Устройство для очистки поверхности

Полезная модель относится к очистке поверхности с помощью вращающихся рабочих элементов и может быть использована для различных поверхностей, например, таких как металл, асфальт или бетон, а также для других целей очистки поверхностей, включая очищение поверхности ото льда и спрессованного снега, удаление дорожной разметки, кошение кустов и травы, обработка строительных и металлических поверхностей.
Известно устройство для очистки поверхности (Устройство и способ очистки поверхности: патент № 2552747, Российская Федерация, заявка № RU2014107929, заявл. 03.03.2014, опубл. 10.06.2015), содержащее установленный на валу цилиндрический корпус, по окружности которого на осях, параллельных оси вала, установлены ударные элементы с возможностью радиального перемещения за счет выполненного в последних продольного паза. Ударные элементы устройства выполнены в виде шестигранников с вытянутыми вдоль продольной оси паза сторонами и установлены с возможностью вращения вокруг оси с обеспечением импульсной силы удара рабочими зонами. Между ударными элементами размещены разделительные шайбы. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является его низкая эффективность при очистке поверхности ото льда и спрессованного снега. Это обусловлено конструктивными особенностями элементов, а именно их формой и весом, не способствующими расколу льда, что позволяет производить низкоинтенсивную фрезеровку льда и спрессованного снега. Также из-за выбора материала, который не соответствовал допустимым параметрам по пределу прочности и твердости, ударные элементы быстро стачивались и приходили в негодность.
Технической проблемой является необходимость создания конструктивно простого устройства для очистки поверхности, обладающего высокой производительностью.
Технический результат состоит в увеличении скорости обработки поверхности при исключении возможности повреждения очищаемой поверхности.
Технический результат достигается тем, что устройство для очистки поверхности, содержащее корпус, состоящее из несущих опор, расположенных параллельно друг другу, соединенных с ними штанг, расположенных перпендикулярно несущим опорам, а также ударные элементы, расположенные на штангах корпуса, при этом масса ударных элементов составляет (50–2000) г, угол режущей кромки ударных элементов составляет (25-85)°, а материал, из которого изготовлены ударные элементы, обладает пределом прочности (400–2000) МПа и твердостью по шкале Роквелла (2,5–80) HRC.
Масса ударных элементов должна составлять от 50 г до 2000 г. При указанном диапазоне значений обеспечивается максимальная эффективность раскола наледей и его фрезеровки, в том числе ледяного образования, при котором возможно не повредить поверхности, на которых оно находится, при соприкосновении с ними. При массе ударных элементов, превышающей 2000 г, также будет происходить эффективное удаление наледей, однако при соприкосновении с поверхностями, они будут значительно повреждены, поскольку масса элемента избыточна и превышает пределы упругости и сопротивления большинства обрабатываемых поверхностей (асфальт, бетон, гранит, плитка).
Допустимый диапазон значений углов режущей кромки ударных элементов (25–85)°. В диапазоне этих значений ударные элементы будут обладать режущей кромкой и иметь форму, при которой будет соблюдаться их конструктивная прочность. Также при выбранном диапазоне значений будет обеспечиваться высокая скорость очистки поверхности.  При значениях угла меньше 25° кромка ударных элементов будет иметь такую форму, при которой их конструктивная прочность потеряется и при ударной работе, какую они несут, ударные элементы разрушатся. При значениях угла больше 85 ° ударные элементы потеряют режущую способность кромки, и также будет отсутствовать эффект самозаточки ударных элементов в процессе работы.
Так как ударные элементы работают с такими поверхностями как асфальт, бетон, плитка, гранит, то они подвержены абразивному износу и ударной нагрузке при работе. Использование материалов с пределом прочности от 400 МПа до 2000 МПа и твердостью по шкале Роквелла (2,5–80) HRC обеспечивает таким ударным элементам повышенную ударопрочность, износоустойчивость и эффективность при работе (за счет повышенной упругости ударного элемента, изготовленного из подобного материала). Дополнительным преимуществом при использовании подобных материалов является увеличение рабочего ресурса ударных элементов.
