PL247899B1 - Układ sterowania napędem rębaka do drewna - Google Patents

Abstract

Przedmiotem rozwiązania jest układ sterowania napędem rębaka do drewna zawierający silnik spalinowy o zapłonie iskrowym z gaźnikowym układem zasilania paliwem, w którym klapa przepustnicy (6) gaźnika jest połączona łącznikiem I (10) z dźwignią I (9) z regulatorem odśrodkowym (7), który jest połączony łącznikiem II (11) z dźwignią II (12), która jest połączona łącznikiem II (13) z silnikiem krokowym (14), który jest połączony i sterowany sterownikiem prędkości obrotowej (15), który jest sterowany sygnałem z czujnika twardości wilgotności lub przekroju poprzecznego drewna (16).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania napędem rębaka do drewna z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym, który jest realizowany w zależności od twardości, wilgotności lub przekroju poprzecznego rozdrabnianego drewna.

Klasyczna regulacja zmiany prędkości obrotowej napędu rębaka realizowana jest przez dźwignię, pedał przyspieszenia lub potencjometr. Regulatory te pozwalają zmienić prędkość obrotową oraz zadawać i ustalać ją na określanym poziomie. W toku rozwoju tych układów poza ustaleniem pozycji np. dźwignią, prędkość obrotowa jest dodatkowo regulowana mechanizmami np. podciśnieniowym, odśrodkowym lub różnymi sygnałami elektrycznymi z czujników, analizowanych przez algorytm sterowania. Przykładem sygnałów elektrycznych wpływających na prędkość obrotową silnika lub zakresy jej regulacji są układy sensoryczne układów trakcyjnych w pojazdach, tempomaty lub ograniczniki prędkości obrotowej podczas pracy jałowej (ograniczające prędkość obrotową silnika niezależnie od pozycji pedału przyspieszenia).

Moment obrotowy silnika spalinowego podczas pracy jałowej charakteryzuje się małą wartością. Wzrost prędkości obrotowej silnika umożliwia wzrost momentu obrotowego (zgodnie z charakterystyką silnika). Obserwację podwyższonych wartości momentu obrotowego umożliwia tylko obciążenie silnika. W maszynach rozdrabniających obciążenie silnika, jest skutkiem działania sił w mechanizmie tnącym, które jest generowane przez cięte lub rozdrabniane uderzeniowo drewno.

Klasyczne sterowanie w maszynach rozdrabniających przewiduje pracę z największym obciążeniem, dlatego silnik pracuje w zakresie charakterystyki maksymalnego momentu obrotowego lub maksymalnej mocy. Praca w takich warunkach umożliwia najczęściej rozdrabnianie materiału np. drewna o parametrach granicznych do jakich maszyna jest przystosowana. Często jednak maszyny rozdrabniające mogą rozdrabniać materiał o innej charakterystyce niż graniczna zdolność do procesu rozdrabniania maszyny np. z bardziej miękkiego drewna lub o mniejszym przekroju poprzecznym. Praca podczas rozdrabniania materiału, który nie wymaga maksymalnego momentu obrotowego lub maksymalnej mocy jednostki napędowej może odbywać się z niższymi nastawami silnika spinowego (niższą prędkością obrotową, a przez to mniejszym momentem obrotowym) bez znaczącego wpływu na zdolność rozdrabniania (realizację procesu cięcia), a jedynie zmniejszenie wydajności produkcji zrębek. Zmniejszenie prędkości obrotowej napędu spalinowego rębaka zmniejsza liczbę cykli spalania, ograniczając zużycie paliwa i emisję niebezpiecznych związków spalin.

Badania drewna wykazują, że w zależności od twardości - rozdrabnianie drewna o tym samym przekroju poprzecznym i wilgotności wymaga mniejszej siły cięcia, opisano w Warguła, Ł., Kukla, M., Wieczorek, B., & Krawiec, P. (2022). Energy consumption of the wood size reduction processes with employment of a low-power machines with various cutting mechanisms. Renewable Energy, 181, 630-639.

