Прогнозирование изнашивания щеток коммунальных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК625.768.1

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ЩЕТОК КОММУНАЛЬНЫХ МАШИН

А.Г. Лепеш1

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7

Разработана математическая модель высокоскоростного трения и изнашивая щеток коммунальных машин. Установлена зависимость интенсивности изнашивания ворса щетки коммунальной машины в условиях высокоскоростного трения от времени контактного взаимодействия. Получены зависимости для изменения коэффициента трения от скорости скольжения.

Ключевые слова: щетки коммунальных машин, высокоскоростное трение, износ, полипропиленовый ворс, математическая модель

На сегодняшний день почти 90% парка отечественных, а также все импортные коммунальные машины для летнего и зимнего содержания дорог и улиц, а так же прилегающих к ним территорий оснащаются щетками, волокна которых

изготовлены из различных материалов. Используются различные виды щеток (рис.1): кассетные дисковые; лотковые (боковые); «Би-Лайн» зигзагообразной формы; ленточные и др. щетки.

Рисунок 1 - Щетки коммунальных уборочных машин: а) - дисковые беспроставочные и с проставками; б) - лотковые; в) - «Би-лайн» зигзагообразной формы, г) - кассетная; 1 - ворс щетки; 2 -щеточный диск; 3 - проставочные кольца; 4 - сегмент; 5 - сотообразующий диск.

В зависимости от типа уборочной машины, в направляющие вала размещается строго определенное количество кассет. Количество кассетных щеток комплекта зависит от длины вала и числа направляющих пазов вала. После размещения кассет, приемные направляющие вала закрываются стопорным кольцом, которое надежно закрепляется на валу болтами. На некоторых типах машин стопорное кольцо может состоять из двух полуколец, каждое из которых крепится к валу двумя болтами.

В процессе уборки дорог и тротуаров ворс щеток истирается и при износе на две трети от первоначальной массы щетки они становятся непригодными для эксплуатации. Поскольку стоимость материала щеток, как правило, относительно велика, то от продолжительности срока эксплуатации щеток коммунальных машин в большой степени зависит стоимость уборки территорий, дорог и тротуаров. Продолжительность срока эксплуатации определяется скоростью изнашивания щёток, которая зависит от нескольких факторов, определяемых как конструкцией щетки и свойствами материала ее волокон (механическими, теплофизическими и др.), так и условиями функционирования, т.е. характером силового и скоростного взаимодействия с очищаемой поверхностью, факторами окружающей среды и др.

Основными материалами, используемыми при производстве ворса щёток коммунальных машин, являются: полипропилен, полиамиды, силумин и стальная пружинная проволока.

Силумин является корозионностой-ким, но относительно дорогим материалом и используется редко. Дисковые щетки, оснащенные ворсом из стальной проволоки, предназначаются для уборки взлетно-посадочных полос аэродромов, а также для сбоя корки льда на дорожных покрытиях.

Для изготовления щеточного ворса используется стальная пружинная проволока диаметром 0,45 мм с оцинкованным покрытием прошедшим дополнительную механическую обработку. Срок эксплуатации щеточного ворса из стальной проволоки в 1,5 раза дольше, чем наиболее стойкого из пластмассовых - полипропиленового. По этой причине при наборе щетки на вал иногда комбинируют металлические щетки с полипропиленовыми.

Наиболее используемыми материалами для производства "уличных" щеток на сегодняшний день, являются полипропилен и полиамид. Полипропиленовый ворс еще называют леска. Полипропиленовый ворс изготавливается, как правило, из морозостойкого полипропилена марки ВА-204Е и его аналогов методом экструзии. Как правило, леска производится диаметром от 1,5 до 3 мм, в зависимости от предполагаемого использования.

Полипропиленовый ворс применяется для набивки лотковых щеток, изготовления полипропиленовых дисковых щеток и тупс - заменяемых элементов лотковых щеток, а также для производства кассетных щеток, применяемых в основном для аэродромно-уборочной техники.

