Разработка методики рационального выбора характеристик рабочего процесса коммунальной уборочной техники

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 Л2. Вторая, определенная в работе [1], интегральная характеристика I = ^ ■ А-^, Дж ^2 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 Д2 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 /, было исследовано в работе [1]. Установлено, что ее значение растет с увеличением частоты ее вращения и, скорости транспортного средства vaBT и ширины контакта щетки с убираемой поверхностью , причем эта зависимость нелинейная, так что интенсивность увеличения возрастает с увеличением любого из перечисленных параметров.

Примерно также пропорционально росту интегральной характеристики 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 , 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 « i »). Начальное значение угла «атаки» Р1 в точке «1» определяется величиной прижатия щетки к дорожному

покрытию 50, т.е. Рг = ~,  где ^ —

угол контакта (рис.6 а).

а)

/о М 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 Pi, в некоторых случаях до ^ и больше, теоретически до

Р4.

Запишем выражение для угла атаки Pi в виде:

,-*>№<+*.

LL 2 I L v 2       '             2

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 , наименьшее значение снижается, так, что при ширинах контакта Нк>150 мм значение угла атаки Р; 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).

Координата по ширине контакта, м

Рисунок 2. 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 - Я_к=150 мм; Н_к =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 интен- сивно 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 ).

Выразим подобно интегральную характеристику, определяющую подметальную способность щетки, как работу, затраченную на перемещение загрязнения в тангенциальном направлении (в направлении движения автомобиля)

где – тангенциальная составляющая контактной силы, определяемая в зоне контакта углом атаки

. (4)

Ширина контакта, мм

Рисунок 3. Изменение подметальной характеристики от ширины контакта щетки ( D = 550 мм) при : 1 - п=500 об/мин; 2 -=250 об/мин; 3 –  =150 об/мин; 4 –  =50

об/мин.

Характер изменения подметальной характеристики показан на рис. 3. Откуда следует, что с увеличением ширины контакта щетки с дорожным покрытием ее подметальные свойства плавно растут, однако при            (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; Н_к=100 мм) от ширины контакта при различном износе : 1 –   =0 мм; 2 –   =50 мм; 3 –

=100 мм; 4 –    120 мм

Определим условие подметания как условие срыва загрязнения с подметаемой поверхности:

,   (5)

где:    – напряжение смятия для мате риала слоя сплошного загрязнения (снег, липкая грязь и др.). Величина зависит от условий напряженного состояния слоя в зоне контакта разрушения. При допущении условий плоского напряженного состояния можем принять            , где     – наибольшие напряжения сдви га для слоя загрязнения дорожного покрытия; – толщина снимаемого слоя загрязнения;    – 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

.           (6)

С U о ^

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 можем допустить осм « 0. Тогда подметальная характеристика будет умень- шаться с увеличением сцепления загрязнения полотна с дорожным покрытием, определяемым увеличением коэффициента .вплоть до предельных значений /0 =у, определяемых условием разрушения (пластического деформирования) одного из материалов контактной пары (загрязнения или дорожного полотна), а также с увеличением параметра Rz по отношению к р.

Зависимость подметальной характеристики от условий рабочего процесса,

Подметальная характеристика, кДЖ/м2

Ширина контакта, мм

Рисунок 5. Изменение подметальной характеристики щетки ( D = 550 мм) от ширины контакта Д_к 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 =0,2 МПа происходит полное проскальзывание щетки. Однако при увеличении прижатия щетка все же обеспечи- вает подметание, хотя и с намного меньшей эффективностью.

Ширина контакта, мм

Рисунок 6. Изменение подметальной характеристики щетки ( D = 550 мм) от ширины контакта Н_к при различной прочности снежного покрытия о_т: 1 - су_т=0,01 МПа; 2 - су_т=0,1 МПа; 3 - о_т=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 D= 550 мм до значения =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 . 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.).

Рисунок 7. Графики износа щетки от времени и ширины контакта : 1 – =70 мм; 2 – =100 мм; 3 – =150 мм; 4 – =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

,                (7)

где – 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 ^ 1 △^опыт △^ 0,35 мм2.

Реализованная в виде пакета программ на ЭВМ имитационная модель позволяет связать характеристики рабо- 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- цесса

№ п/п	Обозначение	Принятые значения параметров	Опытные условия
1.	D, мм	530	Изготовлены фирмой «Комплекткоммаш», г. Санкт-Петербург D= 550 мм. Щетка имела предварительный износ Дг = 10 мм
2.	d , мм	130
3.	de , мм	3,0
4.	<, м-2	5000
5.	Iw, 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.	с , МПа	220
8.	^пл , К	420
9.	Р , кг/м3	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.	Нк , 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.	Ср2), кДж/(кг К)	1,2	Покрытие – асфальтово-бетонное (дороги общего пользования); убираемый материал – песчано-соляная смесь, мелкий бытовой мусор
18.	Л1 , Вт/(м К)	2,4
19.	Р2 , кг/м3	1600
20.	<70 , Мпа	0,0
21.	R, мм	3,0
22.	к	1,0
23.	Сг	1,0
24.	Rz , мм	2,0

Радиальный износ, мм

Время, час

Рисунок 8. Сравнение результатов расчетных и опытных значений изнашивания дисковой подметальной щетки ( D =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 п ы т	Расчет
0		Скорректированное (К=1, 26)	По имитационной модели
0	0	0,0	0
6	7	6,3	5
11,5	13	12,9	10,2
16,5	19	18,7	14,8
22	24	24,9	19,8