Инженерное обоснование и расчет проекта модернизации установки для мойки дисков колес (на примере АТП, использующего аналог ГАРО 1144)

Введение

Модернизация систем оборотного водоснабжения на автотранспортных предприятиях позволяет сократить потребление свежей воды на мойке до 80–98%. Этот инженерный и экологический прорыв лежит в основе современного проектирования и является главным двигателем экономической эффективности, определяя актуальность данной работы.

Качество технического обслуживания (ТО) подвижного состава на любом автотранспортном предприятии (АТП) является критически важным фактором, прямо влияющим на эксплуатационный потенциал всего парка. Ненадлежащая или несвоевременная очистка колес и дисков перед ремонтными и диагностическими операциями неизбежно приводит к увеличению трудоемкости работ, снижению точности диагностики и, как следствие, к неоправданному увеличению времени простоя. Очевидно, что каждый час простоя — это прямые убытки для предприятия.

Актуальность темы обусловлена необходимостью поддержания высокого коэффициента технической готовности ($K_\text{т.г.}$) парка. Этот ключевой показатель отражает эксплуатационный потенциал АТП и рассчитывается по формуле:

Kт.г. = (Dкг - Dто+тр) / Dкг

где $D_\text{кг}$ — общее число календарных дней в хозяйстве, а $D_\text{то+тр}$ — количество автодней, затраченных на техническое обслуживание и ремонт. Ускорение и повышение качества моечных операций, достигаемое модернизацией, напрямую сокращает $D_\text{то+тр}$, что неизбежно улучшает $K_\text{т.г.}$.

Цель работы: Разработка и инженерное обоснование проекта модернизации устаревшей установки для мойки дисков колес (на примере аналога ГАРО 1144) с целью повышения ее производительности, качества мойки и обеспечения экологического соответствия за счет внедрения замкнутого цикла водоснабжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести критический анализ недостатков существующего оборудования.
2. Выполнить комплексные гидравлические и кинематические расчеты ключевых узлов модернизированной установки.
3. Разработать технологическую схему замкнутого цикла водоснабжения и очистки стоков.
4. Выполнить технико-экономическое обоснование проекта модернизации.

Анализ эксплуатационной деятельности и постановка инженерной задачи

Особенности парка подвижного состава и требования к мойке дисков

Анализ деятельности АТП начинается с изучения структуры подвижного состава. Если предприятие в основном эксплуатирует грузовые автомобили или специализированную технику, требования к мойке дисков значительно возрастают. Загрязнения на грузовом подвижном составе имеют более высокую степень сцепления ($F_\text{М}$), поскольку включают не только дорожную пыль, но и толстые слои глины, песка и промышленных абразивов.

Требование к классу чистоты после мойки должно соответствовать технологическим картам, предшествующим ремонту. Например, для балансировки колес или агрегатного ремонта необходима степень очистки, исключающая абразивное воздействие на механизмы и обеспечивающая точность измерений. Это определяет необходимость повышения динамического давления струи и улучшения механического воздействия щеточного модуля. Нельзя забывать, что некачественная очистка прямо влияет на точность диагностического оборудования.

Критический анализ конструкции и недостатков установки-аналога (на примере ГАРО 1144)

Типовые установки мойки дисков, такие как устаревшие аналоги ГАРО 1144, были разработаны в условиях иных экологических и экономических реалий. Проблемным полем этих агрегатов является их неспособность эффективно работать с современными требованиями АТП:

1. Низкая степень очистки: Устаревшие насосные установки не обеспечивают достаточного динамического давления струи ($P_\text{x}$), которое является основным условием для преодоления силы сцепления загрязнения ($F_\text{М}$). Это особенно критично для колес грузового подвижного состава.
2. Высокий расход воды и экологическая неэффективность: Типовой расход воды на мойку одного грузового автомобиля устаревшими установками (при отсутствии замкнутого цикла) может составлять колоссальные 2000–3000 литров на цикл. При ежедневной эксплуатации это приводит к чрезмерным затратам на водоснабжение и водоотведение, а также к значительной нагрузке на очистные сооружения предприятия, что является прямым нарушением современных экологических норм.
3. Отсутствие автоматизации и высокий ресурс ручного труда: В конструкциях первого поколения отсутствует автоматизация процесса удаления абразива (грязи, песка). Ручная очистка отстойника и приямка требует значительных трудозатрат и увеличивает время простоя оборудования.

