CC BY
101
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 625.768.1
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОММУНАЛЬНОЙ
УБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ
Г.В. Лепеш1, А.Г. Лепеш2 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Разработана методика рационального выбора характеристик рабочего процесса щетки коммунальной уборочной машины. Проведены экспериментальные исследования подтверждающие адекватность расчетной методики. Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность рабочего процесса и на ресурс щетки. Разработаны рекомендации по рациональному выбору характеристик рабочего процесса.
Ключевые слова: полипропиленовая леска; щеточный ворс; износ; подметальная характеристика; интегральная характеристика; ресурс.
WORKING OUT OF THE TECHNIQUE OF THE RATIONAL CHOICE OF CHARACTERISTICS OF WORKING PROCESS OF MUNICIPAL HARVEST
TECHNICS
G.V Lepesh, A.G. Lepesh
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7
The summary -The technique of a rational choice of characteristics of working process of the municipal harvester brush is developed. Experimental researches confirming adequacy of a settlement technique are spent. The major factors influencing efficiency of working process and on a resource of a brush are revealed. Recommendations about a rational choice of characteristics of working process are developed.
Keywords: polypropylene thread; brush pile; deterioration; the sweeping characteristic; the integrated characteristic; a resource.
В работе [1] изложена методика расчета рабочих процессов и ресурса щеток подметального агрегата коммунальной уборочной машины. Для применения данной методики, в основе которой положена имитационная модель функционирования, основанная на математических моделях взаимосвязанных процессов трения и силового взаимодействия щеточного ворса с очищаемой поверхностью [2, 3], необходимо установление критериев, определяющих эффективность рабочего процесса с одной стороны и процесса изнашивания щеточного ворса
- с другой.
Повышение эффективности и одновременно - ресурса щеток связано с необходимостью анализа рабочего процесса с целью разработки рекомендаций по конструкции рабочих органов, параметров и характеристик рабочих процессов, выбору и обоснованию материалов и технологии изготовления щеток и самого щеточного ворса.
Для определения эффективности работы щётки коммунальной машины определим две функции. Первая из них выражает способность щетки к подмета-
нию и численно равна суммарной работе по перемещению загрязнения А%. Вторая, определенная в работе [1], интегральная
характеристика I = % • Л2, м2 выражает работу контактного взаимодействия и в конечном итоге определяет интенсивность силового взаимодействия щеточного ворса с дорожным покрытием, которая и определяет износ и ресурс щетки (здесь ^ — параметр, учитывающий частость ворса). Различие в функциях и I заключается в том, что первая из них учитывает проскальзывание лески относительно загрязнения убираемой поверхности, в случае если прочность загрязнения (например, снега) или прочность сцепления загрязнения (трение покоя) велики относительно действующей касательной силы.
Изменение интегральной характеристики I, было исследовано в работе [1]. Установлено, что ее значение растет с увеличением частоты ее вращения п, скорости транспортного средства г?авт и ширины контакта щетки с убираемой поверхностью Нк, причем эта зависимость нелинейная, так что интенсивность увеличения возрастает с увеличением любого из перечисленных параметров.
Примерно также пропорционально росту интегральной характеристики I увеличивается интенсивность изнашивания лески щеточного ворса и обратно пропорционально росту интегральной характеристики I падает ресурс щетки.
Такое изменение ресурса щетки объясняется в работе [4] изменением параметров контактного взаимодействия, таких как:
-время контактного взаимодействия (растет при увеличении ширины контакта; уменьшается при увеличении частоты вращения);
-путь скольжения (растет с увели-
чением ширины контакта и скорости транспортного средства);
-скорость скольжения (растет с увеличением частоты вращения и скорости транспортного средства).
При изменении перечисленных параметров изменяются контактные силы, площади контакта, температура лески щеточного ворса в зоне контакта, механические свойства и износостойкость материала лески щеточного ворса [5], что в конечном итоге и приводит к изменению интенсивности изнашивания, вместе с тем - ресурса щетки.
Наиболее управляемым фактором в рабочих условиях является Нк, величина которой регулируется в начале подметального процесса. Как следует из расчетов (рис. 2 - 3) именно необоснованное увеличение этого параметра может привести в интенсивному изнашиванию и падению ресурса щетки.
В процессе изнашивания щеточного ворса изменяется его длина, уменьшается диаметр щетки и при прочих равных условиях (при постоянной ширине контакта), возрастают контактные силы взаимодействия. Это также приводит к росту интегральной характеристики щетки I. При этом в значительной степени возрастает тепловая нагрузка в контактной зоне, что приводит также к росту интенсивности изнашивания лески и уменьшению остаточного ресурса щетки.
