Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ЕПЕШ АЛЕКСЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЩЕТОЧНЫХ АГРЕГАТОВ КОММУНАЛЬНЫХ УБОРОЧНЫХ МАШИН

специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и сфера услуг)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Шахты 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики на кафедре Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения

Научный руководитель: доктор технических наук

Пестриков Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: Першин Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО Южно-Российский 

государственный университет

экономики и сервиса,

кафедра Машины и оборудование

бытового и жилищно-коммунального

  назначения, профессор

Варганов Валерий Олегович

кандидат технических наук, доцент,

Санкт-Петербургский государственный

технологический университет

растительных полимеров, кафедра

  Основы конструирования машин,

  заведующий кафедрой

Ведущая организация ОАО Научно-исследовательский

  конструкторско-технологический институт

  строительного и коммунального

  машиностроения, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится л 21 декабря 2012 года в _13.00_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса по адресу: 346500, г. Шахты, Ростовской области, ул. Шевченко, д. 147 аудитория 2а247.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.

Текст автореферата размещен на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС:

Автореферат разослан л   2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.313.01  Куренова С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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, стойкости и долговечности рабочих органов машины. На сегодняшний день почти 90% парка отечественных и импортных коммунальных уборочных машин, оснащаются щеточными агрегатами. Щеточные агрегаты представляют собой навесное рабочее оборудование для колесных транспортных средств. В процессе уборки дорог и тротуаров ворс щеток истирается и при износе на две трети от первоначальной массы они становятся непригодными для эксплуатации. Поскольку стоимость материала щеток, как правило, относительно велика, то от продолжительности срока эксплуатации щеток коммунальных машин в большой степени зависит стоимость уборки территорий, дорог и тротуаров. Продолжительность срока эксплуатации определяется скоростью изнашивания щёток, которая зависит от нескольких факторов, определяемых как конструкцией щетки и свойствами материала ее волокон (механическими, теплофизическими и др.), так и условиями функционирования, т.е. характером силового и скоростного взаимодействия с очищаемой поверхностью, факторами окружающей среды и др.

Таким образом, по отношению к коммунальной уборочной технике актуальна задача повышения качества уборки и увеличение ресурса щеточных агрегатов. Решение такой задачи возможно путем исследования и разработки рекомендаций в отношении конструкции рабочих органов, выбора и обоснования материалов и технологии изготовления щеток и самого щеточного ворса, с учетом параметров и характеристик рабочего процесса.

Объектом исследования является щеточный рабочий орган (щетка) коммунальной уборочной  машины.

Предметом исследования являются процессы, отражающие функциональные связи между параметрами щетки, режимами рабочего процесса, характеристиками температурно-силового взаимодействия щеточного ворса с очищаемой поверхностью, ресурсом щетки и ее работоспособностью.

Идея работы заключается в учёте взаимного влияния, силового и температурного взаимодействия на трение и износ щеточного ворса, а также в установлении количественных характеристик, определяющих ресурс и эффективность рабочего процесса во взаимосвязи со свойствами убираемых загрязнений и рабочими режимами самого процесса.

Цель работы состоит в повышении эффективности щеточных агрегатов коммунальных уборочных машин по характеристикам, определяющим их работоспособность и ресурс в зависимости от конструктивных параметров и условий рабочего процесса.

Реализация цели исследования обусловила постановку и решение ряда задач, отражающих логическую структуру диссертационной работы:

- установление полной картины физических явлений при взаимодействии щеточного рабочего органа коммунальной уборочной машины с убираемой поверхностью;

- проведение экспериментальных исследований по установлению механических характеристик и интенсивности изнашивания щеточного ворса, а также по их изменению при температурном воздействии;

- математическое моделирование температурного и силового взаимодействия щеток коммунальных машин с дорожным покрытием;

- установление закономерностей сметания загрязнений убираемой поверхности щеточным рабочим органом и его ресурса, в зависимости от конструктивных, режимных и эксплуатационных параметров щетки, а также механических свойств загрязнений;

- проведение экспериментальных исследований в натурных условиях с целью параметрической настройки разработанной имитационной модели рабочего процесса коммунальной уборочной машины.

Методы исследований. Поставленные задачи решались теоретическими и экспериментальными методами с учетом современных представлений о процессах температурного и силового контактного взаимодействия полимерных и металлических материалов с абразивными поверхностями. Основным методом исследований влияния режимов и конструктивных особенностей рабочих органов машин на характеристики рабочего процесса являлся метод имитационного моделирования их функционирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились с целью определения механических свойств щеточного ворса и оценки их влияния на интенсивность изнашивания. В результате экспериментальных исследований определялись критерии, связывающие характеристики процесса изнашивания с условиями взаимодействия контактной пары. Параметрическая настройка имитационной модели производилась по результатам измерения износа щеточного ворса, полученным в реальных условиях эксплуатации коммунальной уборочной машины.

