Определение рациональных режимов работы малогабаритной коммунальной машины для зимнего содержания дворовых территорий
На правах рукописи
Простакова Людмила Владимировна ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОЙ КОММУНАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЗИМНЕГО СОДЕРЖАНИЯ ДВОРОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ 05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Омск – 2010 7
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» (ИрГТУ)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Зедгенизов Виктор Георгиевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Галдин Николай Семенович кандидат технических наук, доцент Кузик Владимир Леонидович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Братский государственный университет»
Защита состоится 21 октября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертаци онного совета ВАК РФ Д 212. 250. 02 при ГОУ ВПО «Сибирская государствен ная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) по адресу: 664080, г. Омск 80, проспект Мира, 5, зал заседаний.
Телефон для справок: (3812)65-01-45;
факс (3812)65-03-23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью органи зации, просим направлять по адресу диссертационного совета Автореферат разослан «» сентября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Иванов В.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В рамках глобальной проблемы рационального природопользования следует выделить менее масштабную, но от этого не менее значимую проблему природообустройства, в частности, благоустройства и со держание городских территорий: транспортных магистралей, жилых массивов, площадей и парковых зон отдыха, а также мест с культурно-исторической цен ностью и природной уникальностью. От успешного решения указанной про блемы зависят не только санитарно-эпидемиологическое состояние, но и внеш ний облик города. Это, в свою очередь, не может не отразиться на привлека тельности города для развития индустрии туризма, на морально - психологиче ском климате и настроении горожан и, конечно, на воспитании патриотических чувств подрастающего поколения.
Благоустройство и содержание дворовых территорий предполагает при менение малогабаритной универсальной техники, которая способна выполнять различные операции при помощи сменного рабочего оборудования. В боль шинстве своем указанное оборудование является активным.
Характерная особенность машин с активным рабочим оборудованием разветвление силового потока, при котором часть мощности двигателя переда ется рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указан ное разветвление существенным образом влияет на эффективность машины.
Мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения и производительность, мощность на рабочем органе – качество выполнения ра бочих операций. В виду того, что мощность двигателя ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от изменяю щихся внешних условий.
Цель работы: повышение эффективности малогабаритной коммуналь ной машины для зимнего содержания дворовых территорий за счет обеспечения возможности работы в широком диапазоне режимных параметров.
Задачи:
1. Выполнить системный анализ малогабаритной коммунальной машины.
2. Разработать физическую модель подсистемы «антигололедный материал – вибрационный питатель» и определить зависимость расхода материала и крутящего момента на приводном валу от параметров вибрации, угла накло на лотка и толщины слоя материала.
3. Разработать математическую модель рабочего процесса малогабаритной машины и установить влияние параметров регулирования f1 и f2 на основ ные параметры рабочего процесса.
4. Определить зависимости расхода материала, производительности машины и энергоемкости процесса от коэффициента распределения мощности двига теля между приводом вибрационного питателя и движителем.
5. Найти рациональные значения коэффициента распределения в зависимости от сопротивления перемещению малогабаритной коммунальной машины.
6. Оценить эффективность и разработать методику расчета машин с расширен ными режимными параметрами.
Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, физического и математического моделирования, положе ний теоретической механики, теории планирования эксперимента. Методика исследований включает в себя применение методов имитационного моделиро вания на ЭВМ.
Достоверность научных положений подтверждается методологической базой исследования, соблюдением основных принципов физического и матема тического моделирования, лабораторными исследованиями и идентификацией промежуточных результатов с исследованиями других авторов.
Научная новизна представлена:
- физической моделью подсистемы «антигололедный материал – вибра ционный питатель»;
- математической моделью малогабаритной машины;
- оценкой влияние коэффициента распределения мощности на удельный расход антигололедного материала, производительность малогабаритной ма шины и энергоемкость процесса;
- оптимальным значением коэффициента распределения мощности в за висимости от сопротивления на отвале.
Практическая ценность заключается в разработанной методике расчета малогабаритных коммунальных машин с расширенными режимными парамет рами.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Для бункера с вибрационным питателем в исследованном диапазоне из менения независимых факторов:
- влияние толщины слоя материала и направление колебаний лотка на расход материала являются незначимыми;
- зависимость расхода материала от амплитуды и частоты колебаний лотка является линейной;
- наиболее значимым фактором, определяющим расход материала, является угол наклона лотка.