Длина полипропиленового ворса может быть разная. Основные рекомендуемые длины лески составляют 450 мм

- 700 мм.

По сравнению с полиамидным ворсом, полипропиленовый обладает большим сроком службы (375 часов) по сравнению с полиамидными (220 до 360 часов). Это объясняется его большей механической прочности, по сравнению с полиамидом. Хотя коэффициент поглощения влаги у полиамида равен 0,1 %, что значительно больше, чем у полипропилена (0,01 %), который практически не поглощает воду, что благоприятно отражается на качестве выполняемой работы,

но также не объясняет меньшую износостойкость полиамидного ворса по сравнению с полипропиленовым.

Родоначальником всех конструкций щеточных дисков, выпускаемых в России и европейских странах является щеточный диск с металлическим сердечником и полипропиленовым ворсом, разработанный фирмой '^ако^ Оу" (Финляндия) в начале семидесятых годов прошлого века (рис 1.а). Металлический сердечник имеет фиксирующий выступ для передачи крутящего момента от вала на щеточные диски. Между щеточными дисками устанавливаются проставочные кольца, также выполненные из металла.

Таблица 1 - Технические характеристики полипропиленового и капролонового ворса

В настоящее время чаще применяются щеточные диски с пластмассовыми сердечниками, выполненными из полиэтилена, или из полипропилена марки ВА-202. Такие щетки после окончания ресурса не требуют утилизации и легче подвержены рециклингу, помимо этого обладают рядом конструктивных и тех-

нологических преимуществ, позволяющих увеличить ресурс и качество уборки за счет обеспечения большей сбалансированности системы.

В зависимости от конструкции и вида базового шасси подметальноуборочные машины могут оснащаться щетками различных размеров и модификаций (табл.2). Так для зимней уборки используется, как правило, вариант щеток с полипропиленовым ворсом толщиной 5 =2,8 ^ 3,2 мм, а для летней - оптимальным может быть ворс толщиной 1,5 - 2,3 мм. Наружные диаметры щеток I) определяются видами уборочной техники и могут изменяться в пределах 78 ^ 915 мм.

Наряду со скоростью движения подметально-уборочной машины г?авт, с частотой вращения щеток пщет, состояния (кривизны) дорожного покрытия конструкция и размеры щеток определяют условия скоростного взаимодействия ус их с дорожным покрытием, а, следовательно, их износ и ресурс.

При определении подходов к разработке математической модели процесса высокоскоростного трения и изнашивания ворса щеток подметально-уборочных машин исходили из эмпирических значений скоростей движения таких машин 1?авт в зимнее и летнее время, которые в среднем составляют 13 и 6 км/час соответственно. Учитывая, что частота вращения вала щетки современных машин, достигает п = 270 ^ 300 об\мин, несложно определить, что линейная скорость скольжения ворса будет достигать величины 1?с =11.8 м\с зимой и ус =9.8 м\с в летнее время при значении ее наружного диаметра П=550 мм.

В среднем, щетка может износиться на АО =240 мм от своего первоначального диметра, тогда получим Ус =10,2 м\с зимой и 17с =6.2 м\с в летнее время.

Рассмотрим оба применяемых способа прижима дисковых щеток к до-

Наименование показателя Данные испытания: полипропи пи- лен/полиам ид Метод испытания

Предел прочности при растяжении, Мпа 228/120 ГОСТ-11262

Относительное удлинение при разрыве, % 45/60 ГОСТ-11262

Модуль упругости при изгибе, Мпа 570/280 ГОСТ-9550

Модуль упругости при растяжении, Мпа 3000/2000 ГОСТ-9550

Морозостой- кость,оС -60/-70 ТУ 2291003002410862002

рожному полотну: первый - силой собственного веса навесного оборудования и второй - силой, создаваемой гидравлическим приводом автомобиля.

