Кочегаров Б.Е., Лоцманенко В.В., Опарин Г.В. Бытовые машины и приборы. Учебное пособие. Часть 1

178

1

0

ττ

τ

gVdgV

d

dy

уу

−=

∫

−=

;

0

1

=













yy

d

dy

τ

;

g

V

y

=

1

τ

,

но

β

π

β

cos

бy

nD

V

=

, следовательно, время падения

g

nD

б

β

π

τ

cos

1

=

,

где n - частота вращения барабана,

D

б

- диаметр барабана.

Тогда

g

nDg

Vy

б

у

2

)cos(

2

22

1

11

βπτ

τ =−=

.

Отрыв изделия от барабана происходит при условии,

что составляющая силы тяжести уравновесится центробежной

силой

(

)

g

Dn

FF

б

ТТ

2

sin

2

π

β=

.

Тогда

ββsincos25,0

2

1

б

Dy =

.

Для определения β и n при H=H

max

поместим начало

координат в точку А. Уравнение параболической траектории

центра тяжести в новой системе координат

β

3

2

22

2

sinsin2

б

D

X

Xctg

V

X

XctgY −=−=

.

Учитывая, что

β

cos5,0

б

А

DX

=

и

β

sin5,0

б

А

DY

=

,

имеем

(

)

(

)

2

22

25,0

б

В

DYYXX =−+−

, или

.0sincos

22

=+++ ββ YDXDYX

б

Решая совместно уравнения параболы и окружности,

находим координаты точки B падения изделия:

ββ cossin2

2

б

Dx =

;

ββ

2

cossin2

б

Dy −=

.

Полная высота падения тела

ββ

2

cossin25,2

б

DH=

.

H=H

max

при

0=

βd

dH

; tg

2

β=0,5; β=35

0

20' .

Соударение изделий и жидкости

Соударение изделий и жидкости происходит при паде-

нии изделий в жидкость. Удар можно считать совершенно не-

упругим .

При падении с высоты Н скорость изделий в начале

удара

gHV 2=

′

,

а скорость жидкости (с оставшимися изделиями) V

2

=0. В ре-

зультате удара изделия и жидкость приобретут новую ско-

рость

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

2

1

2

T

FF

gHF

V

+

=

′

,

где F

T1

- сила тяжести падающих изделий;

F

T2

- сила тяжести жидкости, приходящей в

движение с оставшимися в ней изделиями.

Изменение кинетической энергии системы равно рабо-

те действующих сил

( )

δδ 2

2

1

2

21

FTFR

FF

gH

g

F

T

TT

++−=

+

⋅

+

,

где R - сопротивление при перемещении падающих

изделий на величину δ.

Сумма сил тяжести обычно мала в сравнении с сопро-

тивлением, поэтому вторым слагаемым правой части равенст-

ва можно пренебречь

( )

δ

2

1

2

1

T

FF

HF

R

+

=

или

( )

2

1

T

FF

F

HFR

+

=δ

.

Отсюда видно, что работа сил сопротивления меньше

работы сил тяжести упавших изделий в (F

T1

+F

T2

) раз.

Величина

2

1

2

1

T

FF

F

FF

F

K

+

=

+

−=

представляет ту

часть затраченной при падении изделий энергии, которая те-

ряется. Оставшаяся часть энергии идет на деформацию изде-

лий при ударе и создание динамического напора жидкости.

При подъеме и падении изделий происходит обтекание

их поверхностей рабочей жидкостью под действием силы тя-

жести. Оно сопровождается прилипанием жидкости к обте-

каемым поверхностям, что приводит к значительным градиен-

там скорости в поперечном направлении к потоку жидкости.

Это вызывает резкое увеличение поверхностных сил трения и

соответствующих сил сопротивления, противодействующих

движению изделий в жидкости.

Силы трения, действуя на поверхности загрязненных

изделий, способствуют их сдвигу и удалению в раствор.