Научные положения, разработанные лично автором, выносимые на защиту:

  1. Предел прочности на разрыв для материала лески значительно в 8 - 10 раз превышает предел прочности исходного материала и составляет 190 - 220 МПа в зависимости от марки полипропилена (ПП) и толщины лески. Для одной и той же марки материала предел прочности увеличивается от 190 до 210 МПа при уменьшении толщины ворса от 3 до 1 мм. С повышением температуры напряжение разрыва образцов падает, причем интенсивность падения значительно возрастает с момента достижения температуры значений примерно в 70 оС, а в интервале температур +12 - +60 оС прочность образцов на разрыв изменяется несущественно.
  2. С увеличением частоты вращения щетки и, в меньшей мере, скорости движения автомобиля, увеличивается работоспособность 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.
  3. При увеличении ширины контакта щетки с очищаемой поверхностью снижается ресурс щетки. При этом работоспособность щетки сначала растет, затем интенсивность роста замедляется и, наконец, убывает. Наиболее эффективным значением ширины контакта щетки, диаметром 500 мм и более как из условия эффективности рабочего процесса, так и из условия обеспечения достаточного ресурса, является ширина, равная 70 - 120 мм.

Научная новизна исследований:

1. Разработана и реализована на ЭВМ имитационная модель функционирования щетки коммунальной уборочной машины, позволяющая прогнозировать характеристики рабочего процесса и выявлять их причинно-следственные связи с параметрами щетки, режимами и условиями самого рабочего процесса.

2. Предложена математическая модель контактного силового взаимодействия щетки коммунальной уборочной машины с очищаемой поверхностью, учитывающая инерционные силы, нагрев контактных поверхностей и изменение при этом: механических свойств материала лески щеточного ворса, самих контактных сил и интенсивности изнашивания.

3. Предложены критерии и новые интегральные функции, характеризующие интенсивность изнашивания в зависимости от механических свойств материала лески.

4. Методом имитационного моделирования численно определены наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность рабочего процесса и интенсивность изнашивания щеточного ворса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением основных положений фундаментальных научных направлений, таких как термодинамика, механика твердого деформируемого тела, трибология;

- корректностью сделанных допущений при построении математических моделей и алгоритмов их анализа;

- использованием современных методов измерения и контрольно-измерительной аппаратуры, статистической обработкой результатов экспериментальных исследований;

- практической реализацией разработанных технологических и технических решений;

- использованием современных компьютерных технологий и современного математического программного обеспечения;

- параметрической настройкой разработанной имитационной модели по результатам натурных испытаний.

Научное значение работы состоит в том, что были установлены закономерности протекания рабочего процесса щеточного агрегата коммунальной уборочной машины для обоснования параметров и режимов эксплуатации щеточного рабочего органа, обеспечивающих достаточный ресурс щетки.

Практическое значение работы заключается в разработке программно-методического обеспечения для определения рациональных режимов рабочего процесса коммунальной уборочной машины, обеспечивающего ресурс и эффективность работы щеточного органа, а также в создании методики и оборудования для оценки износостойкости лески щеточного ворса.

Информационной базой исследования послужили публикации, касающиеся рассматриваемых проблем, а также материалы лабораторных и натурных экспериментов.

Реализация результатов работы. Методика рационального выбора характеристик рабочего процесса коммунальной уборочной техники и ее программное обеспечение приняты к использованию предприятием ОАО Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт строительного и коммунального машиностроения. Результаты исследования и разработанное экспериментальное оборудование используются в учебном процессе при подготовке студентов направления 151000 Технологические машины и оборудование ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики. Результаты исследований используются на предприятиях - изготовителях щеток коммунальных машин, а также на предприятиях коммунального хозяйства.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы на различных этапах проведения исследования докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской конференции Машины, агрегаты и приборы: Бытовое обслуживание и коммунальное хозяйство. (СПбГУСЭ, 2006 г.), Всероссийском форуме Формирование университетских комплексов и инновационная деятельность вузов на современном этапе реформирования высшей школы (СПбГУСЭ, 2007 г.), Международной научно-практической конференции Теория и практика инновационного развития экономики в сфере сервиса и туризма (2010 г., г. Калиниград), Пятой Международной научно-технической конференции Полимерные композиты в триботехнике. Проблемы создания и применения, опыт эксплуатации (ФГУП ЦНИИ КМ Прометей, г. Санкт-Петербург, 2012 г.), III Международной научно-практической конференции Инновационные технологии в сервисе (г. Санкт-Петербург, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 статей, отражающих основное содержание работы (из них 11 работ - в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, рекомендуемых ВАК).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 80 наименований, содержит 116 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, изложены цель, задачи, объект и предмет научного исследования, дана характеристика состояния изученности проблемы, а также раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава посвящена постановке задач исследования. Здесь рассмотрены конструктивные особенности и режимы эксплуатации щеток коммунальной уборочной техники, современные методы расчета характеристик высокоскоростного трения и изнашивания, характеристик силового взаимодействия щеточного ворса с очищаемой поверхностью.

Уборочные агрегаты (щётки) представляют собой навесное рабочее оборудование для колесных транспортных средств. Используются различные конструктивные виды щеток: кассетные дисковые; лотковые (боковые); Би-Лайн зигзагообразной формы; ленточные и др. Наибольшее распространение получили дисковые кассетные щетки, на которые в основном и возлагаются функции по подметанию дорожного полотна. Стандартным приводом уборочного агрегата является - гидрообъемный от насоса транспортного средства. Гидрообъемный привод позволяет в широком диапазоне регулировать частоту вращения щетки, с целью обеспечения оптимальных режимов рабочего процесса. В некоторых конструкциях для привода щетки все еще применяется карданный вал, соединенный с выходным валом вариатора транспортного средства, что затрудняет регулирование частоты вращения щетки.

