4.2. Основы расчета подметально-уборочных машин

Расчет включает: определение вместимости бункера для смета, бака для воды и других емкостей; тяговый и энергетический расчет, а также расчет на прочность основных элементов машины.

Вместимость бункера для смета (м³) определяется по формуле

, (4.1)

где В – ширина подметания, м;

v_m – рабочая скорость машины при подметании, м/с;

q – среднее значение массы загрязнений на дороге перед подметанием, г/м²;

t_р – продолжительность подметания, определяемая периодом заполнения

бункера, ч;

ρ_сm – объемная плотность смета, т/м³;

К_u – коэффициент использования вместимости бункера.

При определении вместимости бункера рекомендуется на основе накопленного опыта принимать значения величин, входящих в приведенную формулу.

Рабочую скорость машины v_m выбирают в зависимости от условий работы. При значительном загрязнении прилотковой полосы подметание производится на скорости 3…6 км/ч (0,83…1,67 м/с), при небольшой засоренности – на скорости 7…9 км/ч (1,94…2,5 м/с). При незначительной засоренности вне прилотковой полосы подметание покрытий осуществляется на повышенной скорости 12…15 км/ч (3,33…4,17 м/с). В соответствии с принятыми нормативами при систематической уборке дорожных покрытий на основных магистралях города плотность q загрязнений не должна превышать 30 г/м². На улицах, пересеченных проездами, не имеющими усовершенствованных покрытий, а также на проездах второстепенного значения плотность q загрязнений не должна превышать соответственно 50 и 80 г/м².

Оптимальный период работы машины до заполнения бункера составляет 3,5…4 ч при плотности загрязнений 50…80 г/м². Так как заполнение резервуара водой, используемой для обеспыливания процесса подметания, требует значительно меньших затрат времени, чем выгрузка смета из бункера, наиболее часто принимается, что в течение периода заполнения бункера сметом производится одно дополнительное наполнение резервуара водой. Объемная плотность смета ρ_сm колеблется в широких пределах, зависящих от вида убираемых загрязнений: при наличии опавших листьев, бумаги ρ_сm колеблется в пределах 0,8…1,1 т/м³, при уборке загрязнений, состоящих преимущественно из грунта и песка, ρ_сm = 1,1…1,5 т/м³. Коэффициент использования вместимости бункера принимают К_и = 0,85…0,95.

Аналогично определяется вместимость резервуара для воды, м³:

, (4.2)

где В_у – ширина полосы увлажнения, м;

q_y – удельный расход воды при увлажнении, г/м²;

t_pу – продолжительность опорожнения резервуара для воды, ч.

Обычно принимают В_у = 1,1…1,2 В.

Удельный расход воды при увлажнении q_у зависит от степени загрязненности подметаемых дорожных покрытии. При подметании дорог, отличающихся большим загрязнением, q_у принимают равным 30…35 г/м², во время подметания покрытия вне прилотковой полосы значение q_y снижается до 15…20 г/м². Продолжительность опорожнения резервуара для воды принимают равной t_ру = 0,5 t, т. е. около 2 ч.

Определение основных параметров и режимов работы щеточных устройств.

Как указывалось выше, подметально-уборочные машины снабжены щетками двух типов – цилиндрическими и торцовыми.

Цилиндрические щетки, отделяя загрязнения, могут направлять их непосредственно в транспортирующие устройства или поднимать на высоту, определяемую конструктивными соображениями, и подавать в бункер машины. В этих щетках ворс размещен равномерно.

Общее минимальное число ворса, которое необходимо разместить на цилиндрической щетке, определяется из условия перекрытия следов ворса на дорожном покрытии как по ширине щетки, так и в радиальной плоскости вращения по формуле, шт.:

, (4.3)

где К_р – коэффициент, учитывающий равномерность размещения ворса на

сердечнике, К = 2…2,5;

R_b – радиус барабана цилиндрической щетки, м;

R – радиус щетки в свободном состоянии, м;

d_v – радиус прутка ворса, м;

ω_w – угловая скорость щетки, рад/с;

y_к – расстояние между ободом барабана и поверхностью дороги, м, y_к = L_b – h (L_b – свободная длина ворса, L_b = R – R_b; h – радиальная деформация ворса, зависящая от состояния дорожного покрытия и степени его загрязнения, h = 1,5…2,5 см (0,015…0,025 м)).

При использовании ворса из стальной проволоки d_v = 0,4…0,6 мм (4∙10^–4…6∙10^–4 м), а из капронового моноволокна – d_v = 1,5…3,5 мм (1,5∙10^–3…3,5∙10^–3 м).

Для эффективной работы щетки необходимо соблюдать соотношение ω_w R = 2 v_m, а при обратном забросе смёта ω_w R = 4,5 v_m.

