CC BY
90
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК625.768.1
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЩЁТОК КОММУНАЛЬНЫХ МАШИН С ДОРОЖНЫМ ПОКРЫТИЕМ
А.Г. Лепеш1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Разработана физическая модель контактного силового взаимодействия щёток коммунальных машин с дорожным покрытием. Установлена зависимость характеристик силового взаимодействия от конструктивных особенностей щётки. Проведена оценка влияния составляющих сил контактного взаимодействия на эффективность работы щётки. Предложен способ повышения эффективности работы коммунальной щётки.
Ключевые слова: щётки коммунальных машин; силовое взаимодействие; частичка загрязнения; сила взаимодействия; инерционная сила; сила упругости; аэродинамическая сила; сила сцепления.
TO DEFINITION OF FORCE INTERACTION OF BRUSHES OF MUNICIPAL CARS
WITH THE ROAD COVERING
A.G.Lepesh
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 The Summary - The physical model of contact force interaction of brushes of municipal cars with a road covering is developed. Dependence of characteristics of force interaction on design features of a brush is established. The estimation of influence of making forces of contact interaction on overall performance of a brush is spent. The way of increase of overall performance of a municipal brush is offered.
Keywords: brushes of municipal cars; power interaction; a pollution part; force of interaction; inertial force; force of elasticity; aerodynamic force; cohesive force.
Эффективность работы щётки коммунальной машины определяется функцией, выражающей ее способность к подметанию - т.е. побуждению частички загрязнения к движению в сторону воздуховсасывающего агрегата или собирающего лотка коммунальной машины. Очевидно, что эта способность будет определяться как свойствами самой щётки, так и свойствами частичек загрязнений и их сцеплением с дорожным полотном.
Подметальные свойства щеток, в свою очередь, определяются с одной стороны -механическими свойствами ворса [1] и размерами щетки, а с другой - скоростными характеристиками ее вращения, скоростью движения коммунальной машины и геометрией дорожного полотна, которое может иметь не плоскую поверхность.
Рассмотрим механическое загрязнение произвольной формы (рис.1).
Рисунок 1 - Схема взаимодействия ворса с частицей загрязнения
Пусть геометрия частички загрязнения в плоскости дорожного полотна описывается наибольшим и наименьшим размерами Л.т1п и /1тах соответственно. Тогда наиболее целесообразно площадь, занимаемую частицей в плоскости дорожного покрытия определить через приведенный радиус р, определяемый по формуле:
п — Оьт т ах) /
Р - /2-
Со стороны щетки на частицу загрязнения действуют силы:
Рщ - контактная сила упругого взаимодействия щеточного ворса; Ра - аэродинамическая сила воздушного потока от вращающейся щетки; Рс - сила сцепления частицы с дорожным покрытием, так, что суммарная сила определяется векторной суммой:
К=% + % (1)
Под действием импульсов перечисленных сил частичка загрязнения будет совершать движение, интенсивность которого и будет определять подметальную характеристику процесса.
Импульс контактной силы упругого взаимодействия щеточного ворса Рщ определим произведением силы [1] на время взаимодействия:
1щ = ^<’щ(0-Л,
где, на основании [1]:
, . _ Mx(t)f (t)cosfl(t)
; y(t)Vl+/(t)2 ;
d2 u(t)
-----^2—
3/2 ’
с =
(3)
(4)
b-y(t). y(t)2 ;
R2
dy(t)
__<5^ /
Vfc “ /cos pfc; >/l+ctg2pfc
... Д sin/?fc; 5fc = л/(*i - хг)2 + (?i - У2)2 У! = -Л cos (3fe; Pfc = 0fe + 9fe; x2 = (R- 5fc) tan pfc; y2 = -Я + 8k;
Л = тг + гт(ё + '12)- где^СО.
4(0. яо - переменные во времени изгибающий момент. прогиб ворсины и коэффициент трения в периоде взаимодействия; Е - модуль упругости первого рода; Jx - момент инерции сечения ворсины; R - радиус цилиндрической щетки; d. h, L -размерные параметры ворсины;
&к> Pfc - радиальная деформация и угол изгиба ворсины в периоде контакта ее с загрязнением.
