Устройство для очистки поверхности
DEVICE FOR SURFACE CLEANING

Изобретение относится к очистке поверхности с помощью вращающихся рабочих элементов и может быть использовано для различных поверхностей, например, таких как металл, асфальт или бетон.
Известно устройство для очистки поверхности (Режущий инструмент для машины ударного типа: патент № 4834462, Соединенные Штаты Америки, заявка № US19880184264, заявл. 21.04.1988, опубл. 30.05.1989). Данное устройство содержит режущий инструмент (ударный элемент), который располагается на валу (штанге), соединяющей два фланца (боковые несущие опоры). Один из фланцев соединен с приводным валом, который приводит конструкцию в движение.
Известно устройство для очистки поверхности (Устройство и способ очистки поверхности: патент № 2552747, Российская Федерация, заявка № RU2014107929, заявл. 03.03.2014, опубл. 10.06.2015), которое содержит 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 устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и поэтому было принято за прототип.
Недостатком вышеприведенных устройств, в том числе прототипа, является низкая надежность, обусловленная низкой износостойкостью ударных элементов, а также низкой упругостью материала, из которого данные элементы изготовлены. Это приводит к разрушению ударных элементов об очищаемую поверхность, которое заключается в сплющивании металла, его стачивании, возникновении отколов и обломов. Низкая надежность устройства также обусловлена деформацией осей закрепления ударных элементов (штанг) в процессе работы из-за силы центробежного давления, возникающего за счет  высокой рабочей скорости вращения устройства.
Техническая проблема заключается в необходимости разработки эффективного устройства для очистки поверхности, лишенного недостатков прототипа.
Технический результат состоит в повышении надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для очистки поверхности, содержащее корпус, состоящий из двух боковых несущих опор, расположенных параллельно друг другу, и штанг, расположенных перпендикулярно боковым несущим опорам между ними, а также ударные элементы, расположенные на штангах корпуса, согласно изобретению дополнительно содержит опору штанг, расположенную параллельно боковым несущим опорам между ними и соединенную со штангами, а ударные элементы расположены на штангах в шахматном порядке по секциям, которые образуют боковые несущие опоры и опора штанг.
Введение опоры штанг, расположенной параллельно боковым несущим опорам между ними и соединенной со штангами позволяет усилить штанги в разрезе продольной нагрузки направленной от центра вращения устройства наружу. Расположение ударных элементов на штангах в шахматном порядке по секциям, которые образуют боковые несущие опоры и опора штанг обеспечивает распределение нагрузки на каждую ось в меньшем объеме, что в свою очередь обеспечивает меньшие энергозатраты вследствие сниженного сопротивления каждой отдельной оси в момент прохода штанги над очищаемой поверхностью. При этом шахматный порядок секций обеспечивает полное покрытие очищаемого участка по всей длине корпуса без просветов, пробелов и необработанных участков поверхности в местах нахождения опор штанг в момент очистки. Таким образом такая компоновка секций обеспечивает эффект непрерывности очищаемой зоны при одновременном снижении нагрузки на заявляемое устройство в пропорциях к количеству секций и штанг в одной конструкции устройства.
Изготовление ударных элементов из стали марки 65г с твердостью от 45 до 55 HRC по шкале Роквела обеспечивает оптимальную упругость и ударную вязкость ударных элементов, способных выдержать долгую и интенсивную работу, что ранее было невозможным, вследствие использования более мягких сталей с низким содержанием углерода и других примесей, улучшающих показатели упругости и устойчивости на излом.
Таким образом, все отличительные признаки повышают износостойкость штанг и ударных элементов и, соответственно, повышают надежность устройства.
Выбор оптимальных параметров твердости материала ударных элементов производили следующим образом. Были изготовлены 5 серий  ударных элементов (по 100 образцов в серии) с различными значениями твердости материала: 40, 45, 50, 55, 60 HRC по шкале Роквела. Каждый из образцов был испытан на износостойкость при очистке металлической (сталь марки СТ3) поверхности. Испытания каждого образца проводились в течение 10 минут. После испытаний визуально оценивали следующие параметры:
– деформацию очищающей части ударного элемента (расстояние в 5 мм начинающееся от каждого кончика элемента до начала продольного паза). Деформацией приняли считать не естественный износ или сплющенность элемента в минимальной мере, а сплющенность ударной части как минимум на 3мм от изначальной длины ударного элемента.
– деформацию мест посадки элементов на штанге, а именно наличие продавленных штангами мест, глубина которых составляла как минимум 1мм.
– продольные и поперечные изгибы ударного элемента, при которых элемент терял свою прямолинейную форму с отклонением от вертикальной оси как минимум на 2мм.
– наличие сколов и изломов в зонах соприкосновения элементов с поверхностью и также изломов или трещин в любом месте элемента.
Первым параметром оценки явилась частота событий оцениваемого параметра деформации. Из 100 шт. образцов каждого вида приведены случаи возникновения события в суммарном итоге по окончании испытательной работы.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1 – количество образцов, в которых были выявлены различные типы деформаций
Результаты, отраженные в Таблице №1 отражают динамику поведения более хрупких и более мягких изделий в критических нагрузках, где показатель термического упрочнения в максимальном своем значении делает элемент непригодным для эксплуатации, т.к. он скоротечно начинает ломаться и трескаться, т.к. параметр твердости 60 HRC является критическим для данной марки стали. В тоже время более мягкие показатели прочности негативно сказываются на износостойкости элементов, что выражается в ускоренной деформации частей элементов, подверженных ударной нагрузке и предрасположенных к появлению изгибов, обусловленных упругостью и вязкостью материала с низким показателем твердости. Для более детального анализа были вычислены усредненные значения параметров деформации для различных по твердости материала образцов (Таблица 2).
Таблица 2 – усредненные значения параметров деформации для различных по твердости материала образцов
Из данных таблицы 2 видно, что серии образцов 2, 3, 4 и 5 имеют достаточно низкие значения деформации очищающей части, мест посадки, а также продольных изгибов. Однако у образцов серии 5 наблюдается достаточно высокое количество сколов и изломов, что делает их непригодными для длительного использования.
Логичным и очевидным выводом из приведенных испытаний стало оптимальное значение термического упрочнения материалов изготовления ударных элементов, которое составляет от 45 до 55 HRC по шкале Роквелла. Это позволяет максимально долго и эффективно использовать ударные элементы, варьируя этими параметрами в зависимости от поставленных задач, а также условий их достижения в процессах очистки поверхностей.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство для очистки поверхности в общем виде; на фиг. 2 представлено устройство для очистки поверхности, установленное на каркас шасси.
Устройство для очистки поверхности содержит корпус, состоящий из двух боковых несущих опор 1 и, по меньшей мере, двух штанг 2. Боковые несущие опоры расположены параллельно друг другу и предпочтительно выполнены в форме дисков или другой подобной форме. Штанги 2 расположены перпендикулярно боковым несущим опорам 1 между ними. В предпочтительном варианте реализации изобретения штанги 2 соединяют боковые несущие опоры 1 между собой. Кроме того, параллельно боковым несущим опорам 1 между ними установлена по меньшей мере одна опора 3 для штанг, соединенная со штангами 2. Опора 3 для штанг и боковые несущие опоры 1 образуют секции на штангах 2. При этом опора 3 для штанг выполнена таким образом, чтобы она соединялась с разными штангами 2 на разном расстоянии от боковых несущих опор 1, чтобы секции на разных штангах 2 не были идентичны, что необходимо для отсутствия неочищенных полос на поверхности. В шахматном порядке по указанным секциям на штангах 2 устанавливаются ударные элементы 4, каждый из которых представляет собой металлический элемент в виде многоугольника с центральным отверстием, используемым в качестве посадочного места на штангах 2, и, по меньшей мере, двумя рабочими зонами 5. При этом указанное отверстие выполнено таким образом, чтобы ударный элемент 4 мог вращаться вокруг оси штанги 2 при работе заявляемого устройства. В предпочтительном варианте реализации изобретения ударные элементы 4 выполнены из стали марки 65г с твердостью от 45 до 55 HRC по шкале Роквела. Корпус заявляемого устройства устанавливается на каркас шасси 6 с возможностью вращения относительно центральной оси устройства, параллельной осям штанг 2. Каркас шасси также оснащен колесами 7. На каркасе шасси 6 устанавливается двигатель (не показан на чертеже) и соединяется с одной из боковых несущих опор 1 с обеспечением возможности вращения заявляемого устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Корпус устройства устанавливают на каркас шасси 6 и соединяют одну из боковых несущих опор 1 с двигателем. С помощью колес 7 перемещают конструкцию на очищаемую поверхность. Затем включают двигатель, который передает крутящий момент на соединенную с ним боковую несущую опору 1 и, соответственно, заявленное устройство начинает вращаться относительно центральной оси, параллельно оси штанг 2. При этом ударные элементы 4 одной из штанг 2 соприкасаются с очищаемой поверхностью и производят ударное воздействие одной из рабочих зон 5 на очищаемую поверхность, после чего за счет силы отскока ударные элементы 4 вращаются вокруг оси штанги и производят дополнительное ударное воздействие на очищаемую поверхность второй рабочей зоной 5. При дальнейшем вращении устройства относительно центральной оси с очищаемой поверхностью соприкасаются ударные элементы 4 другой штанги и так далее. При этом опора 3 для штанг гасит часть нагрузок на элементы заявленного устройства.
Заявляемое устройство поясняется примерами.
Проводили стендовые испытания двух устройств для очистки поверхности для сравнительного исследования надежности.
Образец 1 представлял собой заявляемое устройство для очистки поверхности, включающее корпус из двух боковых несущих опор и штанг, опоры для штанг и ударных элементов.
Образец 2 представлял собой устройство для очистки поверхности, в основу которого были положены конструктивные особенности, предусмотренные в устройстве-прототипе. Устройство включало корпус из двух боковых несущих опор и штанг, а также ударные элементы.
Пример 1.
Схема проведения испытаний.
Моделировалась работа каждого из образцов, установленных на каркасе шасси, в режиме очистки поверхности металла, имеющего слой коррозии 1.2 мм в течение 20 минут.
Параметры оценки надежности.
1. Деформация штанг и ударных элементов.
2. Эффективность очистки поверхности.
Параметры эффективности очистки.
1. Начальная скорость. Так как принцип очистки заключается в импульсе, который передается поверхности от ударного элемента к очищаемой поверхности, то ключевым параметром степени воздействия на поверхность является начальная скорость, приданная ударному элементу до момента его столкновения с поверхностью.
2. Плотность очистки. Качество очистки этой поверхности обуславливается количеством ударов по ней, совершенными ударными элементами по поверхности в единицу времени.
Совокупностью указанных выше параметров является наиболее высокая скорость, сообщенная ударному элементу, при максимально-возможном количестве этих элементов в очищающем устройстве. Так как при недостаточности мощности ударного импульса элемента, качество очистки падает независимо от количества этих элементов, фактор эффективности «начальная скорость» является более приоритетным, чем количество ударных элементов на штанге.
Описание технических условий эксперимента.
Ширина штанг 200 мм.
Диаметр расположения штанг на боковых несущих опорах 200 мм.
Количество штанг, на которых находились ударные элементы:
1. Образец 1 – 8 штанг. Расположение ударных элементов шахматное.
2. Образец 2 – 4 штанги. Расположение ударных элементов рядное сплошное, без пробелов.
3. Общее количество ударных элементов на каждом образце одинаковое, но Образец 1 их имеет в 2 раза меньше на каждой отдельной штанге, чем Образец 2.
Мощность двигателя 1.5 кВт/ч.
Максимальная скорость холостого хода 6.000 об/мин.
По окончании испытаний визуальная оценка состояния ударных элементов образцов, результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3 – результаты испытаний образцов
Данные таблицы 3, свидетельствуют о большей надежности и результативной эффективности устройства Образца 1 в сравнении с Образцом 2. В части надежности отсутствующая промежуточная опора штанг не удерживает штангу от воздействия центробежных сил и позволяет ей под собственным весом и весом ударных элементов искривляться, что делает такую компоновку рабочего узла ненадежной, а также сильно ограниченной во времени эксплуатации в максимально допустимой ширине рабочего корпуса устройства (расстояние от одной боковой несущей опоры до другой).
Эффективность же обусловлена тем, что в процессе работы при одинаковой мощности двигателя, скорость вращения устройства Образца 2 снизилась в 2 раза (2800 об.мин), при этом кинетическая энергия ударного элемента (масса 3г) снизилась в 2,5 раза  в сравнении с Образцом 1 и в 4 раза по отношению к энергии переданной двигателем ударным элементам на холостом ходу (6000 об. мин. и 7.83 Дж). В то же время у Образца 1 обороты устройства под нагрузкой снизились только на 20% и кинетическая энергия снизилась всего на 30% от изначальной в холостом режиме работы.
В результате, полезная работа, совершаемая устройством, фактически становится менее эффективной в 4 раза вследствие того, что при равных мощностях двигателей, устройства будут обеспечивать различный по эффекту и качеству результат очистки.
Пример 2.
Отличия условий эксперимента №2 от примера №1 заключаются в мощности и скорости вращения двигателя. Остальные условия идентичны Примеру 1.
Мощность двигателя 2.7кВт/ч.
Максимальная скорость холостого хода 10.000об/мин.
По окончании испытаний визуальная оценка состояния ударных элементов образцов. Результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4 – результаты испытаний образцов
Данные таблицы 4, отражают что в процессе работы скорость вращения Образца 2 снизилась в 2 раза (4800 об./мин), при этом кинетическая энергия ударного элемента (масса 3г) снизилась в 2,5 раза  в сравнении с Образцом 1 и в 4 раза по отношению к энергии переданной двигателем ударным элементам на холостом ходу (10000 об. мин. и 21.8 Дж). В то же время у Образца 1 обороты под нагрузкой снизились только на 20% и кинетическая энергия снизилась на 37% от изначальной.
Отражаемая в примерах линейная зависимость геометрии размеров корпуса устройства, скорости его вращения и мощности двигателя, указывает на то, что, как минимум, двукратное уменьшение количества ударных элементов на штанге при сохранении их изначального количества в устройстве позволяет более эффективно использовать мощность двигателя и энергопотребление.
Конструкция опор штанг, удерживающих штанги от изгиба, позволяет изготавливать такие устройства с неограниченной шириной корпуса без ущерба качеству очистки поверхности и исключает излом штанг под силой действия центробежных сил.