PL249200B1 - Układ sterowania prędkością obrotową napędu rębaka do drewna z silnikiem spalinowym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ sterowania prędkością obrotową napędu rębaka do drewna z silnikiem spalinowym (1) zawierający czujnik detekcji obiektu (8) w kanale podawczym (7) rębaka oraz sterownik przepustnicy (12) regulujący położenie kątowe klapy przepustnicy powietrza lub gaźnika połączony z silnikiem krokowym (13), który współpracuje z dźwignią regulacji prędkości obrotowej połączoną z mechanizmem odśrodkowy regulującym za pomocą cięgna pozycje klapy przepustnicy w gaźniku (18), w którym sterownik przepustnicy (12) połączony jest z co najmniej jednym czujnikiem przyspieszeń drgań (11, 19), który jest trwale przymocowany do obudowy mechanizmu roboczego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania prędkością obrotową napędu rębaka do drewna z silnikiem spalinowym.

Klasyczna regulacja prędkością obrotową rębaka do drewna z napędem spalinowym o zapłonie iskrowym wyposażonym w gaźnik, realizowana jest z wykorzystaniem dźwigni prędkości obrotowej. Dodatkowo taka jednostka napędowa, może być wyposażona w układ odśrodkowy, regulujący prędkość obrotową podczas pracy na wysokich obrotach. W warunkach takich obciążenie układu powoduje spowolnienie prędkości obrotowej napędu, czemu przeciwdziała układ odśrodkowych, który reaguje na zmianę prędkości obrotowej, zmianą pozycji przepustnicy, zapewniając utrzymanie zadanych parametrów prędkości obrotowej. Układ taki reaguje na zmiany obciążenia silnika oraz nastawy operatora realizowane za pomocą dźwigni. Natomiast nie rozpoznaje zapotrzebowania na wysoką prędkość obrotową, która umożliwia pracę z maksymalnym momentem obrotowym lub mocą ważną dla prawidłowej pracy członu roboczego. Maszyny rozdrabniające napędzanie silnikami małej mocy charakteryzują się nieciągłym cyklem pracy, wynikającym z cyklicznego dostarczania gałęzi przez operatorów. Wówczas korzystnym jest z punktu widzenia emisji spalin i zużycia paliwa żeby maszyna pracowała z wysoką prędkością obrotową podczas rozdrabniania gałęzi i niską prędkością obrotową gdy oczekuje na nie.

Najbliższymi wynalazkowi rozwiązaniami znanym w stanie techniki są układy opisane w opisie patentowym P.433586, P.423369 oraz P.441183.

Opisane w nich układy wykorzystują czujniki detekcji obiektu w kanale podawczym rębaka, który współpracuje z sterownikiem przepustnicy powietrza lub sterownikiem przepustnicy mieszanki paliwowo-powietrznej w gaźniku, zmieniającej położenie kątowe klapy przepustnicy lub klapy przepustnicy mieszanki paliwowo-powietrznej w gaźniku. Wyniki badań adaptacji opisanych rozwiązań patentowych przedstawiono w publikacjach naukowych:

• Warguła, Ł., Waluś, K.J., Krawiec, P. (2019). Warunki pracy mobilnych maszyn rozdrabniających drewno w aspekcie innowacyjnych systemów sterowania napędem. Sylwan, 163(09), 765-772.

• Warguła, Ł., Krawiec, P., Waluś, K.J., Kukla, M. (2020). Fuel consumption test results for a self-adaptive, maintenance-free wood chipper drive control system. Applied Sciences, 10(8), 2727.

• Warguła, Ł., Kukla, M., Lijewski, P., Dobrzyński, M., Markiewicz, F. (2020). Influence of innovative woodchipper speed control systems on exhaust gas emissions and fuel consumption in urban areas. Energies, 13(13), 3330.

• Warguła, Ł., Lijewski, P., Kukla, M. (2022) Effects of changing the drive control method of idling wood size reduction machines on fuel consumption and exhaust emissions . Croatian Journal of Forest Engineering.

