Робочий орган льодоприбиральної машини

Робочий орган льодоприбиральної машини, що містить базове шасі з рамою, встановленою на шасі з можливістю вертикального переміщення щодо базового шасі, джерело постійного струму і підключений до нього перетворювач напруги, який відрізняється тим, що додатково містить конден C2 2 (19) 1 3 джувати оптимальну швидкість обертання барабана і необхідні параметри ланцюгів (довжину і масу) для руйнування шарів льоду різної товщини і густини, зокрема, утруднено прибирання ущільненого снігу, для якого деформація ударного стиснення невелика. Крім того, за відсутністю вказаного узгодження можливе пошкодження дорожнього покриття, а саме функціонування пристрою зв'язано із створенням значного шуму. Відомий робочий орган, що входить до складу машини для очищення дорожніх покриттів (а.с. СРСР №1518429, опубл. 1989p.), виконаний у вигляді турбореактивного авіадвигуна з вихідним соплом, змонтованого на базовому рухомому візку і який є генератором високотемпературного газового струменя, направленого на поверхню, яка очищується, завдяки чому відбувається танення льоду або снігу, що злежався. Основним недоліком такого способу боротьби з ожеледдю і, отже, пристроїв, в яких використовується цей спосіб, є висока його енергоємність. В більш загальному плані - способи і пристрої, що реалізовують фазовий перехід речовини (в даному випадку лід - вода), є неефективними (Селюцкий А.Б. и др. Вдохновение по заказу. Уроки изобретательства. Изд-во «Карелия», 1987г.). Дійсно, не дивлячись на значні зусилля розробників льодоприбиральних машин такого типу, упровадження їх все ще не відбулося. І причин тут декілька: 1) експлуатація таких пристроїв породжує екологічні проблеми (продукти згоряння вельми токсичні, так що якщо навіть обмежитися використовуванням вказаних пристроїв для очищення від льоду злітно-посадкових смуг аеродромів, то це не вирішує проблеми, оскільки аеродроми переважно розташовані поблизу міст); 2) функціонування машини супроводжується генерацією шумів високої інтенсивності; 3) певна складність в експлуатації: при відхиленні газового струменя від центра мас базового шасі з паливними елементами відбувається розворот шасі в горизонтальній площині; 4) повинно бути забезпечено строге узгодження швидкості пересування базового шасі з газоструминним генератором і товщиною крижаного покриття, інакше або відбудеться перегрів дорожнього покриття і відповідна перевитрата пального, або неповне очищення від льоду або полою; 5) вузький діапазон використовування - лише для очищення аеродромних покриттів, тоді як відчувається гостра потреба в машинах для прибирання від льоду і снігу, що злежався, приофісних територій, дворів житлових будинків і торгових центрів. Найближчим за технічною суттюі і зао результатом, що досягається, до винаходу, що заявляється (найближчим аналогом), є робочий орган пристрою для руйнування сніжно-крижаних утворень на дорожніх покриттях, який містить випромінювач ультразвукових коливань, встановлений в змонтованих на рамі направляючих з можливістю плавного переміщення випромінювача у вертикальній площині за допомогою пружини і гідропідсилювача (а.с. СРСР №901384, опубл. 1988р.). Згідно вказаному винаходу ультразвукові коливання, що поступають від випромінювача, розповсюджуючись усередині снігово-крижаної маси, 90351 4 ослабляють міжкристалічні зв'язки у вказаному середовищі і розм'якшують її за рахунок прогрівання до рідкотекучої маси. Недоліком вказаного пристрою є те, що для здійснення вказаних процедур потрібна ультразвукова енергія великої потужності, яка виходить з того, що для плавлення льоду необхідні 80 калорій тепла на 1 грам речовини, так що з урахуванням невисокого коефіцієнта перетворення енергії постійного струму в енергію високочастотних електричних коливань, а потім в енергію ультразвукових коливань з достатньо низьким коефіцієнтом корисної дії, що характерне для перетворень цього типу, потрібні значні витрати енергії постійного струму. Отже, не вдається в пристрої такого типу забезпечити автономне енергоживлення, у зв'язку з чим ергономічні характеристики пристрою невисокі. Крім того, ефективне використовування енергії ультразвукових коливань досягається за умови ретельного узгодження випромінювача з навантаженням, що забезпечується 1) якомога більш щільним приляганням робочої поверхні випромінювача до снігово-крижаної маси (для чого в пристрої-найближчому аналогу використовується жорстка пружина стиснення і гідроциліндр) і 