Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса цель и задачи исследований 9
1.1 Технология содержания летнего дорог 10
1.2 Обзор конструкций подметально-уборочных машин 16
1.3 Патентный обзор конструкторских решений подметально-уборочных машин 19
1.4 Обзор теоретических исследований 22
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 26
2. Экспериментальные исследования характеристик рабочей среды 29
2.1 Исследование параметров распределения загрязнений по ширине дороги 29
2.2 Определение физико-механических свойств грунтового наноса ...33
Выводы по главе 37
3. Математическая модель машины для очистки прибордюрных зон городских дорог с дисковым рабочим органом 38
3.1 Определение сил сопротивления удалению грунтового наноса с поверхности дорожного покрытия 40
3.1.1 Определение сил сопротивления возникающих на первом этапе процесса удаления грунтового наноса лопаткой дискового рабочего органа 40
3.1.2 Определение сил сопротивления возникающих на втором этапе процесса удаления грунтового наноса лопаткой дискового рабочего органа 67
3.1.3 Определение сил сопротивления возникающих на третьем этапе процесса удаления грунтового наноса лопаткой дискового рабочего органа 71
3.1.4 Определение сил сопротивления действующих на диск в процессе удаления грунтового наноса 71
3.2. Определение сил сопротивления перемещению стружки грунтового наноса в кожухе шнека 74
3.2.1 Определение момента сил сопротивления перемещению стружки грунтового наноса в кожухе шнека 79
3.3 Определение продолжительности этапов процесса удаления грунтового наноса с поверхности асфальтобетонного покрытия лопаткой дискового рабочего органа 82
3.4 Определение критической частоты вращения дискового рабочего органа 85
3.5 Определение удельной энергоемкости процесса удаления грунтового наноса и коэффициента качества 85
Выводы по главе 86
4. Экспериментальные исследования 88
4.1 Описание экспериментальной установки 88
4.2 Расчет экспериментальной установки 94
4.3 Процесс проведения эксперимента и его результаты 96
4.3.1 Процесс проведения эксперимента 97
4.3.2 Методика обработки данных эксперимента 99
4.3.3 Результаты эксперимента 101
Выводы по главе 103
5. Проверка адекватности математической модели и ее анализ 104
5.1 Проверка адекватности математической модели 104
5.2 Анализ математической модели 112
Выводы по главе 118
6. Рекомендации по выбору рациональных геометрических параметров и режимов работы рабочего органа 119
6.1 Методика расчета мощности двигателя и производительности базовой машины 120
6.2 Конструкция машины для очистки прибордюрных зон городских дорог 123
Выводы по главе 127
7. Основные результаты исследований и выводы 130
Литература 133
Приложения 141
- Патентный обзор конструкторских решений подметально-уборочных машин
- Определение физико-механических свойств грунтового наноса
- Определение сил сопротивления перемещению стружки грунтового наноса в кожухе шнека
- Конструкция машины для очистки прибордюрных зон городских дорог
Введение к работе
В последнее десятилетие наблюдается существенный рост парка автомобилей в России, и, как следствие, возникает необходимость не только в расширении дорожной сети, но и качественном её содержании. В связи с этим возрастают требования к межсезонной и летней уборке городских дорог для обеспечения экологических параметров и безопасности дорожного движения.
Машины для летнего содержания дорог являются неотъемлемым и немаловажным элементом дорожного комплекса, позволяющего решать ряд проблем, связанных с эксплуатацией дорог. Применяемые конструкции подметально-уборочных машин недостаточно эффективны при очистке прибордюрных зон, так как грунтовый нанос является плотной средой и не всегда поддается удалению щеткой (лотковой, цилиндрической) особенно в период межсезонья.
Уборочная машина должна обеспечить отделение грунтовых наносов от поверхности дорожного покрытия, погрузку и вывоз, в настоящее время эта проблема решается следующим образом. При небольшом слое наносов они удаляются подметально-уборочной машиной в один или несколько проходов, при относительно большом слое наносов они сгребаются в кучи автогрейдером или бульдозером, затем они загружаются в транспортное средство и вывозятся, что довольно трудоемко.