Sterowanie w tych układach odbywa się bez detekcji końca procesu rozdrabniania. W opisywanych konstrukcjach układ optyczny rozpoznaje gałęź w kanale wejściowym i rozpoczyna procedurę pracy napędu rębaka z wysoką prędkością obrotową. Stan ten utrzymuje się aż, do momentu zakończenia detekcji obiektu w kanale wejściowym oraz podtrzymany jest przesz sterownik przez czas np. 3 s, umożliwiając domielenie gałęzi pozostawionych w kanale wejściowym za czujnikiem optycznym oraz w mechanizmie roboczym.

Korekta prędkości obrotowej silnika ze względu na precyzję określenia końca procesu rozdrabniania pozwala zapewnić bardziej efektywną pracę maszyny, redukując jej zużycia paliwa oraz emisję szkodliwych związków spalin takich jak np. CO i CO2. Ponadto poprawa precyzji określenia końca procesu rozdrabniania pozwala na pracę maszyny w dłuższym okresie pracy jałowej z niską prędkością obrotową co korzystnie wpływa nie tylko na procesy związane ze spalaniem paliwa ale również redukuje hałas i zmniejsza zużycie mechanizmów tj. łożyska, przekładnie itp.

Reasumując szybsza i bardziej precyzyjna detekcja warunków pracy dla których korzystna jest praca z niską prędkością obrotową, umożliwia szybszą zmianę warunków pracy jednostki napędowej. Zmniejszenie prędkości obrotowej jednostki napędowej powoduje również pracę napędu w innym przedziale charakterystyki silnika, co przyczynia się do pracy z mniejszym momentem obrotowym lub mocą.

Badania zespołu naukowego Politechniki Poznańskiej maszyn rozdrabniających drewno przedstawione w publikacji: Kończak, M., Kukla, M., Warguła, Ł., Talaśka, K. (2020, February). Determination of the vibration emission level for a chipper with combustion engine. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 776, No. 1, p. 012007). IOP Publishing.

Badania te wykazały, że największa średnia wartość przyspieszeń drgań (ang. vibration acceleration) jest podczas procesu rozdrabniania. W miejscu obudowy mechanizmu rozdrabniającego (sensor 2 w artykule) średnia wartość przyspieszeń drgań jest równa około 30 ms², a średnia wartość z dziesięciu największych zmierzonych wartości przyspieszeń drgań jest na poziomie około 140 ms². Natomiast wartości pomiaru w tym miejscu pomiarowym bez procesu rozdrabniania (tylko praca mechanizmu roboczego i silnika spalinowego z wysoką prędkością obrotową) odpowiednio jest równa około 20 ms² oraz około 40 ms².

Na podstawie opublikowanych wyników badań można wyciągnąć wnioski, że sygnał z czujnika drgań np. na bazie czujnika pomiaru przyspieszeń, może być sygnałem sterującym wykorzystywanym w procesie sterowania maszyną redukującą rozmiar drewna, która charakteryzuje się okresowo zmiennymi warunkami pracy. Wartość zmian tego sygnału po rozpoczęciu procesu rozdrabniania może wzrastać od około 50% do 250% w zależności od przyjętej metody analizy sygnału. Na podstawie tych badań również można wyciągnąć wniosek, że wartość przyspieszeń drgań podczas procesu rozdrabniania jest również największym sygnałem w innych częściach ramy maszyny redukującej rozmiar drewna. Można stwierdzić również, że pomiar przyspieszeń drgań czujnikiem umieszczonym bezpośrednio na silniku spalinowym jest niewłaściwy.

W stanie techniki dotyczącym procesów sterowania silnikami spalinowymi, dostrzegany jest pomiar przyspieszeń drgań. Pomiar ten jest realizowany przez czujniki spalania stukowego i jego zadaniem jest wykrycie wibracji silnika wynikających z zachodzenia nieprawidłowego procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze. Natomiast wykorzystanie czujnika mierzącego wartość przyspieszeń drgań na obudowie maszyny rozdrabniającej drewno do procesów regulacji prędkości obrotowej jednostki napędowej rębaka do drewna jest nowe i nieoczywiste.

