Мехатронное прицепное устройство
Владельцы патента RU 2476048:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия (RU)
Изобретение относится к колесному трактору, оборудованному механизмом прицепного устройства с упругим элементом, и может быть использовано при проведении различных почвообрабатывающих работ. Мехатронное прицепное устройство содержит упругий элемент рессорного типа, демпферное устройство, заполненное демпферной жидкостью. В демпферном устройстве установлен шаговый двигатель, на вал которого установлена поворотная шайба с дроссельными отверстиями, а в поршне концентрично выполнены дроссельные отверстия. Мехатронное прицепное устройство может содержать датчики усилий, датчик температуры демпферной жидкости, датчик угла положения поворотной шайбы относительно поршня, являющиеся в свою очередь составной частью адаптивной системы регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства. При этом адаптивная система регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства содержит спектроанализатор, микропроцессор и контроллер управления шаговым двигателем. В прицепном устройстве обеспечивается автоматическое адаптивное регулирование его упругодемпфирующих свойств наряду с расширением диапазона регулирования. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к колесному трактору, оборудованному механизмом прицепного устройства с упругим элементом, и может быть использовано при проведении различных почвообрабатывающих работ.
Известно прицепное устройство (патент РФ №2400037, A01B 59/06, бюл. №27, опубл. 27.09.2010 г.), содержащее жесткую, гибкую и упругую силовые связи. Упругая связь содержит элемент рессорного типа, прикрепленный к тягам-удлинителям, которые в свою очередь жестко закреплены на раме трактора. Устройство для соединения с прицепной машиной расположено в центре упругого элемента.
Причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, является то, что регулировка жесткости прицепного устройства осуществляется дискретно и вручную, и в прицепном устройстве не происходит демпфирование колебаний.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение показателей динамичности процесса, уменьшение буксования, а также оптимизация режима работы двигателя.
Технический результат - автоматическое адаптивное регулирование упругодемпфирующих свойств прицепного устройства наряду с расширением диапазона регулирования.
Указанный технический результат достигается тем, что в мехатронном прицепном устройстве, содержащем упругий элемент рессорного типа, демпферное устройство, в котором установлен шаговый двигатель с поворотной шайбой, в которой в свою очередь выполнены дроссельные отверстия, в прицепном устройстве установлены датчики усилий, а в демпферном устройстве - датчики температуры и угла поворота шайбы относительно поршня. Датчики являются составной частью адаптивной системы регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства, включающей в себя спектроанализатор, микропроцессор и контроллер управления шаговым двигателем.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленного объекта.
Следовательно, заявленное предлагаемое изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На фиг.1 приведено прицепное устройство, на фиг.2 демпферное устройство с мехатронным управлением, на фиг.3 функциональная схема адаптивного регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства, на фиг.4 - варианты исполнения дроссельных отверстий гидравлической пружины.
Прицепное устройство (фиг.1) содержит две тяги-удлинители 1, жестко закрепленные на раме трактора 2, на консольных концах тяг-удлинителей 1 в двухподвижных шарнирах 3 крепится упругий элемент рессорного типа 4. В центре упругого элемента 4 закреплен кронштейн 5, к которому через датчик усилий 6 прицепляется сельскохозяйственная машина 7. Между рамой трактора 2 и упругим элементом 4 установлено демпферное устройство с мехатронным управлением 8. На тягах-удлинителях 1 установлены тензометрические датчики усилий 9 и 10.
Демпферное устройство с мехатронным управлением (фиг.2) состоит из корпуса 11, крышки 12. В корпусе 11, заполненном демпфирующей жидкостью, установлен поршень 13, соединенный со штоком 14. В поршне 13 выполнены концентрично дроссельные отверстия 15. Поворотная шайба 16 установлена на валу высокомоментного шагового двигателя 18, корпус которого жестко установлен посредством крепежных элементов 19 в торце поршня 13, между поворотной шайбой 16 и корпусом шагового двигателя 18 установлена пружина 20, обеспечивающая плотное прижатие поворотной шайбы 16 к поршню 13. Внутри корпуса демпферного устройства 22 размешены датчик температуры 21 и датчик угла поворота 22 шайбы 16 относительно поршня 13. На наружной стороне корпуса 11 размещены ребра охлаждения 23. В крышке 12 и на поршне 13 установлены уплотнительные элементы 24 и 25 соответственно, обеспечивающие герметизацию полостей. На конце штока 14 и на корпусе 11 выполнены проушины 26 и 27, для крепления к раме трактора 1 (фиг.1) и сельскохозяйственной машине 7 соответственно. В днище корпуса 1 установлен резиновый отбойник 28, предотвращающий соударения поршня с корпусом, из корпуса выведен электрический разъем 29 для подвода питания шагового двигателя 18 и снятия сигналов с датчиков температуры 21 и угла поворота 22.