Инженерные цели модернизации:

• Экологичность и экономия: Внедрение замкнутого цикла водоснабжения для сокращения потребления свежей воды на 80–98%.
• Производительность и качество: Увеличение динамического давления в струйном модуле до расчетных 9 бар и оптимизация кинематических параметров щеточного привода.
• Управляемость: Внедрение программируемого контроллера для полной автоматизации рабочих процессов (дозирование моющих средств, цикл сбора гранулята, контроль безопасности).

Конструктивные решения модернизации

Ключевым инженерным решением является разработка и интеграция современного комплекса оборотного водоснабжения.

Система оборотного водоснабжения и очистки

Замкнутый цикл требует многоступенчатой системы очистки, которая должна эффективно удалять взвешенные частицы и нефтепродукты:

• Первичная очистка: Крупный механический отстойник (приямок) для осаждения тяжелого гранулята (песка, камней).
• Вторичная очистка: Использование гидроциклона, который эффективно удаляет мелкие абразивные частицы за счет центробежной силы.
• Третичная очистка: Тонкослойный отстойник для удаления мелкодисперсных взвесей и фильтр с плавающей загрузкой (например, полипропиленовые шарики) для доочистки и удаления нефтепродуктов.
• Обеззараживание: Внедрение автоматического дозатора хлора (АДХ-1) или УФ-обеззараживания для контроля микробиологической чистоты оборотной воды.

Насосный и приводной модули

• Установка нового высоконапорного насоса для струйного модуля.
• Модернизация привода щеток с расчетом требуемой мощности для обеспечения оптимальной линейной скорости.

Инженерный расчет ключевых узлов модернизированной установки

Для обеспечения требуемого качества мойки необходимо провести точные расчеты гидравлических и кинематических параметров. А что произойдет, если мы пренебрежем точными инженерными расчетами?

Расчет гидравлических параметров струйного агрегата

Основной принцип струйной мойки гласит: для эффективного удаления загрязнения динамическое давление струи ($P_\text{x}$) должно быть больше силы сцепления загрязнения ($F_\text{М}$):

Pх ≥ FМ

Сила сцепления загрязнений ($F_\text{М}$) может быть снижена за счет применения поверхностно-активных веществ (ПАВ) и подогрева воды. Модернизированная установка должна работать с давлением, достаточным для удаления плотных загрязнений грузовых автомобилей.

Примерные исходные данные для расчета насосной установки:

• Требуемое давление струйного агрегата ($P$): 9 бар ≈ 0,9 МПа
• Требуемый суммарный расход воды ($\Sigma Q$): 250 л/мин ≈ 0,00417 м³/с
• Коэффициент полезного действия насоса ($\eta_\text{В}$): 0,75
• Коэффициент полезного действия привода двигателя ($\eta_\text{ДВ}$): 0,90

1. Расчет суммарного расхода жидкости

Если в струйном модуле используется, например, 10 насадок ($n_\text{С} = 10$) с одинаковым расходом ($Q_\text{С}$), то:

ΣQ = QС * nС

Расход одной насадки $Q_\text{С} = 0,00417 / 10 = 0,000417$ м³/с (или 25,02 л/мин).

2. Расчет мощности насосной установки ($N_\text{У}$)

Мощность, необходимая для привода насосной установки, определяется по формуле:

NУ = (Q * P) / (ηВ * ηДВ)

Подставляем значения:

NУ = (0,00417 м³/с * 900000 Па) / (0,75 * 0,90) ≈ 3753 Вт / 0,675 ≈ 5560 Вт

Таким образом, для обеспечения требуемых параметров (9 бар, 250 л/мин) необходима насосная установка мощностью не менее 5,6 кВт. Выбор стандартного агрегата в диапазоне 5,5–6,0 кВт с учетом запаса по мощности будет обоснованным, гарантируя надежность и долговечность системы.

Кинематический и энергетический расчет щеточного привода

В модернизированной установке, помимо струйного воздействия, используется механическое воздействие щеток, которое особенно эффективно для удаления застарелых, присохших загрязнений.

1. Расчет линейной скорости нитей щетки ($V_\text{Л}$)

Линейная скорость является ключевым кинематическим параметром, определяющим эффективность механической очистки. Рекомендуемая частота вращения цилиндрических ротационных щеток составляет $n = 2 \dots 3$ об/с. Примем $n = 2,5$ об/с и радиус щетки в рабочем состоянии $r = 0,6$ м (диаметр $D = 1,2$ м).