Время взаимодействия определяется шириной контакта и скоростью взаимодействия для случай неподвижной частички загрязнения
(2)
tь■ —
_ (Я • а)2 +
% • кп С0Б(Р , (5)
где: 1;^ - скорость автомобиля; <р -угол установки щеточного диска; кП - коэффициент перекрытия, характеризующий отношение времени взаимодействия ворсины ко времени контакта «сплошного» щеточного диска. Величина кп зависит от «частости» ворса, т.е. количества ворсин, диаметра щетки, размеров самой частицы загрязнения:
, _ 4Я Г
Кп~^"вГ6
(6)
п - число ворсин в щеточном диске; В0д -ширина ступицы щеточного диска (с учетом ширины проставочных колец [2]).
Аэродинамическая сила воздушного потока от вращающейся щетки Ра определяется скоростью воздушного потока иа и аэродинамическими свойствами частицы, которые можно выразить следующим:
Ра = Ц' б ' Сг, (7)
где: д=
•р У-а
- скоростной напор набе-
гающего потока воздуха; р - плотность воздуха; 5 - площадь поперечного сечения частицы загрязнения; Сг - безразмерный аэродинамический коэффициент, учитывающий форму частичек загрязнений, его величина для компактных форм (шар - куб) изменяется в пределах (0,45 -1,05), зависящий в основном от формы частицы; иа - скорость обдува частицы набегающим потоком воздуха, пропорциональная линейной скорости ворсины на периметре щетки, радиуса Я
иа = к ■ ш ■ Я - vaвт , (8)
где к - коэффициент организации воздушного потока, зависящий от геометрии щетки и, в каждом конкретном случае, определяемый опытным путем.
Для импульса силы Рг можем записать
/« =
7Г-<1)-й-Г2-рв
(9)
где х - время обдува частицы потоком воздуха, примерно равное времени взаи-
„ . ОУ-Г
модействия т = ^ = —.
Сила сцепления частицы с дорожным покрытием Рс может принимать значения от нулевого, до значений, определяемых прочностью дорожного покрытия и геометрией загрязнений. В последнем случае ее величина будет определяться площадью сцепления Бк и предельными напряжениями а к:
Рс = ^к'^к. (10)
Сама Рс не имеет импульса (импульс близок к нулю вследствие кратковременности ее действия), однако ее влияние на величину суммарного импульса является критическим, т.е.
Ь = 0, если Рс > Р2 (11)
Скорость частицы загрязнения будет определяться ее количеством движения, полученным в результате импульса силы Р2, с учетом критерия (10)
Л:=/а+Лц . (12)
При оценке подметальной способности коммунальной щетки необходимо перейти к интегральным характеристикам процесса, учитывающим количество ворсин (густоту ворса) и количество загрязнения на очищаемой поверхности.
Определим густоту ворса относительным числом ворсин к площади поверхности щетки
? = (13)
а количество частичек загрязнений через их относительную массу на единице очищаемой поверхности £,кг/м2. Тогда число возможных взаимодействий N ворсин и частичек загрязнений определится формулой
N = = 3-. (14)
Воб-Н Н
Вращательное и поступательное движение щетки приводит к появлению дополнительных сил взаимодействия, связанных с инерцией этого движения.
Кинетическая энергия при вращении ворсины может быть выражена формулой
г, 11-Ш2 С3-сг3 2 /1С\
К = л— = у-----------<и, (15)
2 Г 48 ’ 4 ’
где: у - погонная масса щеточного ворса; - диаметр щетки; <2 - диаметр пластмассового сердечника щетки. При этом дополнительную силу инерции определим на основании равенства этой энергии, выполняемой работе по подметанию дорожного полотна Аи = РК1 •
С^авт ' ^к):
п о3-*г3 2 пп
р»= У (16)
Оценим значение каждой из составляющей "подметальной" силы для конкретного случая цилиндрической щетки, с размерами: й=130 мм; 0=550 мм;
г 2'
у = 6 - , загрязнений: 5 =100 мм ; р3 = 2,6
М
КГ
— при к= 0,1 и условий ее работы:
о>=31,4 с 1; г?авт = 10 км/час; ^= 100 мм. Получим наибольшие значения в периоде взаимодействия:
Рщ=0,2 10"3 Н; Ра =3,58 10-3 Н; Ри = 3,03 10-3 Н.
