ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Березюк Олег Володимирович

УДК 629.114.4; 621.61/85

ВІБРАЦІЙНИЙ ГІДРОПРИВОД ПЛИТИ ПРЕСУВАННЯ ТВЕРДИХ ПОБУТОВИХ ВІДХОДІВ У СМІТТЄВОЗАХ

Спеціальність: 05.02.03 – Системи приводів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології підвищення зносостійкості Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, доцент

Савуляк Валерій Іванович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри технології підвищення зносостійкості

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Анісімов Віктор Федорович,

Вінницький державний аграрний університет, завідувач кафедри тракторів та автомобілів;

кандидат технічних наук

Стасюк Віктор Михайлович,

Луцький державний технічний університет,

доцент кафедри безпеки життєдіяльності.

Провідна установа: | Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут”,
кафедра прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться " 12 " 05 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 6 " 04 2005 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради |

Дерібо О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для потреб комунального господарства України необхідні високопродуктивні багатофункціональні спеціальні автомобілі (сміттєвози) для збирання твердих побутових відходів (ТПВ), яких у містах i селищах міського типу країни щорічно утворюється близько 40 млн. м3, 96,5% яких вивозяться на полігони i сміттєзвалища, 2,2% спалюються, 1,3% перероблюються. Щорічне збільшення обсягу ТПВ складає 0,5%. Тільки на перевезення відходів до місця утилізації при середній відстані 30 кілометрів витрачається більше 45 тисяч тонн пального в рік.

В постанові Кабінету Міністрів України від 4 березня 2004 року № 265 "Про затвердження Програми поводження з твердими побутовими відходами" говориться, що "… протягом 2005-2011 років буде … проведене забезпечення сучасними високоефективними сміттєвозами …".

На сьогодні сміттєвози мають робочі органи переважно з гідравлічним приводом, параметри якого далекі від оптимальних, внаслідок відсутності інженерної методики та довідково-нормативної бази для їх розрахунків, що призводить до значних зайвих витрат на збирання та транспортування ТПВ.

В залежності від походження ТПВ, фракційного складу, пори року та погодних умов їх щільність змінюється в межах від 100 до 500 кг/м3. Тому після вивантаження кожного контейнера з ТПВ у бункер сміттєвоза обов’язково виконується операція їх ущільнення. Чим вищий коефіцієнт ущільнення, тим краще використовується об'єм бункера та вантажопідйомність автомобіля. У сміттєвозах вітчизняного виробництва відходи вдається ущільнювати в 2,2 рази, що значно менше ніж на кращих світових зразках цієї техніки. Додатковим недоліком недостатнього коефіцієнту ущільнення є неповне видалення рідкої фракції ТПВ на місці їх збирання. Внаслідок цього частина цієї фракції витікає на вулиці населених пунктів, що забруднює їх та зменшує епідеміологічну стійкість.

Таким чином, вдосконалення гідравлічного приводу з метою підвищення ефективності використання сміттєвозів за рахунок збільшення коефіцієнта ущільнення твердих побутових відходів є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі технології підвищення зносостійкості Вінницького національного технічного університету. Тема роботи відповідає основним науковим напрямкам кафедри. Дослідження проводились у відповідності до договорів про творчу співдружність між Вінницьким національним технічним університетом та ВАТ “АТЕКО” (Турбівський машинобудівний завод), номера державної реєстрації 0104U009000 та 0104U009001.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності використання сміттєвозів за рахунок збільшення коефіцієнта ущільнення твердих побутових відходів.

Для досягнення поставленої мети розв'язувалися такі задачі:

1) аналіз стану проблеми і визначення перспективних способів пресування твердих побутових відходів та типів приводів для механізмів ущільнення;

2) розробка математичних моделей гідроприводу плити для статичного та вібраційного пресування;

3) експериментальне визначення функціональної залежності тиск пресування - ступінь ущільнення твердих побутових відходів для статичного та вібраційного пресування;

4) математичне моделювання гідроприводу плити в процесах статичного та вібраційного пресування;

5) імітаційне дослідження стійкості роботи та якості перехідних процесів у вібраційному гідроприводі під час його пуску на етапі статичного пресування;

6) визначення оптимальних параметрів вібраційного гідроприводу плити пресування;

7) розробка нової принципової гідравлічної схеми гідроприводу плити та нової конструкції генератора імпульсів тиску для реалізації вібраційного способу пресування;

8) розробка науково-обґрунтованої методики проектного розрахунку параметрів вібраційного гідроприводу пресування з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії.

Об'єкт дослідження - процеси у гідроприводах під час пресування твердих побутових відходів у сміттєвозах.

Предмет дослідження - вібраційний гідропривод плити пресування твердих побутових відходів у сміттєвозах.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися методом математичного моделювання процесів у гідроприводах з використанням основних законів механіки твердого тіла, теорії гідроприводу та гідропневмоавтоматики, теорії моделювання та системного аналізу, чисельних методів розв’язання систем диференційних та алгебраїчних рівнянь. Поставлені задачі розв’язувались з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися на фізичних моделях та натурних зразках із застосуванням методів постановки та обробки результатів планування багатофакторного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Доведено, що використання вібраційного способу пресування підвищує коефіцієнт ущільнення твердих побутових відходів у сміттєвозах.

