Введение к работе
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:
-
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.
-
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.
-
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.