Сила Р

С

, противодействующая движению изделий, из

уравнения Ньютона:

жC

V

SP ρξ













=

2

,

где ξ - коэффициент лобового сопротивления;

S - площадь проекции изделия на плоскость перпенди-

кулярную направлению его движения;

ρ

ж

- плотность жидкости.

Коэффициент лобового сопротивления ξ зависит от

формы тела и режима движения (определяются опытным пу-

тем).

Условия сдвига загрязнения

З

с

сдв

З

S

P

S

P

=≤σ

,

где P

з

- сила сцепления, приложенная к загрязнению со

стороны изделия;

S

з

- площадь сцепления загрязнений с изделием;

σ

сдв

- механическое напряжение сдвига.

Параметры рабочих барабанов

Механика процессов в барабанах определяется факто-

ром разделения Фруда Φ и зависит от граничных условий про-

странства, характеризуемых значениями R

б

и ω. Поэтому гео-

метрические и кинематические параметры увязываются через

фактор разделения Фруда Φ.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

При заданной загрузочной массе m

з

полезная вмести-

мость барабана (в воздушно-сухом состоянии):

уЗпол

wmW

=

,

где w

y

- объемный модуль внутреннего барабана

(удельная вместимость), определяемый экспериментально.

Объемный модуль w

y

, т.е. объем, приходящийся на 1 кг

загруженных изделий, составляет w

y

=8,8…18 дм

3

/кг.

Значение объемного модуля w

y

обуславливает подвиж-

ность барабана при стирке и интенсивность механического

воздействия на них. Чем выше w

y

, тем лучше отстирываемость

изделий. Значение w

y

регламентируется.

Расчетная вместимость внутреннего барабана

1

2

4

kwm

LD

W

уЗ

б

P

==

π

,

где D

б

- диаметр барабана;

L - длина барабана;

k

1

- коэффициент, учитывающий объем, зани-

маемый гребнями и другими частями, выступающими внутрь

барабана.

Если

2

12

4k

D

kwmk

L

D

б

уЗ

б

π

=⇒=

,

откуда

3

4

2

π

kW

D

P

б

=

.

Диаметр внутреннего барабана с торцовым обслужива-

нием эмпирически

З

т

mmD 01,022,0 −=

;

с боковым обслуживанием

ЗЗб

mmD 0065,016,0 −=

.

Угловая скорость вращения барабана стиральной ма-

шины

б

R

Φ

=πω

.

Значение фактора разделения (числа Фруда) принима-

ется: Φ = 0,7…0,8 - стирка, полоскание;

Φ = 40…50 - промежуточный отжим;

Φ = 300…500 - окончательный отжим.

Критическая скорость вращения барабана (изделия

прижимаются к стенке барабана центробежной силой)

б

кр

R

n

6

,

0

≈

;

фактическая (рабочая) скорость вращения барабана

(

)

крф

n

7

,

0

...

6

,

0

=

.

Потребляемую стиральным барабаном мощность мож-

но найти из соотношения сил полезных и вредных сопротив-

лений.

Полезный момент сопротивления при вращении бара-

бана

oT

T

n

bF

l

F

M αsin==

,

где F

T

- сила тяжести массы изделий и жидкости;

α

0

- угол отклонения радиуса, проходящего че-

рез центр тяжести от вертикали.

Масса мокрой одежды, находящейся во внутреннем ба-

рабане,

ж

од

м

mmm ρ

3

1025,2

−

⋅+=

,

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

где m

од

- масса одежды в воздушно-сухом состоя-

нии;

2,25⋅10

—3

- средний объем жидкости, содержа-

щейся в одном килограмме изделий;

ρ

ж

- плотность жидкости.

Масса жидкости, увлекаемой изделиями при вращении

барабана

.

15

,

0

ж

с

ж

m

≈

,

где m

c.ж.

- масса свободной жидкости в барабане.