Для определения подметальных свойств щетки рассмотрим схему взаимодействия ворса, находящегося в контакте с дорожным покрытием (рис. 1). Взаимодействие начинается в точке касания «1» (рис. 1 а) и далее при вращении щетки происходит изгиб лески щеточного ворса (см. точку «/»). Начальное значение угла «атаки» (31 в точке «1» определяется величиной прижатия щетки к дорожному
покрытию 50, Т.Є. Рх = ГДЄ ф — угол контакта (рис.6 а).
а)
б)
Рисунок 1. Схема силового взаимодействия щетки: а) - с поверхностью и б) - с загрязнением
При движении конца лески в сторону точки «2» значение угла атаки убывает (увеличивается изгиб), где и достигает наименьшего значения, после чего угол атаки возрастает, причем до значений больших начального Рь в некоторых случаях до - и больше, теоретически до
К 2
Запишем выражение для угла атаки (Зі в виде:
(1)
Его изменение в процессе функционирования щетки приведено на рис. 2.
Из графиков (рис.2) видно, что с увеличением прижатия щетки к дорожному покрытию (с увеличением ширины контакта Нк, наименьшее значение Рї снижается, так, что при ширинах контакта Нк>150 мм значение угла атаки Рі со-
ставляет 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).
Тангенс угла поворота шеткн
Координата по ширине контакта, м
Рисунок 2. Изменение угла атаки от в зоне контакта щетки при : Нк: 1 - Як=50 мм; 2 -Нк=80 мм; 3 - Як=100 мм; 4 - Як=150 мм; Нк=200 мм
При этом щетка воздействует 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 практически не участвует в рабочем процессе и лишь препятствует снятию загрязнения дорожного покрытия и интенсивно изнашивается в этом процессе. Часть поверхности, которая оказывает
влияние на эффективность рабочего процесса растет при этом менее интенсивно и ее рост замедляется, практически до нуля при достижении шириной контакта величины, примерно равной радиусу щетки (при Нк > j).
Выразим подобно интегральную характеристику, определяющую подметальную способность щетки, как работу, затраченную на перемещение загрязнения в тангенциальном направлении (в направлении движения автомобиля)
Az= *kW)'dhk, (3)
где 7j;(t) - тангенциальная составляющая контактной силы, определяемая в зоне контакта углом атаки
Г2 t = Ръ t sin pi. (4)
Рисунок 3. Изменение подметальной 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.
Характер изменения подметальной характеристики показан на рис. 3. Откуда следует, что с увеличением ширины контакта щетки с дорожным покрытием Нк ее подметальные свойства плавно растут, однако при Нк > 150 мм (для щетки D= 550 мм) интенсивность роста становится практически незаметной. При изнашивании лески щеточного ворса (рис.4) диаметр щетки уменьшается. При этом подметальная характеристика растет, при
условии сохранения ширины контакта в определенных пределах, - щетка становится более жесткой. Однако, с увеличением прижатия щетки ее подметальная характеристика интенсивно убывает -щетка теряет подметальные свойства. Т.е., ее воздействие на подметаемую поверхность - радиальное и лишь способствует упрочнению сцепления с ней загрязнений.
Рисунок 4. Изменение подметальной характеристики щетки (D= 550 мм; Як=100 мм) от ширины контакта при различном износе Дг: 1 - Дг=0 мм; 2 - Дг=50 мм; 3 -Дг=100 мм; 4 - Дг =120 мм
Определим условие подметания как условие срыва загрязнения с подметаемой поверхности:
Pi cos Pi > f0Ni + ссмД dB, (5) где: dCM - напряжение смятия для материала слоя сплошного загрязнения (снег, липкая грязь и др.). Величина стсм зависит от условий напряженного состояния слоя в зоне контакта разрушения. При допущении условий плоского напряженного состояния можем принять (Тсм » 2ттах , где ттах - наибольшие напряжения сдвига для слоя загрязнения дорожного покрытия; Д - толщина снимаемого слоя загрязнения; /0 - коэффициент трения покоя для контакта дорожного покрытия и загрязнения, в случае прилипания которого он будет иметь предельное значение
—, определяемое условием сдвига (см. рис.4.6 б). Откуда
Pi ^ ^ т + стсмА dB . (6)
Подметальная характеристика, кДЖ/м2
Из выражения (6) следует, что подметальная характеристика 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 Д можем допустить стсм « 0. Тогда подметальная характеристика будет уменьшаться с увеличением сцепления загрязнения полотна с дорожным покрытием, определяемым увеличением коэффициента /о .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 подметальной характеристики от условий рабочего процесса, с учетом представлена графиками (рис. 5, 6).