Najbliższymi wynalazkowi rozwiązaniami znanymi w stanie techniki są układy opisane w publikacjach P.423369 oraz P.433586. Układy te ograniczają zużycie paliwa oraz emisję szkodliwych związków spalin poprzez zmniejszenie prędkości obrotowej napędu rębaka podczas pracy jałowej. Jednak podczas nastawiania warunków pracy umożliwiających rozdrabnianie drewna maszyna charakteryzuje się pracą umożliwiającą osiągnięcie maksymalnego momentu obrotowego lub mocy, niezależnie od rodzaju i rozmiaru drewna jakie rozdrabnia.

W toku prowadzonych prac rozwojowych zaobserwowano, że rozdrabnianie drewna o małym przekroju poprzecznym z miękkiego i wilgotnego drewna może być realizowana na biegu jałowym lub z nieznacznie podwyższoną prędkością obrotową. Te założenie stało się podstawą do opracowania układu zapewniającego w procesie sterowania rębakiem takich czynników jak rodzaj rozdrabnianego drewna, w szczególności jego twardość, wilgotność lub przekrój poprzeczny co wpływa na ograniczenie zużycia paliwa oraz emisji zanieczyszczeń powietrza. Powiązanie takiego układu z układem adaptacyjnym regulującym prędkość obrotową w zależności od zapotrzebowania na pracę jałową i rozdrabnianie dodatkowo zwiększy efekty ograniczenia zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń powietrza.

Uwzględnienie w układzie sterowania zależność od rodzaju drewna tj. jego twardości, wilgotności czy wielkości przekroju poprzecznego drewna pozwoliło na istotną poprawę funkcjonowania tego typu układów, gdyż klasyczne układy i algorytmy regulacji sterowania prędkością obrotową silnika nie uwzględniają możliwości ich rozbudowy o dodatkowe sensory.

Istotą wynalazku jest układ sterowania napędem rębaka do drewna z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym w zależności od twardości rozdrabnianego drewna zawierający silnik spalinowy o zapłonie iskrowym z gaźnikowym układem zasilania paliwem. W układzie klapa przepustnicy gaźnika jest połączona łącznikiem I z dźwignią I z regulatorem odśrodkowym. Regulator odśrodkowy natomiast jest połączony łącznikiem II z dźwignią II, która jest połączona poprzez łącznikiem II z silnikiem krokowym. Silnik krokowy jest połączony i sterowany sterownikiem prędkości obrotowej, który jest sterowany sygnałem z czujnika twardości drewna, wilgotności drewna lub pomiaru przekroju poprzecznego drewna. Oczywiście możliwe jest kumulatywne zastosowanie wszystkich rodzajów czujnika lub dowolne ich łącznie.

Korzystnym jest kiedy układ posiada czujniki optyczne w kanale podawczym maszyny połączone ze sterownikiem prędkości obrotowej.

Czujnik twardości i wilgotności drewna może stanowić autonomiczne narzędzie obsługiwane przez operatora tj. ręczny twardościomierz przenośny bądź ręczny wilgotnościomierz przenośny.

Korzystnie czujnik pomiaru przekroju poprzecznego stanowi elektroniczna suwmiarka.

Układ sterowania napędem rębaka do drewna z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym w zależności od twardości rozdrabnianego drewna pokazano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu.

