3. Пылесосы
Следующими по значимости приборами современной урбанизации жилища являются пылесосы и полотеры. Электропылесосы относятся к группе бытовых уборочных машин. Они предназначены для уборки пыли с полов, ковров, мебели, салонов автомобилей, поездов, производственных помещений и выполнения операций, связанных с распылением порошков и мелкодисперсным разбрызгиванием маловязких жидкостей (побелка и окраска стен, потолков, окраска, лакирование и т. д.).
Наиболее эффективна вакуумная уборка пыли, осуществляемая пылесосами. Такая пылеуборка основана на использовании энергии движущегося потока воздуха и включает всасывание пыли с очищаемой поверхности, транспортирование взвешенной в воздухе пыли по трубопроводам пылесоса, фильтрацию запыленного воздуха и сбор пыли в пылесборнике. Кинетическая энергия движущегося потока воздуха должна быть такой, чтобы обеспечивать, отрыв пыли от очищаемой поверхности и перенос ее по трубопроводам до пылесборника.
3.1. Исторические сведения
Первый пылесос появился на свет одновременно с XX веком. Революционный механизм изобрел британский инженер Хуберт Бут.
Рисунок 3.1 – Инженер Хьюбер Сесил Бут, изобретатель пылесоса
Пылесос, получивший название «Фырчащий Билли», работал на бензине, был снабжен вакуумным насосом мощностью в пять лошадиных сил, а по размерам превосходил небольшой автомобиль и помещался далеко не во все интерьеры. Поэтому «Фырчащего Билли» парковали у обочины, а ковры для чистки выносили на улицу. Чудо инженерной мысли пользовалось в Лондоне большой популярностью. Однако в то время в британской столице было гораздо больше лошадей, чем пылесосов, и кони сильно пугались вида и рева «Фырчащих Билли», поэтому главный полицмейстер Лондона запретил их использование на улице.
Рисунок 3.2 – Первый пылесос Хьюбера Бута, 1901 г.
Рисунок 3.3 – Домашний электрический пылесос «Элмо», выпущенного фирмой «Сименс» в 1906 году
Появлением домашних пылесосов (как, кстати, и большинства современных бытовых механизмов) мы обязаны фанатичным приверженцам комфорта – американцам. Первую заокеанскую пыль засосало детище компании Geier в 1905 году. Изделие имело некоторый успех, и аналогичную продукцию начали выпускать еще несколько американских фирм, из которых только создание Уильяма Хувера дожило до наших дней.
Рисунок 3.4 – Пылесос Уильяма Хувера.
Американцы были так поражены самой возможностью всасывания пыли неким механизмом, что ни о каком дизайне речи не шло. Например, модель 1908 года W.H. Hoover Company, сделанная из консервной жести и дерева, так и называлась – «Жестяная модель» (Tin model). Внешне она напоминала перевернутое оцинкованное ведро черного цвета с приделанной к нему деревянной ручкой от швабры. Завершал картину прикрепленный под ручкой метровый пылесборник, представлявший собой мешок из марли, снаружи обшитый для красоты красным сатином. Производитель указывал, что пылесос не только превосходно удаляет пыль с пола и из трещин, но и может использоваться для быстрой сушки волос.
Удобные для уборки больших помещений, таких, как офисы и коттеджи, непритязательного вида машинки навечно прописались в платяных шкафах американцев.
Размер европейских платяных шкафов сильно уступал заокеанским, что стимулировало лихорадочную работу конструкторской мысли. В 1912 году основатель Electrolux швед Аксель Веннер-Грен предложил заменить в пылесосах воздушный насос на вентилятор, благодаря чему массу бытового прибора удалось сразу уменьшить до 14 кг. Но всемирную славу шведской компании принесла ставшая классикой Model V, появившаяся в 1921 году. Перемещающийся на колесиках металлический цилиндр, соединенный с всасывающей щеткой гибким шлангом и снабженный сменными насадками 80 лет копировали все производители бытовой техники. Да и вторая мировая война на десятилетие затормозила разработку и выпуск этих забавных устройств.
Рисунок 3.5 – Пылесос Model V, 1921 г.
В 1957 году американская компания Beam Industries начала выпуск встроенных пылесосов (их еще назвали централизованными системами пылеудаления). Было предложено оригинальное и одновременно простое решение многолетних проблем. Силовой агрегат стал неподвижным (он установлен в подсобном помещении и соединен системой воздуховодов с пневматическими розетками в стенах или полах), выхлоп был выведен на улицу, а уборка велась с помощью только одного шланга.