2. Вперше визначено регресійну функціональну залежність “тиск пресування - ступінь ущільнення” з врахуванням властивостей відходів та основних конструктивних і силових параметрів вібраційного гідроприводу плити, що дозволило отримати оптимальні значення цих параметрів.

3. Вперше розроблено та досліджено узагальнену математичну модель вібраційного гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії, яка враховує регресійну функціональну залежність “тиск пресування - ступінь ущільнення” і дозволяє адекватно описувати процес роботи гідроприводу, що підтверджено експериментально.

4. Визначено область параметрів вібраційного гідроприводу пресування твердих побутових відходів під час пуску в статичному режимі, в якій забезпечується його стійка робота у цьому режимі з якісними перехідними процесами.

Практичне значення одержаних результатів:

1) розроблено алгоритм і програму комп’ютерного моделювання гідроприводів плити для реалізації статичного та вібраційного способів пресування, що дало змогу виконати порівняльні дослідження;

2) проведено виробничі випробування на ВАТ “АТЕКО” експериментального та дослідно-промислового зразків вібраційного гідроприводу плити пресування, які показали підвищення коефіцієнту ущільнення твердих побутових відходів (не менше 20%) за рахунок реалізації вібраційного способу пресування;

3) запропоновано конструкцію вібраційного вузла та системи керування ним для створення імпульсів тиску у гідравлічному приводі плити пресування, що дозволяє підвищити коефіцієнт ущільнення твердих побутових відходів і за рахунок цього зменшити об’єм та металоємність кузова зі збереженням вантажопідйомності, а також витрати пального на одиницю маси зібраних та перевезених твердих побутових відходів;

4) розроблено науково-обґрунтовану методику проектного розрахунку вібраційного гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії, яка надає можливість на стадії проектування здійснювати вибір його параметрів;

5) результати досліджень: принципову гідравлічну схему вдосконаленої конструкції гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів, конструкторську документацію на генератор імпульсів тиску диференціальної дії, а також науково-обґрунтовану методику проектного розрахунку параметрів та характеристик вібраційного гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії передані для впровадження і використані ВАТ “АТЕКО” – акт впровадження від 30.11.04.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані автором самостійно. Постановка задачі погоджена з науковим керівником. В роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить дослідження впливу матеріалів напрямних плити для пресування на динаміку гідроприводу ущільнення відходів [1], розробка математичної моделі гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів та дослідження його динаміки [2], визначення регресійної залежності між тиском пресування та ступенем ущільнення твердих побутових відходів [3], проведення аналізу і дослідження якості перехідних процесів у гідроприводі пресування твердих побутових відходів і визначення області параметрів, в якій забезпечується його стійка робота [4], визначення перспективних напрямків удосконалення гідроприводу пресування твердих побутових відходів [6], розробка конструктивної схеми навісного підмітального обладнання для розширення функціональних можливостей сміттєвоза [7], розробка нової принципової гідравлічної схеми гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з реалізацією вібраційного способу [8], розробка математичної моделі гідравлічного приводу ущільнюючої плити сміттєвоза [10], проведено аналіз впливу конструктивних параметрів гідроприводу плити пресування на коефіцієнт ущільнення твердих побутових відходів у сміттєвозах [11], розробка гідравлічної схеми сміттєвоза з розширеними функціональними можливостями [12].

Апробація результатів дисертації відбулася на:

- ХХVIII-ХХХIII науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВНТУ з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м.Вінниці та області (м. Вінниця, ВНТУ, 1999-2004 рр.);

- IV Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми збору, переробки та утилізації відходів” (м. Одеса, ОЦНТЕІ, 2002 р.);

- V-й науково-технічній конференції Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (м. Вінниця, ВДАУ, 2002 р.);

- IV республіканській науково-технічній конференції "Сучасні технології, матеріали та конструкції в будівництві" (м. Вінниця, ВНТУ, 2003 р.);

- V-й міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Вінниця, ВДАУ, 2004 р.);

- V-й міжнародній науково-технічній конференції “Вібрації в техніці та технологіях” (м. Вінниця, ВДАУ, 2004 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 12-х наукових працях, в тому числі: 4 статті у фахових виданнях за переліком ВАК України, 2 статті в матеріалах конференцій, 3 патенти України, 3 тези конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, 3 додатків. Загальний обсяг дисертації – 217 сторінок, містить 76 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел з 140 найменувань. Основний зміст роботи викладено на 137 сторінках машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність роботи, її наукова новизна, практична цінність, викладені основні положення, що виносяться на захист, сформульовано мету та задачі дослідження, дається загальна характеристика дисертації.

В першому розділі наводиться огляд компресійних та інших властивостей об’єкта пресування – твердих побутових відходів. Аналіз відомих приводів пресування ТПВ показав, що відходи в сміттєвозах ущільнюються з реалізацією статичного способу пресування, можливості якого щодо підвищення коефіцієнта ущільнення обмежені. На наш погляд, збільшити коефіцієнт ущільнення ТПВ можливо шляхом використання технологій вібраційного пресування. На сьогодні нам невідомі конструкції сміттєвозів з використанням цих технологій, що вимагає створення нових конструкцій приводів сміттєвозів з використанням вібрацій та проведення додаткових досліджень.