Istotą wynalazku jest układ sterowania prędkością obrotową napędu rębaka do drewna z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym zawierającym czujniki detekcji obiektu w kanale wejściowym rębaka, aktywujący wysoką prędkość obrotową oraz co najmniej jeden czujnik przyspieszenia drgań trwale przymocowany do obudowy mechanizmu roboczego np. do kanału wejściowego, wyjściowego lub ramy maszyny, dezaktywującym stan pracy charakteryzujący się wysoką prędkością obrotową. Czujniki (optyczny i przyspieszeń drgań) są połączone ze sterownikiem przepustnicy regulującym położenie klapy przepustnicy powietrza lub klapy przepustnicy mieszanki paliwowo-powietrznej w gaźniku. W układzie sterownik przepustnicy połączony jest z silnikiem krokowym współpracującym z dźwignią regulacji prędkości obrotowej. Dźwignia ta natomiast jest połączona jest z mechanizmem odśrodkowym regulującym za pomocą cięgna pozycję klapy przepustnicy powietrza lub klapy przepustnicy mieszanki paliwowopowietrznej w gaźniku.

Wariantowo czujnik przyspieszeń drgań jest trwale przymocowany tylko do kanału wejściowego albo wyjściowego. Korzystnym jest wariant czujniki przyspieszeń drgań są trwale przymocowane zarówno do kanału wejściowego jak i do kanału wyjściowego.

Układ sterowania prędkością obrotową napędu rębaka do drewna z silnikiem spalinowym w przykładzie realizacji przedstawiono na rysunku na którym fig. 1 pokazuje schemat ideowy układu.

Napęd rębaka do drewna posiada silnik spalinowy o zapłonie iskrowym 1, który napędzany jest poprzez spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej. W wersji podstawowej powietrze dostarczane z otoczenia przepływa przez filtr powietrza 17 i miesza się z benzyną dostarczaną ze zbiornika benzyny 16 w gaźniku 18.

Prędkość obrotowa wału wyjściowego 2 silnika spalinowego o zapłonie iskrowym 1 zależy głównie od pozycji klapy przepustnicy umieszczonej w gaźniku 18. Pozycję klapy przepustnicy poprzez pierwsze cięgno nastawia mechanizm odśrodkowy 15. Natomiast nastawy mechanizmu odśrodkowego 15 są ustawiane poprzez drugie cięgno, dźwignią regulacji prędkości obrotowej 14. Pozycja dźwigni regulacji prędkości obrotowej 14 jest zmieniana poprzez silnik krokowy 13. O aktywacji silnika krokowego 13 decyduje sterownik 12 na podstawie sygnału z sensorów optycznych 8 umieszczonych w kanale wejściowym 7 rębaka.

Detekcja obiektu powoduje wzrost prędkości obrotowej rębaka poprzez wykrycie gałęzi 9 przez sensory 8 w kanale wejściowym 7. Następnie sterownik 12 wysyła sygnał do silnika krokowego 13 o zmianie pozycji, ten zmienia położenie dźwigni regulacji prędkości obrotowej 14. Dźwignia regulacji prędkości obrotowej 14 poprzez drugie cięgno umożliwia rozchylenie ciężarków w mechanizmie odśrodkowym 15, rozchylenie ich powoduje zmianę pozycji pierwszego cięgna i klapy przepustnicy umieszczonej w gaźniku 18.

Brak detekcji gałęzi w kanale wejściowym 7 jest niewystarczającym sygnałem do zmiany stanu pracy maszyny (zmiany prędkości obrotowej na niską), gdyż w mechanizmie roboczym i kanale wejściowym 7 może znajdować się nadal drewno wymagające znacznego momentu obrotowego do procesu rozdrabniania. Dlatego w maszynie rozdrabniającej trwale przymocowano czujnik przyspieszeń drgań 11 przymocowany do kanału wejściowego 7 lub kanału wylotowego 6. Opcjonalnie w układzie mogą się znajdować dwa czujniki przyspieszeń drgań 11 w kanale wejściowym 7 i czujnik przyspieszeń drgań II 19 w kanale wylotowym 6. Jeden rozpoznaje sygnał generowany przez uderzające drewno 9 a drugi rozpoznaje sygnał uderzających zrębek 10. Możliwe jest również umieszczenie dodatkowych czujników np. na ramie maszyny.

