CC BY
47
ИрГТУ. 2012. № 9. С. 29-33.
4. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965.
5. Дрозд М.С., Сидякин Ю.И. О роли линейных и сдвиговых деформаций в упрочнении поверхностного слоя детали при ее обкатке роликами // Проблемы прочности. 1987. № 7. С. 40-44.
6. Зайдес С.А., Забродин В.А., Мураткин Г.В. Поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. 304 с.
7. Мартыненко О.В. Исследование влияния геометрических параметров деформирующих роликов на качество поверхностного слоя при обработке поверхностным пластическим
деформированием: дис. ... канд. техн. наук. Волгоград. 2003. 178 с.
8. Смелянский В.М. Механика упрочнения материалов поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.
9. Школьник Л.М. Шахов В.И. Технология и приспособления для упрочнения и отделки деталей накатыванием. М.: Машиностроение, 1964. 184 с.
10. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1971. 248 с.
11. Keller C., Hug E., Feaugas X. Microstructural size effects on mechanical properties of high purity nickel // International Journal of Plasticity. 2011. 27. P. 635-654.
УДК 625.768.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОЙ КОММУНАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЛЕТНЕГО СОДЕРЖАНИЯ ДВОРОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© В.Г. Зедгенизов1, М.П. Куксов2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Определены рациональные режимы работы малогабаритной коммунальной машины, которые характеризуются оптимальным коэффициентом распределения мощности двигателя между приводом движителя и рабочим оборудованием. Приведена расчетная схема и уравнения, входящие в математическое описание работы машины. Представлены графики, иллюстрирующие параметры рабочего процесса при изменяющемся угле наклона опорной поверхности.
Ключевые слова: малогабаритная коммунальная техника; распределение мощности, производительность, уборка дворовых территорий, математическая модель.
MATHEMATICAL MODELING-BASED DETERMINATION OF RATIONAL OPERATION MODES OF COMPACT MUNICIPAL MACHINE USED FOR YARDS MAINTENANCE IN SUMMER V.G. Zedgenizov, M.P. Kuksov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Compact municipal machine rational operation modes characterized by an optimal ratio of engine power distribution between a drive unit and machine implement are determined. A calculation model and equations of the mathematical description of machine operation are given. The graphs showing workflow parameters under varying inclination angle of bearing surface area are provided.
Keywords: compact municipal machinery; power distribution; performance; cleaning of yards; mathematical model.
Наиболее подходящей техникой для выполнения уборки на ограниченных территориях, таких как тротуары, остановки общественного транспорта, автостоянки, дворы и т.д. являются малогабаритные подме-тально-уборочные машины [1]. Они обладают компактностью и маневренностью, способны выполнять требуемые функции на территориях, ограниченных по размеру и доступности.
В работах [2, 3] говорится, что отличительной особенностью малогабаритной коммунальной машины (рис. 1) является разветвление силового потока, при котором часть мощности идет на движитель, а часть -на привод рабочего и вспомогательного обору-
дования.
Малогабаритная коммунальная машина содержит одноосный энергоблок с унифицированным сцепным устройством, цилиндрическую подметальную щетку, вакуумное оборудование и бункер для хранения смета.
Рабочий процесс машины складывается из следующих операций: подметание щеткой смета и транспортирование его в бункер потоком воздуха, создаваемым вентилятором.
Расчетная схема малогабаритной коммунальной машины представлена на рис. 2. Технические характеристики машины приведены в таблице.
1Зедгенизов Виктор Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных, дорожных машин и гидравлических систем, тел.: 89149309684, e-mail: vigez@istu.edu.ru
Zedgenizov Viktor, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Construction, Roadmaking Machinery and Hydraulic Systems, tel.: 89149309684, e-mail: vigez@istu.edu.ru
2Куксов Максим Петрович, аспирант, тел.: 89041188122, e-mail: venom18@yandex.ru Kuksov Maksim, Postgraduate, tel.: 89041188122, e-mail: venom18@yandex.ru
Рис. 1. Малогабаритная коммунальная машина для летнего содержания дворовых территорий: 1 - энергоблок; 2 - унифицированное сцепное устройство; 3 - щеточное оборудование; 4 - вентилятор;
5 - накопительный бункер
Рис. 2. Расчетная схема малогабаритной машины: 1 - ДВС; 2, 7,11,13 - согласующие редукторы; 3, 4, 5 - гидронасосы; 7, 9,12 - гидромоторы; 10 - ведущий элемент движителя; 6 - вентилятор; 14 - щетка
Технические характеристики малогабаритной коммунальной машины
Основные составляющие Характеристики
Двигатель: дизельный - В2Ч
мощность, кВт 8,8
число оборотов, об/мин 2400
Привод гидрообъемный
движитель:
гидронасос, марка 313.12
гидромотор, марка 310.28
щетка:
гидронасос, марка 313.12
гидромотор, марка 310.28
вентилятор:
гидронасос, марка 313.12
гидромотор, марка 310.12
Насос вспомогательный НШ-10
Скорость передвижения, км/ч:
рабочая 0-10
транспортная 0-20
Ширина захвата, м 1,2
Объем бункера, м3 0,5
Тип рабочего оборудования щеточно-вакуумное
Габаритные размеры, мм:
ширина 1200
длина 2700
высота 1700
Масса, кг 400
Математическая модель представлена следующими зависимостями, где уравнения (1) определяют сопротивления, возникающие при передвижении машины, (2) описывает работу двигателя внутреннего сгорания совместно с регулятором числа оборотов, уравнения (3) -изменение параметров привода рабочего органа и движителя, зависимости (4) определяют основные параметры рабочего процесса, уравнение (5) характеризует взаимодействие движителя с опорной поверхностью.