2. Зависимость крутящего момента от амплитуды колебаний является линей ной, от частоты – слабовыраженной квадратичной зависимостью.
3. Для малогабаритной коммунальной машины во всем диапазоне изменения сопротивления перемещению существует рациональный режим работы, кото рый определяется коэффициентом распределения мощности двигателя между приводом рабочего органа и движителем. В исследованном диапазоне измене ния сопротивления указанный коэффициент находится в пределах 0,12…0,68.
4. Методика расчета малогабаритной коммунальной машины должна учиты вать полную загрузку двигателя по мощности и коэффициент буксования дви жителя.
Реализация результатов. Основные результаты диссертационной рабо ты приняты к внедрению в Управляющей компании ООО «Приморский» (г.
Иркутск) при разработке коммунальной малогабаритной техники. Кроме того, результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре СДМ и ГС ИрГТУ по курсу "Моделирование рабочих процессов ПТ и СДМ", диплом ном проектировании.
Апробация работы. Отдельные этапы и основные результаты работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах, конференциях ИрГТУ, СибАДИ, БрГУ (2005-2009 г.г.) Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ, в т.ч. одна публикация в издании, рекомендованном ВАК РФ и получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа содержит 115 страниц машинописного тек ста, 47 рисунков, список литературы из 93 наименований и приложение на страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро ваны цель и задачи диссертационного исследования, изложены основные поло жения, защищаемые автором, научная новизна и практическая ценность рабо ты.
В первой главе рассмотрены существующие модели взаимодействия вибрационных питателей с сыпучим материалом. Проведен обзор исследований по рациональным режимам работы машин с активным рабочим органом. У ма шин с активным рабочим органом существуют рациональные режимы работы, которые определяются рациональным коэффициентом распределения мощно сти между приводом рабочего оборудования и движителем. Мощность на дви жителе определяет скорость поступательного перемещения и производитель ность, мощность на рабочем органе – качество выполнения операций. В виду того, что мощность двигателя ограничена, возникает необходимость ее рацио нального распределения в зависимости от изменяющихся внешних условий.
Изучены существующие конструкции отечественных и зарубежных комму нальных машин для зимнего содержания территорий общественного пользова ния.
Во второй главе малогабаритная коммунальная машина представлена в виде системы «антигололедный материал – вибрационный питатель– отвал энергоблок – опорная поверхность» (рис. 1). Основу системы составляют под системы «антигололедный материал – вибрационный питатель» и «отвал – энергоблок – опорная поверхность». Свойства каждой из подсистем характери зуются параметрами входящих в данную подсистему объектов. Так, для под системы «антигололедный материал – вибрационный питатель» определяющи ми следует считать: линейные и угловые размеры (ширина лотка, угол его установки) и кинематические параметры (скорость колебаний). Свой ства подсистемы «отвал – энергоблок – опорная поверхность» определяют гео метрические характеристики отвала, тип и параметры двигателя, характеристи ка агрегатов трансмиссии, параметры движителя. На систему наложены внут ренние связи и ограничения по конструктивным, технологическим, эксплуата ционным и другим требованиям.
В соответствии с поставленной задачей исследования входом системы являются: норма расхода антигололедного материала и ширина полосы обра ботки. Выходом служат показатели работы машины (качество работ, произво дительность, энергоемкость процесса).
Системный анализ малогабаритной коммунальной машины дает возмож ность установить структуру и параметры основных ее подсистем, оказывающих влияние на показатели работы. Варьирование указанных параметров при задан ных входных воздействиях позволяет достичь экстремальных значений на вы ходе системы.
В виду того, что к настоящему времени отсутствует достаточно надежное математическое описание процесса взаимодействия вибрационного питателя с антигололедным материалом, подсистема «антигололедный материал – вибра ционный питатель» представлена физической моделью, в основу которой зало жены положения, разработанные проф. В.И. Баловневым (рис. 2). Подсистема «отвал – энергоблок – опорная поверхность» с определенными допущениями может быть описана системой уравнений, учитывающими конструктивные осо бенности реальной машины.