Из сопоставления полученных значений, составляющих суммарную силу взаимодействия щетки с загрязнениями дорожного покрытия, следует, что при данных условиях работы, наименьшее влияние, из рассмотренных, оказывают силы, связанные с жесткостью ворса щетки, величина которых определяется геометрией ворса и его механическими характеристиками (модулем упругости материала Е). Наибольшее влияние могут оказывать аэродинамические силы, величина которых в большой степени определяется скоростью потока воздуха (воздушно-пылевой смеси), которая вовлекается в движение при вращении щетки. Наибольшее значимое влияние в контактном взаимодействии при подметании оказывают инерционные силы, величина которых во второй степени зависит от частоты вращения щетки. Так, уже при рассматриваемых рабочих частотах, ве-
личина этой составляющей на порядок больше, чем величина составляющей упругих сил щеточного ворса. Именно силы инерции в конечном счете и будут определять температурно-силовой режим взаимодействия щетки с дорожным покрытием, а следовательно и интенсивность изнашивания ворса щётки.
Таким образом, если определить эффективность рабочего процесса как увеличение сил, действующих на частицы загрязнений дорожного полотна, с целью придания им наибольшего импульса, то для достижения этого эффекта можно выделить два направления. Первое - конструктивная проработка рабочего органа подметальной машины с целью увеличения скорости воздушного подметального потока. Второе - увеличение скорости вращения щетки (возможно и толщины ворса, что менее эффективно). Второе мероприятие может быть ограничено скоростью изнашивания щетки, связанному с изменением температурных условий взаимодействия щеточного ворса с дорожным покрытием.
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 технологических преимуществ, позволяющих увеличить ресурс и качество уборки за счет обеспечения большей сбалансированности системы [1].
В зависимости от конструкции и вида базового шасси подметальноуборочные машины сегодня оснащаются щетками различных размеров и модификаций [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. Однако при проведении строи-
тельных работ и работ, связанных с ремонтом дорожного покрытия, как правило, необходимы щетки с толщиной ворса 4 ^ 6 мм, способные побуждать к движению относительно крупные частицы строительного мусора.
Оптимальными для установки на большинство автомобилей отечественного и импортного производства на сегодняшний день определены щетки наружным диаметром й =550 мм. Такая щетка [1] имеет ступицу диаметром с1 =150 мм и набирается на вал, диаметром с1в =120 мм.
Для организации эффективного воздушного "подметального" потока воздуха возможно конструктивное оформление подметальной щетки подобно конструкции центробежного (цилиндрического) вентилятора.
Выходящий воздушный поток
Рисунок 2 - Схема центробежной щетки
Дополнительными элементами такой конструкции (рис.2.) будут служить
наружный кожух, максимально покрывающий поверхность щётки и полый перфорированный вал, обеспечивающий доступ воздуха всасываемого в щётку.
Возможно также установка лопаточной турбины, связанной с вращающимися валом и ступицей.
При вращении такой щётки воздушный поток поступает через торцевые отверстия пустотелого вала и вовлекается во вращательное движение его скрепленной с ним турбиной. Под действием центробежных сил воздух нагнетается через отверстия перфорированного вала и посредством кожуха направляются в зону подметания. Щеточный ворс при этом обеспечивает дополнительное центробежное воздействие, побуждающее воздушный поток к движению.
Такое конструктивное оформление позволит значительно увеличить коэффициент организации воздушного потока /с до значений /с=0,3 - 0,5, что позволит существенно (в 3 - 5 раз) увеличить эффективность процесса и полностью компенсировать возможное при изменении конструкции укорочение длины щеточного ворса.
Литература
1. Лепеш А.Г. Прогнозирование изнашивания щеток коммунальных машин./Технико-технологические проблемы сервиса. №2(12) 2010 г. стр. 26 - 34
2. Лепеш А.Г., Лепеш Г.В. Математическое моделирование силового взаимодействия щеток коммунальных машин с дорожным покрыти-ем./Технико-технологические проблемы сервиса. № 3(13) 2010 г., стр. 32 - 38.
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