W = c •( G • cos (a)- P ); W = G • sin (a);
w=W+W+W;
*• Вп • KP • V2
2,6 • arceos
4 + О
V
R
• r •ю • R
S6
P = 0,183 • E • J • f 5---i • arceos
5 8 Ц
yk
Ч + R 6 ^
R
(1)
Qi • f •ю , ю2
4 • ii
Mi M,
— >P2 =
Ч2
R
• I • (
42 ^ i2 M,
Q3 • f3 •ю
Чз • i3
Чз
M = W• -= P• f •(Rn -h),
M = - • P • (2 • R )4 • ю2 • cos3 (ß) • ж • b • V • sin (ß), 8
R / ч R
V = юг— (1 -8) ,V ,
i
П = B • V • q, V = K • (10,5 + 0,5• V )• П,
П 1 17 возд з V 7 7 вит / 7
Q = 3600•F • V
^-ПТ возд
N,
Ql • f1 • Pi , Q2 • f2 • P2 , Q3 • f3 • P3
i1 •ni I2 ^2 X3 ^3
если ю < ю„„.
-a •ю+b,
-a2 •ю + b2
(2)
8 = A •
+B •
W
G • cos (a) - P
+
W
V
G • cos (a) - P
(5)
22
ю1 =
ю
p
Д
1 =
ц
N = m -ю, N = M • ю ,N = M •»j
N
N
K =
K =
K3 =
N + N + N
N + N + N
N + N + N
Здесь
ВП - ширина полосы подметания, м;
КР - коэффициент неравномерности распределения
ворса на щетке;
У2 - линейная скорость щетки, м/с; ук - расстояние между ободом барабана щетки и опорной поверхностью, м, рассчитываемое по формуле ук = Б-Л, где Б - свободная длина прутка ворса, м; Л - величина прижатия щетки, м; Нб - радиус барабана щетки, м; Нщ - радиус щетки, м; гу - радиус прутка ворса, м; Е - модуль упругости ворса щетки, Па; Л - момент инерции поперечного сечения прутка относительно оси, перпендикулярной к плоскости враще-
4
ния, м ;
¡ц - общее число ворса цилиндрической щетки;
и - рабочий объем гидронасоса привода движителя, щетки и вентилятора соответственно, м3/рад;
1, Ъ и ^ - параметр регулирования рабочего объема гидронасосов привода движителя, щетки и вентилятора;
р1, р2 и р3- давление в напорной магистрали привода движителя, щетки и вентилятора, МПа; ¡1, ¡2 и ¡з - передаточное число согласующего редуктора привода движителя, щетки и вентилятора; П1, П2 и П3- КПД привода движителя, щетки и вентилятора;
ш - текущее значение угловой скорости коленчатого вала двигателя, рад/с;
шном - номинальное значение угловой скорости коленчатого вала двигателя, рад/с; а1, а2, Ь1 и Ь2 - эмпирические коэффициенты; ш1, ш2 и ш3 - угловая скорость гидромотора привода движителя, щетки и вентилятора, рад/с; Яь, Я2 и Я3 - рабочий объем гидромотора привода движителя, щетки и вентилятора соответственно, м /рад; Мч, М2 и М3 - момент на валу гидромотора привода движителя, щетки и вентилятора, Нм; Я - радиус ведущего колеса движителя, м; ¡д - передаточное число согласующего редуктора движителя;
р - плотность воздуха, кг/м ; /13 - радиус рабочего колеса вентилятора, м; в - угол наклона лопастей на рабочем колесе вентилятора, рад;
Ь3 - ширина лопасти вентилятора, м; у - коэффициент стеснения;
- скорость передвижения машины, м/с; 5 - коэффициент буксования; ¡щ - передаточное число согласующего редуктора щетки;
П - расчетная производительность системы транспортирования смета, кг/ч;
Я - удельная загрязненность очищаемой поверхности, кг/м 2;
Vвозд - скорость воздуха, развиваемая вентилятором в трубопроводе, необходимая для транспортирования смета, м/с;
Кз - коэффициент запаса скорости воздуха; Vвит - скорость витания частиц смета, м/с;
Япт - расчетный расход воздуха в системе транспортирования смета, м3/ч;
Ыч, М2 и М3 - мощность, потребляемая приводом движителя, щетки и вентилятора, кВт;
Кч, К2 и К3 - коэффициенты распределения мощности двигателя между приводом движителя, щетки и вентилятора;
А, В и п - коэффициенты, зависящие от типа движителя и физико-механических свойств грунта.