Очевидно, что щетку, опирающуюся на поверхность всей тяжестью своей конструкции использовать не эффективно, так как это приводит к различным условиям контактного взаимодействия и энергоемкости подметания при изнашивании ворса и замене самой щетки.

Эмпирически установлено, что для обеспечения требуемых нормативных показателей по уборке дорог, - до 25 г на квадратный метр поверхности после окончания подметания, с одной стороны, и достижения максимально возможного срока службы, с другой, необходимо по мере истирания ворса регулировать подвеску вала щетки, обеспечивая поддержание ширины пятна контакта ворса с дорожным покрытием, в интервале от 60 до 110 мм (максимальное значение - для новой щетки, минимальное - для наиболее истертой).

Проведенный анализ условий взаимодействия позволяет характеризовать трение ворса щеток о дорожное покрытие, как процесс высокоскоростного трения. Трение и износ при этом протекают в условиях "насыщенного” контакта и тепловыделения. Характеристики силового взаимодействия процесса трения в условиях насыщенного контакта в основном определяются напряжениями сдвига материала одной из пар

Поэтому на уборочных агрегатах, устанавливаемых на базе тракторов (МТЗ-80, МТЗ-82, Т-40, Т-25 и т.д.), а также на подметально-уборочных машинах на шасси ГАЗ ширину пятна контакта достигают за счет соответствующей установки специальных опорных колес, с последующей регулировкой путем перестановки болтов в планках подвески или с помощью специально установленного гидропривода.

вблизи контакта, которые в свою очередь зависят от его механических свойств. Механические свойства твердых тел являются зависимыми от многих факторов, основным из которых, при трении в указанных условиях, является температура (рис.2).

Рисунок 2 - Диаграммы разупрочнения материалов от температуры

Таблица 2 - Основные размеры дисковых щеток с полипропиленовым ворсом

Внутренний диаметр сі 78 101 110 118 120 130 160 180 203 220 254 280

Наружный диаметр, I) 350 400 550 550 550 550 700 700 800 900 915 750

С металлическим сердечником + + + + + + + + + + +

С пластмассовым сердечником + + +

Беспроставочные + + + + +

Трение при большом тепловыделении может происходить при плавлении материала одной из трущихся пар вблизи ее поверхности. В этих условиях фрикционное поведение пар трения определяется характером процесса плавления, свойствами и толщиной расплавленной пленки.

Таким образом, исследование процесса высокоскоростного трения связано как с необходимостью проведения теплофизических исследований, так и с необходимостью точного учета условий взаимодействия, анализа присутствия и влияния различных факторов на условия и характеристики процесса. Значимыми факторами, усложняющими моделирование и изучение процесса высокоскоростного трения в рассматриваемом случае, являются периодичность

механических процессов и нестацио-нарность теплофизических процессов, определяющих его характеристики. Условия протекания процесса высокоскоростного трения можно характеризовать с помощью специальных обобщенных критериев. К ним относят число Пекле

V • 8

ге = с / , где V - скорость скольжения; а - коэффициент температуропроводности (табл.З) а = ^/р . Ср; б- длина

единичного пятна касания (в данном случае насыщенного фрикционного контакта, равна по величине толщине ворса). Число Пекле Ре>8 характеризует наступление влияния высокоскоростного фактора при трении. Для рассматриваемого случая Ре>105.

Таблица 3 - Теплофизические характеристики материалов пар трения

Материал Коэффициент трения, /0 Плотность, р, кг/м3 Теплопроводность, А, Вт/(м К) Теплоем- кость, Ср,кДж/(кг К) Температура плавления Т оС

Асфальт 0,6 -0,8 2120 0,74 1,62 -

Бетон с щебнем 0,4-0,6 2000 1,28 0,84 -

Бетон сухой 0,5-0,7 1600 0,84 0,80 -

Дюралюминий 0,2-0,35 2800 164 0,884 660

Сталь углеродистая (С=0,5%) 0,12-0,20 7830 53,6 0,465 1577

Сталь нержавеющая (1Х18Н9Т) 0,15-0,25 7900 16 0,502 1500

Полиамид 0,22-0,35 1010-1360 0,184 1,28 215-221

Полипропилен 0,20-0,30 900-955 0,184 1,26 200-220

Наряду с приведенным критерием условия процесса высокоскоростного трения характеризуют: - число Фурье Бо и коэффициент взаимного передо а' */.