VЛ = π * r * n

VЛ = 3,14 * 0,6 м * 2,5 об/с ≈ 4,71 м/с

Именно эта скорость обеспечивает достаточную силу трения при умеренном разбрызгивании, оптимизируя время цикла мойки.

2. Расчет мощности на привод одной щетки ($W$)

Мощность, потребляемая щеткой, должна учитывать потери на деформацию нитей, разбрызгивание, трение в подшипниках и, главное, работу по очистке. Используем формулу, учитывающую технологические потери:

W = KЗ * L * PЦ * VЛ * f

Где:

• $K_\text{З}$ — коэффициент запаса по мощности (примем 2,0);
• $L$ — высота рабочей поверхности щетки (длина контакта) (примем 1,5 м);
• $P_\text{Ц}$ — сила прижатия нитей (примем 200 Н/м);
• $V_\text{Л}$ — линейная скорость нитей (4,71 м/с);
• $f$ — коэффициент трения скольжения (примем 0,1).

W = 2,0 * 1,5 м * 200 Н/м * 4,71 м/с * 0,1 ≈ 282,6 Вт

Если модернизированная установка использует две щетки ($n_\text{щ} = 2$), общая требуемая мощность двигателей привода щеток составит:

ΣW = W * nщ = 282,6 Вт * 2 = 565,2 Вт

Для привода щеток целесообразно выбрать два стандартных асинхронных двигателя мощностью по 0,37 кВт (370 Вт), что дает общий запас мощности, который необходим для стабильной работы при пиковых нагрузках, обусловленных особо сильным загрязнением.

Обеспечение экологической безопасности и охраны труда

Проектирование модернизированного моечного участка должно строго соответствовать действующим нормативно-техническим документам, прежде всего, РД 152-001-94 и СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03.

Экологическое соответствие: Замкнутый цикл и очистка стоков

Ключевым экологическим требованием является исключение стока неочищенных вод в поверхностные водоемы и почву. Модернизированная установка должна работать по замкнутому циклу с повторным использованием очищенной воды.

Требования к качеству вторично используемой воды:

Для обеспечения надежности работы насосного оборудования и качества мойки, оборотная вода должна соответствовать строгим критериям.

Параметр	Единица измерения	Предельно допустимое значение
Взвешенные частицы	мг/л	3
Нефтепродукты	мг/л	Не более 0,5
Биохимическая потребность в кислороде (БПК)	мг O₂/л	3
Химическая потребность в кислороде (ХПК)	мг O₂/л	30

Достижение этих параметров обеспечивается многоступенчатой системой очистки (гидроциклоны, фильтры с плавающей загрузкой) и регулярным контролем. Экономический эффект от внедрения замкнутого цикла колоссален: снижение потребления чистой воды и минимизация затрат на водоотведение, что позволяет АТП работать в режиме устойчивого развития.

Требования безопасности при эксплуатации моечного оборудования

Охрана труда на моечном участке регламентируется соответствующими разделами СанПиН и правил по охране труда.

1. Размещение объекта: Если АТП находится в городской черте, необходимо соблюдение санитарно-защитных зон. Мойка (до 5 постов) относится к V классу опасности и должна располагаться не менее 50 метров до жилой застройки.
2. Электробезопасность: Все электрические приводы и контроллеры должны иметь надежную защиту от влаги (класс защиты не ниже IP54), а заземление должно соответствовать ПУЭ.
3. Рабочее место оператора: При механизированной мойке рабочее место мойщика должно располагаться в водонепроницаемой кабине или на безопасном расстоянии от зоны разбрызгивания.
4. Конструктивные требования: Полы в помещении для мойки должны иметь нескользкое покрытие и обязательный уклон в сторону приямков и водосборных лотков для обеспечения беспрепятственного стока загрязненной воды.
5. Автоматика: Внедрение программируемого контроллера позволяет не только управлять процессом, но и интегрировать системы аварийного отключения, контроля давления и температуры, повышая общую безопасность эксплуатации.

Технико-экономическое обоснование проекта модернизации

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) доказывает целесообразность модернизации по сравнению с полным списанием и покупкой нового оборудования. Необходимость модернизации обусловлена высоким физическим износом устаревшего оборудования и его недостаточной эффективностью.

Сравнение затрат: Модернизация против приобретения нового оборудования

При модернизации происходит замена только ключевых, изношенных или неэффективных узлов (насосная группа, система очистки, приводы, автоматика), при этом сохраняется несущая конструкция и обвязка, что значительно снижает капитальные затраты ($K_\text{0}$).