Разветвление мощности влияет на производительность машины и на качество выполнения рабочих операций. Мощность на движителе определяет скорость передвижения - производительность, а мощность, приходящаяся на привод щетки, влияет на качество очистки поверхности. Мощность на привод вентилятора определяет способность машины перемещать убранный смет в накопительный бункер. Ввиду того, что мощность энергоблока ограничена, необходимо рационально распределять ее между потребителями в зависимости от внешних условий, таких как угол наклона опорной поверхности, вес машины, изменяющийся в процессе работы из-за накопления смета в бункере и количества загрязнений на квадратный метр поверхности.
На математической модели получена зависимость основных параметров малогабаритной подметально-уборочной машины от изменений внешних условий (рис. 3).
При угле наклона а = 0° скорость поступательного передвижения машины V1 максимальна и составляет 2,85 м/с. При этом производительность П = 3,42 м2/с, а энергоемкость процесса Э = 2,57 кВт-с/м2. Мощность Ыч привода движителя минимальна, коэффициент буксования 5 и другие параметры рабочего процесса не выходят за рамки наложенных ограничений, а двигатель работает в режиме максимальной мощности, о чем свидетельствует номинальное значение угловой скорости коленчатого вала а = 250 рад/с. Мощность двигателя распределяется между движителем N1, щеткой Ы2 и вентилятором Ы3 соответственно как 0,436:0,549:0,015.
Увеличение угла наклона опорной поверхности приводит к повышению мощности Ыч на движителе. Так как двигатель работает в режиме номинальной нагрузки, недостающую мощность можно заимствовать только у привода щетки и вентилятора. При этом уменьшение мощности на приводе рабочего оборудования приводит к снижению их параметров: угловых скоростей а2, а3, линейной скорости щетки V2, момента сопротивления на вентиляторе М3. Из-за снижения скорости Vч снижается производительность П и повышается энергоемкость Э. При угле наклона опорной поверхности а = 5° мощность распределяется как 0,568:0,425:0,007. Двигатель продолжает работать в режиме номинальной мощности (а = 250 рад/с). Происходит перераспределение мощности и устанавливается рациональный режим работы, при котором мощности Ыч, потребляемой движителем, достаточно для движения в гору с заданной скоростью. А привод рабочего оборудования потребляет столько мощности, сколько требуется для того, чтобы смести загрязнения и транспортировать их в накопительный бункер.
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
•K1
■ K2
~K3*10
5
160
о>1, рад/с 140 120
сз2, рад/с 100 80
со3, рад/с 60 40 20 0
•ш2
а
в-""
0 2,5 5
0,436 0,496 0,568
0,549 0,494 0,425
0,150 0,100 0,067
0,076 0,139 0,257
а, град.
0
82,291 38,253
ш3
150,117
M1
48,258
-*—M2 130,817 -в— M3*100 92,7
2,5 77,896 34,394
132,327
58,051
130,817 72
5
77,687 28,932
67,782
Vi, м/с У2, м/с
■V1
• V2
а, град.
N1, кВт кВт
114,119
6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
■N1
■N2
N3*10
130,817 53,6
-0
0 2,5 5
2,851 2,516 2,166
6,12 5,503 4,629
3,42 3,024 2,592
2,57 2,91 3,40
0 2,5 5
3,97 4,52 5,26
5,00 4,49 3,79
1,3 0,95 0,61
а, град.
а, град.
Рис. 3. Зависимость рациональных параметров малогабаритной коммунальной машины (К1, К2, Кз, 5, VI, VI, П, Э, т1, е>2, о)з, М1, М2, Мз, N1, N2, N3) от изменения угла наклона опорной поверхности (а, град.) при весе машины G = 6000 Н, удельной загрязненности поверхности q = 0,5 кг/м2
Рассмотренные режимы работы являются рациональными, так как эффективность и производительность малогабаритной машины в конкретных условиях максимальна, а энергоемкость минимальна.
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод - для достижения максимальной производительности с поддержанием эффективности качества уборки
очищаемой поверхности необходима система автоматической настройки на рациональный режим работы, которая в зависимости от изменения внешних условий будет поддерживать оптимальный коэффициент распределения мощности между приводом движителя и рабочим оборудованием.
Статья поступила 11.02.2015 г.
1. Куксов М.П. Обзор конструкций малогабаритной подме-тально-уборочной техники для коммунального хозяйства // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. ст. III Всерос. науч.-практ. конф. (Иркутск, 11-12 апреля 2013 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 442 с.
2. Зедгенизов В.Г., Кокоуров Д.В., Простакова Л.В. Опреде-
Библиографический список
ление рациональных режимов работы малогабаритной машины на математической модели // Вестник ИрГТУ. 2009. № 3. С. 47-50.
3. Нижегородов А.И., Куксов М.П. К построению математической модели рабочего процесса подметально-уборочной машины // Вестник ИрГТУ. 2013. № 12. С. 88-92.
1
2