Малогабаритная коммунальная машина для зимнего содержания дворо вых территорий (рис. 3) предназначена для уборки территорий от свежевыпав шего снега с одновременной посыпкой их антигололедным материалом. Со держит одноосный энергоблок с унифицированным сцепным устройством и бункер с вибрационным питателем, который совместно с энергоблоком образу ет работоспособную единицу. Спереди установлен отвал, машина полностью гидрофицирована.
Рабочий процесс складывается из двух операций: сдвигания отвалом све жевыпавшего снега к тротуарной кромке и одновременной посыпки из бункера очищенной поверхности антигололедным материалом. Расчетная схема маши ны представлена на рис. 4.
5 6 2 Рис. 2. Физическая модель подсистемы «антигололедный материал – вибрационный питатель»: 1 – бункер, 2 – вибрационный лоток, 3 – тяги, 4 – эксцентриковый механизм, 5 – регулировочные отверстия, 6 – заслонка Рис. 3. Малогабаритная коммунальная машина для зимнего содержания дворо вых территорий: 1 – энергоблок, 2 – унифицированное сцепное устройство, 3 – отвал, 4 – оборудование для посыпки пешеходных дорожек антигололедным ма териалом Рис. 4. Расчетная схема малогабаритной машины: 1 – ДВС;
2,6,10 – согласующий редуктор;
3, 4 – гидронасос;
5, 9 – гидромотор;
7– эксцентриковый механизм;
8 – наклонный лоток;
11 – ведущее колесо энергоблока;
12 – отвал Математическая модель рабочего процесса малогабаритной коммунальной машины представлена в следующем виде:
b g, W1 = G 3 Cos () µ1, G3 = H 2 tg ( ) W2 = G 3 Cos() (Cos( ))2 µ 2, (1) W3 = G1 Cos () µ 3, W4 = G Cos() µ 4, W5 = G Sin (), W = (W1 + W2 + W3 ) sin 3 + W4 + W5, Q 1 f 1 p1 Q 2 f 2 p 2 a 1 + b 1, если nom, + = a 2 + b2, если ном, i1 1 i 2 2 (2) ( ) 2 kl 1 = Q1 f1, M1 = 0,0137 + 0,05A + 0,002f + 0,015f, q1 i1 i M p1 = 1, V2 = 2 (1 ), N1 = M1 1, f = R (3), 2 i q1 i ( ) Z = 4,1 10 5 + 1,2 10 2 A + 1,1 10 5 f 5,4 10 6 + 4 10 7 2 k l 3, M R 2 = Q 2 f 2, M 2 = W, p 2 = 2, N 2 = M 2 2, q2 i2 (4) i4 q N1 + N N2 Z K1 =, E=, h=, N1 + N 2 b V2 (5) 3,6 10 6 Z n W W = a + b G + 0,2(G G ). (6) G + 0,2(G G ) 2 2 2 где W1 – сопротивление от перемещения призмы волочения, Н;
W2 – сопротив ление от трения призмы по отвалу, Н;
W3 – сопротивление от трения отвала об опорную поверхность, Н;
G3 – вес призмы, Н;
µ1 – коэффициент трения призмы об опорную поверхность;
– угол подъема опорной поверхности, рад;
Н – вы сота отвала, м;
b – ширина отвала, м;
– угол естественного откоса свежевы павшего снега, рад.;
– угол установки отвала в вертикальной плоскости, рад;
µ2 – коэффициент трения призмы об отвал;
G1 – вес отвала, Н;
µ3 – коэффици ент трения отвала об опорную поверхность;
– угол установки отвала в плане, рад;
G – вес машины с антигололедным материалом, Н;
µ4 – коэффициент со противления перекатыванию;
Q1 и Q2 – рабочий объем гидронасоса привода ра бочего органа и движителя соответственно, м3/рад;
f1 и f2 – параметр регулиро вания рабочего объема гидронасосов привода рабочего органа и движителя со ответственно;
p1 и p2 – давление в напорной магистрали привода рабочего орга на и движителя, Па;
i1 и i2 – передаточное число согласующего редуктора при вода рабочего органа и движителя;
1 и 2 – КПД привода рабочего оборудова ния и движителя;
– текущее значение угловой скорости коленчатого вала дви гателя, рад/с;
ном – номинальное значение угловой скорости коленчатого вала двигателя рад/с;
a1, a2, b1 и b2 – эмпирические коэффициенты;
1 и 2 – угловая скорость гидромотора привода рабочего органа и движителя соответственно, рад/с;