Проблема удаления грунтового наноса приобретает особую значимость, поскольку основная часть всех загрязнений скапливаются именно в прибордюрных зонах городских дорог.
Качественное и своевременное удаление загрязнений положительно влияет на безопасность дорожного движения, так как повышает сцепление колес с дорожным покрытием, а также уменьшает содержание мелкодисперсных частиц загрязнений в воздухе.
В диссертационной работе рассматривается вопрос влияния режимов работы и геометрических параметров рабочего оборудования для очистки прибордюрных зон на удельную энергоемкость процесса и качество уборки дорог. Удельная энергоемкость - это затраты энергии на обеспечение единицы производительности процесса удаления грунтового наноса. Качество уборки дорог оценивается коэффициентом. Коэффициент качества - это отношение количества убранных загрязнений к первоначальному количеству загрязнений на дорожном покрытии. При определении рациональных геометрических параметров и режимов работы рабочего органа в качестве критерия эффективности используется удельная энергоемкость процесса, и обеспечении необходимого коэффициента качества.
Повышение эффективности очистки прибордюрных зон, посредством совершенствования технологии уборки, создания нового рабочего оборудования, обеспечения рациональных геометрических параметров и режимов работы этого оборудования, является актуальной научно-технической задачей.
Объектом исследования является конструктивно-технологическая система «рабочий орган - грунтовый нанос».
Предмет исследования - закономерности процесса удаления грунтового наноса рабочим органом.
Научная новизна работы;
исследованы физико-механические свойства грунтового наноса;
создана математическая модель процесса удаления грунтового наноса рабочим органом машины для очистки прибордюрных зон городских дорог;
предложена методика выбора рациональных геометрических параметров и режимов работы рабочего органа.
установлены зависимости удельной энергоемкости процесса удаления грунтового наноса от геометрических параметров, режимов работы рабочего органа и свойств грунтового наноса.
7 Практическая ценность.
предложено техническое решение конструкции машины для очистки прибордюрных зон городских дорог (патент на полезную модель №57295);
обоснованы рекомендации по выбору рациональных геометрических параметров и режимов работы рабочего органа.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств грунтового наноса.
Математическая модель процесса удаления грунтового наноса.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований определения удельной энергоемкости процесса удаления грунтового наноса.
Алгоритм расчета толщины срезаемой стружки грунтового наноса.
Рекомендации по выбору рациональных геометрических параметров и режимов работы рабочего органа.
Апробация работы. Основные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли апробацию на научно-технических конференциях СибАДИ (г.Омск 2003-2007), на заседаниях кафедры «Дорожные машины» и в публикациях.
В первой главе приведен анализ состояния вопроса.
Выполнен обзор научных работ посвященных проблеме летней уборки городских дорог. Проведен анализ конструкций подметально-уборочных машин и технологий уборки дорог, так же патентный обзор. Проработаны вопросы, связанные с совершенствованием технологий уборки городских дорог и специальных машин для содержания дорог. Выбрана конструктивная схема рабочего органа для удаления грунтового наноса и технологическая схема работ по очистки прибордюрных зон дорог.
Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик рабочей среды (грунтоюго наноса). Выявлены и статистически обоснованы параметры распределения грунтоюго наноса по ширине дороги. Определены физико-механические свойства грунтоюго наноса, такие как
8 гранулометрический состав, плотность кг/м, влажность %, сцепление Па, угол внутреннего трения.
В третьей главе представлена математическая модель процесса удаления грунтового наноса, учитывающая режимы работы и геометрические параметры рабочего органа В качестве критерия эффективности принята удельная энергоемкость процесса.
Четвертая глава посвящена разработки конструкции экспериментальной установки, экспериментальным исследованиям процесса удаления грунгоюго наноса рабочим органом с различными профилями отбрасывающих лопаток и анализу полученных экспериментальных данных.