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлено заявляемое устройство в аксонометрической проекции;
на фиг. 2 представлено заявляемое устройство в поперечном разрезе;
на фиг. 3 представлено заявляемое устройство, установленное на каркасе шасси.
Устройство для очистки поверхности содержит корпус, который состоит из несущих опор 1, расположенных параллельно друг другу, и штанг 2, расположенных перпендикулярно несущим опорам 1 между ними. Также устройство содержит ударные элементы 3, расположенные на штангах 2 корпуса. Ударные элементы 3 снабжены режущей кромкой и расположены на каждой штанге 2 корпуса поочередно. Ударный элемент 3 представляет собой две расположенные напротив друг друга одинаковые трапеции. Между меньшими основаниями трапеций расположен прямоугольник, прилегающая сторона к трапеции которого совпадает с меньшим основанием трапеции. В центре прямоугольника расположен паз для установки на штанге. Паз ударного элемента имеет овальную форму. При этом размер паза превышает диаметр штанги 2 для обеспечения возможности вращения ударного элемента 3 относительно оси штанги 2. Режущая кромка 4 ударных элементов 3 представляет собой углы боковых сторон и больших оснований трапеций, находящиеся в диапазоне (25-85)°.
В качестве материала, применяемого для изготовления ударных элементов могут применяться высокопрочные стали, а именно углеродистые стали, конструкционные стали, конструкционные легированные стали, инструментальные углеродистые стали, инструментальные легированные стали, рессорно-пружинные стали, подшипниковые стали, быстрорежущие стали, коррозионно-стойкие стали.
Заявляемая полезная модель предназначена для использования на специальном каркасе шасси, но также может быть установлена на другие аналогичные устройства, например, в виде сменной навесной конструкции на мотоблок, коммунальную технику или аналогичное оборудование.
Также для соединения с двигателем, помимо несущих опор, может быть использован центральный вал. Использование центрального вала помогает исключить при вращении спиральные деформации, оказывающие негативное влияние на надежность устройства и эффективность очистки, а также повышающие риск повреждения очищаемой поверхности.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Корпус устройства устанавливают на каркас шасси и соединяют центральный вал с двигателем. Конструкцию перемещают на очищаемую поверхность, и включают двигатель, который передает крутящий момент на центральный вал, и соответственно заявляемое устройство начинает вращаться относительно центральной оси, параллельной оси штанг 2.В ходе вращения ударные элементы 3 в зоне соприкосновения с очищаемой поверхностью будут производить ударное воздействие на очищаемую поверхность, после чего за счет силы противодействия ударные элементы 3 свободно поворачиваются на оси штанги 2 и отскакивают от поверхности, нанося следующее ударное воздействие своей режущей кромкой 4 за счет кинетической энергии самого ударного элемента 3. После чего устройство совершает вращение на оси центрального вала, и ударные элементы 3, расположенные на второй штанге 2, производят ударное воздействие на очищаемую поверхность, как описано выше. Фрезеровка, откол и раскол льда происходят за счет острых углов режущей кромки 4 ударных элементов 3. Вращение ударных элементов 3 на оси штанги 2 и вращение устройства по своей горизонтальной, к поверхности, оси будет повторяться, пока каркас шасси или оборудование, на которое устанавливают устройство, не прекратит передавать крутящее усилие на устройство.
В альтернативном варианте допустимо отсутствие в конструкции устройства для очистки поверхности центрального вала. В таком случае крепление к каркасу шасси или любому другому аналогичному оборудованию для эксплуатации при очистке поверхности будет осуществляться через несущие опоры 1. Крутящий момент при начале работы передается на несущие опоры 1 и приводит всю конструкцию в движение.
Заявляемая полезная модель поясняется примером.
Были проведены стендовые испытания шести образцов устройства для очистки поверхности для сравнительного исследования эффективности очистки и повреждения поверхности.