Рисунок 5. Изменение подметальной характеристики щетки (D= 550 мм) от ширины контакта Як при различном коэффициенте сцепления /0: 1 - /о=0,71; 2 - /о=0,5; 3 - /о=0,25; 4 - /о =0,1
Из графика (рис.5) следует, что с увеличением коэффициента сцепления загрязнения с дорожным покрытием подметальная характеристика щетки па-
дает за счет проскальзывания лески щеточного волокна относительно загрязнения. При ширине контакта, не превышающей 100 мм, проскальзывания не происходит даже при предельных значениях /о=0,71.
Из графика (рис. 6) следует, что с увеличением прочности снежного покрытия подметальная характеристика щетки также падает за счет проскальзывания лески щеточного волокна. При прочности ат=0,2 МПа происходит полное проскальзывание щетки. Однако при увеличении прижатия щетка все же обеспечивает подметание, хотя и с намного меньшей эффективностью.
Рисунок 6. Изменение подметальной характеристики щетки (0= 550 мм) от ширины контакта Нк при различной прочности снежного покрытия стт: 1 - стт=0,01 МПа; 2 - ат=0,1 МПа; 3 - стт=0,2 МПа
На рис. 7 приведены расчетные кривые радиального износа щетки коммунальной машины от времени ее функционирования. Параметры, закладываемые в исходные данные для расчета соответствуют данным [1]. Из построенных зависимостей (рис. 7) следует, что износ щетки носит прогрессивный характер, т.е. с увеличением времен функционирования интенсивность изнашивания возрастает, что связано с увеличением контактных сил (интегральная характеристи-
ка процесса возрастает). Далее интенсивность изнашивания несколько замедляется вследствие снижения инерционных сил, связанных с вращением щетки. При увеличении ширины контакта износ возрастает и при ширине большей 150 мм интенсивность роста увеличивается. Так из расчетов следует (рис. 7), что увеличение ширины контакта цилиндрической щетки 0= 550 мм до значения Нк=200 мм приводит к потере ресурса щетки уже в течение трех - четырех рабочих смен работы (одна рабочая смена равна шести часам непрерывной работы).
Таким образом, наиболее оптимальными параметрами рабочего процесса, является удержание ширины контакта данной щетки в пределах 70 - 100 мм. При этом обеспечиваются относительно высокие подметальные качества (практически без проскальзывания лески относительно загрязнения, рис. 5, 6 ), и одновременно высокий ресурс (более 30 суток, рис. 7). При этом наиболее значимым параметром рабочего процесса, определяющим как ресурс щетки, так и эффективность рабочего процесса является ширина контакта щетки с дорожным покрытием Нк. Управление именно этой величиной в каждом конкретном случае, определяемом типом транспортного средства и конструкцией подметального агрегата можно добиться наилучших результатов.
Разработанная имитационная модель рабочего процесса щетки коммунальной уборочной машины учитывает особенности как самого процесса, так и условий при которых производится процесс. Однако в реальных условиях функционирования щетки обеспечить постоянство ширины контакта проблематично вследствие возникающих препятствий, вызванных, например, разрушением дорожного покрытия, его нестандартными неровностями, крупногабаритными не-удаляемыми предметами и др. В этих
случаях ширина контакта будет возрастать, так что при уборке территории, имеющей значительные повреждения дорожного покрытия необходимо стремиться к уменьшению ширины контакта. Для повышения эффективности подметального процесса в этом случае следует применять щетки с увеличенной толщиной лески ворса, что также приводит к увеличению ее подметальных свойств.
Оценку точности разработанной модели произведем путем сравнения расчетных значений износа и результатов экспериментальных исследований, полученных на основе мониторинга подметального процесса в ООО «Управляющая компания «Доверие» [6] (табл. 1, 3, рис. 82.).
1 кц-Дг3 = Дг 2 = Д<і = 51 + 0.6667; R2 = 0.9998 0.0003f3 — 0.0052f2 + 0.6446f -0.0006f2+ 0.2174f+ 0.2589; Я2 0.0003t2 + 0,1426f- 0.1056; fi2 1.408; R2 - 0.999 / = 0.991 / = 0.993 /
4 3
2 Г
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Время функционирования, час
Рисунок 7. Графики износа щетки от времени и ширины контакта Як: 1 - Як=70 мм;
2 - Як=100 мм; 3 - Як=150 мм; 4 - Як=200 мм
Из результатов следует, что опытные значения износа (рис. 8 линия 2) превышают расчетные рис. 8 линия 3). Введем параметр согласования, так что согласованные значения радиального износа
Аг' = К- А г, (7)
где К - коэффициент согласования, коэффициент учета стабильности контактной поверхности, величина которого
больше единицы. Так при К = 1, 26 расчетные и опытные значения практически совпадают. Т.е. дисперсия адекватности о2 = ^ " Дгопыт - Дг' 2 =0,35 мм2.