Учитывая, что

од

ж

с

mm

⋅

≈

6

.

, получим

од

ж

mm 9,0

≈

.

Общая масса изделий и жидкости, поднимаемых греб-

нями барабан,













−

⋅+≅

жод

mm ρ

3

1025,29,1

.

Объем, занимаемый мокрыми изделиями и свободной

жидкостью,













−

⋅++=+=

3

1025,2

61

жод

оджМ

mWWW

ρρ

,

где ρ

од

≅1,5⋅10

3

кг/м

3

- плотность одежды.

Площадь, занимаемая изделиями и жидкостью в плос-

кости поперечного сечения барабана,

L

W

S=

,

где L - длина внутреннего барабана.

Сегменту ADF (рис. 2.10) в статике соответствует цен-

тральный угол α, который можно определить из выражения













−= αα

π

sin

1802

2

б

R

S

,

где R

б

- радиус внутреннего барабана.

Зная угол α, можно определить хорду сегмента

2

sin

α

бх

Dl =

Расстояние от оси вращения барабана до центра тяже-

сти сегмента

S

l

b

х

12

3

=

.

Следовательно, мощность полезного момента сопро-

тивления при вращении барабана

1000

ω

П

M

N =

,

где ω - угловая скорость вращения барабана.

Рис. 2.10. Схема для определения

рабочей мощности барабана

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

Масса мокрых изделий определяется по формуле:













+=

100

1

ϕ

одм

mm

,

где ϕ≈(225...250)% - относительная влажность изде-

лия.

Объем свободной жидкости













+

=

100

1

2,1

ϕ

ρ

од

М

ж

m

W

.

Рис. 2.11. График для определения угла α

Расход мощности зависит не только от частоты враще-

ния барабана, но и от внутреннего трения в слоях обрабаты-

ваемых изделий и от ударов при их падении. Неравномерность

полезной нагрузки (удары и падения) учитывается коэффици-

ентом удара k

уд

=1,1…1,2.

Мощность трения в подшипниках качения

317

1000

nfd

P

nfd

P

N

rr

тр

≈=

π

.

Здесь P

r

- геометрическая сумма сил тяжести изделий,

жидкости, барабана и силы натяжения ремней привода, пере-

дающихся на полуось барабана,

f - коэффициент трения (f=0,001…0,004 - для ша-

рикоподшипников, f=0,001…0,0025 - для роликовых подшип-

ников - в зависимости от смазки),

d - диаметр полуоси.

Мощность движущих сил на полуоси барабана

трПб

N

+

=

,

а потребляемая мощность, с учетом потерь привода

η

б

потр

N

N =

,

где η — коэффициент полезного действия привода.

В период пуска мощность N

пус

расходуется на подъем

сегмента AFD на угол α

0

, на преодоление инерции барабана

N

иб

, находящейся в нем массы изделий и жидкости N

ии

, на тре-

ние в подшипниках N

подш

, т.е.

трииибподшпус

NNNNN

+

=

.

Мощность, расходуемая на подъем сегмента (переме-

щение его центра тяжести на высоту b(1—cosα)),

( )

О

ОТ

под

nbF

bF

N

α

πα

τ

α

500

cos1

1000

cos1













−

=

−

=

,

где

n

О

π

α

τ

2

=

- время подъема сегмента.

Вследствие неуравновешенности обрабатываемой мас-

сы m

М

в опоре полуоси учитывают действие неуравновешен-

ной центробежной силы

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

e

M

mP

цби

2

.

ω

,

где e≈0,08R

б

- эксцентриситет центра тяжести массы m

M

.

Если принять, что разбег барабана совершается на по-

ловине оборота, (τ

р

=1/2n), то

10002

2

.

Р

б

би

J

N

τ

ω

=

,

где J

б

- момент инерции массы барабана относительно

оси вращения.