Проведено аналіз сучасних технологій пресування та обґрунтовано можливість їх застосування в техніці для збирання та транспортування ТПВ. Встановлено, що найперспективнішим способом пресування ТПВ є вібраційний, а серед варіантів його приводу найбільш доцільний гідравлічний з віброзбудженням за допомогою генератора імпульсів тиску.

Відсутність проведених досліджень із визначення функціональної залежності між ступенем ущільнення ТПВ та тиском пресування вимагає проведення додаткових експериментальних досліджень.

Проведений аналіз приводів пресування ТПВ у серійних сміттєвозах виявив тенденції удосконалення конструкцій для підвищення їх ефективності шляхом збільшення коефіцієнта ущільнення. Задача розв’язується в основному за рахунок підвищення робочого тиску в гідросистемі приводів робочих органів, що дозволяє отримати обмежений позитивний ефект. Виявлено, що ущільнення ТПВ шляхом плавного переміщення плити пресування за допомогою гідроциліндрів не дозволяє економічно забезпечувати коефіцієнт ущільнення вищий за 1,8–2,2. Результатів досліджень та експлуатації машин з використанням вібрацій для пресування ТПВ у світовій практиці не виявлено. Встановлено, що для створення перспективного гідравлічного приводу вібраційної плити пресування ТПВ, необхідно розробити його принципову гідравлічну схему та дослідити динаміку роботи.

Питання розробки гідравлічних систем технологічних машин, зокрема пов’язаних з пресуванням різних матеріалів, математичного моделювання та детального дослідження динамічних характеристик приводів їх робочих органів та систем управління наведені в роботах Т.М.Башти, В.М. Прокоф’єва, І.Б.Матвєєва, І.А. Немировського, Р.Д.Ісковича-Лотоцького, В.П. Бочарова, З.Я. Лур'є та ін.

На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ роботи присвячений експериментальному визначенню взаємодії між ТПВ та приводом їх ущільнення. У цій частині розроблено експериментальну установку для визначення пружно-пластичних властивостей ТПВ у вигляді залежності між тиском рВ пресування та їх відносною деформацією .

Під час проведення експериментальних досліджень та обробки результатів методом найменших квадратів встановлено, що коефіцієнт ущільнення ТПВ нелінійно залежить від тиску, який створюється приводом плити пресування і коректно описується поліномом 6-го порядку (1) та степеневою функцією (2).

, (1)

де A, B, C, D, E, F, G – коефіцієнти апроксимації, наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Коефіцієнти апроксимації степеневого поліному

, кг/м3 | A, МПа | B, МПа | C, МПа | D, МПа | E, МПа | F, МПа | G, МПа

145 | 310-7 | -210-5 | 0,0006 | -0,0079 | 0,0491 | -0,1278 | 0,163

210 | 410-7 | -210-5 | 0,0004 | -0,004 | 0,0193 | -0,0393 | 0,102

320 | 710-6 | -0,0003 | 0,0054 | -0,0446 | 0,18 | 0,3269 | 0,3142

В результаті проведення додаткового регресійного аналізу результатів експерименту отримано простіше рівняння регресії рВ=f():

, (2)

де A, B, C – коефіцієнти регресії, що наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Результати регресійного аналізу експериментальних даних

, кг/м3 | A, МПа | B, МПа | C | Коефіцієнт кореляції R

145 | 7,9810-2 | 3,25 | 8 | 0,99382

210 | 8,6610-2 | 20,37 | 12 | 0,99636

320 | 0,129 | 1355,9 | 18 | 0,99483

З даних табл. 2 видно, що коефіцієнти регресії рівняння (2) в значній мірі залежать від густини ТПВ. Тому було проведено регресійний аналіз впливу густини на значення коефіцієнтів A, B, C рівняння (2), результати якого наведені на в табл.3.

Таблиця 3

Результати регресійного аналізу впливу густини на значення коефіцієнтів

A, B, C рівняння (2)

Коеф. регресії | Вид регресії | D | E | F | Коефіцієнт кореляції R

A | 0,0729 | 1,7110-9 | 3 | 0,99741

B | 1,55 | 1,210-22 | 10 | 0,99999

C | -0,129 | 5,6910-2 | - | 0,99947

В результаті підстановки рівнянь регресії з табл. 3 в рівняння (2), отримано наступну залежність тиску пресування ТПВ від їх відносної деформації та густини:

, (3)

де A=7,2910-2; B=1,7110-9; C=3; D=1,55; E=1,210-22; F=10; H=-0,129; G=5,6910-2.

Аналіз експериментальних характеристик показав, що в залежності від густини ТПВ змінюється максимально досяжний для даного принципу роботи приводу коефіцієнт ущільнення: kуmax=7,6 для =145кг/м3, kуmax=4,75 для =210кг/м3, kуmax=3,17 для =320 кг/м3. У сміттєвозах вітчизняного виробництва kуmax=2,2, що значно менше значень, які були отримані експериментально. Виявлено, що оптимальний тиск статичного пресування обмежений і залежить від складу ТПВ та їх щільності, а подальше збільшення тиску з метою підвищення коефіцієнта ущільнення є економічно і технічно недоцільним. Встановлено, що збільшенню коефіцієнта ущільнення ТПВ сприяє використання технологій вібропресування, які дозволяють суттєво знизити, порівняно зі статичним пресуванням, зусилля ущільнення.