Основными материалами, используемыми при производстве ворса щёток коммунальных машин, являются: полипропилен (ПП), полиамиды, силумин и стальная пружинная проволока. Наибольшее распространение получили щетки, ворс которых изготовлен из полипропиленовой лески, полученной методом гидроэкструзии.

Теоретические и экспериментальные научные исследования, связанные с вопросами моделирования силового взаимодействия щеточного ворса с очищаемой поверхностью проводили: Аршавин А.С., Бармин М.И., Вальщиков Ю.Н., Гавриленко И.Г., Гусев Л.М., Ершов B.C., Завацкий В.Л., Кургузов Ю.И., Моргулис A.M., Храпов В.И., Яконовский П. А. и другие ученые.

Анализ обзора литературных источников по использованию щеточных рабочих органов в различных агрегатах легкой промышленности, торфодобычи, коммунальной техники показывает, что полученные результаты исследований основывались на решении уравнения плоского поперечного изгиба щеточного ворса

= (1)

в соответствии с теорией гибких стержней, изложенной в работах: Астапова Н. С. Захарова Ю.В., Охоткиана К.Г., Попова Е.П. , Скоробогатова А.Д. и др. ученых. Здесь: - изгибающий момент; EJ - изгибная жесткость поперечного сечения; Е - модуль упругости ворсины; J - осевой момент инерции площади поперечного сечения; - координаты оси в плоскости изгиба.

При этом в литературе не представлены исследования по анализу функционирования щеток, изготовленных из современных полимерных материалов - полипропилена и др. В работах перечисленных и других авторов не содержаться сведения о моделировании динамических условий взаимодействия, связанных с вращением щетки. Отсутствуют исследования процесса температурно-силового взаимодействия, обусловленного высокоскоростным трением щеточного ворса об очищаемую поверхность.

В современной литературе, в частности в работах авторов: Александрова А.П., Бартенева Г.М., Башкарева А.Я., Либермана Л.М., Лаврентьева В.В. и др. приводятся данные о свойствах различных полимеров и их поведении в различных условиях. Однако данные о физико-механических и триботехнических свойствах ПП лески, изготовленной методом гидроэкструзии и применяемой в основном для щеток коммунальных машин, в литературе не приводятся. Из работ авторов: Ахматовой А.С., Айнбиндера С.Б., Бартенева Г.М., Белого В.А., Богатина О.Б., Крагельского И.В., Лаврентьева В.В., Морозова В.А., Петроковца М.И., Савкина В.Г., Свириденка А.И., Стукача А.В., Черного И.Н. и др. следует, что процесс трения и изнашивания полимеров в большой степени определяется их физико-механическими свойствами. Поэтому задача установления таких свойств составила одну из задач исследования, решения которой обеспечило возможность построения математической модели процесса трения.

В основе современного подхода к построению математических моделей процесса высокоскоростного трения и изнашивания контактных пар лежат работы авторов: Балакина В.А., Дроздова Ю.Н., Крагельского И.В., Чичинадзе А.В., основанные на учете тепла, выделяемого за счет трения, интенсивность которого определяется зависимостью

,  (2)

где: - коэффициент распределения тепловых потоков, зависящий от условий трения, в основном от скорости скольжения и теплофизических свойств материалов контактной пары (для него получены выражения Блоком Х., Егером Д., Чичинадзе А.В.);  - коэффициент трения, величина изменения которого зависит от скорости скольжения и в работах автора Лепеша Г.В. принимается прямо пропорциональной изменению предела прочности (текучести) материала одного из элементов пары для случая насыщенного контакта; - скорость скольжения, определяемая частотой вращения и размерами щетки, также скоростью коммунальной машины; - давление в контакте, величина которого определяют на основании анализа модели силового контактного взаимодействия.

Для прогнозирования изнашивания абразивных пар при контактном взаимодействии принято рассчитывать характерные удельные величины износа. К которым относят: - интенсивность линейного изнашивания; - интенсивность объемного изнашивания; - интенсивность массового изнашивания; - интенсивность энергетического изнашивания.

Здесь: - линейный, объемный, массовый износ, соответственно; - путь трения; - работа сил трения, которая может быть получена интегрированием зависимости (2) по времени.

Нагревание щеточного ворса в процессе трения может привести к потере механических свойств и как следствие к изменению удельных величин износа. Поэтому одной из главных особенностей настоящего исследования является разработка математической модели нагрева лески щеточного ворса в процессе трения и учет влияния нагрева на прочностные свойства и износостойкость щеточного ворса.

В математических моделях процесса высокоскоростного трения температуру трущихся элементов во времени определяют, как правило, на основании решения уравнения Фурье для одномерного теплового потока в направлении r (плоского теплового источника):

(3)

с учетом граничных условий: , , . Здесь - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности соответственно; - начальная температура.

Решение дифференциального уравнения Фурье (3) для данных граничных условий приводится в литературе, однако в реальных условиях необходимо учитывать как нагрев во время контакта, так и охлаждение после окончания контакта в условиях отвода тепла по всей поверхности лески щеточного ворса, обусловленного вращением щетки с заданной частотой. Причем процесс в течение некоторого времени будет носить квазистационарный характер, так что температура в начале контакта и в конце контакта будут иметь постоянные значения.

