Способ управления источником мощности машины, используемой в лесном хозяйстве - RU2429363C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу управления источником мощности машины, используемой в лесном хозяйстве (лесозаготовительной машины) в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения.

Уровень техники

Известны различные лесозаготовительные машины, например форвардеры и лесосечные машины (харвестеры), предназначенные для механизированной лесозаготовки. Лесозаготовительная машина, как правило, содержит раму, снабженную колесами или катками, и может перемещаться по земле. Рама оснащается кабиной и рабочими устройствами, необходимыми в каждом конкретном случае. Такое рабочее устройство может быть образовано, например, стрелой, такой как стрела крана или погрузочное устройство. Конец стрелы снабжен манипуляционным устройством, устанавливаемым на стреле в каждом конкретном случае, при помощи которого выполняют операции по обработке лесоматериалов, заготавливаемых в лесу.

Различные валочные головки (харвестерные головки) перемещаются и используются на конце стрелы в валочной машине, то есть в лесосечной машине, при этом валочные головки могут обрабатывать стволы деревьев различным образом. Балочная головка используется по меньшей мере для валки, обрезки сучьев, измерения и распиливания стволов, которые необходимо обработать требуемым образом. С другой стороны, известны различные манипуляционные устройства для заготовки и очистки топливной древесины, например захваты для топливной древесины, которые не обязательно включают средства, необходимые, например, для обрезки сучьев или загрузки.

Большая часть функций по обработке стволов в лесозаготовительных машинах в настоящее время осуществляется с помощью гидравлики. Примерами отдельных функций валочных головок являются распиловка, загрузка, перемещение сучкорезных ножей и подающих катков в открытое и закрытое положение. Типичные функции стрелы, в свою очередь, включают в себя подъем, наклон и поворот стрелы, а также телескопическое выдвижение или складывание стрелы.

Форвардер представляет собой лесозаготовительную машину, специально предназначенную для доставки лесоматериалов на короткие расстояния, которая может собирать и транспортировать обработанные харвестером части стволов, например, в своем грузовом пространстве до границы участка вырубки для дальнейшей транспортировки.

Кроме того, известны так называемые машины двойного назначения или комби-машины, которые способны выполнять функции как харвестера, так и форвардера.

В вышеупомянутых лесозаготовительных машинах первичным источником мощности традиционно был дизельный двигатель, с помощью которого обеспечивается большая часть передаваемой механической, электрической энергии или энергии давления рабочей среды. Такой первичный источник мощности, в свою очередь, обычно использует один или более гидравлических насосов для нагнетания давления рабочей среды. От этого первичного источника мощности энергия и работа могут передаваться дальше отличным от гидравлического образом, например, для обеспечения тяговой передачи в лесозаготовительной машине или функционирования ее манипуляционных устройств.

Управление дизельным двигателем, являющимся первичным источником мощности в лесозаготовительных машинах, традиционно выполнялось очень простым способом. Управление источником мощности, по сути, нацелено в основном на постоянную скорость вращения, при этом его функционирование обычно контролируется посредством, например, устройства управления, то есть контроллера, связанного с дизельным двигателем.

Тем не менее, при управлении источником мощности в большинстве случаев невозможно избежать ситуации, когда производительность источника мощности на короткое время становится слишком малой. Такая ситуация, как правило, приводит к падению скорости вращения источника мощности, которое сразу замедляет правильную реализацию выполняемой функции или затрудняет ее. В частности, операции по распилу ствола после повала дерева таковы, что их замедление может привести к значительным потерям, выражающимся в дефектах распила на стволе. Однако современные дизельные двигатели позволяют быстро и гибко управлять источником мощности. С помощью такого управления можно существенно влиять на величину выходных характеристик двигателя, таких как скорость вращения, крутящий момент и мощность при выработке энергии.