q1 и q2 – рабочий объем гидромотора привода рабочего органа и движи теля соответственно, м3/рад;
М1 и М2 – момент на валу гидромотора привода рабочего органа и движителя, Нм;
k – эмпирический коэффициент;
f – частота колебаний рабочего органа, Гц;
V2 – действительная скорость перемещения машины, м/с;
W – сопротивление перемещению машины, Н;
R – силовой ради ус ведущего колеса, м;
i4 – передаточное число согласующего редуктора;
– ко эффициент буксования;
N1 и N2 – мощность, потребляемая приводом рабочего органа и движителем, Вт;
Z – расход антигололедного материала, м3/с;
А – ам плитуда колебаний вибрационного питателя, м;
– угол наклона вибрационно го лотка, град;
kl – масштабный коэффициент;
К1 – коэффициент распределе ния мощности двигателя между приводом рабочего органа и движителем;
Е – энергоемкость процесса, кВтч/м3;
h – толщина слоя антигололедного материа ла, м;
L – ширина полосы обработки, м;
а, b и n – коэффициенты, зависящие от типа движителя и физико-механических свойств опорной поверхности;
G2 – сцепной вес машины, Н.
Приведенные уравнения записаны при следующих допущениях:
– рабочая жидкость имеет постоянные параметры;
– рассматривается установившийся режим работы машины;
– потери в приводе рабочего органа и движителе учитываются соответст вующим КПД.
Уравнения (1) определяют сопротивления, возникающие при перемеще нии малогабаритной коммунальной машины, (2) – описывает работу двигателя внутреннего сгорания совместно с регулятором числа оборотов. Уравнения (3) определяют изменение параметров привода вибрационного питателя, (4) – параметры привода движителя. Зависимости (5) описывают основные парамет ры рабочего процесса, уравнение (6) характеризует взаимодействие движителя с опорной поверхностью.
Входом модели являются параметры регулирования f1 и f2, выходом – ос новные параметры рабочего процесса.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследо ваний подсистемы «антигололедный материал – вибрационный питатель» и малогабаритной коммунальной машины на математической модели.
В результате обработки экспериментальных данных в среде «Statistica» для подсистемы «антигололедный материал – вибрационный питатель» опре делены значащие коэффициенты регрессионных моделей, подтверждена их адекватность и получены уравнения регрессии, определяющее зависимость расхода материала и крутящего момента от параметров вибрации и угла накло на лотка:
Z = 4,1 10 5 + 1,2 10 -2 A + 1,1 10 5 f 5,4 10 6 + 4 10 7 2 (7) M = 0,0137 + 0,05 A + 0,002 f + 0,015 f 2 (8) где A – амплитуда, м;
f – частота, Гц;
- угол наклона лотка, град.
Зависимость расхода материала от угла наклона лотка (рис. 5) имеет ярко выраженную параболическую нелинейность. При изменении угла наклона в ин тервале 5… 25 градусов расход увеличивается в 3 раза. Это объясняется тем, что при увеличении угла наклона лотка по закону синуса увеличивается скаты вающая сила, действующая на материал, которая, складываясь с вибрационной силой, увеличивает расход материала.
2,50E- 2,5·10- 2,0·10- 2,00E- 1,5·10- 1,50E- Z, м /с Q, м3/с 1,00E- 1,0·10- 5,00E- 0,5·10- 0,00E+ 25 20 15, L, град град w, Гц f, Гц Рис. 5. Зависимость расхода материала (Z) от частоты (f) колебаний и угла наклона лотка (): при а=0,003 м Математическая модель малогабаритной коммунальной машины реализо вана на ПЭВМ в среде «Mathcad» и получены зависимости основных парамет ров рабочего процесса от управляющих воздействий оператора (рис. 6,7).