60-ые годы XX столетия ознаменовались многоцелевыми пылесосами, совместившими сухую и влажную уборку, выпускавшимися со специальными сепараторами, собиравшими воду около бассейнов, землю с садовых дорожек и песок с террас.
В комплект моющего пылесоса, как правило, входит пять-семь насадок (для обычной и влажной уборки, мягкой мебели, мытья стекол, в некоторых случаях – вантуз и прочие).
В конце 60-х годов первые пылесосы стали появляться и в СССР. Им давали названия, соответствующие эпохе: «Ракета», «Спутник». «Ракета» была копией Electrolux Model V, а «Спутник» – концептуально Hoover Constellation 1955 года. Правда, в отличие от «Спутника», Hoover передвигался не на колесиках, а на воздушной подушке.
Рисунок 3.6 – Отечественный пылесос «Ракета».
Увлекшись увеличением силы втягивания, производители пылесосов всех стран, казалось, поставили крест на дизайне. Возвращением в мир большой моды пылесосы обязаны англичанину Джеймсу Дайсону.
В 1983 году на обложку Design Magazine неожиданно попал совершенно необычный розовый пылесос G-Force, выполненный в постмодернистском стиле. Ни капли хрома. Прозрачный корпус выставлял напоказ пластиковые внутренности. К тому же у модели Дайсона не было пылесборного мешка – для очистки воздуха использовался запатентованный циклонный фильтр.
Рисунок 3.7 – Пылесос G-Force, 1983 г.
В марте 1995 года Дайсон выпустил европейскую версию ДСО-2 с традиционным шлангом и щеткой. В том же году была выпущена ограниченная партия этой модели, целиком выполненная из цветного прозрачного материала.
3.2. Классификация пылесосов
Пылесосы классифицируют по назначению, характеру эксплуатации, конструктивному решению, степени комфортности и другим признакам.
По назначению различают пылесосы общего и специального назначения. Пылесосы общего назначения предназначены для уборки пыли с полов, ковров, мебели и выполнения ряда операций, связанных с распылением порошков и мелкодисперсным разбрызгиванием маловязких жидкостей.
Рисунок 3.8 – Классификация электропылесосов.
Пылесосы специального назначения используют для чистки ковров, одежды, обивки сидений автомобилей и т. д.
По условиям эксплуатации выделяют пылесосы напольные (ПН), ручные (ПР). Ручные пылесосы имеют малые габариты и вес не более 3 кг. В процессе использования их держат за корпус или за штангу (штанговые) или закрепляют ремнями на спине (ранцевые).
По конструктивному решению пылесосы подразделяют на прямоточные и вихревые. У прямоточных пылесосов направление движения потока воздуха совпадает с продольной осью корпуса пылесоса и его воздуховсасывающего агрегата, расположенных горизонтально. У вихревых пылесосов корпус, воздуховсасывающий агрегат и электродвигатель расположены вертикально. За входным отверстием корпуса пылесоса установлена изогнутая трубка или специальная пластинка, благодаря которой всасываемый в пылесос воздух, ударяясь о препятствие, создаваемое изогнутым коленом трубки или пластиной, теряет скорость и завихряется. Падение скорости движения воздушного потока обеспечивает частичную очистку всасываемого воздуха от крупных частиц пыли, падающих на дно корпуса пылесоса и не загрязняющих фильтр.
По степени комфортности пылесосы подразделяют на изделия нормальной и повышенной комфортности.
Пылесосы повышенной комфортности имеют не менее трех из следующих приспособлений: индикатор заполнения пылесборника, устройство для регулирования и расхода воздуха и мощности, устройство для автоматического отключения электродвигателя при заполнении пылесборника пылью или сменных бумажных фильтров, устройство для автоматической уборки шнура, устройство для прессования или брикетирования пыли, устройство для очистки фильтров, устройство для организационного хранения принадлежностей и др.
Пылесосы группируют также по мощности, маркам и моделям.
3.3. Устройство пылесосов
Основными конструктивными узлами и элементами электропылесосов являются: корпус и воздуховсасывающий агрегат. Кроме того, пылесосы снабжаются фильтрами, разнообразными принадлежностями, соединительным шнуром длиной не менее 6 метров и приспособлениями, повышающими комфортность.
3.3.1 Электропылесос прямоточного типа
Электропылесос напольный ПН-600 модели «Чайка-10» относится к бытовым электропылесосам прямоточного типа (рис. 3.9). Он оснащен устройством для автоматического сматывания шнура питания в корпусе пылесоса; индикатором запыленности, позволяющим следить за заполнением пылесборника мусором не прекращая работы и не разбирая пылесос; устройством регулирования расхода воздуха, уменьшающим расход воздуха в насадке; удобными сменными – насадками; дополнительным фильтром очистки выходящего воздуха. Передвигается пылесос на колесиках и ролике, передняя крышка запирается замками.