Таким образом, для расчета характеристик взаимосвязанных процессов, основанных на физических моделях (1 - 3) и определяющих рабочие характеристики и ресурс щеток коммунальных машин необходима разработка имитационной модели рабочего процесса коммунальной уборочной машины, учитывающая перечисленные особенности.

Во второй главе проведены экспериментальные исследования окончательных механических свойств, приобретаемых ПП леской в процессе ее изготовления методом экструзии. В качестве образцов для проведения экспериментальных исследований была изготовлена штатным методом (методом экструзии) ПП леска пяти вариантов, различающихся толщиной и маркой исходного сырья. В качестве исходного сырья использовался гранулированный ПП четырех известных марок, применяемых на сегодняшний день для изготовления ворса ПП щеток коммунальной уборочной техники.

Испытания проводились на испытательной машине ИММ-5, позволяющей производить интерпретацию и обработку результатов на ЭВМ. В результате построены зависимости для нормальных напряжений σ от линейной деформации δ образцов ПП лески, которые аппроксимированы полиномами второй степени. Получено, что предел прочности на разрыв для материала лески значительно в 8 - 10 раз превышает предел прочности исходного материала и составляет 190 - 220 МПа в зависимости от марки ПП и толщины лески. Для одной и той же марки материала предел прочности увеличивается от 190 до 210 МПа при уменьшении толщины ворса от 3 до 1 мм.

Для оценки влияния температуры ПП лески на ее прочность проведены испытания на разрыв на той же испытательной машине ИМ-5 с применением специального приспособления, обеспечивающего поддержание и контроль температуры лески (рис.2, а, б). Перед проведением испытаний устройство (рис.2, а, б) помещалось в муфельную печь, где разогревалось до заданной температуры и выдерживалось в течение 30 мин.

Рисунок 2. Схема испытаний образцов: а) - Испытательный комплекс; б) - схема приспособления; в) - образцы до испытаний; г), д) - образцы после разрыва: г) - при температуре окружающей среды (=293 K), д) - при температуре =373 K; 1 - ТЭН; 2 - сухой кварцевый песок; 3 - термоизолированный корпус; 4 - испытуемый образец; 5 - датчик температуры; 6 - металлическая (медная) трубка; 7 - захваты испытательной машины.

Во время испытания проводился контроль температуры с помощью цифрового термометра Voltcraft. Для подержания температуры в процессе опыта производился подогрев образца электронагревательным элементом 1 (рис.2, б). Значение температуры фиксировалось в момент разрыва образца. Точность определения температуры составила град. Для обработки результатов эксперимента использован пакет прикладных программ Statistica.

В результате эксперимента построено уравнение регрессии для коэффициента разупрочнения материала лески kT=σ(Т)/σ(Т0), выражающее изменение предела прочности σ(Т) в условиях нагрева до температуры Т по отношению к начальному значению, при Т0. Полученный полином имеет четвертый порядок и вид:

kT=1,295Ц0 ,034 Т+0,0012 Т2 - 1,474 10-5 Т3+5,607 10-8 Т4. (4)

В результате эксперимента установлено, что с повышением температуры напряжение разрыва образцов падает, причем интенсивность падения значительно возрастает с момента достижения температурой значений примерно в 70 оС. В интервале температур +12 +60 оС прочность образцов на разрыв изменяется несущественно.

Для исследования абразивной стойкости ворса щеток коммунальных машин были проведены экспериментальные исследования на специально разработанном стенде (рис.3).

а) б)

Рисунок 3. Стенд для исследования абразивной стойкости ворса щеток коммунальных машин: а) - конструктивная схема; б) - внешний вид. 1 - кронштейн; 2 - вибродатчик; 3 - держатель; 4, 6 - верхний и нижний кронштейны; - шток; 5 - фиксирующие винты;7 - стойка; 8 - реле времени; 9 - инвертор; 10 - устройство управления; 11 - направляющая трубка; 12 - абразивный диск; 13 - стробоскоп; 14 - электродвигатель.

Здесь исходя из эмпирических значений скоростей движения коммунальных уборочных машин νавт в зимнее и летнее время, которые в среднем составляют 13 и 6 км/час соответственно и учитывая, что частота вращения вала щетки современных машин, достигает n = 270 300 об/мин, а диаметр неизношенной наиболее часто применяемой цилиндрической щетки D = 550 мм определена линейная скорость скольжения ворса vс =11,8 м/с.

Режимы испытаний устанавливались исходя из уравнения теплового баланса в зоне трения при испытаниях на стенде и при реальных режимах работы коммунальных машин по условию:

, (5)

где - характерный размер. При использовании реальных образцов лески щеточного ворса , = . При этом расчетная скорость, удовлетворяющая условию (5) соответствовала =1,8 м/с, в случае равенства остальных параметров.

В результате проведенных испытаний построены зависимости для износа пяти испытуемых образцов ПП лески от контактных давлений и скорости скольжения (рис.4), определены интенсивности линейного объемного, массового и энергетического изнашивания. Установлено, что наиболее независимой от условий взаимодействия является характеристика энергетического изнашивания , которая наиболее полно учитывает особенности износостойкости самого материала и является интегральной характеристикой силовых и температурных граничных условий.