Образец 1 представлял собой заявляемое устройство, содержащее корпус, включающий несущие опоры, центральный вал, штанги, а также ударные элементы. При этом масса резцов ударных элементов составляла 1000 г, угол резцов ударных элементов составлял 45°, предел прочности материала изготовления ударных элементов 800 МПа и твердость по шкале Роквелла 20 HRC.
Образец 2 представлял собой устройство, содержащее корпус, включающий несущие опоры, штанги, а также ударные элементы. При этом масса ударных элементов составляла 40 г, угол резцов ударных элементов составлял 15°, предел прочности материала изготовления 200 МПа и твердость по шкале Роквелла 20 HRC.
Образец 3 представлял собой устройство, содержащее корпус, включающий несущие опоры, центральный вал, штанги, а также ударные элементы. При этом масса ударных элементов составляла 2500 г, угол резцов ударных элементов составлял 95°, предел прочности материала изготовления ударных элементов 2500 МПа и твердость по шкале Роквелла 100 HRC.
Образец 4 представлял собой устройство, содержащее корпус, включающий несущие опоры, центральный вал, штанги, а также ударные элементы. При этом масса ударных элементов составляла 200 г, угол резцов ударных элементов составлял 90°, предел прочности материала изготовления ударных элементов 2000 МПа и твердость по шкале Роквелла 80 HRC.
Образец 5 представлял собой устройство, содержащее корпус, включающий несущие опоры, центральный вал, штанги, а также ударные элементы. При этом масса ударных элементов составляла 30 г, угол резцов ударных элементов составлял 65°, предел прочности материала изготовления ударных элементов 2000 МПа и твердость по шкале Роквелла 80 HRC.
Образец 6 представлял собой устройство, содержащее корпус, включающий несущие опоры, центральный вал, штанги, а также ударные элементы. При этом масса ударных элементов составляла 300 г, угол резцов ударных элементов составлял 75°, предел прочности материала изготовления ударных элементов 200 МПа и твердость по шкале Роквелла 2 HRC.
Схема проведения испытаний: подвергали очистке асфальтовое покрытие в зимний период, имеющий образования наледи с высотами от 3 до 10 см. Температура окружающего воздуха составляла -7°.
Образец 1–6 передвигали по поверхности не имевшей наледь в сторону поверхности с наледью со скорость (0,3–0,5) м/с (1–2 км/ч). По достижению наледи движение продолжалось далее 5 м, и образцы убирались.
После этого проводили оценку качества, скорости и эффективности очистки, а также степени повреждения поверхности. Эффективность очистки выражалась в максимальной высоте наледи, удаляемой Образцами с поверхности.
Результаты испытаний
Образец 1 удалил наледь высотой в 10 см на протяжении всего своего пути (5 м) очистив поверхность до асфальта. Тем не менее, местами остались пятна тонкой неудаленной наледи, которые требовали задержки Образца 1 над этим местом. Так как задержек не производилось, то скорость движения оставалась постоянной и составляла 0,45 м/с (1,6 км/ч).
Образец 2 не смог очистить поверхность до чистого асфальта, поскольку масса ударных элементов оказалась слишком мала для подобной высоты наледи. Образец 2 смог лишь частично удалить наледь в некоторых местах. Даже в случае остановки движения полная очистка поверхности не была произведена.
Дополнительно стоит отметить, что в данной конструкции Образца 2 отсутствовал центральный вал. Несмотря на это, крепление осуществлялось через несущие опоры и это не мешало эксплуатации устройства для представленных задач.
Образец 3 удалил наледь высотой в 9 см, однако участки тонкой наледи остались, и для полной очистки поверхности требовалась остановка. Также из-за того, что для данного образца был выбран угол режущей кромки в 95°, ударные элементы начали быстро терять свои режущие свойства, и отсутствовал эффект самозаточки этой режущей кромки. При этом очищаемая поверхность после проведения испытания была значительно повреждена, на ней образовались прорезы и полосы углублений, поскольку в данном случае масса ударных элементов оказалась больше допустимой нормы.
