CC BY
173
УДК 625.768.1
К ВОПРОСУ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЩЕТОЧНЫХ АГРЕГАТОВ КОММУНАЛЬНОЙ УБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ
Г.В. Лепеш1, А.Г. Лепеш2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А
В статье приведены результаты теоретических исследований процесса силового взаимодействия щеточного агрегата коммунальной уборочной машины с очищаемой поверхностью и ее загрязнениями. В результате исследования выявлены причинно-следственные связи между параметрами щетки, ее режимами работы свойствами загрязнений очищаемого покрытия. Разработаны рекомендации по рациональной организации уборочного процесса.
Ключевые слова: Коммунальная уборочная машина, щеточный агрегат, рабочий процесс, режимы, эффективность, скорость вращения, прочность сцепления, износ.
TO THE QUESTION OF EFFICIENCY OF BRUSH UNITS OF MUNICIPAL HARVESTERS
G.V. of Lepesh, A.G.Lepesh
St. -Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A.
Results of theoretical researches of process of power interaction of the brush unit of the municipal harvester are given in article with a cleared surface and its pollution. As a result of research relationships of cause and effect between brush parameters, its operating modes properties of pollution of a cleared covering are revealed. Recommendations about the rational organization of harvest process are developed.
Keywords: Municipal harvester, brush unit, working process, modes, efficiency, rotation speed, coupling durability, wear.
Одной из основных задач в коммунальном хозяйстве наряду с повышением качества услуг является задача повышения работоспособности машин и технологического оборудования. При этом наибольшее значение имеет необходимость повышения эффективности самого рабочего процесса, одновременно - стойкости и долговечности рабочих органов машины.
Повышение качества уборки территорий щеточными агрегатами, как правило, связывают с повышением рабочих режимов - с увеличением частоты вращения щетки, силы ее прижатия к очищаемой поверхности, скорости коммунальной машины и др. Повышение рабочих режимов уборочного процесса в большой степени ограничено ресурсом щетки. Износ щетки при этом возрастает за счет влияния двух следующих факторов. Первый фактор -увеличение продолжительности пути трения. Второй - увеличение интенсивности изнашивания. Действие второго фактора обусловлено повышением температуры при увеличении скорости скольжения щеточного ворса с убираемой поверхностью. Наибольшая значимость этого фактора проявляется для щеток, изготавливаемых из пластмасс, в том числе и полипро-
пилена. Особенностями пластмассы являются ее низкая теплопроводность (в десятки - сотни раз меньше, чем у металлов) и температура, при которой сохраняются ее прочностные свойства. Здесь, теплота, выделяемая при трении, локализуется вблизи области контакта и может приводить к повышению температуры пластмассового щеточного ворса вплоть до критических значений, приводящих к потере прочности и значительному увеличению его износа вследствие абляции материала.
В работах [1 - 7] представлено расчетно-экспериментальное исследование совокупности температурно-силовых процессов, происходящих при взаимодействии щеточного агрегата с убираемой поверхностью, и построена имитационная модель, позволяющая изучать их характеристики, а также прогнозировать параметры эффективности рабочего процесса во взаимной связи с изнашиванием и потерей ресурса щеточным агрегатом.
Для определения эффективности работы щётки коммунальной машины в работе [1] введена интегральная функция, определяющая ее работоспособность в виде суммарной работы по перемещению загрязнения, выраженной работой сил трения, побуждающих частички за-
грязнения к движению в сторону воздуховсасывающего агрегата или собирающего лотка коммунальной машины. При составлении данной функции учитывались силы упругости ворса Рщ и силы инерции Ри
£=£ + £ . (1)
Под действием импульсов перечисленных сил щеточный ворс совершает скольжение по поверхности дорожного покрытия, работа которого А1 определяет интенсивность силового взаимодействия щетки с дорожным покрытием в рабочем процессе:
А1 = ^11;кР1(и-)^и, Дж/м2 , (2)
где И.к- путь трения за один оборот щетки, который определяется шириной контакта Нк, скоростью коммунальной машины ^авт и частотой вращения щетки п:
Ьк = Нк- + ^авт/60я 0п • см х1
(3)
где: ^ - густота щетки, определяемая отношением числа ворсин к площади поверхности щетки
^ ^—; (4)
Ъ ^КВоб’ 4 7
9 - угол установки щетки (для цилиндрической щетки 9 = 0); х -угол установки щеточного диска относительно направления движения коммунальной машины; И - диаметр щетки; Воб - ширина ступицы щеточного диска (с учетом ширины проставочных колец); и - перемещение щеточного ворса относительно убираемой поверхности.