Рисунок 4. Зависимость износа в мм от частоты вращения

абразивного круга в с-1

Определенная из эксперимента характеристика , при условии известной радиальной характеристики взаимодействия , позволяет получить выражение для долговечности (ресурса , в час) в виде:

, (6)

где: - объем изношенного материала; - ширина контакта щетки с очищаемой поверхностью;  - средняя радиальная сила взаимодействия щеточной ворса с дорожным покрытием, Н.

В третьей главе на основании известных решений эластики упругого гибкого одномерного стержня и известной энергетической модели процесса высокоскоростного трения разработаны взаимосвязанные математические модели процессов контактного силового и температурного взаимодействия щеток коммунальных машин с очищаемой поверхностью.

В основу математической модели силового взаимодействия, решаемой на основании (1) положены зависимости, полученные для упругого деформирования гибкого одномерного стержня, длиной , аппроксимированные уравнениями регрессии, устанавливающими зависимости для граничных условий контакта: перемещений ui и угла контакта θ1i  относительно радиального смещения vi :

  (7)

При построении математической модели из решения геометрической задачи (рис.5.) определены граничные условия деформирования каждой лески щеточного ворса, находящейся в контакте с очищаемой поверхностью, в зависимости от угла поворота ворсины φi  и изгиба самой ворсины под действием контактной силы, определяемой в частности углом θi. При этом значение изгибающего момента в контактном сечении лески определено зависимостью

,  (8)

где: - угол контакта, ; - угол конечного сечения лески ворса по отношению к нормали контактной поверхности (рис.1.);  - коэффициент трения; - координата конца лески; p - поперечная нагрузка, в условиях (E=const) - p=.

Используются известные геометрические соотношения между шириной пятна контакта и радиальной деформацией щетки в виде и вычисляются граничные условия, определяющие деформацию i-той ворсины в процессе ее взаимодействия с очищаемой поверхностью в пределах угла перекрытия в виде:

, где:

(9)

При решении системы уравнений (8 - 9) с учетом (7) становится возможным рассчитать нормальную контактной силу, если известны условия трения , по формуле:

, (10)

С учетом процесса динамики силового воздействия на очищаемую поверхность лески щеточного ворса, диаметром , изготовленной из материала с плотностью , имеем значение

, (11)

где: - частота вращения щетки; D и d - соответственно наружный и внутренний диаметры щетки.

На рис. 6 приведены расчетные графические зависимости контактной силы отдельной лески от угла поворота щетки, рассчитанные при различных ширинах контакта. Из графика (рис.6 а) следует, что сила в контакте растет с увеличением угла поворота, достигает наибольшего значения вблизи окончания контакта, после чего интенсивно падает. Наибольшее значение контактной силы сначала увеличивается с ростом ширины контакта, а затем практически не изменяется (при Нк >150 мм). В случае учета сил инерции наибольшие значения контактной силы достигаются при наименьшей ширине контакта (при Нк =70 мм).

а) б)

Рисунок 6. Зависимость полной нормальной контактной силы от угла поворота щетки (D=550 мм) при ширинах контакта Нк: 1 - Нк =70 мм; 2 - Нк =100 мм; 3 - Нк =150 мм; 4 - Нк =200 мм; 5 - Нк =250 мм; 6 - Нк =300 мм; а) - без учета сил инерции; б) - с учетом сил инерции.

Проверка адекватности модели контактного взаимодействия производилась с помощью средней ошибки аппроксимации , где опытные значения нормальной силы определялись на специальном стенде с погрешностью Δ ≤ 10-3 Н. Полученное значение величины не превышало 8 %, что характеризует достаточную точность математической модели (рекомендовано 10 - 12 %).

При построении математической модели процесса трения щеточного ворса с очищаемой поверхностью исходили из физической модели (2), где контактные напряжения рассчитывались как средние давления для каждой ворсины щетки, определяемые зависимостью:

. (12)

В выражении (2) для вычисления принималась формула А.В. Чичинадзе, В.М. Горюнова [75]

, где: , , - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала лески и очищаемого покрытия, соответственно; - время взаимодействия.

Значение коэффициента трения в процессе определялось от начального значения пропорциональным коэффициенту температурного разупрочнения 

Для определения температуры поверхности контакта во время контактного взаимодействия использовано известное выражение

,  (13)

где: - время; - коэффициент теплоусвояемости материала лески, =, где: с - теплоемкость; - плотность; - переменный во времени тепловой поток, определяемый на основании (2).

Отток тепла учитывался величиной теплового потока , направленного от поверхности лески в окружающую среду с температурой в соответствии с зависимостью

(14)

где - конвективный коэффициент теплоотдачи, зависящий от скорости воздушного потока в соответствии с известным уравнением .

В зоне конвективного теплообмена распределение температуры по длине лески выражалось формулой, вытекающей из известного решения Римана для задачи с граничными условиями III-го рода,

, (15)

где - интеграл вероятности, который был вычислен суммой бесконечного ряда: .

