Расчёт производительности плужно-щёточного снегоочистителя сдвигающего действия

 

Цель работы:

Сформировать у студентов представление об особенностях расчёта производительности плужно-щёточных снегоочистителей и влияющих на неё конструктивных и эксплуатационных факторах,.

 

Основные положения

1. Производительность плужно-щёточного снегоочистителя П_пщс, м²/с, рассчитывают по формуле

где L _ВПП – длина взлётно посадочной полосы или рулёжной дорожки, очищаемой от снежного покрова; b _пл – ширина захвата плуга с учётом необходимости перекрытия соседних проходов; v _м – фактическая скорость движения снегоочистителя, м/с; t _ман – время маневрирования снегоочистителя в конце прохода (t _ман» 120 сек).

2. Ширина захвата плуга b _зхв зависит (рис. 1) от его длины, угла установки в плане (угла захвата) и величины перекрытия соседних проходов

где l _пл – длина плуга, м; g_пл – угол захвата плуга; 0,4 м – перекрытие предыдущего прохода.

Для длины плуга справедливо выражение

где b _м – ширина машины по внешним боковинам колёс задних осей; 0,8 м – длина выступающих с обеих сторон за габариты машины концов плуга.

Рис. 1. Плужно-щёточный снегоочиститель (вид сверху):g_пл – угол захвата плуга снегоочистителя, образованный продольной осью машины и режущей кромкой отвала; g_щ – угол захвата щётки снегоочистителя, образованный продольной осью машины и осью вращения щётки.

 

3. Фактическая скорость v _м плужно-щёточного снегоочистителя в процессе очистки зависит от скорости вращения ведущих колёс и величины их буксования относительно опорной поверхности. Соотношение этих величин описывает формула

где v _теор – теоретическая скорость плужно-щёточного снегоочистителя, м/с; d – коэффициент буксования ведущих колёс снегоочистителя в десятых долях.

4. Теоретическая скорость любого самоходного пневмоколёсного агрегата зависит от частоты вращения вала двигателя, передаточного числа ходовой трансмиссии (коробки передач, ходоуменьшителя и главной передачи, концевых редукторов) и силового радиуса ведущих колёс

где r _c – силовой радиус пневмоколеса (рис. 2), м; n _e – номинальная частота вращения вала двигателя, с^-1; i _тр – передаточное число трансмиссии, используемое при очистке покрытия от снежного покрова.

где 0,95 – коэффициент деформации колеса; 0,0254 – цена одного дюйма в м; d _пос – посадочный диаметр шины, дюймы; b _пр – ширина профиля шины, дюймы.

Рис. 2. Факторы, влияющие на фактическую скорость и силу тяги машины

5. Величина буксования d зависит от отношения величины сопротивлений W _сум, преодолеваемых машиной, к величине опорной реакции R _вед, приходящейся на её ведущие колёса, называемого коэффициентом сцепления j_сц. В общем случае это явление достаточно хорошо описывает уравнение Н.А. Ульянова

где A, B, m – эмпирические коэффициенты, установленные автором формулы для обширного круга условий эксплуатации[1]; W _сум – суммарное (или общее) сопротивление, преодолеваемое плужно-щёточным снегоочистителем при уборке снега, Н; R _вед – общая опорная реакция, действующая на все ведущие колеса снегоочистителя, Н.

6. Суммарное сопротивление, преодолеваемое плужно-щёточным снегоочистителем при уборке снега, является результатом нескольких, одновременно протекающих процессов, а именно, переход вырезаемой и перемещаемой плугом снежной массы из состояния покоя к движению с переменной скоростью, взаимодействие подметальной щётки со смётом и покрытием и перемещение всего агрегата по опорной поверхности

W _сум = W _плуга + W _щётки + W _дв,

где W _плуга – сопротивления, возникающие при взаимодействии плуга с убираемой снежной массой; W _щётки– сопротивления, возникающие при взаимодействии подметальной щётки со смётом и покрытием; W _дв– собственное сопротивление снегоочистителя перемещению по опорной поверхности. Силы инерции, входящие в суммарное сопротивление, зависят от фактической скорости машины, которая, в свою очередь, зависит от суммарного сопротивления. Поэтому расчёт сил инерции начинают с использования теоретической скорости машины и повторяют несколько раз, каждый раз с новым, уточнённым значением фактической скорости машины v_м, вплоть до получения незначительного расхождения получаемых результатов.

7. Сопротивление, возникающее при взаимодействии плуга с убираемой снежной массой, можно представить[2], как сумму одновременно действующих сил (рис. 6)

W _плуга = W _рез + W _пр + W _ин + W _под + W _пер + W _тр,

где W _рез – сопротивление снега резанию плугом; W _пр – сопротивление перемещению призмы волочения плугом; W _ин – сила инерции, возникающая при переходе вырезаемой стружки снега из массива в движущуюся призму волочения; W _под – сила трения о плуг снега, двигающегося по его поверхности вверх; W _пер – сила трения о плуг снега, двигающегося вдоль плуга; W _тр – сила трения лезвия плуга о покрытие.

Рис. 3. Схема сил, действующих на плуг снегоуборщика при его взаимодействии со снежной массой

 

Силы, составляющие сопротивления на плуге, рассчитывают по следующим формулам.

7.1. Сопротивление снега резанию плугом

W _рез = K _рез× b _зхв× h _сн,

где K _рез– удельное сопротивление снега резанию, Н (табл.); b _зхв – ширина полосы захвата, м; h _сн – толщина снежного покрова, м.

7.2. Сопротивление перемещению призмы волочения плугом

где r – плотность снега, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; m_сн – угол внутреннего трения снега (табл. 1); g_пл – угол захвата снегоуборочного плуга; m_ст – угол внешнего трения снега по стали (табл. 1).

 

Таблица 1.

Удельное сопротивление снега резанию (кПа) и углы его трения (рад.)

r, кг/м3	t = 0 … -3°C			t = –4…–16°C			t = –16…–30°C
	Крез	mст	mсн	Крез	mст	mсн	Крез	mст	mсн
100	1,25	0,1762	0,2313	0,50	0,0993	0,2751	0,80	0,1382	0,3169
200	3,00	0,1091	0,2836	2,30	0,0846	0,3086	3,50	0,0964	0,3331
300	3,50	0,0895	0,3248	4,50	0,0698	0,3560	7,00	0,0797	0,4069
400	4,50	0,0747	0,3636	5,50	0,0549	0,3929	7,50	0,0648	0,4344
500	4,36	0,0400	0,3857	6,50	0,0250	0,4278	6,60	0,0330	0,4532
550	4,29	0,0300	0,4002	6,81	0,0150	0,4344	6,01	0,0210	0,4779

 

7.3. Сила инерции

где r – плотность снега; g – ускорение свободного падения.

7.4. Сила трения о плуг снега, двигающегося по его поверхности вверх

где a – угол резания плуга; W _норм – сумма составляющих сил инерции W _ин^н и сопротивления призмы волочения W _пр^н, нормальных к режущей кромке плуга

 

где

7.5. Сила трения о плуг снега, двигающегося вдоль плуга

7.6. Сила трения плуга об очищаемую поверхность

W _тр = G _роtgm_ст.

где G _ро – сила тяжести плужного оборудования.

8. Сопротивление, возникающее при взаимодействии цилиндрической подметальной щётки с покрытием и остатками снега на нём, можно определить[3] с помощью уравнения

где D W – сопротивление снега резанию и отбрасыванию ворсом щётки; W _в – вертикальная сила, с которой деформированная ворсина давит на покрытие; i _к – количество ворсин, одновременно контактирующих с покрытием; f – коэффициент трения ворса о покрытие (f = 0,35…0,40); z – угол между вектором абсолютной скорости конца ворса по покрытию и плоскостью его вращения.