Мощность, расходуемая на преодоление инерции мас-

сы изделий и жидкости

10002

2

Р

ии

J

N

τ

ϖ

=

,

где J

ии

- момент инерции массы сегмента изделий и

жидкости.

Мощность, потребляемая барабаном в период измене-

ния направления вращения, зависит от того, замедляет он свое

вращение (в период остановки) или ускоряет его (период пус-

ка). В период пуска мощность торможения

трПииибТ

N

−

+

=

.

Общий момент сопротивления

4321

M

С

+

=

,

где M

1

и M

2

- момент сил трения в опорах и уплот-

нении вала (~30 Н⋅м);

M

3

- момент сопротивления подвижной массы

изделий (~5…8%M

C

);

M

4

- момент сопротивления жидкости (М

1

>M

4

- при ма-

лых значениях модуля ванны; М

4

>M

1

- при большом значении

модуля ванны).

В среднем М

с

=(22+46,7W

ж

) Н⋅м.

Обработка изделий струями жидкостей

Мойка изделий струями жидкости применяется для об-

работки прямого белья, полотенец, спецодежды на вешалках,

ковров и дорожек. Процесс мойки заключается в том, что на

изделие направляют струи моющего раствора под давлением

из специальных двухпоточных или однопоточных сопел (рис.

2.12). Сопла устанавливаются над поверхностью изделия и

струи под высоким давлением (2,5 … 2,8МПа) удаляют глубо-

ко засевшую грязь. Отработанная жидкость собирается в спе-

циальной ванне с оборотной стороны изделия. Распылитель

для подачи моющего раствора и воды может иметь одно или

несколько сопел. Струя жидкости из сопла со скоростью V

ударяется под прямым углом о поверхность изделия. Диаметр

вытекающей из сопла струи d. При определении силы дав-

ления струи на поверхность изделия сжатием струи можно

пренебречь.

На основании теоремы о количестве движения для час-

ти струи, заключенной в данный момент времени в объеме

жидкости между прямыми aa, bb и cc, имеем

mVQQQ

−

=

−

=

0

1

,

где Q

1

и Q

0

- количество движения системы в на-

правлении оси OX в момент времени τ=τ

0

и τ=0;

m - масса объема aaa

1

a

1

жидкости, переместившейся за

время τ.

За время τ=τ

1

объем жидкости aabbcc перемещается и

занимает положение a

1

a

1

b

1

b

1

c

1

c

1

.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

Рис. 2.12. Действие однопоточной жидкости на изделие

Внешняя сила, действующая на выделенный объем

жидкости и дающая проекцию на ось OX, - только реакция по-

верхности изделия Р. Считая величину Р постоянной, получим

1

τ

P

Q

−

=

или

1

τ

PmV

=

,

откуда

1

2

4

τρ

π

ρ V

d

Vm ==

,

где V - объем жидкости между прямыми aa и a

1

a

1

;

ρ - плотность жидкости.

Тогда

2

4

V

d

P ρ

π

=

.

Сила давления струи на обрабатываемую поверхность

равна этой же величине.

2.4. Отжим жидкости из изделий

Отжим жидкости обычно предшествует сушке изделия,

т.к. на отжим тратится значительно меньше энергии и време-

ни.

В процессе отжима из материала удаляется только ка-

пиллярная жидкость, наименее прочно связанная с ним. Для

материала, содержащего жидкость

ж

см

вм

mmm

+

=

,

где m

вм

- масса влажного материала;

m

см

- масса абсолютно сухого материала;

m

ж

- масса жидкости.

Относительная влажность материала

%100

вм

ж

m

=ϕ

.

Абсолютная влажность материала

%100

см

ж

а

m

=ϕ

,

откуда

%100

100 ϕ

ϕ

−

=

а

и

%100

100

а

ϕ

+

=

.