Как следует из графиков расчетных зависимостей (рис.1) - с увеличением скорости вращения интегральная характеристика растет, причем по параболической зависимости. Причем, с увеличением частоты вращения щетки, вследствие размягчения материала в зоне контакта [2 - 4], также в значительной степени увеличивается ее интенсивность изнашивания, что приводит к уменьшению диаметра щетки и при прочих равных условиях (при постоянной ширине контакта) к росту контактных сил взаимодействия [5] - следовательно - к росту интегральной характеристики щетки по мере ее изнашивания (рис.2). Однако при этом в значительной степени снижается остаточный ресурс щетки.
Фактически полученное выражение (2) пропорционально энергии, затраченной щеточным агрегатом на преодоление сил трения при уборке одного квадратного метра поверхности при заданных режимах работы. Однако оно не определяет действительную работоспособность щетки.
Рассмотрим схему взаимодействия ворса, находящегося в контакте с дорожным покрытием (рис. 3). Взаимодействие начинается в точке касания «1» (рис.3 а) и далее при враще-
нии щетки происходит изгиб лески щеточного ворса (см. точку «/»). Начальное значение угла «атаки» Р1 в точке «1» определяется величиной прижатия щетки к дорожному покрытию 50, т.е.
Р, = ?, (5)
где у - угол контакта (рис.3 а).
Частота вращения щетки, об/мин
Рисунок 1. Изменение интегральной характеристики от частоты вращения цилиндрической щетки (В = 550 мм) при: 1 - Нк=70 мм; 2 - Нк=100 мм; 3 - Нк=150 мм; 4 - Нк=200 мм
Износ щетки, мм
Рисунок 2. Изменение интегральной характеристики щетки от ее радиального износа Дг при: -
Нк=100 мм; 1 - п=500 об/мин; 2 - п=250 об/мин; 3 -п=150 об/мин; 4 - п=50 об/мин.
При движении конца лески в сторону точки «2» значение угла атаки убывает (увеличивается изгиб), где, в последствии и достигает наименьшего значения, после чего угол атаки возрастает, причем до значений больших начального Рь в некоторых случаях до — и больше, теоретически (при отсутствии сил трения)
д° р4-
Запишем выражение для угла атаки ^ в
виде:
А = ^+7-^, -7 >^<+7. (6)
Его изменение в процессе функционирования щетки приведено на рисунке 4.
Рисунок 3. Схема силового взаимодействия щетки: а) - с поверхностью и б) - с загрязнением
III:
ІЙЕ*
і20
эЗЧЧа
6G
4G
8g
у
-.іО
G.G
О.іО
-0,7
-G,2
0,З
Тангенс угла поворота щетки
Рисунок 4. Изменение угла атаки от в зоне контакта щетки при : Нк: 1 - Нк=50 мм; 2 - Нк=80 мм; 3 - Як=100 мм; 4 - Як=150 мм; Нк=200 мм
Из графиков (рис.4) видно, что с увеличением прижатия щетки к дорожному покрытию (с увеличением ширины контакта Нк, наименьшее значение снижается, так, что при ширинах контакта Нк>150 мм значение угла атаки рI составляет величину меньшую 45 град, что не может обеспечить эффективное разрушение сплошных загрязнений, типа снега, льда и др. (угол разрушающих наибольших касательных напряжений равен 45 град). При этом щетка действует радиально на загрязнение и способствует не уборке, а упрочнению слоя загрязнения и его сцеплению с дорожным покрытием.
Таким образом, с увеличением прижатия щетки к дорожному покрытию увеличивается площадь контакта щетки, которая практи-
чески не участвует в рабочем процессе, а лишь препятствует снятию загрязнения дорожного покрытия и при этом интенсивно изнашивается в рабочем процессе. Часть поверхности, которая обеспечивает непосредственно рабочий процесс растет при этом менее интенсивно и ее рост замедляется, практически до нуля при достижении шириной контакта величины, примерно равной радиусу щетки (при Нк > ^).
Выразим подобно интегральную характеристику^), определяющую работоспособность щетки, как работу, затраченную на перемещение загрязнения в тангенциальном направлении (в направлении движения автомобиля)
(7)
где Т% (и) - тангенциальная составляющая контактной силы, определяемая в зоне контакта углом атаки ^
Т1(и) = Р1(и) в. (8)
Характер изменения рабочей характеристики показан на рис. 5.
іЗО
200 250
Ширина контакта, мм
Рисунок 5. Изменение рабочей характеристики от ширины контакта щетки (D= 550 мм) при : 1 -
п=500 об/мин; 2 - п=250 об/мин;
3 - п=150 об/мин; 4 - п=50 об/мин.