Розроблено експериментальну установку для вивчення впливу вібраційної складової на процес пресування ТПВ. Запис зміни тиску в напірній магістралі гідроциліндра та величини переміщення плити пресування (ПП) проводився за допомогою давачів тиску та переміщення з подальшою реєстрацією на шлейфовому осцилографі та комп’ютері через звуковий адаптер.

Залежність між тиском на ТПВ рВ та їхньою відносною деформацією планувалося отримати у вигляді рівняння регресії (2), коефіцієнти регресії якого є функціями факторів впливу на процес пресування ТПВ:

, (4)

де QН – подача гідронасоса (характеризує частоту коливань), м3/с; xmax – висота ТПВ в бункері, м; В – густина ТПВ, кг/м3; Sд – площа відкриття дроселя генератора імпульсів тиску (ГІТ) (впливає на частоту коливань), м2; ркл1 – тиск відкриття клапана ГІТ (характеризує амплітуду коливань), Па.

Вивчення впливу перерахованих вище факторів на процес пресування ТПВ доцільно провести за допомогою планування багатофакторного експерименту.

Для забезпечення застосування результатів експериментів для моделювання процесу пресування ТПВ в сміттєвозах різних моделей пропонується перехід від згаданих вище факторів до відносних параметрів:

, (5)

де vmax=QH/SЦ1 – максимальна швидкість пресування; – коефіцієнт форми бункера для ТПВ; =Sд/S1 – коефіцієнт, що враховує співвідношення площі відкриття дроселя ГІТ до площі поперечного перерізу вхідного отвору ГІТ; - максимальний тиск пресування; SЦ1 – ефективна площа напірної порожнини гідроциліндра; SП – ефективна площа плити пресування; S1 – площа поперечного вхідного отвору ГІТ.

Типова осцилограма зміни тиску в напірній магістралі силового гідроциліндра та переміщення плити під час вібраційного пресування ТПВ представлена на рис. 1. При цьому амплітуда коливань складала А=0,45-0,8 мм, а частота - =10,8 Гц.

Рис. 1. Типова осцилограма зміни тиску p в напірній магістралі силового гідроциліндра та переміщення x плити під час вібраційного пресування ТПВ

З метою зменшення кількості дослідів, функції (5) визначалися за допомогою планування дрібнофакторного експерименту виду 25-1 методом Бокса-Уілсона.

В результаті обробки експериментальних даних для дійсних значень факторів після відкидання факторів та ефектів взаємодій малої значимості отримано такі рівняння регресії для коефіцієнтів А, B, C:

(6)

(7)

. (8)

За рівняннями регресії (6-8) розроблена модель для оптимізації параметрів вібраційного гідроприводу пресування ТПВ (див. розділ 3).

На рис. 2 показано експериментальні силові характеристики статичного та вібраційного способу пресування ТПВ, порівняння яких показує, що коефіцієнт ущільнення, який забезпечується вібраційним способом пресування приблизно на 20 % більший ніж для статичного, що підтверджує доцільність використання вібраційного гідроприводу для пресування ТПВ.

У третьому розділі проведено математичне моделювання та аналітичне дослідження роботи гідроприводу пресування ТПВ.

Розроблено математичні моделі роботи гідроприводу плити пресування ТПВ при статичному та вібраційному способах з використанням однокаскадного, двокаскадного ГІТ, а також ГІТ диференціальної дії (ГІТДД); які враховують рівняння переміщення рухомих мас, рівняння зв’язків та логічні функції переходів між окремими фазами загального робочого процесу і функціональну залежність тиск пресування - ступінь ущільнення і дозволяють досліджувати динаміку вказаних гідроприводів та перехідні процеси пуску гідроприводу пресування. На рис. 3. показана розрахункова схема роботи гідроприводу плити пресування ТПВ для вібраційного способу пресування з використанням ГІТДД, а на рис. 4 - результати моделювання динаміки вібраційного гідроприводу (ВГП) на ЕОМ.

На схемі представлені основні геометричні, кінематичні та силові параметри: р1, р2, р3, р4 - тиски відповідно на виході насоса, на вході гідроциліндра, на виході гідроциліндра та на вході фільтра; W1, W2, W3, W4 - об'єми трубопроводів між насосом та гідророзподільником, гідророзподільником та входом гідроциліндра, виходом гідроциліндра та гідророзподільником, гідророзподільником та фільтром; QН - фактична подача насоса; SP - площа умовного проходу отвору розподільника; Sф - площа поверхні фільтрувального елемента; D, d - діаметри поршня та штока; Gп - вага ПП; Gц - вага гідроциліндра; GB1, GB2 - ваги частини відходів, що знаходяться над та поза ПП; FТП, FТВ - сили тертя між ПП та напрямними, між ТПВ та кузовом; FЦ - сила, яку розвиває гідроциліндр; h1, h2 - висота нижньої та верхньої частини ПП; - товщина ПП; - кут нахилу ПП; х - переміщення ПП; y – переміщення запірного елементу ГІТДД; d1, d2, d3 - діаметри плунжера-штовхача, 1-го та 2-го ступеня запірного елемента; mк - маса запірного елемента; с, y0 - жорсткість та попередня деформація пружини; hп - додатне перекриття запірного елемента, dд–діаметр прохідного вікна дроселя.