Реализованная в виде пакета программ на ЭВМ имитационная модель позволяет связать характеристики рабо-
цесса
чего процесса подметальной машины с конструктивными параметрами щетки и режимами самого процесса (скоростью машины, частотой вращения щетки и
др.).
Таблица 1. Обоснование параметров имитационной модели реального рабочего про-
№ п/п Обозначение Принятые значения параметров Опытные условия
1. Б, мм 530 Изготовлены фирмой «Комплекткоммаш», г. Санкт-Петербург Б=550 мм. Щетка имела предварительный износ Дг = 10 мм
2. А, ММ 130
3. с1в, мм 3,0
4. £, м-2 5000
5. м3/ Дж х 1011 0,86 Характеристики определялись по разработанным методикам (раздел. 2) испытанием лески от партии изготовленных из материала «Бален 01003» щеток фирмой «Комплекткоммаш»
6. Е, МПа 1300
7. ст, МПа 220
8. Тш, к 420
9. р , кг/м 900
10. Я, Вт/(м К) 0,18
11. ср> кДж/(кг К) 1,25
12. N об/мин 130 Щетка установлена на навесном оборудовании колесного трактора МТЗ-82.1, частота вращения связана с частотой вращения выходного вала двигателя и находилась в пределах 120 - 150 об/мин. Производилась уборка внут-ридворовой территории Приморского р-на, г. Санкт-Петербурга.
13. ^авт, км/час 6,0
14. Як, мм 150 Ширина пятна контакта устанавливалась в начале смены величиной 100 5 мм и в рабочем процессе изменялась от 90 до 120 мм в зависимости от кривизны убираемой поверхности.
15. /о 0,6 Начальное значение коэффициента трения
16. т0, К 290 Май-июнь 2011г (15 - 20 0С), влажность 758-764 мм рт. ст
17. С„2), кДж/(кг К) 1,2 Покрытие - асфальтово-бетонное (дороги общего пользования); убираемый материал - песчано-соляная смесь, мелкий бытовой мусор
18. Лъ Вт/(м К) 2,4
19. р2, кг/м 1600
20. с0, Мпа 0,0
21. Я, мм 3,0
22. к 1,0
23. Сг 1,0
24. й2, мм 2,0
Радиальный износ, мм
Время, чае
Рисунок 8. Сравнение результатов расчетных и опытных значений изнашивания дисковой подметальной щетки (.0=530 мм).
1 - расчетная скорректированная кривая; 2 -опытные значения; 3 - расчетная кривая.
В результате может производиться оценка влияния условий работы на значения составляющих сил взаимодействия щетки с загрязнениями дорожного покрытия, т.е сил, связанных с жесткостью ворса щетки, величина которых определяется геометрией ворса и его механическими характеристиками (модулем эластичности материала), а также инерционными силами, величина которых во второй степени зависит от частоты вращения щетки. Определено влияние конструктивных параметров щеток и условий их функционирования на эффективность рабочего процесса коммунальной уборочной машины и ресурс щетки. Имитационная модель может составить основу методики прогнозирования ресурса щеток коммунальной уборочной техники и выбора рациональных режимов работы коммунальных машин по критерию эффективность - стоимость процесса уборки.
Таблица 3. Сравнение расчетных и опытных значений износа
Время функционирования, час Радиальный износ, мм
О Расчет
п Скорректи- По имита-
0 ы рованное ционной
т (К=1, 26) модели
0 0 0,0 0
6 7 б,3 5
11,5 13 12,9 10,2
16,5 19 1S,7 14,S
22 24 24,9 19,S
Литература
1. Лепеш А.Г. Имитационное моделирование рабочего процесса. //Технико-технологические проблемы сервиса, 2011, №3(17) , с. 32 - 41.
2. 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.
3. Лепеш А.Г. К определению силового взаимодействия щёток коммунальных машин с дорожным покрытием. //Технико-технологические проблемы сервиса, 2011, №1(15), с. 21 - 25.
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. 7 - 19.
5. Лепеш А.Г., Лепеш Г.В., Петренко Ю.А. Ис-
следование влияния температуры на прочность полипропиленовой лески.// Технико-
технологические проблемы сервиса. №4 (18), 2011 г. с. 55 - 59.
6. Протокол испытания щетки коммунальной уборочной машины на базе МТЗ-82.1 при уборке внутридворовых территорий Приморского района от 27 июнь 2011г // ООО «Управляющая компания «Доверие», г.Санкт-Петербург. - 2011 г.
1 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ, тел.: (812)362-4413; E-mail:
gregoryl(a),yandex. ru;
2 Лепеш Алексей Григорьевич - аспирант кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ, тел.: (812) 3684289, моб: +7 921 7512829, е-mail: [email protected].