Из расчетов следует, что с увеличением ширины контакта щетки с дорожным покрытием Нк ее работоспособность плавно растет, однако при Нк > 150 мм (для щетки D= 550 мм) интенсивность роста становится практически незаметной. При изнашивании лески щеточного ворса диаметр щетки уменьшается. При этом рабочая характеристика растет, при условии сохранения ширины контакта в определенных пределах, - щетка становится более жесткой (рис.6). Однако, с увеличением прижатия щетки ее рабочая характеристика интенсивно убывает - щетка теряет работоспособность. Т.е., ее воздействие на убираемую поверхность - радиальное и лишь способствует упрочнению сцепления с ней загрязнений.
Определим условие работоспособности как условие срыва загрязнения с подметаемой поверхности:
Pi cos р; > f0Ni + ОсмА^в, (9)
где: осм - напряжение смятия для материала слоя сплошного загрязнения (снег, липкая грязь и др.). Величина осм зависит от условий напря-
і
женного состояния слоя в зоне контакта разрушения.
S іООО
"й
^ 800
! 600
S
а
2
£ 400
200
50 і00 і50 200
Ширина контакта, мм
25G
Рисунок 6. Изменение рабочей характеристики щетки (0= 550 мм) от ширины контакта при различном износе Дг: 1 - Дг=0 мм; 2 - Дг=50 мм; 3 -Дг=100 мм; 4 - Дг =120 мм
При допущении условий плоского напряженного состояния можем принять асм ~ 2ттах , где ттах - наибольшие напряжения сдвига для слоя загрязнения дорожного покрытия; А - толщина снимаемого слоя загрязнения; /о - коэффициент трения покоя для контакта дорожного покрытия и загрязнения, в случае прилипания которого он будет иметь предель-VI
ное значение —, определяемое условием сдвига (см. рис.3 б). Откуда
Pi >
COS p.
(f0Nt + ОсмМД
(і0)
Для случая сплошного загрязнения (снега, слипшегося грунта) в процессе преобразования имеем
Рі > cos Р; ( 2 Ni + 2TmaxAde)
2тп
vAde
cos pj-—sin(arctan/0-pj)
(іі)
Здесь из геометрических соотношений подставлено выражение
Nt = Pi cos (arctan/0 +1 — pj =
P; sin(arctan/0 — p.). (12)
Пренебрегая коэффициентом трения (малым в условиях скоростного скольжения, особенно по снегу), получим окончательно:
Р
>
2тп
УАйв
—2 '
cos fy+—sin ві
(іЗ)
Из выражения (13) следует, что характеристика работоспособности щетки будет уменьшаться с увеличением толщины убираемого слоя и его прочности. Это объясняет тот факт, что при относительно большой толщине убираемого слоя, например, снежного смерзшегося покрова дорожного полотна, происходит «холостое проскальзывание» щетки - снег не подметается.
Для случая деструктивного слоя загрязнения поверхности, толщиной А можем допустить асм ~ 0. Тогда из (13) получим
Pi >
s(Pi-Y)
f0Ni
1------^—T/oSin(arctan/o-pi-y)'
Я?
(і4)
З00
соз(рі-уУ
где у = агЛап ( 2/р) - угол, определяемый соотношением микронеровностей убираемой поверхности и размерами загрязнений р.
Здесь интегральная характеристика будет уменьшаться с увеличением сцепления загрязнения полотна с дорожным покрытием, определяемым увеличением коэффициента /о
„ г VI
вплоть до предельных значений /о=^, определяемых условием разрушения (пластического деформирования) одного из материалов контактной пары (загрязнения или дорожного полотна), а также с увеличением параметра по отношению к р.
Зависимость работоспособности щетки диаметром В= 550 мм от ширины контакта при различном коэффициенте сцепления /о, представлена графиками (рис. 7).
Из графика (рис.7) следует, что с увеличением коэффициента сцепления загрязнения с дорожным покрытием выражающая работоспособность интегральная характеристика щетки падает за счет проскальзывания лески щеточного волокна относительно загрязнения. При ширине контакта, не превышающей 100 мм, проскальзывания не происходит даже при предельных значениях /0=0,71.
Ширина контакта, мм
Рисунок 7. Изменение работоспособности щетки (D= 550 мм) от ширины контакта при различном коэффициенте сцепления /0: 1 - /0 =0,71; 2 -/0 =0,5; 3 - /0 =0,25; 4 - /0 =0,1
Зависимость работоспособности щетки диаметром D= 550 мм от ширины контакта при различной прочности снежного покрытия от, представлена графиками (рис. 8). Из графика (рис.8) следует, что с увеличением прочности снежного покрытия работоспособность щетки также падает за счет проскальзывания лески щеточного волокна. При прочности от=0,2 МПа происходит полное проскальзывание щетки. Однако при увеличении прижатия щетка все же обеспечивает подметание, хотя и с намного меньшей эффективностью.
