К вопросу эффективности щеточных агрегатов коммунальной уборочной техники

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 —* —*  —*

Р е = Р щ + Р и .                 (1)

Под действием импульсов перечисленных сил щеточный ворс совершает скольжение по поверхности дорожного покрытия, работа которого А ^ определяет интенсивность силового взаимодействия щетки с дорожным покрытием в рабочем процессе:

A₂ = f £^к Р^и) • du Дж/м - ,     (2)

где h_k- путь трения за один оборот щетки, который определяется шириной контакта Н_к , скоростью коммунальной машины п_авт и частотой вращения щетки п:

hk = Hk• [cos6 + Уав760л- Dn • cos х],

(3) где: f - густота щетки, определяемая отношением числа ворсин к площади поверхности щетки f =      ;                     (4)

Лпо об

6 - угол установки щетки (для цилиндрической щетки 6 = 0); х -угол установки щеточного диска относительно направления движения коммунальной машины; D - диаметр щетки; В_об - 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 «i»). Начальное значение угла «атаки» β1 в точке «1» определяется величиной прижатия щетки к дорожному покрытию δ0, т.е.

в , = 2 ,                         (5)

где ψ – угол контакта (рис.3 а).

Рисунок 1. Изменение интегральной характеристики от частоты вращения цилиндрической щетки ( D = 550 мм) при : 1 - Н к =70 мм; 2 - Н к =100 мм; 3 - Н к =150 мм; 4 - Н к =200 мм

Износ щетки, мм

Рисунок 2. Изменение интегральной характеристики щетки от ее радиального износа Аг при : - Н к =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 p i , в некоторых случаях до - и больше, теоретически (при отсутствии сил трения) до Р ₄.

Запишем выражение для угла атаки p_t в виде:

? 1 = ец+ — ф 1 ,-t>_Vl<+ t (6) Его изменение в процессе функционирования щетки приведено на рисунке 4.

ки: а) – с поверхностью и б) – с загрязнением

Рисунок 4. Изменение угла атаки от в зоне контакта щетки при : Н к : 1 - Н к =50 мм; 2 - Н к =80 мм; 3 - Н к =100 мм; 4 - Н к =150 мм; Н к =200 мм

Из графиков (рис.4) видно, что с увеличением прижатия щетки к дорожному покрытию (с увеличением ширины контакта Н к , наименьшее значение ^ снижается, так, что при ширинах контакта H _к >150 мм значение угла атаки Р ( 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 харак-теристику(2), определяющую работоспособность щетки, как работу, затраченную на перемещение загрязнения в тангенциальном направлении (в направлении движения автомобиля)

A_z = ^^kT_z(u)-du,            (7)

где T ^ (u) - тангенциальная составляющая контактной силы, определяемая в зоне контакта углом атаки ^

T_z(u) = P_z(u) sin в . .               (8)

Характер изменения рабочей характеристики показан на рис. 5.

Рисунок 5. Изменение рабочей характеристики от ширины контакта щетки ( D = 550 мм) при : 1 -н=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:

P i cos р . >  fN + G см Ad в , (9)

где: σсм – напряжение смятия для материала слоя сплошного загрязнения (снег, липкая грязь и др.). Величина σсм зависит от условий напря- женного состояния слоя в зоне контакта разрушения.

Рисунок 6. Изменение рабочей характеристики щетки ( D= 550 мм) от ширины контакта при различном износе Ar: 1 - Ar—0 мм; 2 - Ar—50 мм; 3 -

Ar—100 мм; 4 - Ar =120 мм

При допущении условий плоского напряженного состояния можем принять о см « 2 т _тах , где т _тах - наибольшие напряжения сдвига для слоя загрязнения дорожного покрытия; Δ – 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.3 б). Откуда

P l - cos e ^{(№ +} °“ ^Л ^ в ) ■

Для случая сплошного загрязнения (снега, слипшегося грунта) в процессе преобразования имее м

1  /V—

^{Pl -} COS p , xT^ ^{1 + 2т} т ^а х ^Л ^ ^в ) =

^^T max ^ ^ в

cos e _i - ^^ sin(arctan/ ₀ - e _i )

.

Здесь из геометрических соотношений подставлено выражение

М = P l cos (arctan/ о + — - 0 , ) =

P l sin(arctan/ 0 - в ₁ ).                   (12)

Пренебрегая коэффициентом трения (малым в условиях скоростного скольжения, особенно по снегу), получим окончательно:

^^T max ^ ^ в

P l - =

.

V2 cos в ,+— sin в ,

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 Δ можем допус- тить σ

P l -

см

0. Тогда из (13) получим

^{cos( e} , ^- Y )

f₀N i =

=             1

1-eesG^osin(arctanro-^      (14)

где у = arctan ( ^Rz /p) - угол, определяемый соотношением микронеровностей убираемой поверхности и размерами загрязнений ρ.

Здесь интегральная характеристика будет уменьшаться с увеличением сцепления за- грязнения полотна с дорожным покрытием, определяемым увеличением коэффициента /о

V2

вплоть до предельных значений /о——, определяемых условием разрушения (пластического деформирования) одного из материалов контактной пары (загрязнения или дорожного полотна), а также с увеличением параметра Rz по отношению к ρ.

Зависимость работоспособности щетки диаметром D = 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 fo—0,71.

Ширина контакта, мм

Рисунок 7. Изменение работоспособности щетки ( D = 550 мм) от ширины контакта при различном коэффициенте сцепления /_о: 1 -/_о—0,71; 2 -/ о —0,5; 3 - / о —0,25; 4 - / 0 =0,1

Зависимость работоспособности щетки диаметром D = 550 мм от ширины контакта при различной прочности снежного покрытия σ_т, 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 σ_т=0,2 МПа происходит полное проскальзывание щетки. Однако при увеличении прижатия щетка все же обеспечивает подметание, хотя и с намного меньшей эффективностью.

Рисунок 8. Изменение работоспособности щетки ( D= 550 мм) от ширины контакта при различной прочности снежного покрытия σ _т : 1 – σ_т =0,01

МПа; 2 – σ_т =0,1 МПа; 3 – σ_т =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.