Известны решения, где первичный источник мощности лесозаготовительной машины управляется более активно, чем это было ранее. Одно из таких решений описано в патентном документе FI 111183. В документе описывается лесозаготовительная машина, в которой подлежащая обработке древесина оценивается автоматически и с упреждением по стволу дерева. Цель оценивания заключается в том, чтобы добиться непрерывного получения информации об уровне мощности, требуемом на одном или нескольких этапах обработки древесины, таким образом, чтобы работу первичного источника мощности лесозаготовительной машины можно было автоматически оптимизировать для конкретного ствола путем влияния на параметры управления источника мощности с целью достижения настолько оптимальной эффективности, насколько это возможно.

С другой стороны, известно, что использование самых последних технологий двигателей с учетом норм по ограничению выбросов привело к тому, что возможности дизельных двигателей реагировать на большую и резкую скачкообразную нагрузку ухудшились по сравнению с предшествующей технологией двигателей, снабженных механическим инжекторным насосом и управлением инжекцией. В настоящее время дизельные двигатели, используемые в лесозаготовительных машинах, как правило, представляют собой двигатели с турбонаддувом, оснащенные электронно-управляемыми инжекторными системами, мощность и крутящий момент которых в значительной степени определяются турбонаддувом. Иными словами, количество топлива, впрыскиваемого в слабо загруженный двигатель, является небольшим, и давление наддува тоже низкое. Если двигатель затем неожиданно нагружается, производительность двигателя не обязательно немедленно соответствует номинальной мощности двигателя, по которой обычно оценивается источник мощности.

Однако было отмечено, что потребность в мощности у функций лесозаготовительной машины не всегда зависит от характеристик конкретного ствола обрабатываемой древесины, а вместо этого от функций лесозаготовительной машины и их реализации как таковых. Это отчасти обусловлено низкой эффективностью гидростатической силовой передачи, используемой в лесозаготовительных машинах. В частности, это относится к случаям, когда обрабатываемые деревья имеют небольшой размер.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения, таким образом, заключается в предложении способа, позволяющего найти совершенно новое решение проблем, проистекающих из указанных выше недостатков уровня техники.

Эта задача решается посредством способа управления источником мощности лесозаготовительной машины, в которой источник мощности прямо или опосредованно приводит в действие одно или более рабочих устройств и/или манипуляционных устройств, установленных в лесозаготовительной машине и управляемых средствами управления, а средства управления подают управляющую команду, влияющую на состояние функционирования, на одно или более рабочих устройств или манипуляционных устройств, при этом управляющую команду повторно передают в источник мощности. Отличительными особенностями способа является то, что указанная повторная аналогичная управляющая команда обеспечивает изменение функционирования источника мощности, при этом изменение выполняют до операции рабочего устройства и/или манипуляционного устройства таким образом, что повторная управляющая команда по меньшей мере на короткое время влияет на по меньшей мере один параметр управления источника мощности, предваряя будущую нагрузку источника мощности.

В предпочтительном варианте способа управляющая команда на увеличение мощности источника мощности влияет по меньшей мере на один параметр источника мощности, предваряя будущую нагрузку источника мощности.

Влияние на параметры управления источника мощности предпочтительно осуществляют с учетом изменения функционирования нескольких рабочих устройств и/или манипуляционных устройств, функционирующих одновременно.

В другом варианте способа на параметры управления источника мощности влияет управляющая команда, получаемая по существу одновременно одним или более рабочими устройствами и/или манипуляционными устройствами лесозаготовительной машины.

На параметры управления источника мощности предпочтительно влияет управляющая команда, активирующая функционирование одной или более валочных головок.

В еще одном варианте способа изменение параметров управления источника мощности осуществляют только в случае превышения уровнем нагрузки источника мощности заданного предельного значения.

На параметры управления источника мощности может влиять управляющая команда, активирующая по меньшей мере одну функцию стрелы лесозаготовительной машины.

Источник мощности предпочтительно содержит первичный источник мощности лесозаготовительной машины.

Источник мощности может также содержать источник мощности лесозаготовительной машины, не являющийся первичным.

В следующем предпочтительном варианте регулируют продолжительность изменения в параметрах управления источника мощности.

В наиболее предпочтительном варианте передачу управляющей команды на рабочий орган и/или манипуляционное устройство задерживают на короткое время.