Влагосодержание - это масса жидкости, находящаяся в

1 кг сухого материала.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

Отжим прессованием

Отжим прессованием (рис. 2.13.а) заключается в том,

что на наружную поверхность материала мокрых изделий ме-

ханическим путем передается давление. Находящаяся в порах

жидкость под действием внешней нагрузки вследствие дефор-

мации материала (изменение объема) испытывает внутреннее

давление. Жидкость, проходящая через поры материала, вы-

ходит наружу и отводится. Влажность материала при этом

снижается.

Давление, воспринимаемое скелетом материала, в на-

чале процесса отжима пропорционально относительному сжа-

тию ε скелета в замкнутом пространстве (р

с

=ε⋅р):

ε

µ

−

+

=

1

с

p

н

.

Это давление зависит от температуры, влагосодержа-

ния, состава и механических свойств материала.

Движение жидкости в порах материала можно рассмат-

ривать как фильтрование ее через пористые тела, подчиняю-

щиеся закону Дарси

2

. В этом случае скорость движения жид-

кости (скорость фильтрации)

δ

p

kV

ф

∆

=

,

где ∆p - перепад давления;

2

Закон Дарси при ламинарном движении: скорость фильтрации

V=kJ, где k - эмпирический коэффициент, J - напорный градиент

или гидравлический уклон, показывающий величину падения напо-

ра на единицу длины фильтрации. При турбулентном течении жид-

кости закон Дарси: V=k

'

J

m

, где k

'

- эмпирический коэффициент, m -

фильтрационный параметр материала.

δ - толщина пористого слоя, через который движется

жидкость.

Рис. 2.13. Способы отжима прессованием:

а) плоской парой: 1,2 – плиты, 3 – материал, б) – валковой парой:

1,2 – валки, 3 – материал, в) – в эластичной емкости: 1- резервуар,

2 – штуцер подачи рабочей жидкости, 3- резиновая емкость, 4- из-

делия, 5- крышка, 6- перфорированная крышка, 7- корпус установки

Насыщенная жидкостью ткань - это полидисперсная

система, состоящая из твердой, жидкой и газообразной фаз.

Деформация ткани при отжиме сопровождается изменением

пористости. Между коэффициентом пористости и относитель-

ной деформацией при давлении свыше 200 кПа примерно ли-

нейная зависимость. Каждому значению прикладываемого

давления соответствует свое значение пористости. При увели-

чении давления пористость снижается. Снижается и пропуск-

ная способность материала для жидкости. При значительных

деформациях материала (размеры пор очень малы) фильтра-

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

ции не происходит, пока гидравлический градиент не достиг-

нет определенного значения:

ф

н

k

pp

V













∆

−

∆

=

δδ

,

где ∆р

н

/δ

н

- начальный гидравлический градиент.

Отсутствие фильтрования жидкости в порах сжатого

материала при малых гидравлических градиентах связано с

особыми свойствами жидкости и жидкостных оболочек воло-

кон материала.

Отжим валковой парой

Основное преимущество отжима валковой парой — не-

прерывность процесса. При прохождении материала (рис.

2.13.б) между валками одновременно происходит деформация

валиков (их упругого покрытия), деформация материала и от-

жим.

При действии сил валки деформируются, образуется

площадка деформации, определяющая величину и характер

распределения удельного давления между валами. Величина

площадки зависит от скорости вращения валков, линейного

давления, твердости и толщины эластичного покрытия, темпе-

ратуры, диаметра валков, свойств материала.

Жидкость, попавшая вместе с материалом в зону кон-

такта валков, удаляется, только если скорость ее движения

больше скорости движения материала. В противном случае

жидкость будет уноситься материалом.

На выходе из зоны деформации жидкость теряет ско-

рость, накапливается в виде валика и стекает под действием

силы тяжести. Скорость движения жидкости зависит от вели-

чины и характера распределения давления в зоне контакта и от

свойств материала и жидкости.