2) при рівності повного опору (імпедансу) випромінювача і внутрішнього опору снігово-крижаної маси в інтервалі температур. В той же час діелектрична проникність і електропровідність льоду істотно залежать від температури (з пониженням температури електропровідність спадає по експоненціальному закону, див., наприклад, Маено Н. Наука про лід. М.: Мир, 1988р., с.101, рис.4.9), так що задовільне узгодження при одній температурі не є таким при іншій температурі, що приведе до зниження енергоефективності пристрою. Суттєвим недоліком вказаного технічного рішення є і неякісне очищення дорожнього покриття або його пошкодження, оскільки прикордонна зона (зона сполучення шару льоду і дорожнього покриття) володіє специфічними властивостями і в загальному випадку вимагає для свого руйнування великих витрат теплової енергії (а.с. СРСР №499371, опубл. 1977p.), достатньої, наприклад, при швидкому намерзанні льоду і недостатньої при повільному намерзанні, іншими словами, витрати енергії істотно залежать від характеру адгезії льоду і дорожнього покриття. В останньому випадку через відсутність чіткої межі лід-покриття можливе руйнування останнього ультразвуковими коливаннями. В основу пропонованого винаходу поставлена задача удосконалення робочого органу льодоприбиральної машини, в якому за рахунок введення нових елементів, організації нового зв'язку між елементами і використовування специфічних властивостей руйнованого середовища, забезпечується підвищення енергоефективності і поліпшення ергономічних характеристик. Поставлена задача виришується тим, що до робочого органу льодоприбиральної машини, що містить базове шасі з рамою, встановленою на шасі з можливістю вертикального переміщення щодо базового шасі, джерело постійного струму і 5 підключений до нього перетворювач напруги, відповідно до винаходу додатково введені конденсаторний високовольтний накопичувач електричної енергії, керований переривник струму, струмопровідні шини та встановлений на рамі діелектричний корпус, який містить високовольтні ізолятори, активні і пасивні електроди, розташовані уздовж осьової лінії торцевої грані діелектричного корпусу, зверненої до шару льоду, при цьому пасивні електроди розміщені в проміжку між двома активними електродами, конденсаторний високовольтний накопичувач електричної енергії, з'єднаний з перетворювачем напруги, виконаним у вигляді високовольтного перетворювача, а керований переривник струму підключений до конденсаторного високовольтного накопичувача і струмопровідних шин, підключених до активних електродів через високовольтні ізолятори, при цьому як джерело постійного струму використовується акумуляторна батарея, а кожний з електродів пов'язаний з діелектричним корпусом за допомогою пружних елементів зв'язку, переважно пружин стиснення, що забезпечують електричний і механічний контакт електродів з шаром льоду. В основу роботи робочого органу льодоприбиральної машини, який заявляється, встановлено унікальне явище електрогідравлічного удару, відповідно до якого при високовольтному імпульсному електричному розряді у воді або у водних розчинах при значеннях напруженості електричного поля в розрядному проміжку 10-100кВ/см відбувається пряме перетворення електричної енергії в механічну енергію, причому вказане перетворення здійснюється з великою ефективністю за рахунок звільнення внутрішньомолекулярної (і, можливо, внутрішньоатомної) енергії води (патент Німеччини DE 199320017A1, Int. cl. F03G7/00, опубл. 08.03.2001), так що коефіцієнт перетворення електричної енергії в механічну (який може бути ідентифікований як коефіцієнт корисної дії) істотно більше за одиницю і тому вказаний ефект вважається аномальним. Зокрема, при відносно невисоких енергіях електричних імпульсів в зоні розряду розвивається гігантський тиск - до 1000 атмосфер (108Н/м2). Створення імпульсів струму вказаної вище напруженості в розрядному проміжку досягається за рахунок перетворення низьковольтного постійного струму у високовольтну напругу, накопичення електричної енергії у високовольтному конденсаторному накопичувачі і подачі накопиченої електричної енергії в режимі частотно-модульованої і широтно-модульованої імпульсної послідовності через струмопровідні шини на активні електроди, які контактують з руйнованим середовищем, в якому і відбувається явище електрогідродинамічного удару. Розміщення між двома активними електродами декількох пасивних електродів дозволяє збільшити ширину смуги руйнованого льоду і підвищити надійність функціонування пристрою. Фундаментальні дослідження по фізиці, хімії і механіці льоду із залученням сучасних методів, що запозичають з фізики твердого тіла, квантової хімії, машинного моделювання і т.