На рис. 7. приведена графическая зависимость температуры контактной поверхности от времени (), построенная расчетным путем при различных ширинах контакта . Здесь явно выражены участки увеличения и снижения температуры в соответствии с подводом тепла (при контакте) и отводом тепла (после окончания контакта). Из графиков видно, что в течение нескольких секунд с момента начала рабочего процесса наступает термодинамическое равновесие. При этом температура в контакте колеблется между двумя предельными значениями, соответственно - верхним пределом и - нижним пределом. При увеличении интенсивности тепловыделения в контакте (с увеличением времени контакта и при уменьшении времени теплоотдачи в окружающую среду), например с увеличением ширины контакта - верхний предел температуры достигает значения, близкого к температуре плавления, т.е. соответствует температуре, при которой теряются прочностные свойства материалом лески. В этом случае будет происходить интенсивное изнашивание щеточного ворса за счет абляции ее материала. Абляция будет зависеть от глубины прогрева материала лески.

Поскольку в любом случае процесс можно считать установившимся в течение нескольких секунд, то тепловое состояние лески для определения глубины прогрева можно определять в граничных условиях наличия постоянной, средней по величине температуры = (граничные условия III рода) на контактной поверхности и постоянного теплового потока на боковой поверхности лески (граничные условия II рода).

Для условий стационарного нагрева уравнение (15) записывается в виде:

. (16)

где обозначено: ; = - интеграл вероятности Гаусса;

На рис.8. показано распределение температуры по длине лески щеточного ворса (в полулогарифмических координатах) при различных частотах вращения щетки n и ширинах контакта .

Рисунок 8. Распределение температуры по длине лески щеточного ворса (в полулогарифмических координатах) при различных частотах вращения щетки n и ширинах контакта : 1 - =70 мм; 2 - =100 мм; 3 - =150 мм; 4 - =200 мм; 5 - =250 мм; 6 - =300 мм. (При 350 об/мин для вар 3 - 6 наблюдается плавление лески в зоне контакта)

Из результатов следует, что в процессе трения происходит нагрев поверхности материала на глубину, не превышающую 1 мм (по длине лески). Нагрев носит установившийся характер, т.е. температура боковой поверхности не изменяется во времени по истечении промежутка времени, сравнимого с оборотом щетки. Закон изменения температуры по длине носит в основном экспоненциальный характер. Значение температуры на поверхности контакта зависит от условий силового взаимодействия, определяемых величиной прижатия щетки и частотой ее вращения. Для расчета температурного поля можно применять упрощенную зависимость (16) нагрева и теплообмена с окружающей средой лески щеточного ворса. Для проверки адекватности модели трения были численно воспроизведены условия трения принятые в экспериментальных исследованиях образца 4 (рис.4). При этом предположено, что = , где - интенсивность изнашивания при начальной температуре T0. Средняя ошибка аппроксимации при этом не превысила значения 10%.

Четвертая глава посвящена разработке имитационной модели функционирования щеточного агрегата коммунальной уборочной машины. Исходные данные имитационной модели определены: параметры щеточного агрегата; параметры дорожного покрытия и условия функционирования (табл. 1).

Таблица 1. Исходные данные имитационной модели

№ п/п

Обозначение

Идентификация

Исследуемые значения

D

Наружный диаметр щетки, мм

350 - 915

d

Внутренний диаметр щетки, мм

78 - 280

n

Частота вращения вала щетки, об\мин

270 300

Начальное значение коэффициента трения

0,2 - 0,6

Диаметр ворса, мм

1,5 - 4,0

густота ворса, м-2

5000 - 10000

Скорость автомобиля, км/час

6,0 - 20,0

Е

Коэффициент эластичности материала лески, МПа

1200 - 1400

σ

Предел прочности материала лески, МПа

180 - 250

Ширина пятна контакта, мм

50 - 300

Энергетическая характеристика интенсивности абразивного изнашивания, м3/ Дж х 1011

0,5 - 1,5

Температура плавления материала лески, К

320 - 470

Температура окружающей среды, К

250 - 300

Теплоемкость материала лески, кДж/(кг К)

1,2 - 1,3

Теплоемкость материала дорожного покрытия (загрязнения), кДж/(кг К)

1,0 - 1,6

Теплопроводность материала лески, Вт/(м К)

0,18 - 0,19

Теплопроводность материала дорожного покрытия, Вт/(м К)

0,18 - 2,4

Плотность материала лески, кг/м3

900 - 950

Плотность материала дорожного покрытия (загрязнения), кг/м3

200 - 1800

Характеристика прочности загрязнения, МПа

0,0 - 4,0

r

Размерная характеристика загрязнения, мм

0,5 - 10

Коэффициент организации воздушного потока

0,5 - 1,0

Аэродинамический коэффициент (для частиц загрязнений)

0,45 - 1,05

μ

Коэффициент вязкости расплавленного материала лески, Пас

102 . Ц2 103

Параметр микронеровности поверхности, мм

0,5 - 10

Для определения интенсивности изнашивания щетки и ее работоспособности введены две интегральные характеристики рабочего процесса и , соответственно. Значения этих характеристик определяются условиями силового воздействия на очищаемую поверхность и условиями контактного взаимодействия, зависящими также от свойств загрязнения и его сцепления с очищаемой поверхностью:

(17)

где: Цсоставляющие контактной силы; - угол контакта; - координата длины площадки контакта; - густота ворса 1/м2.

