Вертолетная пила с электрическим приводом
AERIAL SAW WITH AN ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к деревообрабатывающей и лесной промышленности, в частности к вертолетным подвесным пилам, и может быть использовано для обрезки верхушек деревьев, в том числе вблизи линий электропередач.
Деревья вдоль высоковольтных линий электропередач представляют угрозу для бесперебойной передачи электрической энергии. Во-первых, при сильном ветре или налипании тяжелого мокрого снега ветки гнутся или обламываются и падают на провода, чем вызывают замыкание с отключением или обрывы линий. Во-вторых, в случае с сильным ветром ветви деревьев могут соединить провода разных фаз, возникшая электрическая дуга имеет температуру в тысячи градусов, что приводит к возникновению пожаров. Когда дерево вырастает до уровня электрических проводов, то появляется риск их падения на провода.
В соответствии с п. 2.5.207 Правил устройства электроустановок, для прохождения ВЛ по насаждениям должны быть прорублены просеки, при этом наименьшее допустимое расстояние по горизонтали между крайним проводом ВЛ и кроной деревьев должны быть не менее указанных в табл. 1:
Кроме того, необходимо предотвратить возникновение аварий на линиях электропередач в результате падения деревьев на них.
Одним из методов обрезки деревьев вблизи линий электропередач является обрезка с помощью вертолетных пил.
Известно устройство для обрезки деревьев (патент US 4554781 A опубл. 26.11.1985) для установки на вертолете, включающее стрелу, свисающую вертикально вниз с вертолета, несущую несколько дисковых пил, рабочие части (зубья) которых расположены почти вплотную друг к другу, общей протяженностью не менее двадцати футов на стреле, которая прикреплена к вертолету таким образом, чтобы ограничить от вращения вокруг вертикальной оси и иметь вращательную степень свободы вокруг горизонтальной оси под прямым углом к направлению движения указанного вертолета; лопасти приводятся в действие гидромотором, вращаемым за счет давления жидкости, создаваемым насосом. Специальный стержень, закрепленный на вершине стрелы, отталкивает ветви деревьев от линии электропередачи во время среза ветвей; быстроразъемный крюк между верхней частью конструкции стрелы и вертолетом и быстроразъемные гидравлические соединения позволяют сбрасывать аппарат в аварийной ситуации.
Недостатком описанного аналога является использование в конструкции гидравлического двигателя, применение которого существенно затруднено в условиях отрицательных температур ввиду изменения вязкости применяемых рабочих жидкостей, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода, как следствие невозможности бесперебойной работы данной пилы в условиях холодного климата.
Известно также устройство для обрезки деревьев (патент US 4815263 A опубликован 28.03.1989), предназначенное для установки на вертолете и работающее независимо от вертолета, которое включает в себя вертикальную стрелу, вертикально подвешенную к вертолету, и несколько дисковых пил, закрепленных на стреле аналогично вышеописанному устройству. Устройство отличается тем, что пилы приводятся в движение ременным приводом от двигателя внутреннего сгорания, который также установлен на рабочей стреле над дисковыми пилами. Пара расположенных на земле люлек, не прикрепленных к рабочей стреле, позволяют аппарату приземляться с рабочей стрелой, поднятой с уровня земли, маневрируя вертолетом, чтобы уложить рабочую стрелу и дисковые пилы на люльки перед вертолетом. Дополнительный быстроразъемный крюк, зацепляющийся за верхнюю часть конструкции стрелы и установленный на вертолете, позволяет сбросить аппарат в аварийной ситуации, когда вертолет находится в воздухе.
Недостатком данного решения является использование двигателя внутреннего сгорания, вероятность поломки или заклинивания которого слишком высока ввиду сложности его конструкции, включающей, в том числе, механизм сцепления, систему зажигания и смазки. Кроме того бензиновый двигатель имеет проблемы холодного запуска при низких температурах окружающей среды.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является пильное устройство (патент ЕР 3061552 В1 опубл. 31.08.2016), подвешенное под вертолетом, содержащее по меньшей мере два пильных диска на вертикальной или горизонтальной опоре, соединенной с вертолетом с помощью вращающей трубки, отличающееся тем, что каждое пильное полотно приводится в движение собственным электродвигателем и устанавливается непосредственно или через шестерню на валу электродвигателя, а с каждым электродвигателем связан контроллер, который соединен с системой управления, управляющей скоростью и крутящим моментом каждого электродвигателя посредством соответствующего контроллера. Кроме того, в конструкции предусмотрен источник постоянного тока, предпочтительно аккумулятор или конденсатор или комбинация того и другого. Наличие источника постоянного тока требует использование электродвигателей постоянного тока в конструкции прототипа.
Использование двигателя постоянного тока в конструкции прототипа сопряжено с рядом недостатков. Основной недостаток двигателей постоянного тока заключается в наличии щеточно-коллекторного узла, который обуславливает большинство недостатков машины, так как при эксплуатации таких двигателей происходит искрение под щетками, которое приводит к износу щеток и пластин коллектора и впоследствии продукты износа покрывают внутреннюю полость устройства тонким проводящим слоем, ухудшая изоляцию токопроводящих цепей, что может привести к выходу из строя устройства в целом.