К =Л

крытия К в,. . „

/ В / ^2

где: I - время взаимодействия, Ь - толщина рассматриваемого элемента пары

трения (длина ворса); £1 - номиналь-

ные площади касания первого и второго трущихся тел. Перечисленные критерии принимают за критерии подобия при моделировании процесса высокоскоростного трения, которые могут быть учтены путем испытаний натурных образцов. Однако помимо критериев необхо-

димо также соблюдение режима движения, оказывающего существенное влияние на характеристики процесса трения, которые невозможно моделировать с необходимой точностью в условиях лабораторного эксперимента. Различают следующие основные режимы движения: с большим ускорением (разгон); с постоянной скоростью; с небольшими ускорениями замедления; с фрикционным торможением. Соблюдение перечисленных условий приводит к необходимости моделирования процесса на установках с конструктивными параметрами, близкими к натурным образцам, что приводит к дорогостоящему эксперименту.

Существующие методы изучения процесса высокоскоростного трения [1,2]

можно разделить на две основные группы: экспериментальные и расчетно-

экспериментальные. Разработка теоретических методов исследования в этом случае затруднена вследствие большого количества сложных связей между факторами и наличием ярко выраженной зависимости физико-механических, фрикционных и антифрикционных свойств материалов пар, от температуры, давления, скорости скольжения и других факторов [2].

Для проведения экспериментальных исследований разработан испытательный стенд И-1, позволяющий моделировать силовые и скоростные условия взаимодействия реального ворса щеток с различными абразивными материалами (рис.3).

б)

Рисунок 3 - Стенд для исследования абразивной стойкости ворса щеток коммунальных машин: а) - конструктивная схема; б) - внешний вид. 1 - кронштейн; 7 - стойки; 2 - нагрузка; 3 - держатель; 4, 6 - верхний и нижний кронштейны; - шток; 5 - фиксирующие вин-ты;7 - стойка; 8 - инвертор; 9 - устройство управления; 10 - направляющая трубка; 11 -абразивный диск; 12 - стол; 13 - электродвигатель.

Стенд состоит из частотнорегулируемого электропривода, на валу которого устанавливается абразивный диск 11 (рис.3) во фрикционом контакте с которым находится пучок щеточного ворса.

Стенд позволяет в широком диапазоне изменять скорость скольжения путем частотного регулирования частоты вращения электродвигателя 13 привода стенда, а также усилие прижатия пучка (грузами 2) и вылет пучка путем регулирования положения держателя 3, уста-

8

новленного на верхнем 4 и нижнем 6 кронштейнах фиксирующими винтами 5. Т.о. решена задача сравнительного анализа износостойкости материалов и конструкций ворса щеток коммунальных машин.

Несмотря на соблюдение условий моделирования, экспериментальные исследования могут носить только частный характер и быть предназначены для согласования математических моделей, в большей степени учитывающих условия процесса [2].

Математическую модель трения будем строить на базе решения тепловой задачи при граничных условиях 2-го рода (если задан тепловой поток ^ на границе контакта внутрь рассматриваемого элемента) ^=аш-/тр-У-р [2], где атп - коэффициент распределения тепловых потоков. Для определения температуры поверхности трения можно воспользоваться дифференциальным уравнением теплопроводности для одномерного теплового потока в изнашиваемый скользящий элемент

д2Т

(1)

= аЛ 9

(А дг

решение которого при заданных граничных условиях второго рода:

при г = со > дТЩдг = 0,7'(сс/ ) = Т0; (2)

при

/" = 0 —>• Т(0,0) = Т0, Т(0,0= тп.