8.1. Сопротивление снега резанию W _рез ворсом щётки

где b _щ – ширина полосы захвата щётки; h _см – толщина слоя снежного смёта, оставляемого плугом (h _см» 0,01 м);

где l _щ – длина щётки; g_щ – угол захвата щётки, т.е., острый угол между скоростью машины и осью вращения щётки.

8.2. Сила инерции снега W _ин, отбрасываемого щёткой

где r_сн – плотность снега; v _м – фактическая скорость движения снегоочистителя; v – абсолютная начальная скорость отбрасывания снега; l _р – относительная дальность отбрасывания снега в радиальном направлении;

где: v _в – скорость восстановления изгибной деформации ворса, м/с, которую находят по эмпирической зависимости:

v _м – фактическая скорость снегоочистителя, м/с; g_щ – угол захвата щётки, град.; z – угол между вектором абсолютной скорости конца ворса по покрытию и плоскостью его вращения, град.

a_н –угол начала отрыва ворсины от покрытия, град. (рис. 4):

,

v _ск – максимальная конечная относительная скорость скольжения ворса по покрытию, м/с:

v _ск.а – абсолютная скорость скольжения, м/с:

w – частота вращения щётки, с^-1; r – радиус траектории конца свободных ворсин; h _в – величина деформации ворса (по технологическим требованиям h _в =15…20 мм);,.

Рис. 4. Соотношение размеров цилиндрической щётки при подметании: aн – угол начала отрыва деформированного ворса от покрытия; b – центральный угол контакта ворса с покрытием; e – свободная длина ворсины; r – радиус траектории конца ворсины; y к – зазор между сердечником щётки и покрытием

 

Из схемы на рис. 4 следует

где h _пр – величина дорожного просвета базового шасси.

Для относительной дальности отбрасывания снега в радиальном направлении l _р справедливо

где l – средняя дальность отбрасывания снега ворсом щётки, м:

a_от – угол наклона траектории отбрасываемого снега к горизонту, град.:

K _v – скоростной коэффициент:

C – аэродинамический коэффициент (C = 0,23); r_в – плотность воздуха (r_в = 1,2 кг/м³); g – ускорение свободного падения, м/с².

8.3. Вертикальная сила W _в, с которой деформированная ворсина давит на покрытие

где E – модуль упругости ворса (для стального 2,1×10⁵ МПа; для синтетического 7,1…8×10³ МПа); f – коэффициент трения ворса о покрытие (f = 0,35…0,40); e – основание натурального логарифма (e» 2,718); J – момент инерции поперечного сечения прутка ворса относительно перпендикуляра к плоскости вращения щётки⁴.

.

где d _в – размер ворсины, нормальный плоскости её вращения (для металлического ворса d _в =0,0008 м, для синтетическоговорса d _в = 0,0021 м).

Количество ворсин, одновременно взаимодействующих с покрытием[4]

где K _нр – коэффициент, учитывающий неравномерность размещения ворса (K _нр = 2,0…2,5)

9. Сопротивление собственному передвижению плужно-щёточного снегоочистителя

где G _сц – часть силы тяжести снегоочистителя, приходящаяся на его ведущие колёса; f _к – коэффициент сопротивления перекатыванию.

Отчёт

Отчёт составляется и защищается в редакторе Excel (см. файл «Отчёт3»). После защиты бумажная копия отчёта подписывается преподавателем и остаётся у студента.

 

[1] Ульянов Н.А. Теория самоходных колёсных землеройно-транспортных машин / Н.А. Ульянов. - М.: Машиностроение, 1969. 520 с.: ил.

[2] Ермилов, А.Б. Расчёт и проектирование снегоочистителей: Учебное пособие. – М.: МАДИ, 1989. – 107 с.

 

[3] Там же.

 

[4] Машины для содержания городских и автомобильных дорог: Кн. 1. Содержание дорог в летний период: учебное пособие для вузов / В.И. Баловнев, Р.Г. Данилов, А.Г. Савельев, под общ.ред. В.И. Баловнева -3-е изд., доп. и перераб. – М.: ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР, 2013. – 333 с.