Основная идея изобретения состоит в том, что управление источником мощности лесозаготовительной машины может быть простым образом связано с одной или несколькими управляющими командами одной или большего количества функций, потребляющих значительную мощность, или с другим сигналом, который обрабатывается в системе управления лесозаготовительной машины, тем самым обеспечивая немедленную управляющую команду в источнике мощности, чтобы поддерживать уровень мощности, достаточный для каждого конкретного случая, или поднять уровень мощности на требуемый более высокий уровень.

Изобретение дает значительные преимущества. Решение на практике обеспечивает более высокую производительность лесозаготовительной машины, а также более экономный расход топлива и, возможно, меньший уровень производимого шума, меньшее количество выхлопных газов или иных соответствующих выбросов.

Решение также позволяет, например, изменять крутящий момент, производительность или скорость вращения, обеспечиваемые источником мощности, даже до того, как запускаемая или сменяемая функция лесозаготовительной машины в каждом конкретном случае начинает требовать большую мощность по сравнению с обычным уровнем мощности, производимой источником мощности. Таким образом, успешно предотвращается неблагоприятное уменьшение на короткое время, т.е. падение скорости вращения источника мощности. С другой стороны, снижение потребности в мощности у функций, используемых в лесозаготовительной машине, может также требовать управления источником мощности, которое можно реализовать настоящим способом.

С другой стороны, изобретение позволяет быстро принимать решение по использованию возрастающего на короткое время уровня мощности источника мощности, например, в связи с активацией функции подачи или распиливания ствола, при этом расход топлива и выброс выхлопных газов минимизируются. Преимущества такого решения становятся очевидны, в частности, при использовании гидравлической системы валочной головки лесосечной машины, где происходят резкие скачки в мгновенной потребляемой мощности, в частности, когда чередуются функции подачи и распиливания при обработке стволов.

Как правило, влияние источника мощности на параметры управления в соответствии с изобретением очень кратковременно, так что это даже может быть незаметно извне, например, в виде увеличения скорости вращения двигателя, изменения звука работающего механизма или иной вызывающей озабоченность функции. С другой стороны, можно заметить отсутствие падения скорости вращения двигателя, тогда как ранее такое падение имело место, или отсутствие падения, например, в момент начала подачи. Естественно, функция, на протяжении выполнения которой изменяются параметры управления двигателя, как правило, может выполняться более эффективно и продуктивно, чем прежде.

Решение по изобретению, помимо управления первичным источником мощности в лесозаготовительных машинах, предпочтительно можно также применять и в других целях.

Кроме того, решение согласно изобретению очень просто реализуется и не требует каких-либо изменений в системе управления современной лесозаготовительной машины, кроме как нового программного обеспечения или, скорее, его небольшой части. Поэтому его легко установить в большей части лесозаготовительных машин, так же как при сборке новой машины, путем обновления программного обеспечения старой машины, если потребуется.

Внедрение и использование данного способа в лесозаготовительных машинах не влияет ни на стоимость изготовления, ни на обычные способы и процедуры функционирования. В свою очередь, ожидается экономия в эксплуатационных затратах, поскольку лучше чем прежде оптимизируется уровень мощности, вырабатываемой источником мощности, с учетом каждой конкретной рабочей ситуации.

Кроме того, использование решения в соответствии с изобретением не требует участия водителя или пользователя лесозаготовительной машины, чья работа сейчас уже достаточно трудна и включает большое количество наблюдений и решений; но машина способна работать автоматически на основе информации, получаемой от системы управления лесозаготовительной машины. Таким образом, водитель или пользователь имеет возможность сосредоточиться на выборе оптимального хода работы на лесозаготовительном участке как в отношении уже заготовленных, так и остающихся деревьев.

Другие преимущества изобретения изложены далее при подробном описании конкретных вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее подробно описываются предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где

фиг.1 представляет схематическую иллюстрацию осуществления способа в соответствии с изобретением;

фиг.2 представляет предпочтительный вариант осуществления изобретения;

фиг.3 представляет второй вариант предпочтительного осуществления изобретения, включающий не являющийся первичным источник мощности.