Функциональная схема (фиг.3) адаптивного регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства состоит из датчиков усилий 6, 9 и 10, датчика температуры 21, датчика угла поворота 22, блока спектроанализатора 30, микропроцессора 31, блока контроллера управления шаговым двигателем 32 и шагового двигателя 18.
Мехатронное прицепное устройство работает следующим образом. При работе трактора с прицепным орудием, погруженным в почву, происходят резкие колебания нагрузки на крюке трактора из-за неравномерности сопротивления почвы. При увеличении нагрузки на крюке трактора происходит сжатие упругого элемента 4 с одновременным перемещением штока 14 вместе с поршнем 13 относительно корпуса 11 демпферного устройства 8 (фиг.1), создавая сопротивление резкому деформированию упругого элемента, сельскохозяйственная машина 7 в это время остается какое-то непродолжительное время на месте, а трактор идет вперед, постепенно увеличивая нагрузку. Такое явление наблюдается при трогании с места во время разгона и при резких колебаниях нагрузки. После преодоления нагрузки на крюке весь машинно-тракторный агрегат придет в движение.
Демпферное устройство 8 работает по принципу гидравлической пружины, при колебаниях крюковой нагрузки шток 14 вместе с поршнем 13 совершает колебательные движения относительно корпуса 11 одновременно с деформацией упругого элемента рессорного типа 4. При перемещении поршня 13 относительно корпуса 11 его движение затормаживается пропорционально скорости перемещения за счет того, что демпферная жидкость дросселируется через отверстия 15 и 17, перетекая из полости в полость, обеспечивая диссипацию энергии колебаний. Колебательный контур «упругий элемент 4 и демпферное устройство 8» предназначен для гашения максимумов амплитуд крюковой нагрузки, учитывая, что в зависимости от вида операции и типа почвы частота и амплитуда колебаний могут быть различными, параметры колебательного контура также должны изменяться. Жесткость упругого элемента 4 постоянна, изменяются демпферные характеристики устройства 8 таким образом, чтобы гасились максимальные амплитуды крюковой нагрузки. С датчиков усилий 6, 9 и 10 сигналы в виде матрицы значений крюкового усилия за заданный интервал времени поступают на спектроанализатор 30 (фиг.3), который в свою очередь выделяет частоту колебаний крюковой нагрузки, соответствующую максимальной амплитуде 
на том же промежутке времени. От спектроанализатора 30 выделенное значение частоты колебаний поступает на микропроцессор 31, который реализует алгоритм вычисления коэффициента демпфирования и подает управляющее воздействие у на контроллер управления шаговым двигателем 32, от которого сигнал в виде напряжения u подается на шаговый двигатель 18, вал которого проворачивает поворотную шайбу 16 на требуемый угол, частично перекрывая или открывая тем самым дроссельные отверстия 15. Текущее положение поворотной шайбы 16 относительно поршня 13 регистрируется датчиком угла положения 22, сигнал Δφ от которого постоянно подается на микропроцессор 31, что в режиме реального времени позволяет вычислять и корректировать коэффициент демпфирования.
При работе демпферного устройства 8 постоянно происходит дросселирование жидкости, в результате чего происходит ее нагрев, а с увеличением температуры уменьшается ее вязкость, а следовательно, для коррекции коэффициента демпфирования микропроцессор, получая сигнал от датчика температуры 21, производит корректирующие вычисления для выработки сигнала поворота вала шагового двигателя 18 и соответственно поворотной шайбы 16.
Для расширения возможностей демпферного устройства 8, а в частности задания закона изменения коэффициента демпфирования, дроссельные отверстия могут иметь сечения как круглой формы (фиг.4, а), так и продолговатой (фиг.4, б) переменного сечения.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- Средство предназначено для снижения показателей динамичности процесса, уменьшения буксования и оптимизации работы двигателя.
- Средство, воплощающее заявленный объект, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству.
1. Мехатронное прицепное устройство, содержащее упругий элемент рессорного типа, демпферное устройство, заполненное демпферной жидкостью, отличающееся тем, что в демпферном устройстве установлен шаговый двигатель, на вал которого установлена поворотная шайба с дроссельными отверстиями, а в поршне концентрично также выполнены дроссельные отверстия.
2. Мехатронное прицепное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит датчики усилий, датчик температуры демпферной жидкости, датчик угла положения поворотной шайбы относительно поршня, являющиеся в свою очередь составной частью адаптивной системы регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства.
3. Мехатронное прицепное устройство по п.2, отличающееся тем, что адаптивная система регулирования упругодемпфирующих свойств прицепного устройства содержит спектроанализатор, микропроцессор и контроллер управления шаговым двигателем.