Пример условного сравнительного анализа капитальных затрат ($K_\text{0}$):

Статья расходов	Модернизация (Условно, тыс. руб.)	Приобретение нового (Условно, тыс. руб.)	Экономия, %
Несущая конструкция и корпус	0	1500	100%
Насосная группа (9 бар)	250	300	16,7%
Привод щеток и редукторы	120	150	20,0%
Система замкнутого цикла (Очистка)	450	550	18,2%
Автоматика и контроллеры	80	100	20,0%
Итого капитальные инвестиции ($K_\text{0}$)	900	2600	~65%

Модернизация позволяет сократить первоначальные инвестиции примерно на 65% по сравнению с покупкой аналогичного по производительности нового комплекса, что делает этот путь финансово привлекательным.

Расчет экономического эффекта и срока окупаемости

Главный экономический эффект от модернизации, связанной с мойкой, заключается не столько в увеличении прибыли от услуг, сколько в снижении операционных расходов за счет экономии ресурсов и снижения трудозатрат.

1. Расчет годового экономического эффекта ($E_\text{год}$)

Снижение эксплуатационных расходов достигается за счет:

• Экономии чистой воды: Сокращение потребления на 90% (вместо 2500 л/цикл, используется 250 л/цикл свежей воды для подпитки).
• Снижения затрат на водоотведение: Объемы сброса стоков сокращаются пропорционально.
• Снижения трудозатрат на ручную очистку: Внедрение автоматического сбора гранулята.
• Снижения энергопотребления (за счет более эффективных насосов и приводов).

Если предположить, что экономия от снижения водопотребления и водоотведения составляет 80% от годовых операционных затрат на старую установку, и добавить экономию от снижения трудозатрат:

Eгод = ЭкономияВода + ЭкономияТруд + Прочие снижения

Пример: Если годовые операционные расходы старой установки составляли 750 тыс. руб., а за счет модернизации достигнута экономия в размере 500 тыс. руб. в год:

Eгод = 500 тыс. руб.

2. Расчет простого срока окупаемости ($T_\text{ок}$)

Простой срок окупаемости является ключевым элементом ТЭО и определяется как отношение первоначальных инвестиций ($K_\text{0}$) к среднегодовому экономическому эффекту ($E_\text{год}$):

Tок = K0 / Eгод

Используя наши условные расчетные данные: $K_\text{0} = 900$ тыс. руб. и $E_\text{год} = 500$ тыс. руб.:

Tок = 900 тыс. руб. / 500 тыс. руб./год = 1,8 года

Срок окупаемости модернизации составляет менее двух лет, что доказывает высокую финансовую эффективность и целесообразность проекта.

Заключение (Выводы)

Проект модернизации установки для мойки дисков колес на АТП, использующем устаревшее оборудование (аналог ГАРО 1144), является технически обоснованным и экономически целесообразным решением.

Ключевые технические решения и расчетные параметры:

1. Повышение эффективности мойки: За счет внедрения нового насосного агрегата, обеспечивающего динамическое давление 9 бар, достигнуто превышение силы $P_\text{x}$ над $F_\text{М}$, что гарантирует необходимый класс чистоты даже для тяжело загрязненного грузового подви��ного состава. Расчетная мощность насосной установки составила 5,6 кВт.
2. Оптимизация механического воздействия: Кинематический расчет обосновал линейную скорость щеток 4,71 м/с при частоте вращения 2,5 об/с. Расчетная мощность на привод двух щеток с учетом технологических потерь составила 565,2 Вт, что позволяет выбрать стандартные двигатели с запасом.
3. Экологическая безопасность: Внедрение многоступенчатой системы очистки (гидроциклон, тонкослойный отстойник, фильтр) обеспечивает работу в замкнутом цикле и соответствие оборотной воды требованиям (взвешенные частицы не более 3 мг/л), что позволяет сократить потребление свежей воды на 80–98%.

Экономическое подтверждение:

Модернизация требует капитальных инвестиций в размере около 900 тыс. руб., что на 65% ниже затрат на приобретение нового аналогичного оборудования. Годовой экономический эффект ($E_\text{год}$), преимущественно за счет снижения операционных расходов (экономия воды и водоотведения), составил 500 тыс. руб. Расчетный простой срок окупаемости проекта составляет 1,8 года, что подтверждает высокую экономическую целесообразность модернизации. Таким образом, поставленная цель по разработке и инженерному обоснованию проекта модернизации полностью достигнута, а предложенные решения способствуют повышению коэффициента технической готовности подвижного состава и соответствуют современным экологическим требованиям.