Осуществление изобретения

Далее будут рассмотрены некоторые предпочтительные варианты осуществления способа управления источником мощности лесозаготовительной машины со ссылками на указанные чертежи. Элементы, используемые при осуществлении способа, обозначены на чертежах ссылочными обозначениями, которые соответствуют ссылочным обозначениям в данном описании.

На фиг.1 представлена схема, на которой источник 1 мощности лесозаготовительной машины приводит в действие прямо или опосредованно одно или более рабочих устройств и/или манипуляционных устройств, управляемых средствами 2 управления и обозначенных как 3 и 4. Средства управления подают обычным образом управляющую команду на одно или более рабочих устройств и/или манипуляционных устройств, при этом команда управления запускает, например, требуемую операцию в лесозаготовительной машине. Однако управляющая команда из средств управления, подаваемая в одно или более рабочих устройств и/или манипуляционных устройств, передается по существу одновременно также в источник мощности лесозаготовительной машины, обычно в блок управления, контролирующий источник, например, в блок управления двигателем. Таким образом, появляется время для прогнозирования потребности мощности или крутящего момента, возникающих у функции рабочего устройства и/или манипуляционного устройства, запускаемой управляющей командой, в виде требуемых параметров управления, подлежащих передаче в источник мощности.

На параметры управления источника 1 мощности можно также воздействовать, учитывая потребности в мощности или крутящем моменте, запрашиваемые у источника мощности несколькими одновременно выполняемыми функциями рабочего и/или манипуляционного устройства. Когда потребности превышают заданное предельное значение, начинается действие на параметры управления в соответствии с изобретением. С другой стороны, известны решения, где работа источника мощности с этой целью активно отслеживается с помощью устанавливаемых на нем средств. Когда средства выдают информацию о нагрузке источника мощности, изменение параметров управления, направляемых в источник мощности с помощью данного способа, начинает производиться только тогда, когда уровень нагрузки источника мощности превышает заданное предельное значение. Кроме того, может отдельно регулироваться длительность изменения мощности источника мощности.

Управляющая команда обеспечивает для источника 1 мощности мгновенное изменение предыдущего уровня мощности или крутящего момента. Следовательно, есть время для увеличения, например, мощности, производимой источником мощности, до того, как рассматриваемая функция рабочего устройства и/или манипуляционного устройства 3 и 4 начнет требовать от источника мощности лесозаготовительной машины такую мощность, которая превышает обычную вырабатываемую мощность. На практике такое управление может проявляться в виде увеличения впрыскиваемого объема топлива на короткий период времени непосредственно перед появлением ожидаемой увеличенной потребности в мощности. Так, например, в дизельных двигателях можно обеспечить ускорение и достаточность увеличения давления наддува двигателя с турбонаддувом, гарантируя уровень мощности или крутящего момента источника мощности в каждом конкретном случае.

Как правило, после получения управляющей команды источнику 1 мощности лесозаготовительной машины будет требоваться несколько десятков или сотен миллисекунд, чтобы подготовиться к увеличивающимся потребностям в мощности. Это возможно, поскольку в управлении могут использоваться задержки в электронно управляемой гидравлической системе. Такие задержки генерируются, например, в управляющих клапанах с предварительным гидравлическим управлением, которые используются в лесозаготовительных машинах. На фиг.2 и 3 показаны такие клапан предварительного управления и управляющий клапан 5 и 6. Если необходимо, заданную задержку можно специально добавить к заданной активируемой функции для обеспечения лучшей предсказуемости, до пределов, при которых не ухудшаются эксплуатационные характеристики лесозаготовительной машины. Предпочтительно осуществлять такие задержки, например, в программном обеспечении в средствах управления. В качестве изменяемого параметра управления источника мощности может выступать, например, скорость вращения источника мощности, рост впрыска топлива, упоминавшийся ранее, крутящий момент источника мощности или любой другой параметр управления, контролируемый известными средствами.