Воздуховсасывающий агрегат состоит из вентиляторного устройства 1 и сериесного электродвигателя 2, пристыкованного к нему. На электродвигателе установлено устройство для снижения помех теле- и радиоприема в виде батарей 9 электроконденсаторов. Пылесборник представляет собой, хлопчатобумажный мешок-фильтр 3-4. Для удобства пользования в пылесборник вставляется сменный мешок 3 одноразового пользования. Индикатор запыленности состоит из стеклянной трубки 5. Механизм автоматической намотки шнура смонтирован в задней крышке 6 пылесоса.
Рисунок 3.9 – Электропылесос прямоточного типа
Воздуховсасывающий агрегат крепится внутри корпуса пылесоса. В центре перегородки пылесоса имеется большое отверстие, к которому примыкает входное отверстие воздуховсасывающего агрегата.
К крышке с помощью гайки 7 присоединен шланг-воздухопровод 8, к которому пристыковываются насадки. При работе воздуховсасывающий агрегат создает в пылесосе разрежение за счет вентиляторного устройства. Вентиляторное устройство представляет собой двухступенчатый центробежный компрессор, приводимый во вращение электродвигателем. Центробежный компрессор включает в себя два подвижных диска, жестко связанных с валом электродвигателя, и один неподвижный диск. Неподвижный диск расположен между подвижными дисками и жестко связан с корпусом вентиляторного устройства. Каждый диск компрессора состоит из двух тонких плоских дисков, между которыми закреплены специально спрофилированные лопатки.
3.3.2. Электропылесос вихревого типа
Электропылесос вихревого типа «Тайфун-М» ПН-600 состоит из двух полукорпусов (рис. 3.10): нижнего 1, исполняющего роль пылесборника, и верхнего 2 исполняющего роль агрегатного отсека. Полукорпуса соединяются между собой с помощью двух замков.
Нижний полукорпус имеет всасывающее отверстие, в которое устанавливается специальная резьбовая втулка 3 с невозвратным клапаном. На капроновую втулку монтируется сменный пылесборник.
К нижнему полукорпусу на заклепках закрепляются три колеса 4, расположенные на осях кронштейнов. Одно колесо выполнено шарнирно для изменения направления движения пылесоса при работе.
Пылефильтр представляет собой кольцо 5, из плотной ворсистой ткани. На крюки стального кольца надевается пылефильтр из тонкой ткани. За пылефильтром находится мешок – пылесборник 13.
К трем кронштейнам, приваренным к верхнему полукорпусу крепится воздуховсасывающий агрегат пылесоса.
В верхнем полукорпусе имеется нагнетающее отверстие, в которое устанавливается резьбовая втулка, закрепленная замочным кольцом через прокладку. Во втулку ввертывается воздухонаправляющий колпачок 6 с сеткой для выхода воздуха.
Рисунок 3.10 – Электропылесос вихревого типа
Снаружи на верхний полукорпус закрепляются выключатель 7 с клавишей 8, индикатор запыленности 9 и ручка пылесоса.
Вентилятор 10 агрегата состоит из двух подвижных крыльчаток и электродвигателя.
Конденсаторный блок 12 крепится к корпусу электродвигателя. Конденсаторный блок состоит из трех конденсаторов постоянной емкости. Конденсаторы предназначены для исключения радио- и телепомех, возникающих при работе электродвигателя.
3.3.3. Электрополотеры
Электрополотеры предназначены для натирания полов в квартирах и других небольших помещениях. Их выпускают без отсоса пыли (типа ЭП) и с отсосом пыли (ЭПО). Различают однощеточные (ЭП-1), двухщеточные (ЭП-2, ЭПО-2) и трехщеточные (ЭП-3, ЭПО-3) модели. В зависимости от количества щеток, используемых для натирки полов, и их ширины захвата производительность полотеров колеблется от 28 до 80 м/ч, а потребляемая мощность – от 220 до 450 Вт. Средняя наработка на отказ должна быть не менее 300 ч., а средний срок службы – 6 лет.
Конструкция полотеров повышенной комфортности типа ЭПО должна предусматривать не менее трех из указанных ниже приспособлений: устройства для нанесения мастики, автоматической намотки шнура, хранения щеток и других принадлежностей, сменные бумажные фильтры грубой очистки разового заполнения, полировальные шайбы, натирочные щетки со свободной ориентацией в щеткодержателе.