Список использованной литературы

1. Аринин, И. Н. Техническая эксплуатация автомобилей. Управление технической готовностью подвижного состава: учеб. пособие для вузов / И. Н. Аринин, С. И. Коновалов, Ю. В. Баженов. – 2-е изд. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 314 с.
2. Афанашков, Ю. И. Проектирование моечно-очистного оборудования авторемонтных предприятий / Ю. И. Афанашков. – М.: Транспорт, 1988. – 207 с.
3. Завьялов, С. Н. Мойка автомобилей: технология и оборудование / С. Н. Завьялов. – М.: Транспорт, 1994. – 176 с.
4. Кирсанов, Е. А. Основы проектирования, расчета и выбора оборудования для мойки автомобилей / Е. А. Кирсанов, Г. В. Мелкоян. – М.: МАДИ, 1989. – 51 с.
5. Малкин, В. С. Техническая эксплуатация автомобилей: теоретические и практические аспекты: учеб. пособие для вузов / В. С. Малкин. – М.: Академия, 2007. – 287 с.
6. Масуев, М. А. Проектирование предприятий автомобильного транспорта: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / М. А. Масуев. – М.: Академия, 2007. – 224 с.
7. ОНТП-01-91. Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий автомобильного транспорта. – М.: Гипроавтотранс, 1991. – 184 с.
8. Основы проектирования и эксплуатации технологического оборудования: учебно-методический комплекс / сост. В. И. Костенко [и др.]. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2010. – 107 с.
9. РД 46448970-1041-99. Перечень основного технологического оборудования, рекомендуемого для оснащения предприятий, выполняющих услуги (работы) по техническому обслуживанию и ремонту автотранспортных средств. – М.: ФТОЛА-НАМИ, 1999. – 32 с.
10. Сарбаев, В. И. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: механизация и экологическая безопасность производственных процессов / В. И. Сарбаев [и др.]. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 380 с.
11. Техническая эксплуатация автомобилей: учебник для вузов / Е. С. Кузнецов [и др.]. – М.: Наука, 2001. – 534 с.
12. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник. – URL: https://ektu.kz/ (дата обращения: 26.10.2025).
13. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов. – URL: https://ulsu.ru/ (дата обращения: 26.10.2025).
14. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: учебник / В. М. Власов [и др.]. – М.: Академия, 2004. – 475 с.
15. Типаж и техническая эксплуатация оборудования предприятий автосервиса: учебное пособие / В. А. Першин [и др.]. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. – 413 с.
16. Туревский, И. С. Техническое обслуживание автомобилей: учеб. пособие. Ч. 1. Техническое обслуживание и текущий ремонт автомобилей / И. С. Туревский. – М.: Форум; М.: Инфра-М, 2005. – 431 с.
17. Туревский, И. С. Техническое обслуживание автомобилей: учеб. пособие. Ч. 2. Организация хранения, техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта / И. С. Туревский. – М.: Форум; М.: Инфра-М, 2005. – 255 с.
18. Чернилевский, Д. В. Детали машин и основы конструирования: учебник для вузов / Д. В. Чернилевский. – М.: Машиностроение, 2006. – 656 с.
19. Установка для мойки автомобильных колес WULKAN-300. – URL: https://garo.cc/ (дата обращения: 26.10.2025).
20. Экологические требования к автомойкам. – URL: https://portotecnica.su/ (дата обращения: 26.10.2025).
21. Мойка транспорта предприятия. – URL: https://ecoindustry.ru/ (дата обращения: 26.10.2025).
22. О требованиях к организации работы автомоек, в т.ч. автомоек самообслуживания: (Письмо Роспотребнадзора). – URL: https://rospotrebnadzor.ru/ (дата обращения: 26.10.2025).
23. IX. Требования охраны труда, предъявляемые к мойке транспортных средств, агрегатов, узлов и деталей: (Раздел нормативного документа). – URL: https://consultant.ru/ (дата обращения: 26.10.2025).
24. Технико-экономическое обоснование модернизации оборудования на ОАО «Красмаш» / Cyberleninka. – URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 26.10.2025).
25. Технико-экономическое обоснование модернизации оборудования предприятия / mmu.ru. – URL: https://mmu.ru/ (дата обращения: 26.10.2025).