G
-100
Ширина контакта, мм
Рисунок 8. Изменение работоспособности щетки (0= 550 мм) от ширины контакта при различной прочности снежного покрытия ат: 1 - стт=0,01 МПа; 2 - стт=0,1 МПа; 3 - стт=0,2 Мпа
Выводы
1. С увеличением частоты вращения щетки (рис.1) и, в меньшей мере, скорости движения автомобиля в исследуемых диапазонах, увеличиваются подметальные свойства щетки, в основном за счет увеличения контактных сил, связанных с ростом сил инерции. Однако это увеличение приводит к интенсивности нагрева контактной поверхности лески и, как следствие, приводит к росту интенсивности изнашивания за счет снижения механических свойств материала лески. Так увеличение частоты вращения до значений 350 и более об/мин для щетки диаметров 550 мм имеющей ворс диаметром 3 мм приводит к нагреву контактной поверхности в летнее время до температур, близких к плавлению, что приводит к значительной потере механических свойств и резкому увеличению интенсивности изнашивания.
2. При увеличении ширины контакта щетки с очищаемой поверхностью увеличивается интегральная характеристика, определяющая интенсивность изнашивания в основном за счет увеличения площади контакта (средние контактные напряжения, наоборот, несколько уменьшаются). При этом увеличивается время контакта и вместе с тем температура лески в контакте. Оба этих фактора приводят к увеличению износа лески и снижению ресурса щетки (рис. 1 - 2). При этом подметальные свойства щетки сначала растут, затем интенсивность роста замедляется и, наконец, убывает (рис. 5,7,8). Последнее связано со значительным изгибом лески щеточного ворса, уменьшением угла атаки и проскальзыванием ворса относительно загрязнений.
3. Расчеты показывают, что наиболее эффективным значением ширины контакта щетки, диаметром 500 мм и более как из условия эффективности подметального процесса, так и из условия обеспечения достаточного ресурса, является ширина, равная 100 - 120 мм.
4. С увеличением прочности загрязнений и их сцепления с очищаемой поверхностью целесообразно увеличивать толщину лески щеточного ворса с целью увеличения эффективности рабочего процесса. Целесообразным является также повышение частоты вращения щетки, не допуска при этом нагревания контактной поверхности до температуры большей 90 - 100 0С.
5. Уменьшение диаметра щетки (например, в случае ее износа) приводит к увеличению интегральной характеристики и, следовательно, к росту интенсивности изнашивания лески щеточного ворса (рис.2). Подметальные свойства щетки при этом могут снижаться. Оптимальные качества рабочего процесса могут быть достигнуты путем уменьшения ширины контакта.
Литература
1. Лепеш Г.В. Лепеш А.Г. Теоретические и методические основы повышения эффективности щеточных агрегатов коммунальных уборочных машин: монография /- СПб.: изд-во СПбгУсЭ, 2013. - 128 с.
2. Лепеш А.Г., Лепеш Г.В. Петренко Ю.А. Исследование влияния температуры на прочность полипропиленовой лески // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2011.-№4(18). - С. 55 - 59.
3. Лепеш А.Г., Лепеш Г.В. Математическое моделирование силового взаимодействия щеток коммунальных машин с дорожным покрытием // Технико-технологические проблемы сервиса. -
2010. - №3(13). - С. 32 - 38.
4. Лепеш А.Г., Лепеш Г.В. Воронцов И.И. Методика экспериментального определения износостойкости щеточного ворса коммунальной уборочной техники // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2011. -№2(16).- С. 6 - 18.
5. Лепеш А.Г. К определению силового взаимодействия щёток коммунальных машин с дорожным покрытием // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2011. -№1(15).- С. 30 - 35.
6. Лепеш А.Г. Научные основы повышения производительности подметальных агрегатов коммунальных машин // Инновации. - 2011. - № 6. -С.136 - 139.
7. Лепеш А.Г. Имитационное моделирование рабочего процесса коммунальной уборочной техники // Технико-технологические проблемы сервиса. -
2011.-№3(17).- С. 32 - 41.
0
1 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения» СПбГУСЭ, тел. (812) 362-44-13, моб. +7 (921) 751 28 29, [email protected];
2 Лепеш Алексей Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения" СПбГУСЭ, тел. (812) 362-44-13, моб. +7 (904) 5105271, е-таИ: [email protected].