д. (Н.Маэно Наука о льде. М.: Мир, 1988. -226с.), дозволили виявити 90351 6 ряд унікальних фізичних і структурних властивостей льоду. Зокрема, встановлено, що на поверхні льоду завжди є тонкий шар води; усередині льоду є пухирці повітря і крапельки води; під тиском температура плавлення льоду знижується і він перетворюється на воду (ковзани спортсменів ковзають по «мастилу» - шару води); величина електропровідності льоду лежить на межі області напівпровідників і діелектриків, потрапляючи в область напівпровідників, і лід є протонним напівпровідником (на відміну від германію і кремнію, що є електронними напівпровідниками). Набір перерахованих вище властивостей льоду дозволяє реалізувати механізми руйнування льоду за рахунок електрогідравлічного удару: відносно невисока електропровідність льоду забезпечує надійну реалізацію ефекту електрогідравлічного удару - з одного боку, в той же час, з другого боку, відбувається нагрів поверхні крижаного покриву протікаючим струмом (відповідно до закону Джоуля-Ленца). Введення пружних елементів, що забезпечують електричний і механічний контакт всієї групи електродів з дорожньою поверхнею з можливістю незалежного переміщення їх у вертикальній площині кожного з електродів, і наявність ефекту пластичної деформації поверхневого шару льоду (Н.Маэно Наука о льде. М.: Мир, 1988. - С.149.) дозволяє здійснити ретельне копіювання рельєфу поверхні дорожнього покриття і здійснити надійний електричний розряд між кожною парою сусідніх електродів, а механічне натискання електродів на поверхню льоду призводить до підтавання льоду і збільшення товщини шару води на поверхні льоду (Там же, с.135). Щільне прилягання електродів до поверхні льоду при пересуванні пристрою по дорожньому покриттю також сприяє підтаванню верхнього шару льоду за рахунок теплоти тертя (Там же, с.147). Всі ці обставини сприяють реалізації ефекту електрогідравлічного удару. Унаслідок того, що структура крижаного шару залежить від характеру замерзання (темпу замерзання, швидкості нарощування і т.п.), то для реалізації надійного прояву електрогідравлічного удару високовольтні імпульси поступають з переривника на активні електроди у вигляді частотномодульованої і широтно-модульованої імпульсної послідовності (відповідні формувачі є складовою частиною високовольтного переривника), тобто з тривалістю і шпаруватістю, що змінюються. Оскільки коефіцієнт перетворення електричної енергії в механічну при реалізації електрогідравлічного удару дуже високий, а функціонування пристрою відбувається в переривистому (імпульсному) режимі, як первинне джерело електроенергії використовується автономне (не зв'язане електропроводами з живильною електромережею) джерело, саме, акумуляторна батарея, що підвищує ергономічні характеристики пристрою та забезпечує свободу маневру при практичному використовуванні. Виключається і забруднення навколишнього простору, електрогідравлічний ефект не супроводжується газо- і пароутворенням, а звукові ефекти розряду - на рівні неголосного цвірчання. 7 На Фіг.1 представлена електрична блок-схема робочого органу льодоприбиральної машини, на Фіг.2 - ескіз електродної частини, вертикальний розріз, де 1 - акумуляторна батарея, 2 - високовольтний перетворювач, 3 - конденсаторний високовольтний накопичувач електричної енергії, 4 - керований переривник струму, 5 - струмопровідні шини, 6 - діелектричний корпус, 7 - активні електроди, 8 - пасивні електроди, 9 - вимикач, 10 високовольтні ізолятори, 11 - пружини стиснення, 12 - наконечники електродів, 13 – шар льоду, 14 – дорожнє покриття; діелектричний корпус закріплюється на базовому шасі (на Фіг. не показаний). Активні електроди 7 і пасивні електроди 8 встановлені в діелектричному корпусі 6 з можливістю переміщення у вертикальній площині в деяких межах з тим, щоб під дією пружини стиснення 11 забезпечувалося копіювання рельєфу дорожнього покриття, тобто, щоб всі електроди щільно прилягали до крижаного покриття дорожнього полотна. Низьковольтна напруга постійного струму акумуляторної батареї 1 перетворюється у високовольтну напругу в перетворювачі 2 і поступає у високовольтний конденсаторний накопичувач 3, потім перетворена у високовольтні імпульси за допомогою керованого перетворювача 4 через струмопровідні шини 5 поступає на