Для привода рабочих органов электрополотера (щеток) применяют коллекторные электродвигатели. Щёткодержатели приводятся в движение с помощью ременного привода, снижающего частоту вращения вала электродвигателя. Управляется электрополотер рычагом управления.
Самое широкое распространение получили электрополотеры модели ЭП-ЗМ (рис. 3.11). Корпус полотера 1 изготавливается из легкого сплава. К нему крепятся винтами полистироловые заборник 2 и поддон, а также три оси 3. Вокруг осей на шарикоподшипниках вращаются щеткодержатели 4, в которые вставляются щетки.
Винтами к корпусу присоединяется электродвигатель 5 (типа КВЛ250-220 или ЭД-9-7). Вал электродвигателя передает вращение от ведущего бочкообразного рифленого шкива 6 через приводной ремень 7 щеткодержателю 4. Одновременно приводится в действие вентиляторное устройство 10, рабочее колесо 8 которого крепится на валу электродвигателя и имеет лопатки с обеих сторон диска. Всасывающий 2 и нагнетательный 9 каналы расположены в корпусных деталях.
Верхняя сторона крыльчатки 10 служит для создания потока воздуха, охлаждающего электродвигатель. Воздух засасывается через щели кожуха; он обтекает электродвигатель сверху вниз, охлаждает обмотки и попадает во всасывающую часть верхней стороны крыльчатки, затем отбрасывается по межлопаточным каналам к периферии крыльчатки, откуда через пылесборник 11 и отверстие в переходнике 9 проходит в атмосферу.
Пылевоздушный поток засасывается нижней стороной крыльчатки через отверстие в заборнике 2, отбрасывается по межлопаточным каналам к периферии крыльчатки и, соединяясь с первым воздушным потоком, через отверстие в переходнике поступает в пылесборник, где накапливается пыль, а очищенный от нее воздух выходит в атмосферу. Расход пылевоздушной смеси несколько больше, чем расход охлаждающего электродвигатель воздуха, так как нижние лопатки крыльчатки на 1 мм шире верхних.
Рисунок 3.11 – Электрополотер модели ЭП-ЗМ
В электрополотере ЭПО-ЗМ применен встроенный в узел поворота штанги управления микровыключатель, включающий электродвигатель при отклонении штанги и выключающий его при возвращении штанги в вертикальное положение.
3.4. Двигатели электропылесосов
В пылесосах применяются коллекторные двигатели мощностью от 40 до 800 Вт и частотой вращения 14000 – 25000 об/мин.
В коллекторных электродвигателях переменного тока независимого возбуждения обмотка возбуждения ОВ и обмотка якоря Я подключены параллельно источнику питания. Если пренебречь потерями на гистерезис и вихревые токи, можно считать, что магнитный поток возбуждения совпадает по фазе (во времени) с током возбуждения Iв (рис. 3.12 а). Обмотка якоря имеет значительно меньшее индуктивное сопротивление, чем обмотка возбуждения. Вследствие этого ток Iя, протекающий в ней, опережает по фазе ток возбуждения Iв, а следовательно, и магнитный поток Ф. Вращающий момент М, развиваемый электродвигателем, зависит от произведения магнитного потока на ток обмотки якоря.
Произведя графическое умножение тока обмотки якоря и магнитного потока Ф, получим график зависимости электромагнитного момента М, развиваемого электродвигателем от времени. В моменты времени t1 и t2, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря совпадают по фазе (имеют одинаковое направление), электродвигатель развивает положительный вращающий момент. В моменты времени, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря не совпадают по фазе (имеют противоположное направление), двигатель развивает отрицательный вращающий момент, который является тормозным. Результирующий вращающий момент будет равен некоторой средней величине Mср.
В коллекторных электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения ОВ и обмотка якоря включены последовательно. Если пренебречь потерями на гистерезис и вихревые токи, то магнитный поток возбуждения совпадает по фазе с током возбуждения Iв (рис. 3.12 б).
Рисунок 3.12 – Графики зависимости потока, вращающего момента и тока якоря двигателей независимого (а) и последовательного (б) возбуждения от t.
Вследствие того, что обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения, ток, протекающий в ней, совпадает по фазе с током, протекающим в обмотке возбуждения, а, следовательно, и с магнитным потоком Ф. Вращающий момент, развиваемый электродвигателем, в любой момент времени будет положительным. Поэтому средний вращающий момент Мср, развиваемый электродвигателем при последовательном возбуждении, будет выше, чем при независимом возбуждении. Вследствие этого электродвигатели переменного тока с последовательным возбуждением наиболее распространены. Электрическая схема пылесоса показана на рис. 3.13.