Образец 4 удалил наледь высотой в 7 см, однако участки тонкой наледи остались, и для полной очистки поверхности требовалась остановка и задержка Образца 4 над данными участками. Также из-за того, что для данного образца был выбран угол режущей кромки в 90°, она начала быстро терять свои режущие свойства, округлую форму, и дополнительно при выборе угла 90° отсутствовал эффект самозаточки режущей кромки ударных элементов.
Образец 5 не смог очистить поверхность до чистого асфальта, поскольку масса ударных элементов оказалась слишком мала для подобной высоты наледи. Образец 5 смог лишь частично удалить наледь в некоторых местах. Даже в случае остановки движения полная очистка поверхности не была произведена.
Образец 6 удалил наледь высотой в 9 см, однако участки тонкой наледи остались, и для полной очистки поверхности требовалась остановка. Также из-за выбора материала с пределом прочности 200 МПа и твердостью по шкале Роквелла 2 HRC, ударные элементы начали быстро стачиваться и терять свои режущие свойства.
Результаты отражены в таблице.
Таблица – результаты испытаний
Образец
Максимальная высота очистки, см
Степень очистки, %
Средняя скорость, м/сек
Степень повреждения поверхности, %
1
10
92
0,45
8
2
3,5
58
0,3
5
3
9
78
0,4
27
4
7
75
0,38
12
5
3,5
57
0,3
5
6
9
82
0,3
20
Неспособность удалять толстые слои наледи и сравнительно низкая скорость очистки Образца 2 и Образца 5 перед Образцом 1 обусловлена тем, что высокие слои наледи не могут быть удалены быстро, поскольку массы ударных элементов для такой работы недостаточно. В то же время Образец 1 обладал тяжелыми ударными элементами, которые производили очистку верхней части толстых слоев наледи (от 5 см) за счет своей массы, чем обеспечил возможность удаления слоев наледи в 10 см со средней постоянной скоростью 0,45 м/с.
Образцы 3, 4 и 6 удаляли слои наледи значительно лучше, чем Образцы 2 и 5, однако из-за большой массы ударных элементов и выбора материала, характеристики которого не соответствуют допустимым значениям, очищаемая поверхность после проведения испытаний повреждалась, были обнаружены вмятины, порезы, канавки и полосы на очищаемой поверхности. Также у Образцов 4 и 6 после проведения испытаний затупилась режущая кромка, приобрела округлую форму и Образцы потеряли свои эффективные режущие свойства.
Дополнительно испытания Образца 1 проводились для удаления дорожной разметки.
Схема проведения испытаний: подвергали очистке асфальтовое дорожное покрытие в летний период, имеющее дорожную разметку от 5 мм до 2 см.
Образец 1 передвигали по поверхности не имевшей дорожной разметки в сторону поверхности с дорожной разметкой со скоростью (0,3–0,5) м/с (1 – 2 км/ч) по достижению дорожной разметки движение продолжалось далее 5 м, и Образец 1 убирался.
Образец 1 удалил дорожную разметку высотой в 1,4 см на протяжении всего своего пути (5 м) очистив поверхность до асфальтового покрытия. Местами остались части не удаленной разметки, которые требовали задержки Образца 1 над этим местом. Так как задержек не производилось, то скорость движения оставалась постоянной и составляла 0,45 м/с (1,6 км/ч).По итогам испытаний, наилучшим образом себя показал Образец 1, поэтому был выбран следующий оптимальный диапазон параметров для ударных элементов:
1) масса ударных элементов составляет (50–2000) г;
2) угол режущей кромки ударных элементов составляет (25-85)°;
3) пределом прочности материала изготовления ударных элементов (400–2000) МПа;
4) твердость материала изготовления ударных элементов по шкале Роквелла (2,5–80) HRC.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает создание конструктивно простого устройства для очистки поверхности с высокой производительностью за счет увеличения скорости обработки поверхности при исключении возможности повреждения очищаемой поверхности.