При расчете минимального количества ворса с максимальным значением его радиальной деформации h требуемое количество ворса для обеспечения нормальной работы щетки в различных условиях необходимо увеличить примерно в два раза (i_вц ≈ 2 i_вцм).

Суммарная вертикальная реакция, действующая на цилиндрическую щетку, кН:

, (4.4)

где Е – модуль упругости ворса (для стальной проволоки Е = 2,1∙10⁵ МПа, для синтетического ворса Е = (7,1…8)∙10³ МПа), МПа;

J – момент инерции поперечного сечения прутка относительно оси, перпендикулярной к плоскости вращения, м⁴.

Для ворса круглого сечения , где d_v – радиус поперечного сечения прутка ворса, м; для ворса прямоугольного сечения , где b_v и h_v – соответственно длина и высота сечения ворса, м.

Мощность привода цилиндрической щетки с достаточной точностью определяется по формуле, кВт:

, (4.5)

где f_b – коэффициент трения ворса о дорожное покрытие (для высокоуглеродистой стальной проволоки f_b = 0,34, для малоуглеродистой f_b = 0,4, для синтетического ворса f_b = 0,41);

К₃ – коэффициент запаса мощности (К₃ = 1,1);

η_w – КПД привода цилиндрической щетки (η_w ≈ 0,87)

Лотковые щетки производят очистку края убираемой полосы. Они выполняются в виде усеченного конуса.

Необходимое количество ворса наружного ряда ворса лотковой щетки определяется из условия перекрытия следов ворса на дорожном покрытии, шт.:

, (4.6)

где K_pk – коэффициент, учитывающий равномерность размещения рядов ворса на диске, К = 3…4;

ω_k – угловая скорость лотковой щетки, рад/с.

Для эффективной работы лотковой щетки необходимо соблюдать соотношение ω_k R_kn  2 v_m.

Из геометрии лотковой (конической) щетки (рис. 4.3) радиус вращения ворсинки среднего ряда ворса равен, м:

, (4.7)

где D_n – наружный диаметр диска основания лотковой щетки, м;

D_v – внутренний диаметр диска основания лотковой щетки, м;

L_vk – свободная длина ворса лотковой щетки, м;

γ – угол наклона ворса щетки [γ = (30…45)⁰; sin γ = (0,5…0,707)].

Рис. 4.3. Схема лотковой (конической) щетки

Общее количество ворса лотковой щетки i_vk, с учетом расположения его на диске основания, обычно в три ряда, равно, шт.:

, (4.8)

Интегральное значение вертикальной реакции лотковой щетки, с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно определить по формуле, кН:

, (4.9)

где y_к – расстояние между диском основания лотковой щетки и поверхностью дороги (y_к = L_vk – h), м;

q_cp – приведенная распределенная центробежная сила инерции, Н/м.

Расстояние между диском основания лотковой щетки и поверхностью дороги y_к определяется аналогично расстоянию между ободом барабана и поверхностью дороги цилиндрической щетки [см. пояснения к (4.3)].

Приведенная, распределенная вдоль прутка ворса длиной L_vk, центробежная сила инерции принимается постоянной, Н/м:

, (4.10)

где S_v – площадь поперечного сечения ворса, м ²;

ρ_v – плотность материала ворса (для стали ρ_v = 7,8, для полипропилена ρ_v = 0,93), т/м ³;

R_cp – средний радиус вращения прутка ворса, равный, м:

. (4.11)

Мощность привода лотковой щетки с достаточной точностью определяется по формуле, кВт:

, (4.12)

где К_3k – коэффициент запаса мощности (К_3k = 1,1…1,2);

η_k – КПД привода лотковой щетки (η_k ≈ 0,87).

Определение основных параметров и режимов работы транспортирующих устройств

Определение основных параметров и режимов работы машин, снабженных транспортирующими устройствами различной конструкции, рассматриваются раздельно.

Наиболее распространенной схемой с механическим транспортированием смета в бункер является перемещение его конвейером с подающим шнеком (см. рис. 4.2, д). Стенка подборщика, обычно имеющего большую ширину, чем конвейер, направляет поданный на неё цилиндрической щеткой смет на шнек, который сдвигает его к оси машины в место расположения конвейера.

Мощность привода такого устройства для транспортирования смета с помощью скребкового конвейера и шнека равна, кВт:

N_mp = N_ck + N_wn , (4.13)

где N_ck – мощность, необходимая для привода скребкового конвейера, кВт;

N_wn – мощность, необходимая для привода шнека, кВт.

Мощность привода скребкового конвейера, кВт:

, (4.13)

где К_сз – коэффициент запаса производительности (К_сз = 1,15…1,2);

H_m – габаритная высота машины, м;

w₀ – обобщенный коэффициент сопротивления конвейера (w₀ = 1,8…2,0);

α_с – угол наклона скребкового конвейера (у большинства машин α_с = 55…65⁰, ctg α_с ≈ 0,58);

η_ck – КПД передачи от двигателя к конвейеру (η_ck ≈ 0,85).

Мощность, необходимая для привода шнека, кВт:

, (4.14)

где w_w – обобщенный коэффициент сопротивления шнека (w_w = 1,8…2,0).

Мощность привода насоса системы увлажнения (влажного обеспыливания), кВт:

, (4.15)

где р_v – давление воды в системе обеспыливания (р_v = 0,25…0,3 МПа), МПа;

ρ_b – плотность воды (ρ_b = 1 т/м³), т/м³;

η_y – КПД привода насоса системы увлажнения (η_y ≈ 0,95);

η_yо – объемный КПД водяного насоса системы увлажнения (η_yо ≈ 0,65…0,75).

При использовании вакуумной системы обеспыливания и транспортированием смета мощность привода вентилятора вакуумной системы равна, кВт:

, (4.16)

где Q_vc – расход воздуха, обеспечиваемый вентилятором, м³/с;

p_vp – разряжение воздуха на входе в вентилятор (p_vp = 5..7 кПа), кПа;

η_vc – КПД привода вентилятора (η_vc ≈ 0,9);

η_vo – статический КПД вентилятора (η_vо ≈ 0,7…0,8).

Расход воздуха, обеспечиваемый вентилятором, м³/с:

, (4.17)

где K_v3 – коэффициент подсоса воздуха (K_v3 = 1,1…1,25);

_k – коэффициент, характеризующий допустимую массовую концентрацию твердых частиц, транспортируемых потоком воздуха (_k = 0,05…0,1);

ρ_vn – плотность воздуха во всасывающей магистрали вакуумного подборщика, кг/м ³.

Плотность воздуха во всасывающей магистрали вакуумного подборщика, кг/м ³:

, (4.18)

где ρ_v – плотность атмосферного воздуха (ρ_v ≈ 1,2 кг/м³), кг/м ³;

р_а – нормальное атмосферное давление (р_а ≈ 101,3 кПа), кПа.

Скорость воздушного потока на входе во всасывающий трубопровод v_v определяется из условия равновесия частицы смета под действием противоположно направленных сил тяжести и аэродинамической силы. Для подметально-уборочных машин v_v ≈ 50 м/с.

Чтобы обеспечить такую скорость воздушного потока, диаметр всасывающей трубы подборщика смета должна быть не более, м:

, (4.19)

а средний зазор между резиновой кромкой трубы и поверхность дороги – не более, м:

. (4.20)

Рекомендуется устанавливать передний зазор h_р ≈ 10 мм (0,01 м) и задний h_з ≈ 40 мм (0,04 м).

Мощностной баланс подметально-уборочных машин

Мощность, необходимая для работы машины, снабженной одной или двумя лотковыми щетками, цилиндрической щеткой-подборщиком и транспортирующим устройством механического типа, кВт:

, (4.21)

где i_L – количество лотковых щёток;

N_d – мощность на передвижение машины в рабочем режиме, кВт.

Мощность, необходимая для работы машины, снабженной одной или двумя лотковыми щетками, цилиндрической щеткой-подборщиком и транспортирующим устройством пневматического (вакуумного) типа, кВт:

. (4.22)

Мощность на передвижение машины в рабочем режиме, кВт:

, (4.23)

где η_mp – КПД трансмиссии базовой машины (η_mp ≈ 0,85);

W_pc – сопротивление движению при подметании дорожных покрытий, кН:

, (4.24)

где М_m – полная масса машины, кг;

f_d – коэффициент сопротивления качению колес машины (f_d ≈ 0,02);

i_y – уклон дороги (i_y = 0,07…0,09).

Полученные значения мощностей (N_mm и N_mv) необходимо сравнить с мощностью основного или основного и дополнительного двигателей машины (табл. П. 6 …П. 11)

Производительность подметально-уборочных машин

Эксплуатационная производительность подметально-уборочных машин сильно зависит от многих факторов: дальности мест разгрузки смёта и заправки водой, засоренности, скорости подметания, зависящей от количества и расположения транспортных средств и других фактических условий производства работ. Эти обстоятельства учитываются различными поправочными коэффициентами к формуле теоретической производительности.

Теоретическая производительность подметально-уборочных машин при подметании проезжей части улицы, м²/ч:

, (4.25)

где k_n – коэффициент, учитывающий перекрытие полос подметания (k_n ≈ 0,9).