На рис. 9, 10 приведены графики изменения интегральных характеристик от частоты вращения щетки и ширины контактной поверхности . Из графиков следует, что с увеличением и интенсивность роста характеристики возрастает, в то время как с увеличением рост замедляется. В реальных условиях рабочего процесса его характеристика будет зависеть от свойств загрязнений очищаемой поверхности. Зависимость этой характеристики от условий рабочего процесса представлена графиками (рис. 9).

а) б)

Рисунок 9. Изменение характеристики работоспособности щетки: а) - от ширины контакта (D= 550 мм) при 1 - =500 об/мин; 2 - =250 об/мин; 3 - =150 об/мин; 4 - =50 об/мин; б) - от частоты вращения при: 1 - =70 мм; 2 - =100 мм; 3 - =150 мм; 4 - =200 мм

а) б)

Рисунок 10. Изменение характеристики работоспособности щетки (D= 550 мм) от ширины контакта: а) - при различном коэффициенте сцепления : 1 - =0,71; 2 - =0,5; 3 - =0,25; 4 - 0,1; б) - при различной прочности снежного покрытия: 1 - =0,01 МПа; 2 - =0,1 МПа; 3 - =0,2 МПа

Из графика (рис.10 а) следует, что с увеличением коэффициента сцепления загрязнения с дорожным покрытием характеристика определяющая работоспособность щетки, падает за счет проскальзывания лески щеточного ворса относительно загрязнения. При ширине контакта, не превышающей 100 мм, проскальзывания не происходит даже при предельных значениях =0,71. Из графика (рис. 10 б) следует, что с увеличением прочности снежного покрытия характеристика работоспособности 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 обеспечивает рабочий процесс, хотя и с намного меньшей эффективностью.

Оценка точности разработанной модели производилась путем сравнения расчетных значений износа и результатов экспериментальных исследований, полученных на основе мониторинга рабочего процесса в ООО Управляющая компания Доверие (рис. 11).

Результаты показали, что опытные значения радиального износа (рис. 11 линия 2) превышают расчетные (рис. 11 линия 3). При введении параметра согласования , согласованные значения радиального износа , расчетные и опытные значения практически совпадают. Т.е. дисперсия адекватности 0,35 мм2, а средняя ошибка аппроксимации составляет величину 4,28 %.

Физический смысл введения коэффициента (большего единицы) заключается в необходимости учета неровности поверхности, которая значительно влияет на изменение ширины площадки контакта щетки с очищаемой поверхностью . Причем увеличение ширины контакта приводит к намного большему изнашиванию щетки, чем ее уменьшение вследствие зависимости от ширины контакта интегральной характеристики . Точная величина коэффициента будет зависеть от конструкции машины и неровности (волнистости) убираемой поверхности. Точное определение данного коэффициента выходит за рамки данного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведённый в исследовании теоретический и экспериментальный анализ позволил решить актуальные задачи для повышения эффективности коммунального хозяйства страны, заключающиеся в разработке теоретических и методических основ обоснования рабочих режимов и параметров щеточного агрегата коммунальной уборочной машины.

В результате проведенных исследований сделаны следующие основные выводы и предложения.

1. Разработана и реализована на ЭВМ имитационная модель функционирования щеточного агрегата коммунальной уборочной машины, позволяющая прогнозировать характеристики рабочего процесса и выявлять их причинно-следственные связи с параметрами щетки, режимами и условиями самого рабочего процесса. Имитационная модель позволяет прогнозировать ресурс и работоспособность щетки еще на ранних стадиях проектирования щеточного органа коммунальной машины, причем, с учетом моделируемых условий ее последующего применения. Произведена параметрическая настройка имитационной модели путем согласования расчетных и опытных значений износа щеточного ворса, полученного в натурных условиях.

2. В основу имитационной модели положена математическая модель эластики гибких стержней, построенная по известным решениям и адаптированная к граничным условиям взаимодействия вращающейся щетки с очищаемой поверхностью. Впервые в математической модели контактного силового взаимодействия учтены инерционные силы, процессы нагрева контактных поверхностей и изменения при этом: механических свойств материала лески щеточного ворса, самих контактных сил и интенсивности изнашивания.

3. На базе проведенных экспериментальных исследований определены прочностные свойства лески щеточного ворса, изготовленного методом гидроэкструзии из полипропилена различных марок. Проведена оценка изменения прочностных свойств от температуры. Определены также критерии, характеризующие интенсивность изнашивания щеточного ворса. Установлены зависимости критериев от прочностных свойств материала лески.

4. Для оценки эффективности работы щётки коммунальной уборочной машины определены две интегральные функции, одна из которых выражает способность щетки к подметанию, а другая определяет интенсивность силового взаимодействия щеточного ворса с дорожным покрытием, т.е. - износ и ресурс щетки, соответственно.

5. В результате анализа, проведенного на базе имитационной модели, установлены наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность рабочего процесса с одной стороны и на интенсивность изнашивания щеточного ворса с другой. Для каждой определенной конструкции щетки к ним относятся следующие режимы рабочего процесса: частота вращения щетки; ширина контакта щетки с очищаемой поверхностью; скорость автомобиля; неровности дорожного покрытия; прочность убираемого снежного покрова или прочность сцепления загрязнения с поверхностью. В качестве наиболее значимых конструктивных параметров щетки, определяющих ее рабочие качества и ресурс, определены: механические свойства лески щеточного ворса - его износостойкость; диаметр и длина лески; наружный диаметр щетки; густота ворса.