В условиях использования вертолетной пилы на большом удалении от цивилизации усложняется ее ремонт ввиду отсутствия деталей вышедшего из строя движителя, перемещение с собой запасных движителей также затруднено. В случае выхода из строя пилы вертолет вынужден лететь на базу, что существенно удорожает процесс работы с такой пилой и делает ее неэффективной, поскольку невозможно предугадать выход ее из строя.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в снижении риска выхода из строя вертолетной пилы, и, как следствие, повышении надежности электрического движителя вертолетной пилы, обеспечении надежности устройства и способности долговременно эффективно работать на удаленных локациях.
Дополнительный технический результат заключается в обеспечении надежности и оптимизации процесса обрезки деревьев рядом с линиями электропередач, а именно сведение к минимуму риска прерывания процесса обрезки деревьев и возврата вертолета на базу из-за выхода пилы из строя.
Для достижения указанного технического результата предлагается вертолетная пила, состоящая из корпуса с режущим элементом и электрического привода с автономным источником питания постоянного тока, при этом электрический привод представлен последовательно соединенными инвертором и электрическим асинхронным двигателем переменного тока.
Режущий элемент представляет собой пильный диск с упором, установленным на оси.
Корпус вертолетной пилы оснащен средствами крепления вертолетной пилы к вертолету, которые могут быть представлены кронштейнами с отверстиями под крепежные элементы, технологическими выступами или иными средствами, обеспечивающими возможность закрепления корпуса пилы. Кроме того пила может содержать держатель для крепления пилы к вертолету, который выполнен в виде стрелы, имеет средство соединения со сцепным устройством вертолета на одном конце и узел соединения с корпусом пилы на другом. Асинхронный двигатель переменного тока соединен с режущим элементом, а также соединен с источником питания через инвертор. Асинхронный двигатель по своей конструкции не содержит щеточно-коллекторного узла, в то время как ротор получает энергию за счет магнитного поля и при помощи индукции, что упрощает конструкцию двигателя, повышает ее надежность. Кроме того, такой двигатель удобен в эксплуатации, так как имеет простую схему управления.
Дополнительно асинхронный двигатель переменного тока может быть оснащен редуктором, расположенным между двигателем и режущим элементом, наличие которого позволяет повысить крутящий момент пилы даже при невысокой мощности двигателя, тем самым не увеличивая габариты корпуса пилы, обеспечить возможность поддержания частоты вращения пильного диска до 2000 об/мин. Наличие редуктора обеспечивает возможность регулировки мощности асинхронного двигателя, что позволяет сохранить функциональность, характерную для двигателей постоянного тока, а также одновременно снизить риск выхода из строя пилы, ввиду применения двигателя переменного тока.
В качестве автономного источника питания может выступать, аккумуляторная батарея. Могут быть использованы любые известные виды аккумуляторных батарей, в частности: щелочные, литий-ионные, литий-полимерные, гелиевые.
Автономный источник питания может быть расположен с противоположной относительно пильного диска стороны, что позволяет равномерно распределить нагрузку по всему корпусу пилы.
Вертолетная пила может быть снабжена модулем управления, связанным с элементами привода и предназначенным для обеспечения возможности получения управляющего сигнала от пилота вертолета и/или оператора и передачи соответствующего сигнала на привод вертолетной пилы для целей включения/отключения, либо изменения частоты вращения режущих элементов по проводным и/или беспроводным каналам (Bluetooth, Zigbee, BLE, Wi-Fi или иные).
Все элементы привода могут быть закреплены во внутренней полости или на внешней поверхности корпуса вертолетной пилы посредством известных средств разъемного и/или неразъемного соединения. Автономный источник питания, инвертор и асинхронных переменный двигатель соединены между собой посредством электрических кабелей.
Изобретение обладает неизвестной ранее совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что устройство содержит движитель, представленный последовательно соединенными источником питания постоянного тока, инвертором и электрическим асинхронным двигателем переменного тока. Такая компоновка элементов пилы не является очевидной и явным образом не следует из уровня техники, кроме того неизвестно влияние данных признаков на заявленный технический результат, заключающийся в повышении надежности движителя вертолетной пилы, снижении риска ее выхода из строя, обеспечении возможности бесперебойной работы пилы в любых погодных условиях. Заявленная совокупность существенных признаков обеспечит надежность устройства и способность долговременно эффективно работать на удаленных локациях, характерных для вертолетной пилы. Все это свидетельствует о соответствии изобретения такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена заявляемая вертолетная пила, где:
1 - корпус пилы;
2 - пильный диск;
3 - источник питания;
4 - упор пильного диска;
5 - асинхронный двигатель переменного тока;
6 - контроллер двигателя;
7 - средства крепления пилы к вертолету;
8 - ось пильного диска;
9 - редуктор;
10 - инвертор.
Вертолетная пила состоит из корпуса 1 с режущим элементом в виде пильного диска 2 и упором 4, установленными на оси 8, источника питания постоянного тока 3, представленного аккумуляторной батареей, инвертора 10 и электрического асинхронного двигателя переменного тока 5 с контроллером 6. Двигатель 5 осуществляет передачу вращения на пильный диск 2 через редуктор 9.
Корпус пилы 1 оснащен средствами крепления пилы к вертолету 7, представляющие собой кронштейны с отверстиями под крепежные элементы.
Устройство работает следующим образом.
Запуск пилы может быть осуществлен дистанционно из кабины пилота. После запуска электрического привода происходит преобразование постоянного тока источника питания 3 в переменный через инвертор 10, асинхронный двигатель переменного тока 5 передает вращение на пильный диск 2 через редуктор 9. После чего осуществляются обрезка ветвей и верхушек деревьев с вертолета в соответствии с установленными требованиями.
Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.