравлических клапанов или распределителей.
Основные сигнальные блоки контроллера 9 могут быть реализованы на основе микроконтроллера. В частности, в виде единой микросхемы могут быть реализованы энергонезависимое запоминающее устройство 10, часы реального времени 11, цифровой вычислитель 12 и сигнальная часть устройства ввода/вывода информации 13. Возможно также конструктивное объединение панели оператора 8 и контроллера 9.
Внешнее стационарное или мобильное устройство 14 может быть выполнено, в частности, в виде удаленного компьютерного терминала, обеспечивающего проводную или беспроводную связь контроллера 9 машины с внешним компьютером через сеть Интернет, 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 - в устройство ввода/вывода информации 13. Средство беспроводной связи может быть также встроено в панель оператора 8 или подключено к ней.
Датчики 15 рабочих и диагностических параметров машины, а также условий ее работы, входящие в состав системы контроля и управления машины, могут быть дискретными (пороговыми, релейными) и/или аналоговыми (пропорциональными).
К датчикам 15 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, расхода топлива или уровня топлива в баке, буксования движителей машины и т.д.
К датчикам 15 диагностических параметров машины относятся датчики, выходные сигналы которых характеризуют состояние узлов и агрегатов машины, в частности, температуры охлаждающей жидкости ДВС, температуры и давления масла в системе смазки ДВС 1 и трансмиссии 2 и т.д.
К этим датчикам относится также датчик присутствия оператора в кресле в кабине машины, выполненный, например, в виде датчика усилия, встроенного в сиденье этого кресла, датчика вертикального перемещения подрессоренного сиденья кресла (концевого выключателя) или емкостного датчика присутствия оператора.
Отдельные датчики, ввиду взаимозависимости состояния машины и скоростных и нагрузочных режимов работы ее узлов и агрегатов, могут быть отнесены как к рабочим, так и к диагностическим.
К датчикам 15 условий работы машины относятся, в частности, датчики температуры окружающего воздуха, скорости и направления ветра, наличия дождя, тумана, датчики уклона грунтовой поверхности (креномеры), датчики несущей способности трассы движения (датчики глубины погружения движителей в грунт, толщины льда водоема, по которому движется машины т.д.).
Состав датчиков 15 в общем случае определяется при разработке машины в зависимости от требований к ее конструкции, технологических особенностей работ, для выполнения которых она предназначена, и климатических условий работы машины.
Машина может быть оснащена встроенным регистратором параметров. В этом случае устройство ввода/вывода 13 контроллера 9 имеет разъем для подключения мобильного устройства считывания 16, выполненного, например, в виде флеш-накопителя USB или SD-карты. Возможна также реализация дистанционного считывания информации.
Контроллер 9, панель оператора 8, органы 6 и приводы 7 управления ДВС 1, трансмиссией 2 и рабочим оборудованием 5, датчики 15 и другие электронные или электромеханические устройства машины соединены между собой, предпочтительно, шиной последовательной цифровой передачи данных, в частности, выполненной с физическим уровнем промышленной сети CAN (Controller Area Network), определенным в стандарте ISO 11898, и 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», MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д.
ДВС 1, предпочтительно дизельный, может иметь отдельный контроллер 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 электронных устройств машины.
Панель оператора 8 выполнена, предпочтительно, на основе микроконтроллера и содержит графические (например, цветные жидкокристаллические), символьные и/или электромеханические (стрелочные) устройства отображения информации о параметрах и режимах работы машины, а также звуковые и/или световые сигнализаторы, предупреждающие оператора об отклонениях этих параметров за пределы допустимых значений или о нарушениях правил эксплуатации машины. На панели оператора 8 могут быть установлены органы управления этой панелью, использующиеся, например, для переключения отображаемых параметров, а также отдельные (вспомогательные, сервисные, дублирующие) органы управления электрооборудованием машины и рабочим оборудованием 5, выполненные, например, в виде бесконтактных или квазисенсорных клавиш, кнопок или переключателей.