Анализ полученных зависимостей показывает, что изменение параметров регулирования неодинаково влияет на картину рабочего процесса. Параметр регулирования f2 определяет поступательную скорость перемещения малогаба ритной машины и ее производительность.
Параметр регулирования f1 на производительность машины непосредст венного влияния не оказывает, однако с его помощью поддерживается норми рованный расход антигололедного материала.
0, (p/c) 1(p/c) 0, 2(p/c) M1(Нм) K M2(Нм) 0, 0, 0,40 0,55 0,70 0,85 256,04 253,95 250,45 200,77 162, 43,89 59,86 75,13 73,14 69,53 0,40 0,55 0,70 0,85 75,27 74,66 73,63 59,03 47, 0,42 0,42 0,42 0,42 0, 9,16 19,56 32,41 30,57 27, M 0,94 0,85 0,73 0,7 0, K 88,78 88,78 88,78 88,78 88, M f f N1(кВт) p1(МПа) N2(кВт) p2(МПа) 0 0,40 0,55 0,70 0,85 1 0,40 0,55 0,70 0,85 2,06 4,39 7,27 6,86 6, p1 0,40 1,17 2,43 2,24 1, N 19,9 19,9 19,9 19,9 19, p2 6,68 6,63 6,54 5,24 4, N f1 f Рис. 6. Зависимость основных параметров рабочего процесса малогабаритной коммунальной машины от параметра регулирования f1: при f2=0,68;
W=2070 H 300 1, (p/c) 0, 1(p/c) 2(p/c) M1(Нм) M2(Нм) K 0, 0,4 0,55 0,7 0,85 257,02 253,34 244,88 183,03 97, 78,81 77,68 75,09 56,12 29, 0,4 0,55 0,7 0,85 44,06 59,72 73,46 66,67 41, 35,92 34,83 32,36 16,85 2, M1 0,42 0,42 0,42 0,42 0, 88,78 88,78 88,78 88,78 88, M2 0,58 0,66 0,75 0,86 0, K f f p1(МПа) N1(кВт) p2(МПа) N2(кВт) 0,4 0,55 0,7 0,85 0,4 0,55 0,7 0,85 8,06 7,81 7,26 3,78 0, p 2,83 2,71 2,43 0,95 0, N 19,9 19,9 19,9 19,9 19, p 3,91 5,3 6,52 5,92 3, N f f Рис. 7. Зависимость основных параметров рабочего процесса малогабаритной коммунальной машины от параметра регулирования f2: при f1=0,7;
W=2070H Сочетание параметров f1 и f2 однозначно определяется коэффициентом распределения мощности, который показывает отношение мощности, потреб ляемой движителем, к мощности, развиваемой двигателем. Коэффициент рас пределения мощности выбран в качестве критерия, определяющего режим на гружения малогабаритной коммунальной машины для зимнего содержания дворовых территорий.
Для определения влияния коэффициента распределения мощности на рабочий процесс малогабаритной машины необходимо исследовать зависи мость основных параметров рабочего процесса с учетом ограничений, накла дываемых по конструктивным, технологическим и др. требованиям. В качестве ограничений выступает величина расхода антигололедного материала на еди ницу площади – удельный расход (толщина слоя материала).
На рис. 8 представлены зависимости основных параметров рабочего про цесса малогабаритной машины от коэффициента распределения мощности. Из приведенных зависимостей следует, что при работе с коэффициентом распре деления К1=0,12 все параметры процесса, кроме толщины слоя, лежат в допус тимых пределах. Толщина слоя антигололедного материала превышает норму более чем в 4 раза, производительность и энергоемкость процесса при этом ми нимальны.
Увеличение коэффициента распределения до К1 = 0,68 при условии мак симального использования двигателя по мощности снижает толщину слоя до h = 0,6 мм. Это приводит к максимальным значениям производительности и не значительному повышению энергоемкости. Однако такой режим работы непри емлем в связи с заниженным удельным расходом антигололедного материала.
Режим работы малогабаритной машины с коэффициентом распределения К1 = 0,4 является рациональным, т.к. энергоемкость процесса близка к мини мальной, ни один из параметров не выходит за рамки наложенного ограниче ния, а двигатель базовой машины работает в режиме максимальной мощности.
В результате математического моделирования рабочего процесса малога баритной коммунальной машины установлено, что общее сопротивление пере мещению, в основном, зависит от веса антигололедного материала в бункере и угла подъема опорной поверхности. Изменение плотности снежного покрова в пределах 120–360 кг/м3 существенного увеличения сопротивления на отвале не дает (рис. 9).
При увеличении веса антигололедного материала в бункере с максималь ным подъемом = 50 и плотностью снега = 360 кг/м3 увеличиваются сопро тивления W4 и W5, которые оказывают наибольшее влияние на общее сопро тивление перемещению малогабаритной коммунальной машины.
300 (p/c) 1(p/c) 2(p/c) M1(Нм) V2(м/с) M2(Нм) 100 f(Гц) 0,12 0,26 0,4 0,54 0, 256,79 253,86 250 221,74 188, 100,2 99,06 97,56 86,53 73, 14,31 34,81 61,02 74,12 80, 2 0,12 0,26 0,4 0,54 0, 59,64 58,23 56,4 43,83 30, M1 0,54 1,32 2,32 2,82 3, V 59,26 59,26 59,26 59,26 59, M2 3,99 3,94 3,88 3,44 2, f K1 K 1 0, 0,8 0, 0,6 0, Z(м3/с) E(кВтч/м3) h(м) 0,4 0, 0,2 0, 0 0, 0,12 0,26 0,4 0,54 0,68 0,12 0,26 0,4 0,54 0, 0,11 0,11 0,11 0,11 0, 0,0029 0,0028 0,0028 0,0025 0, Z 0,66 0,77 0,91 0,92 0, E 0,0044 0,0018 0,0010 0,0007 0, h K K Рис. 8. Зависимость основных параметров рабочего процесса малогабаритной коммунальной машины от коэффициента распределения мощности (К1): при W=1,3х103 H С увеличением угла подъема при максимальном весе машины G = Н и плотности снега = 360 кг/м3 общее сопротивление увеличивается. Основ ными составляющими общего сопротивления являются сопротивление пере мещению W4 и сопротивление от угла подъема W5. Сопротивление W4 в рас сматриваемом диапазоне меняется незначительно, а сопротивление W5 увели чивается с 298 Н до 989 Н.
С увеличением плотности снега общее сопротивление увеличивается не значительно.
2500 W1(H) W1(H) 1500 W2(H) W2(H) W3(H) W3(H) W4(H) W4(H) W5(H) W5(H) W(H) W(H) 0 1 2 3 4 3300 5300 7300 9300 40,06 40,04 40,01 39,97 39, W 39,91 39,91 39,91 39,91 39, W 2,26 2,26 2,26 2,26 2, W 2,25 2,25 2,25 2,25 2, W 39,99 39,98 39,94 39,9 39, W 39,85 39,85 39,85 39,85 39, W 1020 1020 1020 1010 W 295,86 475,17 654,47 833,78 W 198,24 396,41 594,46 792,33 989, W 289,1 464,32 639,53 814,74 989, W 1280 1480 1680 1880 W 653,48 1010 1360 1720 W (град) G(H) а) б) Рис. 9. Зависимость общего сопротивления (W) и его составляющих (W1, W2, W3, W4, W5): а - от веса малогабаритной машины (G) при =360 кг/м3, =50;
б - от угла подъема опор ной поверхности () при G=11300 H, =360 кг/м На рис. 10 представлена зависимость основных параметров малогабарит ной машины от общего сопротивления перемещению, полученная на математи ческой модели.
300 (p/c) 1(p/c) 2(p/c) M1(Нм) N1(кВт) M2(Нм) 100 N2(кВт) 0 400 800 1200 1600 250 250 250 250 1 110,31 105,11 98,74 90,43 79, 400 800 1200 1600 63,64 64,07 66,11 69,45 72, 8,03 6,92 5,71 4,35 2, N 72,78 65,86 57,84 48,11 36, M 1,09 2,2 3,41 4,77 6, N 17,14 34,29 51,56 68,65 85, M W(H) W(H) 0, 0, V2(м/с) Z(м3/с) f(Гц) 0, h(м) E(кВтч/м3) 0, 400 800 1200 1600 2000 400 800 1200 1600 2,61 2,49 2,34 2,15 1, V Z 0,00314 0,003 0,00282 0,00258 0, 4,39 4,18 3,93 3,60 3, f 0,001 0,001 0,001 0,001 0, h 0,81 0,85 0,9 0,98 1, E W(H) W(H) Рис. 10. Зависимость рациональных параметров малогабаритной коммунальной машины от общего сопротивления перемещению W При сопротивлении W=400 Н скорость поступательного перемещения машины V2 максимальна и составляет 2,61 м/с. При этом расход Z антиголо ледного материала – 3,14 дм3/с, а толщина отсыпаемого слоя составляет 0, м. Мощность N2 и давление p2 в приводе движителя минимальны, коэффици ент буксования и другие параметры рабочего процесса не выходят за рамки наложенных ограничений, а двигатель работает в режиме максимальной мощ ности, о чем свидетельствует номинальное значение угловой скорости коленча того вала = 250 р/с. Коэффициент распределения мощности составляет 0,12.
Увеличение сопротивления W влечет за собой повышение мощности N на движителе. Однако двигатель работает в режиме максимальной мощности, поэтому недостающую часть можно забрать только с привода вибрационного питателя.
Уменьшение мощности привода рабочего органа приводит к снижению всех его параметров: угловой скорости 1, частоты колебаний f, момента М1, давления р1, расхода Z. При этом в силу возросшего сопротивления W скорость поступательного перемещения V2 также уменьшается, а коэффициент распре деления мощности возрастает и становится равным 0,24. Двигатель продолжает работать в режиме максимальной мощности (=250 р/с), и толщина слоя ма териала h не меняется. Происходит перераспределение мощности и устанавливается новое равновесное состояние, когда мощности N2, потребляе мой движителем, достаточно для преодоления с заданной скоростью сопротив ления W, а привод питателя потребляет столько мощности, сколько необходи мо для обеспечения заданного расхода Z антигололедного материала с новой установившейся скоростью V2.
При дальнейшем увеличении сопротивления W в рабочем процессе мало габаритной коммунальной машины продолжаются аналогичные изменения.
Мощность привода рабочего органа N1 уменьшается. В приводе движителя на растают давление р2, момент М2 и мощность N2, увеличивается угловая ско рость гидромотора привода движителя w2, усиливается буксование. Несмотря на падение поступательной скорости перемещения V2, коэффициент распреде ления мощности К1 продолжает возрастать. В конечном итоге устанавливается новое равновесное состояние, при котором двигатель продолжает работать в режиме максимальной мощности, а толщина слоя антигололедного материала h остается неизменной.
В четвертой главе рассмотрена оценка эффективности малогабаритной коммунальной машины с расширенными режимными параметрами.
V2(м/с) h(мм) 400 800 1200 1600 2,61 2,49 2,34 2,15 1, 1 1 1 1 W (H) Рис.11. Зависимость скорости перемещения малогабаритной коммунальной ма шины (1) и толщины слоя антигололедного материала (2) от сопротивления (W):
1, 2 – рациональный режим работы во всем диапазоне изменения нагрузки Эффективность поддержания рационального режима при изменении со противления перемещению малогабаритной коммунальной машины проиллю стрирована на рис. 11. Кривые 1 и 2 соответствуют рациональному режиму ра боты малогабаритной машины во всем диапазоне изменения сопротивления. С увеличением сопротивления скорость уменьшается с 2,61 м/с до 1,89 м/с, что составляет 28%, а толщина слоя антигололедного материала остается постоян ной и составляет 1мм.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Результаты выполненных исследований позволили сделать ряд выводов и практических рекомендаций, направленных на повышение эффективности малогабаритных коммунальных машин для зимнего содержания дворовых тер риторий.
1. Выполненный системный анализ позволил выделить основные подсис темы малогабаритной коммунальной машины: «антигололедный материал – вибрационный питатель» и «отвал – энергоблок – опорная поверхность».