- 1 дТ

Ч\ *-\ ■>

может быть получено в виде профиля температурного поля по длине г ворсины щетки:

ql -л[Ш

т = т+ъ^1. м_г

0 2-1 I /М)

а для поверхности контакта

т =т +

п ^0Т

л/3 •а-і л/2 Л

(3)

(4)

учитывающий динамичность процесса трения за счет изменения предела текучести ол материала скользящего элемента

=

(рис.2), тогда изменение

коэффициента трения от начального значения определится формулой

/ф = /о '^т • (5)

Определение коэффициента трения при моделировании процесса является ключевым, поскольку его значение будет определять силовое и тепловое воздействие на ворс щеток, определяющее его изнашивание.

Критическим случаем трения щеток может быть достижение поверхностью контакта температуры плавления Гпл. Здесь трение будет иметь гидродинамическую природу и коэффициент трения (5) определим в соответствии с законом Ньютона

/тр Ир

Рд р

(6)

где: 5р - толщина расплавленной пленки; |л - коэффициент динамической

вязкости расплавленного материала при температуре, близкой к температуре плавления (табл.4).

Представим, что расплавленная часть сразу же переносится на контртело (плавление с абляцией) (рис. 4), а фронт плавления движется в глубь скользящего элемента со скоростью £. Текущее значение толщины расплавленной пленки

6„=^% (7)

где: Н -ширина площадки касания в направлении скольжения, т.е. - диаметр лески ворса щетки 5 ; £ - скорость проплавления.

Введем в рассмотрение коэффициент,

V

Та блица 4 - Вязкость расплавленных твердых тел

Материал образцов \1р 103, Пас, при Т, К

291 480 505 544 600 933 1350 1573 1773

Вода 1,1 - - - - - - - -

Олово - - 2,2 1,9 1,6 1,1 - - -

Висмут - - - 2,0 1,7 1,0 - - -

Свинец - - - - 2,5 1,6 - - -

Алюминий - - - - - 1,4 - - -

Медь - - - - - - 3,8 3,0 -

Чугун - - - - - - - 7 5,0

Сталь - - - - - - - - 5,5

Полипропилен - 1,6 - - - - - - -

Гии

Рисунок 4 - Модель трения с абляцией

Т.о., износ трущейся поверхности скользящего элемента при высокоскоростном трении обусловлен: потерей механических свойств, большой адгезией и переносом сильно нагретых и оплавляемых тонких поверхностных слоев скользящего элемента (ворса щетки) на контртело (на поверхность дорожного полотна).

Текущее значение интенсивности изнашивания /и

=

- £

(8)

Математические модели процесса высокоскоростного трения с плавлением строят на постановке и решении задачи Стефана [2] (рис. 5).

Тп

<21 = \^1 'йг

То

Т

йр = Рі • 1 •

2т=с1- Р1 /Таг

Рисунок 5 - Схема теплового баланса в задаче Стефана

Запишем уравнение теплового баланса на границе раздела твердой и жидкой фаз в скользящем элементе при известном тепловом потоке ц1, определяемом условиями силового взаимодействия скользящих поверхностей (3.14), с учетом возможного плавления контактной поверхности скользящего элемента

Яі= -К

дТ

дг

(9)

где: Г\ -удельная теплота плавления материала; р, - плотность.

Граничными условиями решения уравнения (3.33) с учетом допущения о полубесконечном теле будут:

-при

дГ(/:-Пг,. О, Пу:.П

г-со-г (у , у,..,,

-при г — 0 t>tIШ^^T(0,t)= Гш;

-при Г < ^ -» £(0 = 0, £(0= 0, (10)

где £ - толщина расплавленного слоя.

Время достижения температурой поверхности элемента температуры плав-

г

0

Г

ления материала определим на основании (4) формулой

і =

2~>- •(/ -/ )' З -с£ - а

(11)

Тогда для момента начала плавления:

_ \2 _ Ч\ ' К _ У ,■

1(1 " V 2-і/ "

Т-Т0=Тш-Т0-Ъ-гА?