W przykładzie realizacji silnik spalinowy 1 o zapłonie iskrowym jest wyposażony w gaźnik 2 zasilany paliwem ze zbiornika 3 oraz powietrzem poprzez filtr powietrza 4. Wał wyjściowy 5 połączony jest z mechanizmem maszyny rozdrabniającej drewno (bezpośrednio, poprzez przekładnie lub sprzęgło). Zmiana prędkości obrotowej silnika spalinowego 1 jest realizowana przez zmianę pozycji klapy przepustnicy 6. Na zmianę prędkości obrotowej silnika spalinowego 1 może również wpływać obciążenie silnika, czyli opór stawiany mechanizmowi tnącemu, który jest połączony z wałem wyjściowym 5 silnika spalinowego 1. W celu zachowania zadanych ustawień prędkości obrotowej, również podczas rozdrabniania (czyli obciążania silnika, który w takich warunkach zmniejsza prędkość obrotową), klapa przepustnicy 6 jest połączona z regulatorem odśrodkowym 7, który wskazuje wartość 8 do jakiej należy podnieść prędkość obrotową i poprzez dźwignią I 9 oraz łącznik I 10 zmienia pozycję kalpy przepustnicy 6. Dźwignia I 9 dąży do regulacji zadanych ustawień w korelacji z regulatorem odśrodkowym 7. Zmianę ustawień regulatora odśrodkowego 7 poprzez łącznik II 11 wymusza ruch zmiany pozycji dźwigni II 12. Dźwignia II 12 w klasycznym układzie zmienia pozycję poprzez manualny ruch ręką operatora maszyny, najczęściej z pozycji pracy jałowej, w drugą skrajną pozycję pracy (z maksymalnym mom entem obrotowym lub maksymalną mocą). W opisywanym innowacyjnym rozwiązaniu dźwignia II 12 jest połączona z łącznikiem III 13 z silnikiem krokowym 14 zmieniającym i ustalającym pozycję dźwigni II 12. Silnik krokowy 14 jest połączony z sterownikiem prędkości obrotowej 15, który przetwarza sygnały z czujnika twardości drewna 16.

Informacja o twardości drewna może być wysyłana bezprzewodowo z modułu wyposażonego w czujnik twardości drewna 16, umieszczony w takim urządzeniu jak twardościomierz przenośny np. Leeb PHT-550. Moduł pomiaru twardości może być obsługiwany przez operatora maszyny i trzymany w dłoni podczas czasu pomiaru. W zależności od twardości drewna algorytm wyznacza wartość prędkości obrotowej niezbędnej do realizacji rozdrobnienia badanego drewna.

W innym wariancie układu silnik krokowy 14 jest połączony z sterownikiem prędkości obrotowej 15, który przetwarza sygnały z czujnika wilgotności drewna 16, np. w postaci wilgotnościomierza przenośnego drewna typu EXTECH MO55.

Wilgotność drewna jest to stosunek masy wody zawartej w drewnie do masy tego drewna. Stosunek ten może być wyrażony w gramach lub w procentach. W zależności od gatunku świeżo ściętego drzewa wartość ta plasuje się pomiędzy 50 a 150%. Drewno tzw. powietrzno-suchego charakteryzuje się wilgotności 15%. Drewno o wilgotności np. 150% charakteryzuje się mniejszą siłą cięcia niż drewno o wilgotności 15% przy tym samym przekroju poprzecznym i rodzaju drewna.

W jeszcze innym wariancie układu silnik krokowy 14 jest połączony z sterownikiem prędkości obrotowej 15, który przetwarza sygnały z czujnikiem pomiaru przekroju poprzecznego 16, którym może być elektroniczna suwmiarka typu MET-00003.

Wiadomym jest, że zmiana prędkości obrotowej silnika zmienia jego charakterystykę umożliwiając pracę z odpowiednią wartością momentu obrotowego podczas rozdrabniania drewna. Dokładniejsze dobranie wartości prędkości obrotowej, a co z tego wynika momentu obrotowego zmniejsza zużycie paliwa i emisję spalin.

Niezależnie od metody pomiaru twardości, wilgotności czy przekroju poprzecznego drewna można wyznaczyć charakterystykę w algorytmie sterownia odpowiadającą wartości prędkości obrotowej napędu do twardości czy wilgotności drewna. Zerowa wartość twardości drewna, czy też przekroju poprzecznego lub brak pomiaru wartości wilgotności będzie oznaczać pracę jałową maszyny. Wartość twardości, wilgotności czy też pomiaru przekroju poprzecznego odpowiadającej maksymalnej mocy powinno być dobierane do mechanizmu tnącego.

Jeżeli maszyna jest przystosowana do rozdrabniania belek drewnianych o średnicy do 100 mm to wartość momentu obrotowego dla drewna najtwardszego (wartość drewna najtwardszego np. klasy VI wg. klasyfikacji twardości Janki jest wartość około 150 MPa) jest wartością prędkości obrotowej umożliwiającej pracę maszyny z maksymalnym momentem obrotowym lub maksymalną mocą.

Jeżeli natomiast maszyna jest przystosowana do rozdrabniania belek drewnianych o średnicy do 100 mm to wartość momentu obrotowego dla drewna najbardziej suchego np. do 10% wilgotności (wymagającego najwięcej siły podczas cięcia) jest wartością prędkości obrotowej umożliwiającej pracę maszyny z maksymalnym momentem obrotowym lub maksymalną mocą. Detekcja drewna o wilgotności np. 150% może być sygnałem do pracy maszyny z prędkością obrotową charakteryzującą się 30% maksymalnego momentu obrotowego lub mocy silnika.

Wariantowo przewiduje się także, że układ może zawierać różne konfiguracje wielu czujników jak np.:

• czujnika twardości drewna i czujnika wartości wilgotności drewna;

• czujnika twardości drewna i czujnika wartości przekroju poprzecznego drewna;

• czujnika wartości przekroju poprzecznego drewna i czujnika wartości wilgotności drewna;

• czujnika wartości przekroju poprzecznego drewna, czujnik twardości drewna oraz czujnika wilgotności drewna.

Układ od strony funkcjonalnej stwarza możliwości elastycznej kalibracji i indywidualizacji nastaw. Podczas badań eksperymentalnych można wyznaczać indywidualne charakterystyki dla wybranego mechanizmu tnącego np. badając belki o granicznej średnicy np. 100 mm i różnych klasach twardości. Znając twardość, wilgotność czy wielkość przekroju poprzecznego drewna i wartość momentu obrotowego niezbędnego do rozdrobnienia drewna można wyznaczyć pożądaną charakterystykę dla algorytmu sterowania.

Podczas eksploatacji maszyny można wykonać pomiar reprezentacyjnego kawałka drewna, a następnie realizować proces rozdrabniania.

Wariantowo przewiduje się, że poza regulacją maksymalnej mocy lub maksymalnego momentu obrotowego układ może być wyposażony w czujniki optyczne w kanale podawczym maszyny, zmieniające warunki pracy maszyny. Zachowując niską prędkość obrotową podczas pracy jałowej i wysoką prędkość obrotową podczas procesu rozdrabniania drewna. Podobnie ja w systemach P.423369 i P.433586, w których jednak maksymalna wartość momentu obrotowego, nie jest regulowana.

Claims (5)

1. Układ sterowania napędem rębaka do drewna zawierający silnik spalinowy o zapłonie iskrowym z gaźnikowym układem zasilania paliwem znamienny tym, że klapa przepustnicy (6) gaźnika jest połączona łącznikiem I (10) z dźwignią I (9) z regulatorem odśrodkowym (7), który jest połączony łącznikiem II (11) z dźwignią II (12), która jest połączona łącznikiem II (13) z silnikiem krokowym (14), który jest połączony i sterowany sterownikiem prędkości obrotowej (15), który jest sterowany sygnałem z czujnika twardości, wilgotności lub przekroju poprzecznego drewna (16).

2. Układ sterowania napędem rębaka do drewna według zastrz. 1 znamienny tym, że posiada czujniki optyczne w kanale podawczym maszyny połączone ze sterownikiem prędkości obrotowej (15).

3. Układ sterowania napędem rębaka do drewna według zastrz. 1 znamienny tym, że czujnika twardości drewna (16) stanowi ręczny twardościomierz przenośny.

4. Układ sterowania napędem rębaka do drewna według zastrz. 1 znamienny tym, że czujnika wilgotności drewna (16) stanowi ręczny wilgotnościomierz przenośny.

5. Układ sterowania napędem rębaka do drewna według zastrz. 1 znamienny tym, że czujnika przekroju poprzecznego (16) stanowi elektroniczna suwmiarka.