В состав машины, в зависимости от варианта ее исполнения, могут также входить: устройство резервного электрического питания, подключенное к системе электроснабжения и выполненное в виде дополнительного (отдельного) дизельного или бензинового ДВС, преобразователя напряжения 220/380 В или дополнительной аккумуляторной батареи; электрические подогреватели топлива в фильтре, топливопроводе и топливозаборнике, масла в картере ДВС и воздуха, поступающего в цилиндры ДВС; устройство контактной или бесконтактной передачи электрической энергии от системы электроснабжения машины к устройству обогрева одежды и обуви оператора; дополнительный бак для топлива с пониженной температурой загустевания или депрессорной присадки к топливу, устройство переключения основного и дополнительного топливных баков или устройство подмешивания депрессорной присадки к топливу; регулируемые утеплители капота, радиатора, кабины и трансмиссии; тепловой аккумулятор; дополнительные фильтры с предохранительными клапанами в гидравлической и топливной системах машины; эвакуационный люк в крыше кабины с приводом его автоматического открывания и другие устройства, условно не показанные на чертеже.
Самоходная рабочая машина, приспособленная для эксплуатации в зимних условиях, 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 5, осуществляется оператором с помощью органов управления 6, размещенных в кабине 4.
Сигналы с органов управления 6 поступают на контроллер 9, работающий под управлением программы, записанной в ее энергонезависимой памяти 10, и формирующий сигналы управления приводами 7 в соответствии с управляющими воздействиями оператора. Управление отдельными приводами 7 возможно также без участия контроллера 9. В этом случае реализуется гидравлическое или механическое управление этими приводами.
Контроллер 9 в первом варианте реализации самоходной рабочей машины обеспечивает управление приводами 7 с учетом ограничения тягового усилия машины, скорости ее движения, усилия заглубления/выглубления рабочего органа и/или скорости перемещения рабочего органа, осуществляя при этом снижение уровня ограничиваемого параметра при снижении температуры окружающей среды. Алгоритм этого снижения записан в энергонезависимой памяти 10.
Во втором варианте рабочей машины, в дополнение к этому ограничению или самостоятельно, осуществляется ограничение указанных параметров в зависимости температуры охлаждающей жидкости ДВС, температуры масла в системе смазки ДВС, температуры масла в системе смазки трансмиссии и/или температуры рабочей жидкости в гидравлической системе рабочего оборудования 5.
При снижении температуры окружающей среды происходит снижение максимально допустимых величин тягового усилия машины, скорости ее движения, усилия заглубления/выглубления рабочего органа и скорости перемещения рабочего органа из-за неблагоприятного влияния температуры на эти узлы и агрегаты машины. Эксплуатация машины без таких ограничений невозможна, поскольку приводит к выходу ее из строя. Поэтому реализация указанных ограничений обеспечивает возможность работы машины в облегченных скоростных и нагрузочных режимах при более низких значениях температуры окружающей среды.
В третьем варианте реализации машины контроллер 9 блокирует возможность начала движения машины до истечения установленного интервала времени после запуска ДВС, устанавливая при этом величину этого интервала времени в зависимости от температуры окружающей среды, температуры охлаждающей жидкости, температуры масла в системе смазки ДВС, в системе смазки трансмиссии или в гидравлической системе управления рабочим оборудованием. Благодаря этому обеспечивается возможность безопасного начала работы машины при более низких значениях температуры окружающей среды.
Машина, в которой реализован четвертый альтернативный признак изобретения, оснащена средством беспроводной связи и обеспечивает формирование и передачу на мобильное устройство или на стационарный пост (терминал) 14 аварийного сигнала в случае нахождения оператора в кресле машины при неработающем ДВС и понижении температуры в кабине машины ниже предварительно установленной величины. Это обеспечивает возможность работы одиночной машины при низких значениях температуры окружающей среды за счет повышения безопасности оператора.
В пятом варианте машины контроллер 9, после измерения направления ветра, передает на панель оператора 8 информационный сигнал о рекомендуемом положении машины на стоянке относительно направления ветра, что позволяет снизить скорость охлаждения машины ветром на стоянке и обеспечить возможность ее пуска в работу при более низком значении температуры окружающей среды.
В шестом варианте машины, в дополнение к реализации указанных выше альтернативных признаков или независимо от них, реализован контроль толщины льда замерзшего водоема с помощью датчиков 15 и последующее формирование контроллером 9 предупреждающего сигнала для оператора или сигнала принудительной остановки машины в случае, если измеренная толщина льда, по которому движется машина при эксплуатации в зимних условиях, меньше минимально допустимой.
