ГлавнаяРабота ротора
Исследования, выполненные в последнее время, позволяют рассматривать работу ротора как центробежного лопастного метателя. Экспериментально установлено, что до 70% мощности расходуется на сообщение снегу живой силы для отбрасывания его на требуемое расстояние. На создание воздушного скоростного напора затрачивается лишь до 6% всей мощности, потребляемой ротором.
Процесс работы ротора протекает следующим образом. Снег в виде массы, состоящей из отдельных частиц или крупных кусков, поступает к вращающемуся ротору и заполняет пространство между лопастями.
В первый момент масса снега под действием силы инерции перемещается в радиальном направлении к концу лопасти и прижимается к кожуху ротора. Дальше частицы снега совершают вращательное движение и, достигнув отверстия в кожухе ротора, под действием сил инерции выбрасываются из него.
В первую очередь выбрасываются частицы снега, находящиеся у поверхности кожуха ротора, со скоростью, равной окружной скорости конца лопасти. Более удаленные частицы в этот момент только начинают двигаться в радиальном направлении. Эти частицы выбрасываются из ротора с абсолютной скоростью, равной геометрической сумме радиальной скорости, которую частицы снега приобрели к моменту вылета, и окружной скорости конца лопасти.
Уравнение движения частиц снега в роторе в общем виде с учетом действия сил инерции, сил трения и веса представляет сложную зависимость, анализ которой представляет известные трудности. Поэтому для определения основных парам, характеризующих работу ротора, могут быть использованы упрощенные зависимости.
Основными параметрами ротора как транспортирующего рабочего органа являются (фиг. 285) угол разгрузки лопасти φр, радиальные размеры лопасти — внешний радиус R и рабочая длина lл, пропускная способность ротора Пр и дальность отбрасывания снега L.
Угол разгрузки ротора φр (в радианах), определяющий величину поворота лопасти до полной разгрузки, для наиболее неблагоприятного случая транспортирования снега в виде массы мелких, не связанных между собой частиц, может быть установлен на основании следующей зависимости:
где аv — коэффициент, учитывающий влияние веса снега и трения о лопасть, в первом приближении av = 1/1+μ1 = 0,8/0,9.
Величина наружного радиуса ротора R определяется на основании заданной производительности и окружной скорости конца лопасти ротора, выбираемой в зависимости от дальности отбрасывания. При этом требуется также учесть степень заполнения снегом пространства между лопастями.
где Псн — производительность снегоочистителя в т/сек;
γсн — объемный вес снега в т/м2;
vp — окружная скорость конца лопасти ротора в м/сек;
bp — ширина лопасти ротора к м;
kн — коэффициент заполнения ротора снегом.
Величина коэффициента kн зависит от производительности снегоочистителя, окружной скорости ротора, физико-механических свойств снега. В среднем при vp = 13,5/20 м/сек и γсн = 0,33/0,5 т/м3 можно принять kн = 0,15/0,5. Большее значение kн соответствует меньшей окружной скорости лопасти ротора.
k1 — коэффициент влияния угла разгрузки; значение k1 = R/r зависит от величины угла разгрузки, сил трения и веса снега в роторе:
Величина φр определяется по формуле (162).
Длина лопасти может быть определена по формуле
где
Теоретическая производительность ротора определяется в зависимости от его геометрических размеров и скорости вращения:
где
Производительность ротора связана с производительностью снегоочистителя соотношением
где Псн — требуемая производительность снегоочистителя в т/сек.
При расчетах величина Псн обычно бывает задана.
Основные геометрические параметры ротора целесообразно назначать для условий, характеризующихся меньшим из возможных в конкретных условиях значений коэффициента трения μ1. При этом величина коэффициента av может быть принята равной 0,9. Нормальная работа в других условиях может быть обеспечена уменьшением загрузки лопасти снегом по длине путем соответствующего снижения рабочей скорости снегоочистителя.
Лопасть должна иметь трапецеидальное очертание в соответствии со схемой, представленной на фиг. 285, б. Такая форма позволяет использовать в работе всю ширину лопасти. Передний конец лопасти целесообразно изогнуть по направлению вращения ротора так, чтобы он несколько выступал перед корпусом коробки ротора. Передняя Кромка такой лопасти имеет благоприятный угол резания 25—35°. Кроме того, плавный переход загнутой части лопасти в радиальную обусловливает безударный вход снега в ротор. Выдвижение загнутых кондов лопастей за корпус ротора способствует уменьшению Лобового сопротивления корпуса при движении в снегу.
Теоретические исследования, на основании которых выведены рассмотренные формулы, находят экспериментальное подтверждение в работах по исследованию роторных снегоочистителей, выполненных на железнодорожном транспорте.
Дальность отбрасывания снега является важным показателем ротора как метательного рабочего органа. В процессе расчистки автомобильных дорог ротор должен обеспечивать дальность отбрасывания, превышающую ширину проезжей части. Практика показывает, что для расчистки автомобильных дорог любого класса дальность отбрасывания снега не должна превышать 8—25 ж, а при расчистке аэродромов должна быть не менее 50—70 м. Дальность отбрасывания снега ротором L0 в первом приближении определяется на основании законов движения твердого тела, брошенного наклонно к горизонту в безвоздушном пространстве:
где v — абсолютная скорость частицы снега в момент бросания в м/сек;
φ — угол направления бросания к горизонту в град.;
H0 — высота, на которой частицы снега покидают направляющий аппарат ротора, в м.
Наибольшая дальность отбрасывания будет при угле наклона направляющего аппарата к горизонту 45° (фиг. 286, а). Для автомобильных снегоочистителей влияние второго слагаемого незначительно.
В действительности воздух оказывает значительное сопротивление движению частицы снега и действительная дальность отбрасывания значительно отличается от теоретической (фиг. 286). Как показали исследования, эта разница тем больше, чем выше окружная скорость ротора. На фиг. 286 приведены графики зависимости дальности бросания от окружной скорости метательного рабочего органа для различных типов снегоочистителей. Кривая 1 соответствует теоретик ческой зависимости без учета сопротивления воздуха. Кривая 2 соответствует снегоочистителю с фрезерно-роторным рабочим органом при диаметре ротора Dp = 1,2 м, ширине лопасти bp = 0,5 м, с двигателем ротора мощностью 196 л. с. Кривая 3 относится к снегоочистителю шнеко-роторного типа при диаметре ротора Dp = 0,9 м, ширине лопасти bp = 0,26 м с двигателем на привод шнеков и ротора мощностью 72 л. с. Дальность отбрасывания снегоочистителя с торцовым ротором при диаметре Dp = 0,75 м, ширине лопасти bp = 0.35 м. с двигателем на привод ротора 80 л. с. характеризует кривая 4, Кривая 5 соответствует снегоочистителю с фрезерным рабочим органом при диаметре фрезы по лопастям Dф = 1,2 м, высоте лопасти hф — 0,2 м с двигателем мощностью 165 л. с. При vg = 12/30 м/сек для практических расчетов может быть рекомендована формула
где α — коэффициент, равный 0,0023;
vp — окружная скорость ротора в м/сек.
Экспериментально установлено, что при дальности отбрасывания до 20 м окружная скорость ротора должна находиться в пределах:
Для повышения дальности бросания снег всегда должен отбрасываться по направлению действии ветра.
Работа против ветра возможна только в том случае, если скорость ветра не превышает 2 м/сек. Дальность отбрасывания с учетом влияния скорости ветра может быть определена на основании эмпирической зависимости
где L — дальность бросания при отсутствии ветра в м;
vв — скорость ветра в м/сек.
Установлено также, что при vp = const дальность отбрасывания зависит от производительности снегоочистителя, плотности струи снега, выбрасываемой из ротора, от величины наружного радиуса ротора, физико-механических свойств снега и ряда других факторов.
Поворот струи снега при выходе из метателя в плане на 90°, как это имеет место у снегоочистителя с барабанной фрезой, уменьшает дальность отбрасывания на 50%.
Вопрос о дальности отбрасывания снегоочистителей с метательным рабочим органом требует дальнейших исследований.
Работа шнека протекает следующим образом Под действием толкающего усилия лопасти шнека вдавливаются в снег, заглубляясь на определенную величину. При вращении шнека пласт снега, толщина которого равна величине заглубления лопасти в снег, отделяется от массива и перемещается вдоль оси шнека к ротору. Схема воздействия шнека на снежный массив изображена на фиг 287. Скорость резания является равнодействующей поступательной скорости снегоочистителя vсн и скорости осевой подачи шнека vш. Направление резания соответствует направлению скорости резания. Следовательно, угол резания у (угол, образуемый плоскостью, касательной к витку шнека, и поверхностью резания) близок к 90°. С точки зрения эффективного воздействия на снег такой угол резания является неблагоприятным. Режущий орган с таким углом резания при воздействии на снежный массив обладает большим сопротивлением. Угол подъема а винтовой линии шнека как транспортирующего элемента не должен превышать 45°. На практике этот угол обычно назначают значительно меньше, до 24—25°, с тем, чтобы избежать налипания снега на витки шнека в процессе работы.
Диаметр шнека не превосходит 400—500 мм. Шаг винта tш принимается в зависимости от диаметра шнека так, чтобы обеспечить заданный угол подъема винтовой линии, обычно
В процессе работы шнек загружается снегом непрерывно по всей, длине Наибольшее количество снега проходит через участки шнека, которые располагаются ближе к ротору Производительность шнека как транспортирующего рабочего органа может быть определена на основании известной зависимости
где Dш — наружный диаметр шнека в м,
dш — диаметр вала шнека в м,
tш — шаг витков шнека в м,
пш — число оборотов шнека в минуту;
φзап — коэффициент заполнения шнека снегом, φзап = 0,5—0,8. Для плавной подачи снега к ротору шаг витков верхних шнеков смещается относительно нижних по фазе на 180°. Шнеки располагаются в корпусе рабочего оборудования один над другим. Причем заданная производительность должна обеспечиваться при толщине снежного покрова, не превышающей диаметр шнека, когда в работе участвует один нижний шнек.
Ленточная фреза типа «Рольба» (фиг. 288) используется в качестве режущего органа на снегоочистителях фрезерно-роторного типа. В отличие от шнека режущий орган такого типа оказывает меньшее сопротивление движению снега к ротору. Фреза состоит из двух или четырех барабанов, каждый из которых имеет режущие ножи ленточного типа, установленные на спицах по винтовой линии. Угол подъема винтовой линии α ≤ 45°. Диаметр мнимого цилиндра по вершинам ножей равен
где В — ширина захвата в м.
Тяговый расчет
Тяговый расчет снегоочистителей с метательным рабочим органом обычно производится для установившегося движения с максимально возможными сопротивлениями, возникающими в процессе работы Толщина убираемого снежного покрова, прочность и плотность снега, а также уклон пути, по которому движется снегоочиститель, берутся максимальными. Общее сопротивление, преодолеваемое снегоочистителем, можно представить в виде суммы сопротивлений
где W1 — сопротивление врезанию в снежный массив горизонтальных и вертикальных ножей рабочих органов,
W2 — сопротивление скольжению корпуса рабочих органов;
W3 — сопротивление перемещению тягача, на котором установлено рабочее оборудование.
Сопротивление врезанию в снежный массив корпуса рабочих органов определяется по формуле
где k — коэффициент сопротивления резанию в кг/см2;
F — площадь проекции на вертикальную поперечную плоскость элементов корпуса, врезающихся в снег, в м2. Сопротивления и W3 определяются по аналогии с изложенным ранее. Кроме того, проверяется тяговое усилие по сцеплению.
Мощность двигателя снегоочистителя расходуется на привод рабочих органов и на преодоление сопротивлений, возникающих при перемещении машины и рабочего оборудования, и определяется как сумма мощностей
где Np.o — мощность, необходимая для привода рабочих органов;
Nпер — мощность, необходимая на перемещение снегоочистителя.
Мощность для привода рабочих органов Np.o расходуется или только на привод ротора, если ротор выполняет функции режущего и метательного рабочего органа, или на привод ротора и режущих органов — шнека, фрезы и т. п.
Мощность, необходимая для привода ротора, в общем случае может быть определена по формуле:
где N1 — мощность на сообщение снегу кинетической энергии;
N2 — мощность на преодоление сил трения снега о кожух ротора;
N3 — мощность, теряемая при ударе лопасти о снег;
N4 — мощность на резание снега лопастями ротора;
ηp — к. п. д. привода от двигателя к ротору, ηp = 0,9/0,95;
k — коэффициент, учитывающей затраты мощности на трение снега о лопасть, на преодоление сопротивления воздуха, на подъем снега, на возможный удар снега о кожух ротора, k = 1,15/1,10.