В моделях прийняті такі припущення: тиск пресування ТПВ залежить від відносної їх деформації й описується степеневою функцією; рухомі частини робочих органів для пресування ТПВ є одномасовою системою; робоча рідина стислива і характеризується коефіцієнтом стисливості, який змінюється несуттєво зі зміною тиску і тому вважається постійним; витрати робочої рідини на перетікання з області високого тиску в область низького тиску прямо пропорційно залежать від перепаду тисків на межі цих областей; величина тиску в магістралі між фільтром і маслобаком є незначною і до уваги не приймається; сухе тертя в рухомих елементах гідроциліндра та ГІТ не враховуються через відсутність нормальних зусиль в парах тертя, в яких використано ущільнення зазором; загальний коефіцієнт тертя ТПВ по сталі, що дорівнює середньому арифметичному складових коефіцієнтів, пропорційний до їх відсоткового вмісту за масою.

Математична модель гідроприводу плити при вібраційному способі пресування ТПВ з використанням ГІТДД є системою диференціальних рівнянь з відповідними граничними умовами:

; (9)

; (10)

; (11)

; (12)

; (13)

; (14)

0{р1, р2, р3, р4}pзк; 0xxmax; 0yymax, (15)

де 1() - одинична функція; Sign() – функція знаку; pзк – тиск спрацювання запобіжного клапана; xmax – максимальний хід гідроциліндра; ymax – максимальне переміщення запірного елемента ГІТДД до упора.

З відкиданням вібраційних складових в рівнянні (10) та граничних умовах (15) і рівняння (14) ця система перетворюється на математичну модель гідроприводу плити для статичного способу пресування ТПВ.

Встановлено, що використання однокаскадного ГІТ в гідроприводі плити пресування ТПВ є недоцільним внаслідок недостатніх значень частоти та амплітуди. Виявлено, що вібраційний спосіб пресування ТПВ збільшує їх коефіцієнт ущільнення порівняно зі статичним. Порівнянням результатів імітаційного дослідження на ЕОМ встановлено, що збільшення продуктивності сміттєвоза забезпечується використанням ГІТДД як віброзбуджувача в гідроприводі плити пресування ТПВ.

а) б)

Рис. 4. Результати моделювання динаміки ВГП на ЕОМ: а) Зміна тиску p в напірній порожнині гідроциліндра; б) переміщення x плити пресування

З використанням математичної моделі гідроприводу проведено аналіз стійкості та якості перехідних процесів під час пуску гідроприводу в площині параметрів W2-Dц, які змінювалися в таких межах: W2 від0,1 л до 3 л з кроком 0,1 л, Dц від 100 до 145 мм з кроком 0,5 мм. Інші параметри математичної моделі відповідають параметрам сміттєвоза КО-424. В результаті отримано область стійкості та якості перехідних процесів у гідроприводі сміттєвоза (за показниками: тривалість перехідного процесу, кількість перерегулювань та відносне перерегулювання) (рис. 5).

Дослідженнями встановлено, що коректне визначення параметрів гідроприводу пресування за схемою, що промислово реалізована, повинно здійснюватись з аналізом його стійкості в динамічних режимах. Причиною появи нестійких режимів роботи під час пресування в серійних сміттєвозах є наявність суттєвих нелінійностей в гідроприводі плити у вигляді залежності сил тертя від швидкості пресування, негативний вплив яких може бути усунутий вибором відповідних параметрів гідроприводу W2 і Dц, що забезпечує достатній запас стійкості. Побудовано область стійкості роботи гідроприводу плити пресування, яка дозволяє на етапі його проектування визначити параметри та характеристики, які забезпечуватимуть його необхідну стійкість під час пуску. Числовими експериментами виявлено, що підвищенню якості перехідних процесів сприяє застосування композитних напрямних зі стабільним коефіцієнтом тертя. Також встановлено, що збільшення діаметра гідроциліндра та зменшення об’єму напірної магістралі покращує якість перехідних процесів.

Проведено параметричну оптимізацію вібраційного гідроприводу пресування ТПВ за критерієм коефіцієнта ущільнення kу. На основі рівнянь (6-8), отриманих методом планування багатофакторного експерименту, знайдено цільову функцію kу, яка для кодованих значень параметрів має вигляд:

(16)

За допомогою пакету прикладних програм MathCAD було проведено оптимізацію коефіцієнта ущільнення ТПВ kу шляхом його максимізації (kуmax). В результаті отримано оптимальні значення параметрів гідроприводу плити пресування з використанням генератора імпульсів тиску (vmax=0,1146м/с; Ф=0,862; =0,098; рВmax=1,652105 Па; A=0,38-0,47 мм; =42-45 Гц), з якими досягається максимальне значення коефіцієнта ущільнення ТПВ kу=2,685, що перевищує приблизно на 20 % кращі експлуатаційні показники відомих вітчизняних зразків ущільнювального обладнання ТПВ. Ці значення параметрів гідроприводу використано під час розробки науково-обґрунтованої методики проектного розрахунку гідроприводу плити пресування ТПВ з використанням ГІТДД.

Четвертий розділ присвячений розробці вдосконаленої конструкції гідроприводу пресування ТПВ та впровадженню її у виробництво.

На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень гідроприводу плити пресування ТПВ та ГІТ у відповідності з договором про науково-технічне співробітництво між Вінницьким національним технічним університетом та ВАТ "АТЕКО" (м.Турбів), було розроблено вдосконалену конструкцію гідроприводу пресування ТПВ, яка за рахунок введення ГІТ, що з’єднаний з напірною магістраллю гідроциліндра, забезпечує вібраційний спосіб пресування ТПВ. Схема цього приводу наведена на рис. 6. Конструкція захищена патентом України № 61580 А і складається з таких елементів: 1 - гідроциліндр; 2-гідронасос; 3 - розподільник; 4 - запобіжний клапан; 5 - генератор імпульсів тиску; 6- фільтр; 7 – бак із робочою рідиною; 8 - плита пресування; 9 - кузов сміттєвоза; 10 - напірна магістраль; 11 - зливна магістраль.

Для збудження вібрацій плити пресування можна використати відомі однокаскадні та двокаскадні конструкції ГІТ. Недоліком відомих однокаскадних ГІТ є обмежені функціональні можливості, що полягають у вузькому діапазоні регулювання їх основних параметрів: частоти і амплітуди імпульсів тиску. До недоліків двокаскадних ГІТ слід віднести складність конструкції, відносно великі габарити, проблеми з синхронізацією спрацьовування першого та другого каскадів.

Враховуючи ряд недоліків відомих ГІТ, було створено нову конструкцію ГІТ, який є проміжною ланкою між однокаскадним та двокаскадним, і отримав назву “генератор імпульсів тиску диференціальної дії”, схема якого наведена на рис. 7. В цій конструкції ГІТ за рахунок введення нових конструктивних елементів та зв’язків досягається розширення його функціональних можливостей, що полягають у збільшенні діапазону регулювання його основних параметрів: частоти та амплітуди. Крім того, розроблена конструкція ГІТ має підвищену пропускну здатність запірного елемента та зменшені габарити. Конструкція генератора імпульсів тиску диференціальної дії захищена патентом України № 5076 U. ГІТДД має такі елементи, як: 1 - напірна магістраль; 2 - клапан; 3 - магістраль; 4- регульований дросель; 5 - магістраль; 6 - плунжер-штовхач; 7 - пружина; 8- гвинт; 9 - надклапанна порожнина; 10 - корпус; 11 - зливна магістраль; 12- зливний бак; 13 - підклапанна порожнина; 14 - замкнута порожнина; 15- кільцева розточка; 16 - проміжна порожнина; 17 - поршень; 18-ущільнююче кільце.

Поставлена задача розв’язується завдяки тому, що верхня частина другого ступеня клапана більшого діаметру входить у проміжну порожнину, утворену в тілі корпуса, причому на верхній частині другого ступеня клапана виконані поздовжні канавки, що сполучають проміжну порожнину з кільцевою розточкою, окрім того, верхня частина другого ступеня клапана контактує з плунжером-штовхачем, який підпружинений відносно корпусу і своєю верхньою частиною входить у надклапанну порожнину, що, в свою чергу, сполучена каналом з підклапанною порожниною, в яку виходить перший ступінь клапана і яка постійно зв’язана із напірною магістраллю, перший та другий ступені клапана спільно з корпусом утворюють замкнуту порожнину, що через дросель постійно зв’язана з кільцевою розточкою, діаметр першого та другого ступенів клапана, а також плунжера-штовхача виконані у наступному співвідношенні: d1<d2<d3, де d1, d2, d3 – відповідно, діаметри плунжера-штовхача першого та другого ступеня клапана.

У цьому розділі розроблено, також, науково-обґрунтовану методику проектного розрахунку параметрів гідроприводу робочих органів сміттєвозів для пресування ТПВ з використанням ГІТДД, використання якої дозволяє суттєво скоротити час проектування, уникнути необґрунтованих витрат на трудомісткі експериментальні та теоретичні дослідження. Вихідними даними є: вантажопідйомність шасі автомобіля сміттєвоза, постійна маса спецобладнання (за винятком маси кузова сміттєвоза, плит пресування та вивантаження, пресувального та вивантажувального гідроциліндрів), ширина шасі автомобіля, висота від рами шасі до кабіни автомобіля. Результатами методики є: об’єм та розміри кузова сміттєвоза, площа та розміри плити пресування, діаметр гідроциліндра плити пресування, довжина та діаметр умовного проходу трубопроводів напірної магістралі, максимальна подача та типорозмір гідронасоса, а також геометричні розміри елементів ГІТДД.

Проведено типові випробування сміттєвоза КО-424, зібраного на шасі автомобіля ЗИЛ495710 з метою визначення можливості встановлення ГІТ в базову схему гідроприводу плити пресування і працездатності сміттєвоза на даному шасі.

Під час випробувань встановлено, що ГІТ вібраційного вузла вмонтовується в базову схему гідроприводу плити пресування на сміттєвозі КО-424, що встановлений на шасі ЗИЛ-495710, без особливих конструктивних доробок існуючого гідроприводу.

Випробування показали, що машина працездатна, гідравлічний привод із встановленим в нього ГІТ, що керує додатковим вібраційним навантаженням під час пресування, працює стійко і забезпечує регулювання частоти та амплітуди у визначених межах.

Виявлено, що при використанні ГІТ в базовій схемі гідроприводу плити пресування на сміттєвозі КО-424 на шасі ЗИЛ-495710 коефіцієнт ущільнення ТПВ збільшується на 20,9% порівняно з цим же гідроприводом без ГІТ, що сприяє кращій наповненості кузова ТПВ.

Очікувана економія пального для комунального господарства від впровадження вібраційного гідроприводу плити пресування ТПВ, в розрахунку на один сміттєвоз за рік складає понад 2200 л.

В результаті проведених випробувань рекомендовано до впровадження у виробництво запропоновану схему гідроприводу з вібраційним вузлом, керованим ГІТ, для плити пресування ТПВ.

Порівняння теоретичних та експериментально-польових даних показує, що експериментальні значення коефіцієнта ущільнення ТПВ приблизно на 13,1% менші за теоретичні для статичного способу пресування, і на 15,4% - для вібраційного способу. На нашу думку цей факт пояснюється нагріванням робочої рідини, що призводить до зменшення в’язкості робочої рідини, а, значить, і до збільшення внутрішніх втрат та перетікань через внутрішні спряження деталей гідроприводу. Тому для усунення виявленого недоліку ВАТ "АТЕКО" запропоновано використовувати для охолодження робочої рідини на серійних машинах конструктивні елементи кузова сміттєвоза.

Значення похибок є прийнятними і свідчать про кількісну та якісну узгодженість між теоретичними та експериментальними результатами, про прийнятність припущень, задовольняє вимоги проектних розрахунків. Отримані результати дозволяють вважати розроблені математичні моделі гідроприводів плити при статичному та вібраційному способах пресування ТПВ та з використанням різних типів ГІТ адекватними реальним гідроприводам аналогічної конструкції.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове розв’язання наукової задачі підвищення ефективності використання сміттєвозів за рахунок збільшення коефіцієнта ущільнення твердих побутових відходів.

В результаті досліджень, здійснених за темою дисертаційної роботи, отримані такі наукові й практичні результати:

1. Аналіз стану проблеми показав, що найперспективнішим способом пресування твердих побутових відходів є вібраційний, а серед варіантів його приводу найбільш доцільний гідравлічний з віброзбудженням за допомогою генератора імпульсів тиску.

2. Експериментально встановлено, що коефіцієнт ущільнення твердих побутових відходів нелінійно залежить від тиску пресування і коректно описується поліномом 6-го порядку та степеневою функцією, яка використана при розробці математичних моделей гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів при статичному та вібраційному способі пресування. Оптимальний тиск обмежений і залежить від складу твердих побутових відходів та їхньої щільності, подальше збільшення тиску з метою підвищення коефіцієнта ущільнення є економічно і технічно недоцільним.

3. При проведені фізичного моделювання робочих процесів у вібраційному гідроприводі пресування твердих побутових відходів розроблена і виготовлена спеціальна експериментальна установка, яка на основі планування багатофакторного експерименту, дозволила отримати функціональну залежність тиск пресування - ступінь ущільнення з урахуванням впливу параметрів вібраційного гідроприводу і використана для оптимізації цих параметрів.

4. Дослідження динаміки гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів дало змогу встановити, що вібраційний спосіб пресування збільшує коефіцієнт ущільнення твердих побутових відходів, порівняно із статичним способом і дозволяє суттєво підвищити продуктивність сміттєвоза (не менше ніж на 20%), зокрема, при використанні генератора імпульсів тиску диференціальної дії як віброзбуджувача в гідроприводі плити пресування твердих побутових відходів, що підтверджено експериментально.

5. Встановлено, що причиною появи нестійких режимів роботи при пресуванні у серійних сміттєвозах є наявність суттєвих нелінійностей в гідроприводі плити у вигляді залежності сил тертя від швидкості пресування, негативний вплив яких може бути усунутий вибором відповідних параметрів гідроприводу W2 і Dц, що забезпечує достатній запас стійкості. Побудовано область стійкості та якості перехідних процесів в площині параметрів W2 і Dц гідроприводу плити пресування, яка дозволяє на етапі його проектування вибрати параметри, що забезпечать необхідну якість перехідних процесів в гідроприводі пресування з високими коефіцієнтами ущільнення з достатнім запасом стійкості під час пуску. Підвищенню якості перехідних процесів сприяє використання композитних напрямних зі стабільним коефіцієнтом тертя. Збільшення діаметра гідроциліндра та зменшення об’єму напірної магістралі покращує такі показники якості перехідних процесів як тривалість перехідного процесу, кількість перерегулювань та відносне перерегулювання.

6. Отримано оптимальні значення параметрів гідроприводу плити пресування з використанням генератора імпульсів тиску (vmax=0,1146 м/с; Ф=0,862; =0,098; рВmax=1,652105 Па; A=0,38-0,47 мм; =42-45 Гц), при яких досягається максимальне значення коефіцієнта ущільнення твердих побутових відходів kу=2,685, що більше приблизно на 20% від кращих експлуатаційних показників відомих вітчизняних зразків ущільнювального обладнання. Врахування цих параметрів гідроприводу використано при розробці науково-обґрунтованої методики проектного розрахунку вібраційного гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії.

7. Розроблено та передано до впровадження у виробництво ВАТ “АТЕКО” принципову гідравлічну схему вдосконаленої конструкції гідроприводу пресування твердих побутових відходів (Патент України № 61580 А), конструкцію генератора імпульсів тиску диференціальної дії (Патент України № 5076 U), а також науково-обґрунтовану методику проектного розрахунку параметрів вібраційного гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії, що дозволило збільшити коефіцієнт їхнього ущільнення (згідно полігонних випробувань на 20,9%) і суттєво підвищити продуктивність сміттєвозів в цілому (економія пального 2,2 т/рік на один автомобіль) за рахунок кращої наповненості кузова.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Савуляк В.І., Березюк О.В. Вплив матеріалів напрямних плити для пресування відходів на динаміку гідроприводу // Вибрации в технике и технологиях. - 2003. - №3 – С. 52-54.

2. Савуляк В.І., Березюк О.В. Дослідження динаміки приводу плити для пресування твердих побутових відходів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2002. - №4 – С. 83-86.

3. Савуляк В.І., Березюк О.В. Експериментальне дослідження пружно-пластичних властивостей твердих побутових відходів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2002. - №5 – С. 59-61.

4. Савуляк В.І., Березюк О.В. Стійкість гідроприводу пресування відходів// Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – ДДМА, Краматорськ, 2004. – С.53-56.

5. Березюк О.В. Шляхи підвищення ефективності збирання та транспортування твердих побутових відходів // Сучасні технології, матеріали і конструкції у будівництві: Збірник наукових праць. – Вінниця: Універсум, 2004.- С. 117-121.

6. Савуляк В.І., Березюк О.В. Технічні проблеми збирання та транспортування твердих побутових відходів // Збірник наукових статей до IV Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми збору, переробки та утилізації відходів". - Одеса, 2002. - С. 188-191.

7. Патент України № 57936 А, МПК6 E 01 H 1/04. Обладнання прибиральної машини / О.В. Березюк, В.І. Савуляк - 2001074690; Заявл. 05.07.2001. Одерж.15.07.2003.

8. Патент України № 61580 А, МПК7 B 65 F 3/20. Гідропривод ущільнюючої плити сміттєвоза / В.І. Савуляк, О.В. Березюк - 2003032027; Заявл. 07.03.2003. Одерж. 17.11.2003.

9. Патент України № 5076 U, МПК7 F 15 B 21/12. Клапан-пульсатор диференціальної дії / О.В. Березюк - 20040705249; Заявл. 01.07.2004. Одерж. 15.02.2005.

10. Савуляк В.І., Березюк О.В. Моделювання гідравлічного приводу ущільнюючої плити сміттєвоза // Тези до ХХІХ науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВДТУ з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області. - Вінниця, ВДТУ, 2000. – С. 88.

11. Савуляк В.І., Березюк О.В. Аналіз конструкцій автомобілів для збирання твердих побутових відходів // Тези до ХХІХ науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВДТУ з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області. - Вінниця, ВДТУ, 2000. – С. 89.

12. Савуляк В.І., Березюк О.В. Системи приводів спеціальних автомобілів для збирання твердих побутових відходів // Тези до ХХХ науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВДТУ з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області. - Вінниця, ВДТУ, 2001. – С. 55.

АНОТАЦІЇ

Березюк О.В. Вібраційний гідропривод плити пресування твердих побутових відходів у сміттєвозах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.03 – Системи приводів. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2005.

Дисертацію присвячено розв’язанню задачі підвищення ефективності використання сміттєвозів за рахунок збільшення коефіцієнта ущільнення твердих побутових відходів. Для розв’язання поставленої задачі проведено комплекс експериментальних та теоретичних досліджень, розроблено нову принципову гідравлічну схему гідроприводу плити та нову конструкцію генератора імпульсів тиску для реалізації вібраційного способу пресування, а також науково-обґрунтовану методику проектного розрахунку параметрів гідроприводу плити пресування твердих побутових відходів з використанням генератора імпульсів тиску диференціальної дії. Результати розробки впроваджені і знайшли своє застосування в експериментальній моделі сміттєвоза. Використання запропонованого вібраційного гідроприводу пресування дозволило суттєво підвищити техніко-економічні показники ущільнення твердих побутових відходів та сміттєвоза в цілому (очікувана економія пального в розрахунку на один сміттєвоз тільки за рік склала понад 2200 л). Побудовано область стійкості та якості гідроприводу плити пресування, яка дозволяє на етапі його проектування визначати параметри та характеристики, які забезпечуватимуть його необхідну стійкість