Zmiana prędkości obrotowej z wysokiej na niską jest możliwa kiedy w kanale wejściowym 7 jest brak detekcji obiektu przez sensor 8 oraz poziom wartości sygnału czujnika przyspieszeń drgań 11 umieszczone w obszarze obudowach mechanizmu roboczego (kanał wejściowy 7, kanał wyjściowy 6, rama, obudowa mechanizmu roboczego) jest niższy niż charakterystyczna dla procesu rozdrabniania, powinien być dobierany dla konkretnej maszyny indywidualnie. W przykładowej maszynie realną wartością graniczną, którą cechuje proces rozdrabniania jest średnia wartość przyspieszeń drgań powyżej 28 ms².

Brak detekcji gałęzi w kanale wejściowym 7 oraz brak detekcji przyspieszeń drgań, których wartość jest większa niż dla pracy jałowej maszyny (np. 22 m -s²) powoduje zachowanie niskiej prędkości obrotowej rębaka. Sygnał ze sterownika 12 nie powoduje zmiany pozycji dźwigni regulacji prędkości obrotowej 14, która poprzez drugie cięgno uniemożliwia rozchylenie się ciężarków mechanizmu odśrodkowego 15.

O aktywacji zmiany prędkości obrotowej na wysoką decyduje wartość sygnał z sensora 8 w kanale wejściowym, a o zakończeniu pracy z wysoką prędkością obrotową decyduje wartość sygnał z sensora 8 i czujnika przyspieszeń drgań 11.

Praca maszyny rozdrabniającej z niską prędkością obrotową jest pracą jałową, a więc niezakładana jest regulacja pracy w zależności od obciążenia silnika.

Obciążenie silnika podczas pracy z wysoką prędkością obrotową jest powszechnym zjawiskiem. Skutkiem obciążenia jest zmniejszenie prędkości obrotowej silnika i zmiana pola pracy wynikającego z charakterystyki silnika. W opracowanym rozwiązaniu, jeżeli dźwignia regulacji prędkości obrotowej 14 jest ustawiona w pozycji pracy z wysoką prędkością obrotową, to mechanizm odśrodkowy 15 posiada możliwość płynnej regulacji do zadanej prędkości. Zmniejszenie prędkości obrotowej wynikającej z obciążenia silnika wpływa na mechanizm odśrodkowy 15 powodując możliwość zwiększenia wychylenia ciężarków mechanizmu odśrodkowego i zmianę pozycji klapy przepustnicy w gaźniku 18 poprzez drugie cięgno.

Praca maszyny z niską prędkością obrotową zapewnia możliwość rozdrabniania drewna o stosunkowo małym przekroju poprzecznym, takie drewno również charakteryzuje się mniejszymi wartościami sygnałów przyspieszeń drgań na obudowie maszyny podczas rozdrabniania, co korzystnie wpływa na opisywany układ ponieważ zapewnia zdolność rozdrabniania ale przy mniejszej prędkości obrotowej i mniejszym zużyciu paliwa.

Silnik spalinowy o zapłonie iskrowym 1 jest połączony z mechanizmem roboczym maszyny rozdrabniającej drewno, przekładnią cięgnową 3, a synchronizacja noży maszyny rozdrabniającej jest zapewniona przez przekładnię cięgnową 5.

Claims (4)

1. Układ sterowania prędkością obrotową napędu rębaka do drewna z silnikiem spalinowym zawierający czujnik detekcji obiektu w kanale podawczym rębaka oraz sterownik przepustnicy regulujący położenie kątowe klapy przepustnicy powietrza lub gaźnika połączony z silnikiem krokowym, który współpracuje z dźwignią regulacji prędkości obrotowej połączoną z mechanizmem odśrodkowym regulującym za pomocą cięgna pozycje klapy przepustnicy w gaźniku, znamienny tym, że sterownik przepustnicy (12) połączony jest z co najmniej jednym czujnikiem przyspieszeń drgań (11), który jest trwale przymocowany do obudowy mechanizmu roboczego.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik przyspieszeń drgań (11) jest trwale przymocowany do kanału wejściowego (7).

PL 249200 Β1

3. Układ według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że czujnikiem przyspieszeń drgań (11) jest trwale przymocowany do kanału wyjściowego (6).

4. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że czujniki przyspieszeń drgań (11) jest trwale przymocowany do kanału wejściowym (7), a czujnik przyspieszeń drgań II (19) jest trwale przymocowany do kanału wyjściowego (6).