В пятой главе проведена проверка адекватности математической модели. Выполнен анализ математической модели, на предмет установления закономерностей процесса удаления грунтового наноса рабочим органом.
В шестой главе на основе проведенных теоретических исследований приведены рекомендации по определению рациональных геометрических параметров и режимов работы рабочего органа, предложена конструкция машины для очистки прибордюрнюх зон городских дорог.
В седьмой главе представлены основные выводы, результаты, заключения, сделанные на основе проведенных исследований.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору, проректору СибАДИ по научной работе Завьялову Александру Михайловичу за ценные замечания и рекомендации при выполнении диссертационной работы, коллективу кафедры дорожные машины за содействие при проведении экспериментальных исследований, а так же соавторам патента на полезную модель Попову Виктору Панфиловичу, Завьялову Александру Михайловичу и Поповой Татьяне Георгиевне за сотрудничество в процессе создания и оформлении заявки.
Патентный обзор конструкторских решений подметально-уборочных машин
Проведенный патентный поиск выявил ряд перспективных направлений решения данной проблемы. Так в описании к авторскому свидетельству 121 представлена уборочная машина конструктивной особенностью, которой является наличие торцовой фрезы, лотковой щетки и шнека. В процессе удаления наносов вблизи бордюрного камня торцовая фреза и лотковая щетка транспортируют смет в зону шнекового питателя (рисунок 1.9). Недостатками данного конструкторского решения являются: значительная металлоемкость и сложность конструкции, незащищенность торцовой фрезы от столкновения с непреодолимым препятствием, повышенная энергоемкость процесса уборки. В авторском свидетельстве III представлено устройство для очистки прилотковой части дорог содержащее базовое шасси 1 с рамой 4, установленный на раме рабочий орган 2 в виде горизонтальной фрезы и торцевых режущих дисков и привода 5 (рисунок 1.10).
Также известна конструкция рабочего органа снегоуборочной машины /3/ содержащий корпус 1, в котором смонтирован питатель 2, в виде винтовой фрезы, роторный метатель 3, в виде щетки, и приводы 4 и 5 к ним (рисунок 1.11). Недостатком данной конструкции можно считать невозможность удаления с прилотковой зоны плотного снега и грунтового наноса. В авторском свидетельстве /4/ представлено устройство для очистки дорожных поверхностей содержит базовое шасси 1, на котором посредством рамы 2 закреплена щетка 4, рама в рабочем положении опирается на каток 5 (рисунок 1.11). Недостатком является невозможность удаления с прилотковои зоны плотного снега и грунтового наноса, а также отсутствие устройства транспортирования смета. 22 В работах /38, 39/ представлено рабочее оборудование позволяющее решить проблему уборки лотковой полосы (рисунок 1.13). Достоинством этого технического решения является то, что рабочее оборудование устанавливается на шасси снегоуборочной машины, применение данного оборудования позволяет увеличить коэффициент использования машины по времени.
Недостатком является сложность и металлоемкость конструкции. Также недостаточная полнота научных исследований по предложенному в статьях оборудованию, не дает возможности эксплуатировать его с наибольшей эффективностью. Теоретические исследования, проводимые такими авторами как В.И. Баловневым, Л.М. Гусевым, А.Б. Ермиловым, A.M. Завьяловым, И.А. Засовым, Г.Л. Карабаном, Б.А. Лифшиц, и другими в основном предназначены для расчета потребляемой мощности, режимов работы, геометрических параметров щеточных и вакуумных рабочих органов подметально-уборочных машин. Так А.Б. Ермиловым /32/ приводится расчет цилиндрической и лотковой щеток, основы их взаимодействия с загрязнениями и дорожным покрытием. Суммарная вертикальная реакция покрытия на ворс цилиндрической щетки где Е - модуль упругости, МПа; /- момент инерции поперечного сечения стержня, кгм2; /- коэффициент трения ворса о дорожное покрытие; S - длина прутка ворса, м; у к - расстояние от кромки барабана до поверхности покрытия А изгибающий момент прутка ворса по Ермилову определяется: Данные исследования применимы только для машин убирающих загрязнения с дорог при помощи щеток и являются малоэффективными при удалении грунтового наноса.
Определение физико-механических свойств грунтового наноса
В случае если момент сил сопротивления удалению грунтового наноса превысит максимально возможный момент М , произойдет буксование. На основе указанных данных и с учетом того, что поступательная скорость движения установки о = 0,15м/с, угловая скорость рабочего органа Юро = 7,25 рад/с, построим траектории холостого движения кромок лопаток (рисунок 4.8). В процессе удаления грунтового наноса угловая скорость рабочего органа, как было зафиксировано с помощью цифровой видеокамеры, максимально снижается до значения coipo - 6,5 рад/с, а поступательная скорость v снижается не значительно в связи с тем, что установка обладает большой инерционностью, поэтому при построении траекторий движения примем о = 0,15м/с. Так как высота грунтового наноса при проведении эксперимента изменяется в пределах до 0,06 м по формуле /66/ можно приближенно рассчитать объем грунта удаляемый одной лопаткой где S - подача на лопатку, 5 = 0,05 м; Ь - ширина отбрасывающей лопатки, конструктивно Ь = 0,2 м; h - высота грунтового наноса, h = 0,025-0,06 м. Максимальное значение объема грунта удаляемого одной лопаткой за один оборот по формуле (4.9) 6x10" 4 м3, минимальное 2,5x10 4 м3. Максимальная масса грунта удаляемого лопаткой при плотности, изменяющейся в пределах 1957,88 - 2183,59 кг/м3, равна 1,31 кг, минимальная 0,49 кг Для определения числа измерений физико-механических свойств грунта, толщины срезаемой стружки, объёма разрабатываемого грунта, а так же необходимого числа реализаций процесса копания была использована формула /9,44/ где пт - число измерений искомой случайной величины из условия обеспечения допустимой погрешности математического ожидания тх, t - коэффициент нормального закона распределения, связанный с доверительной вероятностью рд выражением у/ - коэффициент вариации случайной величины, 8т - относительная погрешность определения математического ожидания. Задаваясь допустимой погрешностью математического ожидания с учётом постоянной ошибки измерительной аппаратуры 8т =0,10...0,14 и доверительной вероятностью рд = 0,95, находим из выражения () величину t = l,96. Коэффициент вариации находим по формуле где 7 - среднеквадратичное отклонение при некотором приближённом значении числа испытаний в предварительном эксперименте. Имеем = 0,14. Далее по формуле (4.10) получаем, что для заданной достоверности число п = 5.
Определение сил сопротивления перемещению стружки грунтового наноса в кожухе шнека
Машина для уборки прибордюрной зоны дорог работает следующим образом. Машина устанавливается вблизи бордюрного камня таким образом, чтобы при опускании дополнительной рамы 7 посредством гидроцилиндра 8 крайний диск 10 рабочего органа 4 находился в непосредственной близости с бордюрным камнем, при этом шнек 3 и кожух 13 находится выше бордюрного камня.
Затем осуществляют поджатие гидроцилиндром 8 приводного колеса 9 к полотну дороги. После чего машина продвигается вперед и при вращении приводного колеса 9 и посредством планетарной передачи от приводного колеса 9, вращение передается на рабочий орган 4 и шнек 3, таким образом силы сопротивлений резанию и транспортированию грунтового наноса шнеком 3 до транспортера смета 5 преодолеваются исключительно тяговым усилием машины. Лопатки 11 рабочего органа 4, вращаясь в противоположном направлении приводному колесу 9, разрушают режущими кромками 12 грунтовый нанос, который двигаясь по лопаткам 11 ссыпается под действием силы тяжести в кожух шнека 3 который перемещает грунтовый нанос к транспортеру смета 5, который транспортирует смет в тележку. В случае попадания твердых частиц под шнек 3 или столкновения рабочего органа 4 с непреодолимым препятствием поломки не произойдет, так как в этом случае пробуксует приводное колесо 9.
За счет уменьшения числа приводов и преодоления сопротивлений резанью грунтового наноса только тяговым усилием, снижается энергоемкость процесса уборки прибордюрных зон дорог, также упрощается конструкция и снижается ее металлоемкость. 1. Приведенные рекомендации позволяют удалять грунтовый нанос с наименьшей удельной энергоемкостью. 2. Методика расчета необходимой мощности двигателя позволяет выбрать базовое шасси. 3. Предложена конструкция машины для очистки прибор дюрных зон городских дорог. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия дискового рабочего органа машины для очистки прибордюрных зон городских дорог с грунтовым наносом была разработана методика по определению рациональных геометрических параметров и режимов работы данного оборудования. Для определения рациональных параметров применялись численные методы решения уравнений сил и моментов сил сопротивления удалению грунтового наноса. Данная методика позволяет выявить зависимости удельной энергоемкости от проектных и исходных параметров, тем самым определить наименее энергоемкие варианты геометрических и режимных параметров дискового рабочего органа с учетом качества очистки дороги. На основании проведенных исследований получены следующие результаты: 1. Проведен анализ научных работ посвященных уборки городских дорог, а так же конструкций подметально-уборочных машин. На основе которого сделан вывод, что существующие подметально-уборочные не в полной мере предназначены для удаления грунтового наноса в прибордюрной зоне дорог. 2. Выявлены и статистически обоснованы закономерности распределения грунтового наноса по ширине дороги. Экспериментально определены физико-механические свойства грунтового наноса, на основании которых можно сделать вывод, что грунтовый нанос обладает свойствами грунтов. И по своим характеристикам изменяется от среднезернистого песка до пылеватого, при этом количество различных включений превышающих размер 10 мм по результатам экспериментов находились в пределах от 3 до 7% от общей массы. 3. Вследствие не эффективности традиционных способов уборки, предложен способ удаления грунтового наноса фрезерованием. 4. Разработана математическая модель процесса удаления грунтового наноса, позволяющая рассчитать момент сил сопротивления удалению в любой момент времени (при любом угле поворота рабочего органа). Суммарная величина момента сил сопротивления зависит от: - проектных параметров v - скорости машины, м/с; со - частоты вращения рабочего органа, с"1; R, b, z, у1 =/( ,) - радиуса рабочего органа, м, ширины, м, количества, профиля лопаток соответственно; - исходных параметров h, Ьгр, уо, С, р0 - высоты, м, ширины, м, плотности, кг/мЗ, сцепления, Па, угла внутреннего трения грунтового наноса соответственно. 5. Разработан алгоритм аналитического определения толщины срезаемой стружки в процессе удаления грунтового наноса. 6. Посредством эксперимента подтверждена принципиальная возможность создания дискового рабочего органа для удаления грунтового наноса. Выявлены зависимости момента сил сопротивления удалению грунтового наноса от физико-механических свойств грунтового наноса, его высоты, профиля и угла установки лопаток. 7. Экспериментальные исследования выявили преимущества криволинейного профиля лопаток перед прямым профилем, так же преимущества обратного вращения дискового рабочего органа, перед прямым. 8. Проведенные теоретические исследования показали, что диапазон рациональных скоростей v м/с, движения машины находится в пределах от 1,5 до 3,5; частоты со с 1, вращения рабочего органа в пределах от 6,5 до 9. 9. Рациональным профилем лопаток является элемент дуги логарифмической спирали заданной в полярных координатах уравнением я{в)=г0-екв, где Ъ в п/ ; г0, к - параметры, зависящие от свойств грунтового наноса и радиуса рабочего органа.
Конструкция машины для очистки прибордюрных зон городских дорог
В качестве новой конструкции предлагается машина для уборки прибордюрной зоны дорог, содержащее базовое шасси 1, на раме 2 которого установлены шнек 3, рабочий орган 4 для разрушения грунтовых наносов и транспортер смета 5 с приводом 6, транспортер смета 5 связан со шнеком 3, дополнительную раму 7, которая установлена впереди базового шасси 1 на раме 2 с возможностью подъема и опускания в вертикальной плоскости посредством гидроцилиндра 8; на дополнительной раме 7 установлено приводное колесо 9, рабочий орган 4, внутри которого смонтирован шнек 3, рабочий орган 4 и шнек 3 установлены соосно с приводным колесом 9, рабочий орган 4 выполнен в виде радиальных дисков 10, на внутренних сторонах которых жестко закреплены лопатки 11 с режущими кромками 12 на периферии, при этом рабочий орган 4 и приводное колесо 9 снабжены кожухом 13, закрепленным на дополнительной раме 7, привод вращения шнека 3 и рабочего органа 4 выполнен в виде планетарной передачи от приводного колеса 9, планетарная передача выполнена в виде шестерни 14, жестко установленной на вале 15 приводного колеса 9, трех сателлитов 16, расположенных в плоскости перпендикулярной оси вращения под углом 120 относительно друг друга, два нижних сателлита 16 расположены в плоскости параллельной плоскости дороги, зубчатого колеса 17, жестко установленного на вале 18 шнека 3 и зубчатого венца 19, прикрепленного болтами к рабочему органу 4, при этом вращение рабочего органа 4 противоположно вращению приводного колеса 9, а вращение шнека 3 совпадает с вращением приводного колеса 9, при этом транспортер смета 5 установлен с возможностью поворота в вертикальной плоскости, параллельной оси движения машины, причем в поперечном сечении рабочего органа 4 каждая последующая режущая кромка 12 лопаток 11 по отношению к предыдущей расположена под углом 45, а режущие кромки 12 лопаток 11 рабочего органа 4 расположенные около каждого внутреннего диска 10, смещены относительно друг друга на угол 22,5, и лопатки 11 выполнены в поперечном сечении в виде логарифмической спирали г = г0-ек 9 так, что начальный радиус г0 каждой первой лопатки 11 равен внутреннему радиусу дисков 10 , а каждой второй лопатки г0 -больше внутреннего радиуса дисков 10, то есть г0 г о, а транспортер смета 5 в разгрузочной части снабжен гибким рукавом 20 (рисунки 6.2 - 6.6). Машина для уборки прибордюрной зоны дорог работает следующим образом.
Машина устанавливается вблизи бордюрного камня таким образом, чтобы при опускании дополнительной рамы 7 посредством гидроцилиндра 8 крайний диск 10 рабочего органа 4 находился в непосредственной близости с бордюрным камнем, при этом шнек 3 и кожух 13 находится выше бордюрного камня.
Затем осуществляют поджатие гидроцилиндром 8 приводного колеса 9 к полотну дороги. После чего машина продвигается вперед и при вращении приводного колеса 9 и посредством планетарной передачи от приводного колеса 9, вращение передается на рабочий орган 4 и шнек 3, таким образом силы сопротивлений резанию и транспортированию грунтового наноса шнеком 3 до транспортера смета 5 преодолеваются исключительно тяговым усилием машины. Лопатки 11 рабочего органа 4, вращаясь в противоположном направлении приводному колесу 9, разрушают режущими кромками 12 грунтовый нанос, который двигаясь по лопаткам 11 ссыпается под действием силы тяжести в кожух шнека 3 который перемещает грунтовый нанос к транспортеру смета 5, который транспортирует смет в тележку. В случае попадания твердых частиц под шнек 3 или столкновения рабочего органа 4 с непреодолимым препятствием поломки не произойдет, так как в этом случае пробуксует приводное колесо 9.
За счет уменьшения числа приводов и преодоления сопротивлений резанью грунтового наноса только тяговым усилием, снижается энергоемкость процесса уборки прибордюрных зон дорог, также упрощается конструкция и снижается ее металлоемкость.