Настоящий способ особенно полезен, если он применяется в отношении начала функции подачи или распиливания, как схематически показано на фиг.2, чтобы моментально поднять уровень мощности источника 1 мощности. Таким образом, например, можно минимизировать потребление топлива и выбросы выхлопных газов дизельного двигателя. В частности, преимущества такого решения очевидны в случае гидравлической системы, использующей валочную головку лесосечной машины, где потребности в мощности варьируются в большой степени, особенно при чередовании функции 7 подачи и функции 8 распиливания при обработке ствола.

Настоящий способ управления источником мощности может применяться не только для управления первичным источником 1 мощности лесозаготовительной машины. На фиг.3 показано решение, в котором энергия, производимая первичным источником мощности лесозаготовительной машины, сохраняется, по меньшей мере частично, в наборе аккумуляторов или иных энергонакопительных средствах 9. При необходимости энергию из накопительных средств можно использовать в форме электрической или какой-либо иной энергии, при этом шаги способа управления осуществляются в отношении источника 10 мощности, который образует вторичный источник мощности.

Аналогично, вместо сохранения электрической энергии можно рассматривать аккумуляторы давления и другие подобные решения, служащие для сохранения гидравлической энергии. Таким образом, вместо генератора 11 и средств 12 управления, которые им управляют, к первичному источнику мощности известным образом присоединяют, например, гидравлический насос. В таком варианте осуществления аккумулятор давления может сам функционировать в качестве вторичного источника мощности, при этом можно полагать, что управление вторичным источником мощности включает управление потоком и давлением рабочей среды, выпускаемой из аккумулятора давления.

Настоящий способ можно применять для управления таким вторичным источником мощности также в том случае, когда энергонакопительные средства, фактически входящие в состав вышеуказанной конструкции, могут генерировать большую мощность, нежели чем генерирует первичный источник мощности лесозаготовительной машины. В приведенном выше примере электрическая энергия, накопленная в наборе аккумуляторов 9, например, используется в электродвигателе 13 для привода гидравлического насоса 14, где в этом случае электродвигатель образует вторичный источник 10 мощности. Таким образом, скорость вращения этого электрического двигателя, например, можно увеличить на короткий или на более длительный период времени, чтобы получить большую производимую мощность.

С другой стороны, по аналогии с электрической системой можно реализовать гидравлическую конструкцию. В таком случае первичный источник 1 мощности лесозаготовительной машины будет использовать большой гидравлический насос 14, который заряжает и наполняет аккумулятор давления, а вторичным источником 10 мощности будет служит гидравлический двигатель, который будет использовать рабочую среду под давлением из указанного аккумулятора давления. Гидравлическим двигателем в этом случае также можно управлять для предсказания изменений в потребляемой мощности. С другой стороны, в случае гидравлического варианта осуществления аккумулятор давления может сам функционировать как вторичный источник мощности, при этом можно полагать, что управление вторичным источником мощности включает управление потоком и давлением рабочей среды, выпускаемой из аккумулятора давления.

Следует понимать, что данное описание и сопутствующие фигуры чертежей предназначены только для иллюстрации настоящего решения. Таким образом, решение не ограничивается только вариантами осуществления, приведенными выше или определенными в формуле; для специалиста в данной области очевидны возможные изменения и модификации в рамках принципа, заданного формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам управления источником мощности машины, используемой в лесном хозяйстве (лесозаготовительной машины). Изобретение позволяет повысить эффективность гидростатической силовой передачи. Способ управления источником мощности лесозаготовительной машины заключается в том, что источник мощности прямо или опосредованно приводит в действие одно или более рабочих устройств и/или манипуляционных устройств, установленных в лесозаготовительной машине и управляемых средствами управления. Средства управления подают управляющую команду, влияющую на состояние функционирования, на одно или более рабочих устройств или манипуляционных устройств. Управляющую команду повторно передают в источник мощности. Указанная повторная аналогичная управляющая команда обеспечивает изменение функционирования источника мощности. Изменение выполняют до операции рабочего устройства и/или манипуляционного устройства таким образом, что повторная управляющая команда, по меньшей мере, на короткое время влияет на, по меньшей мере, один параметр управления источника мощности, предваряя будущую нагрузку источника мощности. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула