К.т.н. Глотов В.А., к.т.н. Игнатюгин В.Ю.,
студент Зеленковский Д.И.
Сибирский
государственный университет путей сообщения,
Универсальная
снегоуборочная машина для городских улиц
Проблема своевременной очистки улиц крупных городов является чрезвычайно
актуальной на сегодняшний день.
Механизированная уборка городских дорог и тротуаров в теплое время года предусматривает выполнение работ по поддержанию в чистоте и порядке их покрытий, а в холодное время года заключается главным образом в обеспечении пропускной способности дорог и проездов независимо от объема снега.
При летнем содержании городских территорий производят следующие виды работ: подметание, полив и мойка. Для подметания, полива и мойки используют подметально-уборочные и тротуароуборочные машины.
Скапливающиеся вдоль дорог грунтовые наносы как правило убирают вручную с погрузкой в самосвалы одноковшовыми фронтальными погрузчиками (обычно - универсальными малогабаритными) и последующей транспортировкой к месту складирования.
Технология зимней уборки дорог рассчитана на периодическую полную очистку дорожного покрытия от снежной массы во время и после снегопада с использованием специальных технологических материалов, предотвращающих возникновение на дорожном покрытии уплотненных снежных и ледяных образований, а также механизированной уборки снега.
Стремительный рост числа личных
автомобилей в последние годы привел к значительному уплотнению транспортного
потока. Это особенно заметно зимой, когда машин на дорогах становится лишь
немногим меньше чем летом, а проезжая часть сужается из-за валов снега.
Пропускная способность улиц сильно падает, что приводит к многокилометровым
пробкам.
Своевременная очистка проезжей части улиц и
последующая уборка скученного на прилегающих зонах (газонах, тротуарах,
полосах зеленых насаждений и других свободных площадках) снега позволит резко
повысить пропускную способность городских дорог.
Для зимнего содержания городских дорог в надлежащем состоянии используют специализированные машины и машины с навесным рабочим оборудованием: плужным, щеточным, фрезерным или роторным, объединенным в комплекты.
На сегодняшний
день очистка от снега городских улиц преимущественно производится в два этапа –
это сдвигание снега на обочину с образованием снежных валов, и затем, погрузка этого
снега на автотранспорт. При этом ширина
валов снега в лотках улиц не должна превышать 1,5 м, а все работы по удалению
снега с обочин по возможности должны проводиться до появления интенсивного
движения на дороге.
При невозможности своевременно вывезти скученный снег его складируют в прилотковой части проезда (газонах, тротуарах, полосах зеленых насаждений и других свободных площадках) или на площадях, свободных от застройки. Скученный таким образом снег в последующем приходится убирать фронтальными погрузчиками или экскаваторами, что также приводит к загромождению проезжей части дорог.
Современный парк снегоуборочных машин хоть и обладает большим разнообразием, но большинство этих машин имеют узкопрофильную специализацию и используются либо на первом, либо на втором и последующих этапах уборки снега.
На городских улицах и в условиях ограниченного маневра для очистки от свежевыпавшего и несильно уплотненного снега используют плужно-щеточные очистители на базе автомобилей (КДМ, СААЗ, «Сатол», «Цезарь») или колесных тракторов (Белдортехника, ВТЗ, «САРЭКС») [1].
После
подметания и сгребания снега с основной проезжей части дороги плужно-щеточными
очистителями производится его погрузка
в транспортное средство. Широко
применяемые в коммунальном хозяйстве лаповые снегопогрузчики КО-206, СнП-16/17 и СнП-18 [2] требуют для
производительной работы формирования снежного вала (высотой не менее 0,2 м),
удаленного от бордюра не менее чем на 0,5 м. Эту операцию обычно выполняют с
использованием автогрейдера, что увеличивает номенклатуру используемых машин.
Использование
в условиях городских улиц высокопроизводительных (до 1600 т/ч) шнеко- и
фрезернороторных машин [3] затруднительно: откидывать снег в сторону невозможно
из-за тротуаров, парковок и пр., а при погрузке в транспортное средство используется
две проезжие полосы, что снижает пропускную способность проезжей части дороги.
Кроме того, для эффективной и экономически выгодной работы высокопроизводительных
машин необходимы большие объемы снега, накапливание которых в виду вышеуказанных
причин нежелательно. Машинам с совмещенным циклом работы (плужно-роторные и
плужно-фрезерные), позволяющим сократить номенклатуру используемой техники,
свойственны те же недостатки.
В 80-90-х годах прошлого
века в НИГ «Механизация…» НИИЖТа были разработаны и созданы снегоуборочные
машины с пневмоустановками комбинированного типа для станции «Инская»
Западно-Сибирской железной дороги (рис. 1) [4] и для метродепо г. Новосибирска
(рис. 2). Машины предназначались для уборки снега с междупутий, включая участки
со стрелочными переводами. Производительность пневмоустановок с пылевыми
электровентиляторами ЦП7-40-№5 достигала 30 т/ч
При всех положительных
качествах (прежде всего – компактность) данных пнемоустановок, были обнаружены и их серьезные недостатки.
Так при прохождении через вентилятор снег на его лопатках разгоняется до высоких
скоростей, что требует значительных дополнительных затрат мощности. Кроме того,
при производительности более 20 т/ч на лопатках вентилятора возникают нагрузки,
приводящие к их серьезной пластической деформации и даже – к поломкам.
Рис.
1. Пневмоснегоуборочная машина для станции «Инская»
Западно-Сибирской
железной дороги
Рис.
2. Пневмоснегоуборочная машина для метродепо г. Новосибирска
Для исключения прохождения
снега через лопатки вентилятора был рассмотрен вариант пневмотранспорта по
всасывающей схеме, позволяющий значительно снизить энергозатраты и,
соответственно, повысить производительность
установки. Проведенные математическое и физическое (рис. 3) моделирование
процесса подтвердили обоснованность данного решения: при увеличении
производительности в четыре раза фактическая мощность воздуходувной установки
практически не изменилась [5].
а) б)
Рис.
3. Вакуумная емкость для путевой снегоуборочной машины
с
всасывающей пневмоустановкой:
а - с вентилятором ВЦ6-28-№6,3 у задней торцевой
стенки;
б - с входом транспортного
трубопровода на передней торцевой стенке.
Однако всасывающая
установка предполагает наличие герметичной вакуумной емкости значительных
размеров (рис. 8). Наличие емкости усложняет конструкцию машины, так как
требуется установка как самой емкости с разгрузочными устройствами, так и перегрузочного
конвейера. Это обстоятельство было учтено при разработке коммунальной
пневмоснегоуборочной машины (КПСМ) для очистки городских улиц, выполненной на
кафедре «Механизация…» СГУПСа (НИИЖТа) в 2011 г [6].
В машине предполагалось использовать пневмосистему напорного типа. Это (рис. 9)
потребовало теоретической проработки ряда вопросов, так как ранее данная схема
не применялась для транспортирования снега.
Рис.
4. Коммунальная пневмоснегоуборочная машина КПСМ:
1 – щеточно-фрезерный рабочий орган; 2 – инжектор; 3 – транспортный трубопровод; 4
– механизм вертикального перемещения рабочего органа; 5 – механизм отклонения рабочего органа; 6 – направляющий щит; 7 –
напорный трубопровод; 8 – воздуходувная
установка; 9 – механизм горизонтального выдвижения рабочего органа; 10 – механизм поворота рабочего оборудования
в плане; 11 – кабина управления рабочим
оборудованием; 12 – каретка продольного перемещения рабочего оборудования; 13 – механизм продольного перемещения
рабочего оборудования; 14 – базовая
машина.
Так, на основании предложенных
зависимостей, были определены физические и геометрические параметры инжектора,
обеспечивающие надежное попадание и перемещение снежной массы в транспортном
трубопроводе, возможность ее осаждения с помощью направляющего щита в накопительное
средство или на обочину [6], а также обоснована минимально допустимая скорость
воздуха в трубопроводе [7].
Предлагаемая машина
(рис. 4) снабжена компактным щеточно-фрезерного рабочим органом (длина - 1,2 м, ширина - 1,2 м, ширина
захвата снега - 0,75 м, максимальная высота захвата - 0,4 м), позволяющим
убирать как рыхлый (до 200 кг/м3), так и сильно уплотненный снег (до 700
кг/м3). Фрезерный рабочий орган применяется только при уборке сильно уплотненного
снега (свыше 400 кг/м3), так как у
щеточных лопастей возникают чрезмерные
поперечные деформации (свыше 60 мм).
Рис.
5. Возможные зоны очистки с одной стоянки машины КПСМ
Уборка снега
комбинированным рабочим органом может производиться на удалении до 3 м от
базовой машины (рис. 5). Высота подъема
над поверхностью составляет до 0,8 м. Таким образом, рабочий орган может
забирать снег не только с проезжей части, но и с прилегающей зоны, где обычно и
производится его складирование.
Высокая маневренность
рабочего органа (рис. 5) обеспечивается наличием соответствующих механизмов:
продольного и поперечного передвижения, подъема-опускания, вращения, разворота
и отклонения (рис. 6).
Пневмоустановка
обеспечиваемая производительность машины до 50 т/ч.
Рис. 6. Возможные движения рабочего органа машины КПСМ:
1 – перемещение вдоль базовой машины; 2 – разворот в плане с транспортным трубопроводом (на угол до 1300); 3 – горизонтальное выдвижение; 4 – подъем-опускание; 5 – отклонение в вертикальной плоскости (на угол до 450 в каждую сторону от вертикали); 6 – вращение (на угол до 1800)
Учитывая большой
потенциал рабочего оборудования машины КПСМ, в 2012 г. на кафедре
«Механизация…» СГУПС была выполнена разработка эскизного проекта универсальной
уборочной машины, позволяющей производить уборку, как снега, так и засорителей,
грязи и пыли.
Данная машина может
использоваться для уборки проезжей части улиц и прилегающих зон круглый год.
Принципиальная схема машины приведена на рис. 7.
Для обеспечения уборки
большого спектра частиц снега и засорителей в машине принята пневмосистема всасывающего типа с вакуумной
емкостью (рис. 7, поз. 19), в которой для улавливания пыли при уборке
засорителей в летний период устанавливаются блоки фильтров (рис. 7, поз. 8),
монтируемые в осадительных камерах (рис. 7, поз. 5, 7) емкости.
а)
б)
Рис.
7. Коммунальная пневмоуборочная
универсальная машина КПУМ:
а – транспортное положение;
б – рабочее положение;
1
– базовая машина; 2 - щеточный
рабочий орган; 3 – рабочее оборудование;
4 – заслонка вентилятора; 5, 7
– осадительные камеры емкости; 6 –
кабина управления рабочим оборудованием; 8 – фильтровальный блок (панель емкости
снята); 9 – перегрузочный конвейер; 10, 11
– продувочные люки осадительных камер; 12
- воздуходувная установка; 13 –
гидростанция; 14, 17 - разгрузочные люки осадительных
камер; 15 – роторное шлюзовое
устройство; 16 – приемно-перегрузочный бункер емкости; 18 - откидные панель; 19
– вакуумная емкость.
Предполагается
использовать матерчатые фильтры рамочного типа, суммарная площадь которых
обеспечивает скорость фильтрации не превышающую 3 м/мин. Очистка фильтров от
осевшей на них пыли осуществляется обратной продувкой при перекрытом
вентиляторе (предусмотрена заслонка (рис. 7, поз. 4)) через продувочные люки
(рис. 7, поз. 10, 11). Конструкция фильтровальных блоков (см. рис. 8)
предусматривает установку фильтров в направляющих (рис. 8, поз.2, 6),
обеспечивающих их легкую замену, таким образом, что перед фильтром снизу
образуется входное отверстие (рис. 8, поз.5), а за фильтром – верхнее выходное
отверстие (рис. 8, поз.4). Над фильтровальными блоками до верхней панели
емкости обеспечивается пространство – коллектор, по которому очищенный воздух
поступает к вентилятору. Движение груза и воздуха в емкости машины показано на
рис. 8. Для уменьшения габаритов блоков
предусмотрено разделение верхних частей осадительных камер продольными
перегородками. Таким образом, в каждой камере устанавливается по два блока с
разных сторон. Для монтажа блоков предусмотрены специальные откидные панели
(рис. 7, поз. 18), герметизирующие блоки по бокам после их установки в емкость.
Разгрузку основной массы
снега и засорителя предполагается
производить непрерывно из приемно-перегрузочного бункера (рис. 7, поз. 16) с
помощью роторного шлюзового устройства (рис. 7, поз. 15), а выгрузку мелкой
фракции засорителя и пыли из осадительных камер – периодически через подвижные
люки (рис. 7, поз. 14, 17). Перегрузка
груза в транспортное средство обеспечивается секционным ленточным конвейером (рис. 7, поз. 5, 7), изменяющим
свою конфигурацию при переводе из транспортного положения (рис. 7, а) в рабочее (рис. 7, б). Конструкция конвейера позволяет
производить погрузку снега и засорителя через
кабину транспортного средства, что исключает необходимость его разворота
на проезжей части дороги.
Рис.
7. Фильтровальные блоки осадительных
камер:
а – блок задней камеры;
б – блок передней камеры;
1
– каркас; 2, 6 – направляющие для установки фильтров, 3 – рамочный фильтр; 4 –
выходное отверстие; 5 – входное
отверстие
Перегрузочное роторное
шлюзовое устройство (рис. 9) обеспечивает перегрузку до 95% всей массы
убираемого снега и засорителя. Оно выполнено съемным для облегчения ремонта и
обслуживания. Два ротора установлены в корпусе, в верхней части которого
выполнены приемные отверстия. Боковые поверхности корпуса, соприкасающиеся с лопастями
ротора, выполнены цилиндрической формы. Для исключения подсасывания воздуха
через возможные зазоры между ротором и корпусом лопасти снабжены съемными пластиковыми
частями (из капрона или фторопласта), а торцы роторов закрыты дисками (также с
пластиковыми надставками), создающими с торцевыми панелями корпуса подвижные
лабиринтные уплотнения. Это исключает образование высокоскоростных струй из
атмосферы в приемно-перегрузочном бункере, ухудшающих осаждение основной массы
груза. Подаваемый же лопастями воздух из атмосферы не обладает большой скоростью и имеет вполне определенный объем.
Как показали расчеты пневмосистемы, эта добавка позволяет обеспечить паспортный
диапазон параметров вентилятора при максимальной
производительности машины (200 т/ч).
а)
б)
Рис.
8. Циркуляция груза и воздуха в емкости
машины:
а – при работе на снеге;
б – при работе на засорителе
Рис.
9. Роторное шлюзовое устройство:
1, 7 – роторы; 2 – корпус, 3 – лопасть ротора; 4 – торцевые диски ротора с уплотнением; 5 – сменная пластиковая часть лопасти; 6 – скользун для установки устройства на емкость; 8 – подшипниковый узел, 9 – вал ротора.
Конструкции самой
емкости, в целях обеспечения ее минимальной массы при сохранении несущей
способности и жесткости, была оптимизирована на основе её трехмерной модели в
модуле Structure 3D программного комплекса APM
WinMachine. Результаты расчетов оптимизированной
конструкции показаны на рис. 10 и 11.
Всасывающая пневмосистема несмотря на усложнение конструкции машины позволяет не только повысить ее универсальность, обеспечив круглогодичную эксплуатацию, но и, как было отмечено выше, значительно повысить производительность машины. При проведении натурных экспериментов на физическим модели пневмоустановки путевой уборочной машины [5] была реализована производительность 120 т/ч по снегу и 30 т/ч по засорителю.
Рис. 10. Карты распределения напряжений в конструкции емкости
Учитывая большой потенциал установок данного типа и накопленный опыт в их разработке, было принято решение о доведении производительности пневмоустановки машины КПУМ до 200 т/ч на снеге, что почти в четыре раза выше производительности пневмоустановки напорного типа машины КПСМ (50 т/ч) и до 150 т/ч на засорителе. Произведенные расчеты пневмосистемы показали обоснованность такого решения при соответствующем выборе центробежного вентилятора высокого давления.
Возможные перемещения рабочего органа машины показаны на рис. 12, а работа машины при различных режимах уборки на рис. 13.
При работе машины КПУМ сохраняются все преимущества машины КПСМ: при работе на снеге исключается необходимость в формировании специальных высоких валков, необходимых для производительной работы лаповых и фронтальных погрузчиков, а также возможность уборки снега, скученного на обочине. К ним добавляются возможности по уборке засорителя, как с проезжей части дороги, так и с прилегающих зон на удалении до 3 м.
Рис. 11. Карты распределения деформаций в конструкции емкости
Рис. 13. Возможные движения рабочего органа машины КПУМ:
1 – разворот в плане с транспортным трубопроводом (на угол до 1300); 2 – горизонтальное выдвижение; 3 – подъем-опускание; 4 – отклонение в вертикальной плоскости (на угол до 450 в каждую сторону от вертикали; 5 – вращение (на угол до 1800).
Рис. 13 – Машина в рабочем режиме:
а - уборка снега с проезжей части при движении машины;
б - уборка снежных валков при стоящей машине
Технические характеристики машины КПУМ
Производительность, т/ч до 200
Рабочая скорость, км/ч до 20
Толщина срезаемого снега за один проход, м до 0,4
Ширина очищаемой полосы за один проход, м 0,75
Высота погрузки в транспортное средство до 3 м
Высота перешагиваемых препятствий до 1 м
Привод рабочего оборудования гидравлический
Выводы.
Предлагаемые машины
(КПСМ, КПУМ) позволяют производить очистку
проезжей части и прилегающих зон, как от отложенного, так и от скученного снега в зимний период, что
снижает номенклатуру используемой техники и, соответственно, приводит к снижению
затрат на производство работ.
Машина КПУМ, благодаря своей высокой универсальности, позволяет производить очитку выше перечисленных зон, не только в зимний, но и в летний периоды, что обеспечивает ее круглогодичную эксплуатацию и, соответственно, высокую эффективность.
Литература:
1. Дорохин Н.С. Новая техника в борьбе со снежными заносами / Н. С. Дорохин, С.Ю. Поливанов // Основные средства. 2007. №2. С. 12–18.
2. Снегоуборочная техника: лаповые и фрезерные снегопогрузчики // Строительно-дорожная индустрия. 2003. №5. С. 13.
3. Петров Ю. Н. Снегоборцы // Основные средства. 2005. №1. С. 10–14.
4. Мокин Н.В. Пташкин Л.Н., Филатов А.П. Пневмоустановка для уборки снега // Промышленный транспорт, 1987. №3. С. 7–8.
5. Глотов В.А., Мокин Н.В., Филатов А.П. К обоснованию параметров пневмотранспортной машины для уборки снега с междупутий станций // Совершенствование средств механизации путевых, строительных и погрузочно-разгрузочных работ. Новосибирск, 2001. С. 32–39.
6. Глотов В.А., Игнатюгин В.Ю. Универсальная пневмоснегоуборочная машина // Строительные и дорожные машины. 2012. №3. С 17-21. №4. С 18-21.
7. Глотов, В.А. Моделирование снеговоздушного потока в рабочем процессе аэродинамической снегоуборочной машины // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири. Новосибирск, 2009. С 135-162.
8. Глотов, В.А. Осаждение снега в емкости уборочной машины // Вопросы создания и модернизации строительных и путевых машин. Сборник научных трудов. – Новосибирск: Изд-во СГАПС. 1994. – С. 12 – 18.