Рисунок 3.13 – Электрическая схема электропылесоса «Чайка-10»: L1, L2 – обмотки возбуждения, М – электродвигатель, C1, C2 – конденсаторы емкостью 0,0047 мкФ, С3 – конденсатор емкостью 0,47 мкФ, S – выключатель, K1, K2 – скользящие контакты, ХР – вилка штепсельная.
3.5. Фильтры радиопомех
Уровень радиопомех, создаваемых коллекторными электродвигателями бытовых приборов, обычно превышает допустимый.
Источник радиопомех может быть представлен в виде генератора высокой частоты с электродвижущей силой Е, имеющего внутреннее сопротивление Zi и нагруженного эквивалентным высокочастотным сопротивлением питающей сети ZH (рис. 3.14 а).
Рисунок 3.14 – Схема включения источника радиопомех: а – без помехоподавляющих устройств; б – с параллельно включенным конденсатором; в – с последовательно включенным дросселем.
Для снижения напряжения радиопомех применяют специальные помехоподавляющие устройства (фильтры), которые могут быть подразделены на следующие группы:
1. Емкостные фильтры, представляющие собой один конденсатор или комбинацию нескольких конденсаторов (рис. 3.15 а).
2. Индуктивные фильтры, представляющие собой один дроссель или комбинацию нескольких дросселей (рис. 3.15 б).
3. Индуктивно-емкостные фильтры, представляющие собой комбинацию из дросселей и конденсаторов (рис. 3.15 в, г).
4. Комбинированные фильтры, представляющие собой комбинацию из первых трех групп фильтров (рис. 3.15 д, е).
Рисунок 3.15 – Типовая схема помехоподавляющего фильтра: а – емкостного; б – индуктивного; в – Г-образного с индуктивным входом; г – Г-образного с емкостным входом; д – П-образного с емкостным входом; е – Т-образного с индуктивным входом.
3.6. Регулирование частоты вращения коллекторного электродвигателя
Для регулирования частоты вращения и обеспечения оптимальных режимов работы коллекторного электродвигателя используется симисторный регулятор (рис. 3.16).
Питающее напряжение переменного тока подается через симистор V1. Одновременно это же напряжение выпрямляется диодным мостом V и стабилизируется резистором R1 и стабилитроном V2. От этого стабилизированного напряжения через резистор R2 заряжается конденсатор С. Когда напряжение на конденсаторе достигнет V4, по управляющему электроду тиристора V3 потечет ток, и он, открывшись, создаст цепь разряда конденсатора С на первичную обмотку трансформатора Т. Этот импульс со вторичной обмотки трансформатора поступает на управляющий электрод симистора V1 и открывает его в том направлении, в каком приложено к нему питающее напряжение.
Рисунок 3.16 – Схема регулирования частоты вращения коллекторного двигателя
Схема управления представлена на рис. 3.17
Рисунок 3.17 – Механические характеристики коллекторного электродвигателя
Схема управления работает и формирует управляющий сигнал в течение каждого полупериода питающего напряжения. Фаза управляющего импульса зависит от времени заряда конденсатора, напряжения пробоя стабилитрона V4, от сопротивления регулировочного резистора R2. С помощью сопротивления резистора R2 можно изменять время заряда конденсатора и соответственно угол отпирания симистора, а, следовательно, в широких пределах регулировать напряжение электродвигателя исполнительного механизма, т. е. частоту вращения электродвигателя в соответствии с механическими характеристиками, показанными на рис. 3.17.
3.7. Принципы выбора пылесоса
Приведем ключевые моменты, на которые имеет смысл обратить внимание при выборе пылесоса.
Тип уборки: сухая или влажная, комбинированная (многофункциональный моющий пылесос).
Тип пылесоса: обычные (баллонные), вертикальные, встроенные и пылесосы – роботы.
Количество и тип фильтров: бумажные, тканевые, угольные, водяные, синтетические.
Мощность, Вт: максимальное количество потребляемой энергии. Можно считать, что чем мощнее пылесос, тем лучше он собирает пыль. Почти у всех пылесосов имеется переключатель мощности, который позволяет выбрать оптимальный режим работы пылесоса в зависимости от степени загрязнения поверхности и от материала покрытия.
Труба всасывания: стальная, пластиковая и т. д.
Пылесборник: Сменный бумажный, постоянный матерчатый, постоянный пластиковый.
Насадки: Обратить внимание на количество дополнительных насадок, входящих в комплект пылесоса.
Кроме того, следует обратить внимание на габариты и вес пылесоса.