6. Установлено, что основной причиной, ограничивающей увеличение режимов работы коммунальных машин, например частоты вращения щетки и, в меньшей мере, скорости движения автомобиля является нагрев контактной поверхности лески и, как следствие - рост интенсивности изнашивания за счет снижения механических свойств материала лески.

7. Основным эксплуатационным параметром, влияющим на ресурс щетки и одновременно на ее работоспособность, определена ширина поверхности контакта щетки с очищаемой поверхностью. С ее увеличением снижается ресурс щетки. С увеличением ширины поверхности контакта щетки ее работоспособность сначала увеличивается, затем интенсивность роста замедляется и, наконец, убывает. Имитационная модель позволяет рационально произвести выбор ширины контакта исходя из условий состояния очищаемой поверхности, конструкции щеточного агрегата и режимов рабочего процесса.

8. На базе построенных зависимостей влияния параметров рабочего процесса на его характеристики и ресурс щетки установлено, что для увеличения эффективности рабочего процесса с увеличением прочности загрязнений и их сцепления с очищаемой поверхностью целесообразно увеличивать толщину лески щеточного ворса. Целесообразным является также повышение частоты вращения щетки, не допуска при этом нагревания контактной поверхности до температуры большей 90 - 100 0С.

9. Методика рационального выбора характеристик рабочего процесса коммунальной уборочной техники и ее программное обеспечение приняты к использованию предприятием ОАО Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт строительного и коммунального машиностроения.

10. Результаты исследования и разработанное экспериментальное оборудование используются в учебном процессе при подготовке студентов направления 151000 Технологические машины и оборудование ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики. Результаты исследований используются на предприятиях - изготовителях щеток коммунальных машин, а также на предприятиях коммунального хозяйства.

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК:

  1. епеш А.Г. Функционирование и ресурс щеток коммунальной уборочной техники.// Вестник Российской академии естественных наук, 2011, вып. 15 №4, с. 128 - 130.
  2. епеш А.Г. Научные основы повышения производительности подметальных агрегатов коммунальных машин// Инновации № 6, 2011 г.
  3. епеш А.Г., Лепеш Г.В., Кузнецова А.Д. Обоснование выбора параметров рабочего процесса подметального агрегата коммунальной уборочной техники.// Вестник Российской академии естественных наук, 2012, вып. 16 №1, с. 116 - 122.
  4. епеш А.Г. Анализ температурно-силового состояния щеточного ворса в рабочем процессе коммунальной уборочной машины//Известия международной академии аграрного образования, выпуск №15, Том 1, с. 44 - 49.
  1. епеш А.Г. Прогнозирование изнашивания щеток коммунальных машин. // Технико-технологические проблемы сервиса № 2(12), 2010 г. с. 25 - 34.
  2. епеш А.Г., Лепеш Г.В. Математическое моделирование силового взаимодействия щеток коммунальных машин с дорожным покрытием.// Технико-технологические проблемы сервиса. №3(13), 2010 г. с. 32 - 38
  3. епеш А.Г. К определению силового взаимодействия щёток коммунальных машин с дорожным покрытием.// Технико-технологические проблемы сервиса. №1(15), 2011 г. с. 30 - 35.
  4. епеш А.Г., Лепеш Г.В., Воронцов И.И. Методика экспериментального определения износостойкости щеточного ворса коммунальной уборочной техники.// Технико-технологические проблемы сервиса. №2(16), 2011 г. с. 6 - 18.
  5. епеш А.Г., Имитационное моделирование рабочего процесса коммунальной уборочной техники.// Технико-технологические проблемы сервиса. №3(17), 2011 г. с. 32 - 41.
  6. епеш А.Г., Лепеш Г.В., Петренко Ю.А. Исследование влияния температуры на прочность полипропиленовой лески.// Технико-технологические проблемы сервиса. №4(18), 2011 г. с. 55 - 59.
  7. епеш А.Г., Лепеш Г.В. Разработка методики рационального выбора характеристик рабочего процесса коммунальной уборочной техники.// Технико-технологические проблемы сервиса. №1(19), 2012 г. с. 24 - 31.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

  1. епеш А.Г. Теоретические основы процесса высокоскоростного трения и изнашивания щеток коммунальных машин.// Сб. тудов Международной научно-практической конференции Теория и практика инновационного развития экономики в сфере сервиса и туризма, г. Калиниград, 2010 г
  2. епеш А.Г., Зубов А.А. Применение информационных компьютерных технологий при проектировании элементов машин.// Материалы докладов второй Всероссийской конференции Машины, агрегаты и приборы: Бытовое обслуживание и коммунальное хозяйство. СПбГУСЭ, 2006г. с. 157 - 164.
  3. епеш А.Г. Методические основы оценки эффективности щеточных агрегатов коммунальных машин.// Сб. материалов докладов III Международной научно-практической конференции Инновационные технологии в сервисе. СПбГУСЭ, 2012 г. с. 168 - 170.
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям