Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.361.3

Винницкий национальный технический университет

Березюк Олег Владимирович

На сегодняшний день твердые отходы угрожают безопасности окружающей среды и здравоохранению [1-6]. Для решения этой проблемы городские коммунальные службы проводят сбор и вывоз твердых бытовых отходов, подметания улиц, дорог и тротуаров, используя отдельные коммунальные машины (спецавтомобили): мусоровозы [7-10] и подметально-уборочные машины[11_16], соответственно.

Использование подметально-уборочных машин крайне неэффективно вследствие низкого коэффициента загрузки, поскольку они используются редко в основном в осенний и весенний периоды [17]. Остальное время подметания улиц и тротуаров осуществляется дворниками, работающих во вредных условиях. Поєтому предлагается решать эти проблемы в комплексе, создав на базе мусоровоза экологическую машину путем разработки навесного подметального оборудования, которым могли бы оснащаться мусоровозы. Это расширит функциональные возможности мусоровоза и значительно снизит расходы коммунальных служб. Особенно это актуально для небольших городов и поселков городского типа, где содержание нескольких коммунальных машин, выполняющих разные функции, ложится тяжелым бременем на местные бюджеты. Согласно с документом[18], обеспечение применения современных высокоэффективных мусоровозов в коммунальном хозяйстве страны является актуальной научно-технической задачей. В частности, актуальной является проблема разработки новых конструкций мусоровозов с расширенными функциональными возможностями на основе методик инженерных расчетов их основных параметров.

Анализ публикаций

В работе [19] приведено математическую модель группового гидропривода с последовательным соединением гидромоторов навесного подметального оборудования(НПО) новой экологической машины на базе мусоровоза для очистки населенных пунктов от твердых отходов, защищенной патентом [20], в виде существенно нелинейной системы дифференциальных уравнений, которая не может быть решена известными аналитическими методами в допустимых границах погрешности. Статья [21] содержит упрощенную математическую модель привода НПО, аналитическое ее решение, а также аналитические зависимости основных силовых и кинематических характеристик гидропривода НПО мусоровоза в установившемся режиме работы, которые могут быть использованными при проведении проектных расчетов новых конструкций мусоровозов с расширенными функциональными возможностями. В работе [22] приведена имитационная модель функционирования подметального агрегата коммунальной уборочной машины.

Целью исследования является разработка методики проектных расчетов новых конструкций мусоровозов с расширенными функциональными возможностями.

Результаты исследования

При проектировании НПО с гидравлическим приводом целесообразно иметь простую методику инженерного расчета основных звеньев привода, позволяющую получить основные его геометрические, силовые и скоростные параметры. Такую методику можно создать при таких предположениях:

- смёт относится к категории грузов, перемещающихся сравнительно легко;

- учитывая размер частиц смёта, он не относится к кусковым материалам;

- при последовательном соединении гидромоторов перепад давлений на каждом гидромоторе распределяется прямо пропорционально мощности гидромоторов.

Принятые предположения позволяют, не рассматривая дифференциальные уравнения движения исполнительных органов и расходов рабочей жидкости, предварительно определить основные параметры НПО, которые потом можно уточнить при анализе динамики НПО в условиях его работы в составе конкретной коммунальной машины.

Принципиальная расчетная схема НПО показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная расчетная схема НПО

На рис. 1 обозначены такие основные параметры НПО: nЩ, МКРщ, PЩ, R - частота вращения, крутящий момент, мощность, радиус вращения щётки, соответственно; nШ, МКРш, PШ, lШ, D - частота вращения, крутящий момент, мощность, длина, диаметр шнека, соответственно; t - шаг винта; d - диаметр вала шнека; - угол наклона шнекового транспортера; угол наклона ворса; vм рабочая скорость машины при подметании; S свободная длина ворса; RБ радиус барабана цилиндрической щетки; h - деформация ворса щетки; уК - расстояние между ободом барабана и горизонтальной поверхностью дороги; ВМ ширина полосы подметания; рМ1, рМ2 - перепады давления при установившемся движении в гидромоторах щётки и шнека, соответственно; qМ1, qМ2 - рабочие объемы гидромоторов щётки и шнека, соответственно; QM1, QM2 - расходы рабочей жидкости в гидромоторах щётки и шнека, соответственно.

Основные параметры гидродвигателей определяют, исходя из кинематической схемы машины и наличия промежуточных звеньев между рабочими и исполнительными органами. Заданные скорости и нагрузка на рабочих органах машины должны быть отнесены расчетным путем к соответствующим параметрам гидродвигателей, избранных для применения. Основными условиями правильного выбора гидромоторов являются обеспечение рабочими органами машины необходимых крутящего момента МКР и частоты вращения n и соответствие внешних нагрузок, отмеченных в технической характеристике гидродвигателей [23].

В соответствии с материалом ворса щетки с помощью таблицы 1 определяем его физические свойства.

Таблица 1 Физические свойства материалов ворса щетки [24-26]

Радиус вращения щетки R находим по формуле

,

где S = 70…160 мм свободная длина ворса [24]; RБ радиус барабана цилиндрической щетки.

Минимально-допустимое значение частоты вращения щетки nщ определяем по формуле

,

где vм = 0,7…6 м/с рабочая скорость машины при подметании [24]; угол наклона ворса.

Расстояние между ободом барабана и горизонтальной поверхностью дороги уК находим по формуле

.

Значение деформации ворса щетки h определяем по формуле

.

Общее число ворса цилиндрической щетки іщ определяем из условия перекрытия следов ворса на дорожном покрытии, как по ширине щетки, так и в радиальной плоскости вращения

,

где ВМ ширина полосы подметания; KP = 2…2,5 коэффициент неравномерности расположения ворса на образующей поверхности барабана щетки [24]; rВ радиус поперечного сечения прутка ворса.

Момент инерции J поперечного сечения прутка относительно оси, перпендикулярной к плоскости вращения, находим по формуле

.

Суммарную вертикальную реакцию ворса F определяем по формуле[21]

,

где Е - модуль упругости материала ворса (см. таблицу 1).

Мощность привода цилиндрической щетки РЦ находим по формуле

,

где fB - коэффициент трения материала ворса о дорожное покрытие (см. таблицу 1); Кзап = 1,1 - коэффициент запаса мощности для преодоления инерционных сил в неустановившимся режиме движения, сил деформаций ворса и аэродинамического сопротивления [24]; щ - КПД привода цилиндрической щетки.

Крутящий момент на валу цилиндрической щетки определяем по формуле

.

Необходимую производительность шнекового транспортера Q находим по формуле

,

где qm = 0,1 кг/м2 - количество загрязнения на единицу площади дорожного покрытия [24].

Значение поправочного коэффициента С определяем по формуле

,

где - угол наклона шнекового транспортера.

Диаметр шнека D находим по формуле

,

где угол подъема винтовой линии; fK коэффициент трения частицы о кожух транспортера; fг коэффициент трения частицы о винт транспортера; =0,125 коэффициент наполнения[27]; с = 1,4103 кг/м3 плотность смёта[24]; g = 9,8 м/с2 ускорение свободного падения.

По ГОСТ 2037-75 выбираем стандартное значение D, округлив расчетное в большую сторону.

Шаг винта t принимаем равным диаметру D [27].

Для создания необходимой центробежной силы шнек должен иметь довольно большую частоту вращения nш, то есть ограничивается ее минимальное допустимое (критическое) значение, необходимое для транспортировки груза вверх, что определяется по формуле [27]

.

Крутящий момент на валу шнекового транспортера МКРш находим по формуле

,

где lш - длина шнекового транспортера.

Максимальную продольную силу F, действующую на вал шнека определяем по формуле [27]

,

где k = 0,7…0,8 - коэффициент диаметра шнека.

Исходя из условий прочности на кручения под действием крутящего момента МКРш и на изгиб под действием изгибающего момента kFD/2, диаметр вала шнека находим по формуле

,

где [] = 90 МПа - допустимое напряжение.

Необходимую мощность привода шнека определяем по формуле

,

где Ш - КПД привода шнека.

Основными параметрами гидромоторов является рабочий объем qМ гидромотора, перепад давления рМ при установившемся движении, а производным параметром расход рабочей жидкости, поступающей в гидромотор QМ. подметальный экологический гидропривод мусоровоз

Рабочий объем гидромоторов qМ1, qМ2 определяем по формулам, полученным на основе аналитического решения упрощенной математической модели привода рабочих органов НПО[21]:

;

,

где у = 9,2410-11 м5/(Нс) - коэффициент перетекания рабочей жидкости.

По ГОСТ 13824-68 выбираем стандартные значения qМ1, qМ2, округлив расчетные в большую сторону.

Определяем перепады давления на каждом из гидромоторов по формулам:

.

Расходы рабочей жидкости в каждом из гидромоторов QM1, QM2 находим по формулам[23]:

;

,

где VM - объемный КПД гидромотора.

Расходы рабочей жидкости QM1, QM2 не должны превышать фактическую подачу гидронасоса.

Площадь открытия регулируемого дросселя SДР можно определить по формуле, полученной из уравнений регрессии результатов численного исследования математической модели привода рабочих органов НПО, приведенной в работе [21]

.

В отличии от существующих методик, приведённая в данной работе методика инженерных расчетов позволяет не только определить основные параметры НПО, но и рассчитать параметры его гидропривода как составной части гидропривода мусоровоза, на базе которого и создается новая экологическая машина.

С целью автоматизации расчёта параметров НПО мусоровоза разработан алгоритм этого расчёта, блок-схема которого приведена на рис. 2.

Параметры НПО, рассчитанные по предлагаемой методике, приведены в таблице 2.

Использование предложенной методики инженерного расчета НПО позволяет существенно сократить время проектирования, избежать необоснованных расходов на трудоемкие экспериментальные и теоретические исследования.

Таблица 2 Основные параметры НПО