2. Разработана физическая модель подсистемы «антигололедный материал – вибрационный питатель» и определены зависимости крутящего момента и расхода материала от параметров вибрации, угла наклона и толщины слоя ма териала. В исследованном диапазоне изменения независимых факторов влияние толщины слоя материала и направление колебаний лотка на расход материала оказались незначимыми;
установлена линейная зависимость расхода материала от амплитуды и частоты колебаний лотка;
угол наклона лотка является наибо лее значимым фактором, определяющим расход материала. Зависимость кру тящего момента от амплитуды колебаний является линейной, от частоты – сла бовыраженной квадратичной зависимостью.
3. Разработана математическая модель малогабаритной коммунальной ма шины, позволяющая оценить влияние параметров регулирования на основные параметры рабочего процесса. Параметр регулирования f2 определяет поступа тельную скорость перемещения малогабаритной коммунальной машины и ее производительность. Параметр регулирования f1 на производительность маши ны непосредственного влияния не оказывает, однако с его помощью поддер живаются нормированный расход антигололедного материала.
4. Получены зависимости расхода антигололедного материала, производи тельности малогабаритной коммунальной машины и энергоемкости процесса от коэффициента распределения мощности.
5. Найдены рациональные значения коэффициента распределения мощно сти в зависимости от общего сопротивления перемещению малогабаритной коммунальной машины. Для исследуемого диапазона изменения сопротивления указанные значения находятся в пределах от 0,12…0,68.
6. Разработанная методика расчета позволяет на основании требований технологии уборки определить основные параметры малогабаритных комму нальных машин с расширенными режимными параметрами.
7. Расчетный годовой экономический эффект составляет около 38 тыс. руб.
на одну машину.
Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку автоматической системы управления рациональным режимом работы и создание малогабаритной коммунальной машины, способ ной адаптироваться к изменяющимся внешним условиям.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Простакова Л.В. Определение рациональных режимов работы малога баритной машины для уборки снега и посыпки пешеходных дорожек на мате матической модели/ В.Г. Зедгенизов, Д.В. Кокоуров, Л.В. Простакова// Вестник ИрГТУ, 2009. №3. С. 47-50.
В других изданиях:
2. Панова Л.В. Анализ напряженно – деформированного состояния бун кера, выполненного с применением MSC NASTRAN //Современный универси тет: образование, наука, культура: материалы Всерос. научн. практ. конф. (Ир кутск, 20-22 мая 2005г.). – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. C 84–88.
3. Панова Л.В. Математическая модель движения твердого тела по колеб лющейся поверхности / В.Г. Зедгенизов, Л.В. Панова, А.Н. Коломеец // Строи тельные, дорожные машины и гидравлические системы: сб. докл. НТК. – Ир кутск: Из-во ИрГТУ, 2005. С. 7-14.
4. Патент №2312035 Российской Федерации, МПК7 B62D063/00, B62D013/00;
заявитель и патентообладатель ГОУ ИрГТУ №2006121841/11;
за явл. 19.06.2006;
опубл.10.12.2007, бюл.№ 5. Простакова Л.В. Математическая модель малогабаритной машины для уборки снега и посыпки пешеходных дорожек / В.Г. Зедгенизов, Д.В. Коко уров, Л.В. Простакова //Материалы VII Всерос. с международным участием НТК.(Братск, 18-20 марта 2008г.). – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. C. 45–49.
6. Простакова Л.В. Определение мощности привода вибрационного пита теля./ В.Г. Зедгенизов, Д.В. Кокоуров, Л.В. Простакова // Механики – XXI веку:
сб. докл. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. С. 60-62.
7. Простакова Л.В. Особенности проектирования универсальной малога баритной машины для коммунального хозяйства: в 2-х ч / Д.В. Кокоуров, Л.В.
Простакова, А.В. Козлов // Политранспортные системы: материалы V Всерос.
НТК, (Красноярск, 21-23 ноября 2007г.). – Красноярск: Сиб. Федер. Ун-т;
По литехн. Ин-т, 2007. C. 339-340.
8. Простакова Л.В. Результаты экспериментальных исследований бунке ра с вибрационным питателем на физической модели/ В.Г. Зедгенизов, Д.В. Ко коуров, Л.В. Простакова // Машины, технологии и процессы в строительстве:
Тр. Междунар. Конгресса. (Омск, 6-7 декабря 2007г). – Омск: СибАДИ, 2007.
C. 9-13.