Отжим в эластичной емкости

Преимущество отжима в эластичной емкости

(рис.2.13.в) - необязательность тщательной раскладки изделий

внутри нее. Недостаток - сильное спрессовывание ткани и не-

обходимость последующей растряски изделий.

Отжим изделий прессованием получил определенное

распространение в прачечных. В настоящее время и в быту и в

прачечных наиболее распространенным, достаточно эффек-

тивным и экономически оправданным является центробежный

отжим.

2.5. Аэромеханические процессы

при сушке изделий

Конвективная сушка изделий во вращающемся бараба-

не сушильной машины сопровождается непрерывной подачей

к изделиям нагретого воздуха. Устройство рабочего барабана

сушильной машины сходно с устройством рабочего барабана

стиральной машины или машины для химической чистки из-

делий.

Вращение внутреннего (рабочего) барабана - обяза-

тельное условие процесса сушки, так как при этом площадь

контакта одежды и горячего воздуха максимальна.

Механика движения изделий в барабане сушильной

машины в основном сходна с механикой их движений в бара-

бане стиральной машины. Однако некоторые параметры дви-

жения изделий и конструктивные параметры барабана, обу-

словленные технологическим процессом обработки, отлича-

ются.

Количество гребней в сушильном барабане обычно че-

тыре, высота гребней составляет около 1/3 высоты падения

изделий, угол при вершине гребня - 10…15

0

.

Высота падения

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

178

изделий принимается 0,75D, где D - диаметр внутреннего ба-

рабана.

Вместимость внутреннего барабана сушильной маши-

ны определяют по формуле

KwmW

З

0

=

,

где m

з

- загрузочная масса;

w

0

- удельная вместимость барабана, м

3

/кг(при загрузке

одежды легкого ассортимента она составляет 25⋅10

—3

м

3

/кг,

тяжелого ассортимента - (16…17)

.

10

—3

м

3

/кг , спецодежды -

(23…24) ⋅10

—3

м

3

/кг);

K - коэффициент, учитывающий объем, занимаемый

гребнями (при загрузке одежды легкого ассортимента -

1,03…1,06; тяжелого ассортимента - 1,02…1,03).

Оптимальное значение диаметра при сушке одежды

легкого ассортимента - (0,115…0,135)V

1/3

, тяжелого ассорти-

мента - (0,135…0,150)V

1/3

.

Для обеспечения интенсивности процесса сушки необ-

ходимо, чтобы изделия во вращающемся барабане имели наи-

большую площадь поверхности испарения. Это достигается

рациональным распределением изделий по поверхности бара-

бана во время сушки.

Однако при слишком большой частоте вращения бара-

бана, когда изделия плотно сжаты, продолжительность сушки

увеличивается.

Оптимальные условия сушки создаются, когда центро-

бежная сила уравновешивает или несколько превышает (при-

близительно на 6%) силу тяжести изделий. При этом частота

вращения барабана определяется формулой

R

n

2

4

≈

Φ

,

откуда

R

n

2

03,1

4

≈

Φ

≈

,

где Φ=1,06 - фактор разделения (число Фруда).

Рис. 2.14. Расположение изделий в сушильном барабане

Механика движения воздуха в рабочих барабанах ма-

шин при сушке связана не только с работой вентилятора, но и

с движением рабочего барабана, который в этом случае игра-

ет роль дополнительного побудителя энергии, сообщаемой

воздуху. Так, движение воздуха через центральную часть вра-

щающегося барабана проходит не прямолинейно, а по спира-

ли.

2.6. Отечественные стиральные машины

Типы стиральных машин

Отечественные стиральные машины делятся на сле-

дующие типы:

• СМ - это наиболее простые по конструкции сти-

ральные машины без устройств отжима.

• СМР - стиральные машины с двумя режимами

стирки (для разных типов тканей) и с устройством

для отжима.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

Кочегаров Б.Е., Лоцманенко В.В., Опарин Г.В. Бытовые машины и приборы. Учебное пособие. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.