активні електроди 7, розташовані на одній лінії з пасивними електродами 8, так що в міжелектродному просторі пари найближчих електродів, розташування яких повинно бути еквідистантним, розвивається напруга, достатня для реалізації електрогідравлічного удару (більше 10кВ/см). З урахуванням цього при реальному конструюванні кількість електродів визначає необхідну величину імпульсної напруги, яка поступає на пару активних електродів 7. Для того, щоб руйнування льоду було ефективним при мінімальних значеннях напруженості електричного поля в міжелектродних проміжках, необхідно, щоб в цугу імпульсної послідовності в інтервалі кожних 50-60с частота і тривалість імпульсів змінювалася так, щоб забезпечувалася умова: u=(0,1...0,4) n, де u - тривалість імпульсів на рівні половинної амплітуди, n - інтервал між імпульсами, а тривалість переднього фронту імпульсу повинна бути не більше 0,05 u. За цих умов, як показує модельне експериментування, забезпечується достатня жорсткість електрогідравлічного удару, достатність енергії в імпульсі, а за вказаний часовий інтервал між імпульсами, як показує швидкісна кінозйомка, встигає сформуватися достатньо протяжна зона тиску. Дослідження показують, що при вказаних параметрах імпульсної послідовності канал високого тиску завжди перпендикулярний напряму розрядного струму, а часова еволюція розвитку зони високого тиску полягає в розширенні зони далеко за межі самої міжелектродної відстані в напрямах, як в перпендикулярному, так і подовжньому напряму струму, так що смуга руйнованого крижаного покриття виявляється значною. Причому, оскільки вода практично нестискувана (коефіцієнт стиснен 90351 8 ня води складає величину менше 0,00005), то навіть при значній видаленності в радіальному напрямі від розрядного проміжку реалізується формування величезних зусиль, що здійснюють руйнування крижаного шару. Переважна область використовування винаходу, що заявляється, -тротуари, прибудинкові і приофісні території, дорожні пішохідні доріжки заміських будинків і дач, а також обмерзлі плоскі дахи будівель і корпуси літаків. В умовах реального вживання льодоприбиральної машини з робочим органом, що заявляється, можливі два варіанти її роботи: 1) льодоприбиральну машину забезпечують плугово-щітковим очищувачем, що розташовується позаду по напряму руху, який зсовує зруйнований лід на узбіччя прибираної території і 2) суцільне крижане поле розрізають на невеликі ділянки (квадрати), які прибирають традиційним для вказаних областей використовування способом - dручну. Наявність на поверхні льоду масляних плям (на ділянках парковки автомобілів), що переходять у водну поверхню і які є, по суті, ізолятором, не знижує ефективність електрогідравлічної обробки крижаного покриття, оскільки, мабуть, через високу швидкість протікання пробою і малої рухливості молекул і іонів масляних суспензій, останні не можуть зсунутися з місця протягом процесу і тому не беруть участь в реалізації електрогідравлічного удару і, відповідно, не забруднюють повітряне середовище. Доречно відзначити, що при обробці обмерзлих дорожніх покриттів, що піддаються дії електрогідравлічного удару, відбувається і їх санітарна обробка, оскільки багато мікроорганізмів гинуть під впливом високих електричних полів і тиску (перевірено експериментально) і тому пристрій, що заявляється, може бути використаний для створення санітарної зони на транспортній магістралі під час епідемій. Як первинне джерело струму в пристрої, що заявляється, доцільно використовувати герметичні свинцеві акумуляторні батареї, випуск яких освоєний вітчизняною акумуляторною галуззю, наприклад, малогабаритні акумуляторні батареї торгової марки «ВЕСТА»: 6СТ-38, 6СТ-40, 6СТ-45 ТУ У 31.4-31950849-002: 2005 вагою не більше 13кг, так що відповідний конструктив льодоприбиральної машини з використанням розробленого робочого органу може бути розміщений на двоколісному ручному візку або виконаний у вигляді ручного інструменту з автономним енергоживленням. Не дивлячись на те, що ерозія і знос електродів маловідчутні, для підвищення термінів експлуатації наконечники електродів слід виготовляти із зносостійкого тугоплавкого матеріалу, наприклад, з марганцевистої сталі (сталі Гатфільда). За способом використовування фізичного ефекту з надзвичайно високою енергоефективністю винахід, що заявляється, слід віднести до інноваційних технологій. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 90351 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601