Седьмой альтернативный вариант реализации машины предусматривает дистанционный контроль возможности вмерзания ходовой части в грунт на стоянке машины и последующую передачу контроллером 9 на панель оператора 8, на мобильное устройство, или на стационарный пост (терминал) 14 предупреждающего сигнала о наличии такой возможности. Это дает возможность своевременно предотвратить вмерзание ходовой части машины в грунт при понижении температуры окружающей среды и, соответственно, обеспечить возможность безопасной эксплуатации машины в таких условиях.
Машина в следующем варианте ее исполнения оснащена дополнительным топливным баком, в который заливается топливо с пониженной температурой загустевания или депрессорная присадка к топливу. В этом случае контроллер 9 перед остановкой ДВС осуществляет переключение основного и дополнительного топливных баков или подключение устройства подмешивания депрессорной присадки к топливу. В результате этого во время нерабочего состояния ДВС его топливная система заполнена топливом с пониженной температурой загустевания или топливом с депрессорной присадкой, что обеспечивает возможность запуска ДВС при более низких температурах окружающей среды.
В следующем варианте машины контроллер 9 в соответствии с программой его работы, записанной в энергонезависимой памяти 10, осуществляет оптимальное регулирование времени включения/отключения и мощности электрических подогревателей топлива в фильтре, в топливопроводе, в топливозаборнике, масла в картере ДВС 1 и воздуха, поступающего в цилиндры ДВС, обеспечивая наиболее рациональное использование энергии аккумуляторной батареи и, соответственно, возможность запуска ДВС при наиболее низком значении температуры окружающей среды. Алгоритм такого управления определяется экспериментальным или расчетным путем при проектировании машины и предварительно записывается в энергонезависимую память 10 контроллера 9.
Еще в одном альтернативном техническом решении машина оснащена регулируемым утеплителем капота, радиатора, кабины и/или трансмиссии, а контроллер 9 осуществляет автоматическое управление этим утеплителем, обеспечивая увеличение теплоизоляции после остановки ДВС и/или при понижении измеренного значения температуры. Поскольку в нормальных условиях эксплуатации применение утеплителя с высокой степенью теплоизоляции недопустимо из-за возможного перегрева соответствующего узла или агрегата машины, применение регулируемого утеплителя позволяет обеспечить более высокую теплоизоляцию в холодное время года и, соответственно, обеспечить возможность нормальной эксплуатации машины при более низких значениях температуры окружающей среды.
Регулируемый утеплитель при этом может быть выполнен в виде рулонной или жалюзийной шторы с электромеханическим, электрогидравлическим или электропневматическим приводом либо в виде надувного компонента с электропневматическим управлением, изменяющего свою толщину при заполнении воздухом его внутренних каналов.
В следующем альтернативном техническом решении контроллер 9, анализируя значения выходных сигналов датчиков 15, оценивает риск отказа запуска ДВС в результате понижения температуры узлов и агрегатов машины после остановки ДВС. Далее контроллер 9 передает на панель оператора 8 или на внешнее устройство 14 предупреждающий сигнал о необходимости запуска ДВС, либо формирует сигнал его автоматического запуска. Это дает возможность исключить отказы запуска ДВС при эксплуатации машины при низких значениях температуры окружающей среды и при отсутствии внешнего источника энергии для осуществления такого запуска.
Возможна также реализация альтернативного технического решения, предусматривающего применение в гидравлических или электрогидравлических приводах машины интеллектуальных уплотнений, оснащенных встроенными подогревателями и/или датчиками их температуры. Контроль температуры уплотнений и их подогрев обеспечивает снижение температуры окружающей среды, при которой возможна эксплуатация машины с гидравлическим или электрогидравлическим приводом 7 его рабочего органа 5.
В следующем техническом решении этот же результат достигается за счет реализация контроллером 9 циклических перемещений выходного звена гидравлического или электрогидравлического привода 7 в диапазоне малых нагрузок и безопасных положений его выходного звена.