Составляющие мощности ротора следует определять для наиболее тяжелого случая его работы, при котором ротор полностью загружен снегом по всей длине лопасти.
Мощность, расходуемая на сообщение снегу кинетической энергии, определяется на основании анализа изменения кинетической энергии частиц снега, движущихся в роторе.
Кинетическая энергия частицы снега в период вылета из ротора (см. фиг. 285, а) определяется следующей зависимостью:
где dm — масса частицы снега;
va*ς — абсолютная скорость частицы, удаленной от оси вращения на расстояние q.
Принимая во внимание, что
где ς — расстояние рассматриваемой частицы от оси вращения ротора, имеем
Интегрируя и выражая мощность через производительность снегоочистителя, получаем
где ωp — угловая скорость ротора в 1 /сек;
R — наружный радиус ротора в м;
Псн — производительность снегоочистителя в т/час;
g — 9,81 м/сек2.
Коэффициент av, а также величины R и r определяются по формулам, указанным ранее.
Мощность, затрачиваемая на преодоление трения снега о кожух ротора, определяется по формуле
где μ1 — коэффициент внешнего трения снега,
Мощность, теряемая при ударе лопасти о поступающий в ротор снег, может быть определена с достаточной точностью по формуле
где Jp — момент инерции ротора (ступица, лопасти) в кгм*сек2;
Jсн — момент инерции массы снега, поступающего в ротор за один оборот, в кгм*сек2.
Для рассматриваемого случая
Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления резанию, может быть определена по формуле
где kр — удельное сопротивление резанию снега в кг/см2;
vсн — рабочая скорость движения снегоочистителя в км/час.
Указанная зависимость может быть также использована для определения мощности на привод разрыхляющего органа пропеллерного типа.
Мощность, расходуемая на привод шнека, определяется по формуле
где Nш1 — мощность на вырезание снега из массива;
Nш2 — мощность на преодоление сопротивления перемещению снега,
ηш — к. п. д. привода от двигателя к шнекам, ηш = 0,9—0,95.
Мощность на вырезание снега может быть определена по формуле:
где M — момент от сил сопротивления резанию относительно оси шнека в кгм; ωш — угловая скорость шнека в 1/сек.
Пользуясь известными зависимостями и считая, что сила сопротивления резанию приложена к режущей кромке шнека на расстоянии r = 0,4 Dш от оси вращения, имеем
где Pр — сила сопротивления резанию, Pр = kpBhzв;
В — ширина вырезаемого пласта снега;
h — толщина вырезаемого пласта;
Zв — число витков одного шнека вырезающих снег.
В соответствии с характером процесс воздействия витка шнека на массив снега (см. фиг. 286).
Толщина вырезаемого пласта снега hш определяется величиной заглубления витка шнека в снег за один оборот
Принимая во внимание указанное, имеем
где Dш — диаметр шнека в м;
vсн — рабочая скорость движения снегоочистителя в км/час;
kр — удельное сопротивление резанию снега в кг/см2;
α — угол подъема винтовой линии шнека;
ς — угол внешнего трения снега, tg ς = μ1;
Zв — число витков одного шнека, вырезающих снег, гв = В/tш;
tи — шаг винтовой линии шнека в м;
здесь В — длина шнека в м (длина шнека при расчетах может быть принята равной ширине захвата);
zш — число шнеков вырезающих снег, zш = Н/Dш,
здесь H — высота убираемого слоя снега в м.
Мощность на перемещение снега
где μ2 — коэффициент внутреннего трения снега.
Остальные обозначения указаны выше.
Для ориентировочных расчетов шнеко-роторных снегоочистителей могут быть рекомендованы эмпирические зависимости, предложенные канд техн. наук A.Л. Сухоруковым.
Для определения мощности ротора
где k — эмпирический коэффициент, зависящий от окружной скорости ротора и свойств снега.
С увеличением окружной скорости ротора величина k уменьшается.
При vp = 12 — 22 м/сек и γсн = 0,35 г/см3 k = 0,95—1,3. Для определения мощности шнеков
где а — коэффициент, зависящий от свойств снега,
при γсн = 0,35 г/см3 а = 0,015 — 0,025,
при γси = 0-45 г/см3 а = 0,03 — 0,04;
N0 — мощность, зависящая от числа оборотов шнека, при пш = 300—500 об/мин N0 = 7—4,5 л.с.
Величина мощности, потребляемой рабочими органами шнеко-роторного снегоочистителя Д-470 (без учета потерь в трансмиссии), приведена в табл. 31.
Мощность, затрачиваемая на привод ходового оборудования, определяется по сумме сопротивлений найденных выше при тяговом расчете:
где η — величина к. п. д. трансмиссий привода ходового оборудования, η = 0,9—0,95.
При определении общей мощности двигателей суммируют те из найденных выше составных частей, которые соответствуют принятой системе привода и рабочему оборудованию данного снегоочистителя.
Производительность снегоочистителя определяется по формуле
При проектировании снегоочистителей должно соблюдаться следующее соотношение между общей производительностью снегоочистителя и производительностью отдельных рабочих органов:
где Преж — производительность режущих рабочих органов в т/час;
Пр — производительность метателя (ротора) в т/час.
Ширина расчищаемой полосы В равна ширине корпуса снегоочистителя, которая назначается больше габаритной ширины тягача на 150+200 мм в каждую сторону.
К.п.д. снегоочистителей. Эффективность выполнения рабочими органами таких операций, как отделение снега от массива, транспортировка снега к ротору, сообщение снегу кинетической энергии, оценивается внутренним к. п. д.
где vp — окружная скорость конца лопасти ротора в м/сек; g = 9,81 м/сек;
N0 — мощность, подводимая к рабочим органам, в л. с.,
здесь Nдв — номинальная мощность двигателя привода рабочих органов в л. с.; ηтр — к. п. д. трансмиссии привода.
Внутренний к. п. д. позволяет оценить потери, возникающие внутри рабочего органа между приводом и направляющим патрубком ротора.
В качестве критерия общей эффективности рабочих органов включая и операцию отбрасывания снега, используется внешний или общий к. п. д.
где Lд — действительная дальность отбрасывания в м.
При малых дальностях отбрасывания решающее влияние на величину η2 оказывают потери на резание снега и транспортирование его к ротору.
При большой дальности бросания решающее влияние оказывают сопротивления, величина которых возрастает с увеличением скорости (сопротивление воздуха, сопротивление при изменении направления движения частиц снега и т. п.).
Внутренний к. п. д. у современных рабочих органов колеблется в пределах 10—30%.
Величина общего к. п. д. достигает 25%.
Анализ указанных зависимостей позволяет в первом приближении обосновать выбор рационального режима работы роторного снегоочистителя
где k = 1/η2*450, здесь η2 = 0,15 — 0,25;
В — ширина захвата в м;
γсн — объемный вес снега в т/м3;
Vсн — скорость снегоочистителя в м/час.
График функции, позволяющий выбрать режим работы снегоочистителя, при постоянных значениях k, N0, В представлен на фиг. 289.
Из графика следует, что при дальности отбрасывания 8—10 м скорость движения снегоочистителя, а, следовательно, и его производительность в 5 раз больше, чем при дальности отбрасывания 25— 35 м.
В целях экономии энергии следует ограничиться минимальной дальностью отбрасывания, допускаемой условиями работы.
При расчете на прочность рабочего оборудования следует для ротора проверить напряжение в лопасти в месте ее крепления к валу, а также произвести расчет муфты предельного момента или предохранительных болтов.
Шнек и другие рыхлящие органы подобного типа рассчитывают по методам, излагаемым в курсах подъемно-транспортных машин.
Проектирование роторных снегоочистителей
Исходными данными при проектировании являются производительность машины, дальность отбрасывания и физико-механические свойства снежного покрова. На основании этих данных устанавливают, используя приведенные выше формулы, основные параметры рабочего оборудования: угол разгрузки, наружный радиус лопасти, длину лопасти, окружную скорость конца лопасти, теоретическую производительность ротора и рабочие скорости снегоочистителя в различных условиях работы. Затем определяется мощность привода, выполняется размещение агрегатов машины и тяговый расчет, проверяется устойчивость снегоочистителя в работе и т. д.
При конструировании снегоочистителей необходимо принимать во внимание следующее: разрыхляющее устройство не должно препятствовать свободному перемещению вырезанного снега к ротору, путь снега от разрыхляющего устройства к ротору должен быть коротким и по возможности прямолинейным; ротор желательно выполнять в виде диска с лопастями специального профиля; должна быть предусмотрена надежная система контроля и сигнализации за работой ротора и режущих органов; передний мост тягача в транспортном положении должен допускать перегрузку до 30%; все оси ходового оборудования должны быть ведущими; должна быть обеспечена блокировка дифференциалов; снегоочиститель должен иметь большой диапазон изменения рабочих скоростей так, при уборке снега толщиной 0,1—0,2 м и плотности 0,07—0,2 г/см3 рабочую скорость снегоочистителя желательно иметь до 50 км/час, а при работе на плотном снегу 0,3 км/час и менее; колея передних и задних колес должна быть одинакова; двигатель привода рабочих органов желательно располагать за задней осью машины. Кроме того, должны быть обеспечены обдув передних стекол кабины и надежная очистка их от снега, обогрев кабины, нормальная видимость из кабины водителя вперед и назад при рабочем и транспортном положениях, освещение фронта работ фарами-искателями, управляемыми из кабины водителя.
Специальные типы снегоочистителей должны быть оборудованы всеми ведущими и управляемыми осями и пневматиками с регулируемым давлением и иметь дополнительный штурвал (правый) с выключающим устройством.
Рулевое управление всех четырех колес снегоочистителя должно обеспечивать движение вдоль расчищаемого вала с установкой снегоочистителя в плане, под углом к оси дороги в то время как его колеса параллельны последней. Это дает возможность производить расчистку твердых валов на всю ширину дороги без опасного схода юзом в кювет. Трансмиссия ходовой части должна включать устройство для бесступенчатого изменения передач, например, гидротрансформатор. Кроме гидротрансформатора, трансмиссия должна включать двухступенчатый демультипликатор и редуктор и многоступенчатую (до 5—6 ступеней) коробку передач. В этом случае при отсутствии скольжения гидротрансформатора можно получить суммарное передаточное число 1:700, а при полном коэффициенте трансформации до 1:1150, что дает возможность производить расчистку с поступательной скоростью меньше 0,3 км/час. Наличие гидротрансформатора в трансмиссии ходовой части снегоочистителя дает возможность переходить от расчистки заносов большой толщины к удалению слоя снега небольшой толщины без переключения механической передачи. Это имеет большое практическое значение, особенно для горных районов, где встречаются снежные заносы в виде кос, состоящих из плотного снега толщиной до 1,2 м, наряду с участками почти чистой дороги. Механическое переключение скоростей в этих условиях приводит к потере времени. На дорожных снегоочистителях желательно применение дизелей. Весьма рационально применение дизелей с воздушным охлаждением и турбонаддувом, что обеспечивает значительную экономию топлива, уменьшает металлоемкость и снижает потери мощности на высоте (при работе в горных условиях). Снегоочистители должны иметь оборудование для обеспечения пуска двигателей в холодную погоду, а также оборудование для освещения в аварийных случаях.
В настоящее время разрабатывается ГОСТ на роторные снегоочистители для обслуживания автомобильных дорог и аэродромов. В зависимости от базовой машины проект ГОСТа устанавливает три типа роторных снегоочистителя: автомобильные, тракторные и на специальном шасси, каждый из которых по мощности и производительности подразделяется на легкие, средние и тяжелые. Основные параметры и размеры снегоочистителя внутри каждого типа построены по рядам предпочтительных чисел в машиностроении по ГОСТу 8032-56. Рабочие органы снегоочистителей могут быть любого типа. При проектировании следует ориентироваться на следующие показатели (табл. 32).
Развитие конструкций снегоочистителей с роторным рабочим органом происходит по следующим направлениям: увеличение производительности; повышение рабочих скоростей; создание рабочих органов, позволяющих разрабатывать снег различной прочности; повышение надежности рабочего оборудования, увеличение дальности отбрасывания (для специальных машин не менее 50—70 м).
Перспективным направлением в общем развитии конструирования снегоочистителей является внедрение автоматизации их рабочего процесса, что приведет к облегчению условий работы оператора и позволит автоматически поддерживать номинальную мощность двигателя и оптимальный режим рабочего оборудования в различных условиях эксплуатации.