•(і- % )2

Ог-К-ь-л-ь-Рш-и

0/5

8т =

(12)

СГР 1-(Тш-Т0У где: От - теплосодержание от фрикционного воздействия; 5^ - глубина прогрева к

моменту плавления.

Для потока постоянного по времени (д^со^) времени ^ [2]

(13)

51Ш =Л/6-аГ^т •

В момент времени положе-

ние некоторой точки на температурной кривой относительно фронта плавления определяется координатой г - £, а толщина прогретого слоя соответствует значению 3-8. Получим

*г(8-Я) ( г/ '

2-\ V (8 - Б) /

Умножая правую и левую части уравнения (1) на ёг и проинтегрировав

его в пределах от г=8 до г=Ъ, получим

Т = Т0 +

. (14)

і

1^(0 СІІ

уравнение, называемое интегралом теплового баланса:

Р/І а'г=аг<3/аг)«-а1'<а%г). (15)

д! 1 4 с г ; 1 4 г>

Заметим, что для всех значений /'26,

дТ

Т=То, следовательно и ( ^г)8 =0- Со

гласно (2) с учетом ^ = 1 имеем

/ с 'Р

>-| ■ ^т/д1Х -</. + >1 • Рг £ = 0.(16)

С учетом (15) перепишем

Ч -сгр 1\дТ/д^г+ г-р.-$ 0. (17).

Проведя преобразования последнего выражения путем подстановки (17),

вычисления производной

аГ/

ді

и взятия

интеграла дг , получим формулу

для вычисления скорости плавления поверхности трения в окончательном виде:

Ях

I'- + 2

(18)

3-с-1 -(^н-^,)]*Р1

где 8 - скорость прогрева материала скользящего элемента, с учетом (16)

Ь = (19)

Интегрируя выражение (18) по времени получим глубину расплавленного слоя

_ 1

• С1 • РГ СС - То) • • (л/* - л/с)

І'і • 2з^'|-«Ам АДІ-Рі

(20)

Из формулы (20) видно, что глубина плавления поверхности зависит от количества подводимого за время 1 - ^Пл тепла, теплофизических характеристик материала сх, р,, 7||Л, гх и скорости

распространения теплоты в твердой фазе, также определяемой температуропроводностью материала а1. Чем выше перечисленные характеристики материалов, тем меньше £.

Построенная математическая модель (1 - 20), хотя и статически неопределима, но может быть алгоритмизирована на основании вариационного подхода. Она учитывает изменение условий контактного взаимодействия в различных условиях фрикционного контакта, что важно при изучении влияния на него различных факторов при моделировании процессов, происходящих при взаимо-

пл

ці і

0

Л’

действии щеточного ворса с дорожным полотном. Алгоритм решения вариационной задачи расчета характеристик высокоскоростного процесса трения, сфор-

мулированной на основании уравнения теплового баланса, можно представить блок схемой (рис. 6).

Начало

А

Ввод теплофизических характеристик контактной пары с, К р. ц. а. а, ТШ1. кт(Т)

Расчет изменения коэффициента трения и интенсивности износа

Ошибка итерации нет '•"'Ограничение''''-. итераций

Рисунок 6 - Блок схема алгоритма расчета характеристик процесса трения и изнашивания

Литература

1. Г.М.Бартенев, В.В.Лаврентьев «Трение и износ полимеров» Изд. «Химия», 1972г.

2. Лепеш Г.В., Иванова Е.С. Расчет характеристик трения в задачах анализа внутрибаллистиче-ских процессов. /Вторые Окуневские чтения. //Сборник трудов международной научнопрактической конференции. С-Петербург :БГТУ, 2001, -с. 56 - 67.

1 Лепеш Алексей Григорьевич, аспирант кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовая техника» СПбГУСЭ, тел.: (812) 7006216, моб: +7 904 5105271, е-mail: alepesh@yandex.ru