Для исключения ограничений на эксплуатацию машины при низких значениях температуры окружающей среды в следующих альтернативных вариантах реализации машины контроллер 9, анализируя величину напряжения на аккумуляторной батарее и сигналы датчиков 15, дает оценку технического состояния аккумуляторной батареи и рекомендации по ее замене, а также осуществляет блокирование остановки ДВС при разряженной аккумуляторной батарее. При этом для оценки технического состояния и уровня заряда аккумуляторной батареи контроллер 9 осуществляет контроль величины снижения напряжения на аккумуляторной батарее при включении мощных нагрузок в системе электрооборудования машины, например, фар рабочего освещения машины.
На машине в следующем варианте ее исполнения, с целью снятия ограничений на ее эксплуатацию в условиях низких температур со стороны оператора, рабочее место оператора оснащено устройством контактной и/или бесконтактной передачи электрической энергии от системы электроснабжения машины к устройству обогрева одежды и/или обуви оператора. В этом случае кресло оператора оснащено электрическим разъемом или индукционным бесконтактным устройством, обеспечивающим передачу этой энергии на устройства обогрева одежды и/или обуви оператора, которые могут быть выполнены резистивными и/или в виде инфракрасных излучателей, а также оснащены встроенными регуляторами температуры или выполнены саморегулирующимися.
В следующем техническом решении машина дополнительно оснащена тепловым аккумулятором, осуществляющим накопления тепловой энергии ДВС во время его работы и последующий подогрев ДВС, трансмиссии, аккумуляторной батареи и/или воздуха в кабине машины во время ее стоянки и/или перед запуском ДВС. В тепловом аккумуляторе целесообразно применение теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом и с возможностью использования явления переохлаждения жидкой фазы этого материала. В этом случае переход теплового аккумулятора в режим выделения тепла происходит автоматически при снижении температуры теплоаккумулирующего материала либо по команде оператора с органа управления 6 или при поступлении сигнала от контроллера 9, например, в установленное время (с использованием часов 11). В последнем случае сигнал поступает на встроенное в тепловой аккумулятор устройство инициирования фазового перехода (кристаллизации) данного материала путем создания зародыша его твердой фазы. Такое устройство может быть, в частности электромеханическим.
Еще в одном альтернативном варианте машины используются датчики 15, контролирующие нижнюю рабочую температуру топлива, и/или охлаждающей жидкости ДВС, и/или масла в системе смазки ДВС, и/или масла в трансмиссии, т.е. датчики, позволяющие дать оценку возможности применения этих жидкостей при текущем значении температуры окружающей среды. Принцип работы таких датчиков может быть основан на измерении вязкости, диэлектрической проницаемости, теплоемкости и других свойств контролируемых жидкостей. Далее контроллер 9 осуществляет сравнение нижней рабочей температуры топлива, охлаждающей жидкости и/или масла с текущим значением их температуры или температуры окружающей среды и передает на панель оператора 8 предупреждающий сигнал о необходимости применения топлива, охлаждающей жидкости и масла с более низким значением рабочей температуры.
Если возможность своевременной замены топлива, охлаждающей жидкости и масла на более низкотемпературные отсутствует, то выходом из создавшегося положения, реализуемом в следующем альтернативном техническом решении, является установка параллельно основным фильтрам в гидравлической и топливной системах машины фильтров с более высокой пропускной способностью с соответствующими предохранительными или переливными клапанами.
При движении машины по замерзшему болоту или водоему существует опасность разрушения несущей поверхности и внезапного погружения машины в болото или в водоем. Для обеспечения возможности эксплуатации машины в таких условиях в следующем варианте ее реализации в крыше кабины устанавливается люк, приспособленный для эвакуации оператора из кабины машины и оснащенный приводом. В этом случае система контроля и управления содержит датчик 15 вертикального ускорения или перемещения машины, реализованный на основе акселерометра, а управление приводом эвакуационного люка, обеспечивающее его автоматическое открытие, осуществляется с помощью контроллера 9.
Каждый из перечисленных альтернативных признаков изобретения на машине может быть реализован как отдельно (только этот признак), либо совместно с любыми другими альтернативными признаками изобретения в их любом сочетании.
Для специалиста в данной области техники понятно, что кроме описанной самоходной рабочей машины, приспособленной для эксплуатации в зимних условиях, возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.