Монстросос

Или рассказ про то, как сделать своими руками пылесос, пригодный для уборки в цехе.

 

Итак, проблема — имеется цех условно, но не физически разделенный на зоны — слесарка, столярка, покраска, резка металла и т.д. В итоге по всему цеху летает пыль, все завалено стружкой. Шершавый бетонный пол не позволяет даже смести мусор полностью. Пыль же, в свою очередь помимо оседания в легких заметно осложняет работу, чистые поверхности в считанные часы покрываются заметным слоем пыли. Работа с источниками пыли результата не дала, слишком их много, да и не остановишь же завод соседей за забором?

Решение довольно простое — использовать пылесос для регулярной уборки. Но вот какой пылесос выдержит такую работу? Изучение предложения повергает в уныние — промышленные пылесосы мало того что дорогие (с этим можно смириться, все таки разовая трата), расходники к ним тоже дорогие. Представив в какую сумму выйдет покупать по упаковке мешков в неделю было решено изобрести велосипед свой пылесос с блекджеком и прибамбасами.

Немножечко теории

Любой проект начинается со штудирования и анализа того, что уже есть и изобретено до нас. Это помогло мне яснее понять что я хочу.

Итак, любой бытовой пылесос чаще всего состоит из следующих узлов, в порядке следования воздуха:

Щетка -> Шланг -> Основной фильтр -> Моторный фильтр -> Мотор -> HEPA фильтр.

Щетка

Ее задача распределить входной порт пылесоса в узкую длинную щель, что бы за один проход очищать большее количество поверхности. Или наоборот превратить его в длинный узкий носик для труднодоступных мест. Иногда щетка может содержать дополнительную щётку (каламбур), приводимую в движение потоком воздуха или отдельным электродвигателем. Такая дополнительная щетка хорошо вытаскивает пылинки из ворса.

Щётку придется делать самому — из-за шершавого бетонного пола пластиковые будут истираться очень быстро. Дополнительную приводимую в движение мотором ворсовую насадку тоже придется делать — пыль в покрасочной просто потоком воздуха не поднимается, нужно дополнительно ее пошевелить. Но первое время можно обходиться стандартными бытовыми.

 

Шланг

Шланг для пылесоса всегда имеет или структуру гофры (сильфона) или встроенную жесткую пружинку, иначе такой шланг сплющит атмосферным давлением. Особое внимание стоит уделить местам подключения шланга к насадкам, там образуются трещины и начинается подсос воздуха. Буду использовать шланги от бытовых пылесосов просто потому что они есть. В продаже есть специализированные шланги для насосов (всасывающих, а не напорных), но они довольно плотные и тяжелые, работать с ними не так комфортно, но зато выдерживают большее разрежение.

 

Основной фильтр

Задерживает львиную долю пыли, обычно все что крупнее десятка микрон. Именно на него ляжет большая нагрузка по объему, поэтому его вместимость должна составлять десятки литров. У бытовых пылесосов вместимость мизерная. Варианты:

Аквафильтр (сюда же можно отнести мокрые скрубберы) — поток воздуха пробулькивается через воду / орошается аэрозолью. Частички пыли смачиваются и остаются в воде. Для меня не подходит — расход воды будет большой, воду не сольют — зацветет, а зимой замерзнет. Хотя принцип интересен тем что задерживает даже очень мелкие частицы.

Мешок — очень популярный способ, мешки бывают бумажные, нетканные (часто именуемые тряпичными), одноразовые, многоразовые…. Вариант популярен в бытовых пылесосах так как мешок можно сделать любого размера без каких либо расчетов. Мешок гарантированно задержит частицы крупнее размера пор материала мешка. Ну и в конце концов сверхприбыль от продажи чернил для принтера не дает спокойно спать — на продажах фирменных мешков можно неплохо заработать. Вариант с мешком отметаем — слишком много их понадобится. (цена примерно 100р/мешок.)

Циклонный фильтр — (правда не у всех пылесосов именно классический циклонный фильтр) — отделяет пыль и мусор из воздуха  основываясь на том факте, что частички пыли имеют массу отличную от воздуха, и не могут резко поменять направление движения месте с потоком воздуха.

 

Что стоит еще отметить про циклоны:

• Эффективность циклона напрямую влияет на перепад давления на нем (сопротивление которое он оказывает потоку воздуха). Чем выше мы делаем эффективность, тем мощнее нам мужен мотор, так как больше становится перепад.
• Для стабильной работы циклона нужна заданная скорость потока. Поэтому регулятор мощности на пылесосах без мешка для сбора пыли — глупость. Уменьшаем скорость — эффективность резко падает.
• Чем крупнее частица — тем эффективнее она задерживается. Поэтому циклон отлично ловит болты, гайки и стружку, и пропускает очень тонкую (и вредную!) пыль.
• Чем меньше диаметр циклона, тем большая сила воздействует на частицы пыли и тем эффективнее он работает. Но малый диаметр ограничивает пропускную способность, поэтому в высокопроизводительных системах часто вместо одного циклона делают батарею маленьких. Пример — пылесосы Dyson, именно поэтому в них там много маленьких циклончиков.

Моторный фильтр

Ставится перед мотором и его задача защитить мотор на случай, если порвется мешок/ затянет стружку и т.д. Обычно этот фильтр довольно грубый. Если в крыльчатку мотора попадет инородное тело — крыльчатку поломает и мотору придет конец. В моем случае моторный фильтр и основной фильтр частично комбинированны. Я решил использовать в качестве фильтров воздушные фильтры от Газели. Они недорогие (примерно 250 руб), есть везде, будут в производстве еще долго. Фильтр будет задерживать всё, что пролетело через циклон. При этом конструкция фильтра позволяет его чистить продляя ему ресурс — достаточно обмести щеткой и продуть сжатым воздухом на улице. На фото фильтр от Газели, фильтр от Москвича (был резервным вариантом) и коробки с моторами:

Мотор

С моторами отдельная песня. Самый простой и надежный электромотор — это асинхронная машина. Если не допускать перегрева и вовремя менять подшипники — он вечный. Но габарит, вес и стоимость достаточно мощного двигателя становится внушительной. Такие ставятся на стружкоотсосы, и составляют большую часть их стоимости, и я не готов отдать более 20 тыс руб только за электромотор с крыльчаткой. Требования получить большую мощность всасывания, производительность, низкую металлоемкость привели к повальному использованию в пылесосах универсальных коллекторных электродвигателей. Реально эта маленькая козявка дает высокие обороты (напомню что асинхронный двигатель включенный в сеть 50 Гц даст не более 3000 об/мин), что позволяет делать турбину компактной. Охлаждается воздухом который сосет что позволяет увеличить плотность тока. Поэтому выхлоп пылесоса всегда теплый — результат работы компактного высоконагруженного двигателя.

Для меня же это означало поход в магазин (Рекомендую) и покупку двух моторов для пылесосов по 1600 р/штука. Дешевле наверное не найти, причем моторы всегда в наличии и по сути становятся расходным материалом — сдох — заменил и снова в бой.

HEPA фильтр

Финальный фильтр на выходе, дорогой и эффективный против самой мелкой пыли. Его задача ловить пылинки которые проскочили через все предыдущие фильтры. При этом важно понимать что хоть HEPA фильтр и похож на обычные фильтры, использовать его для ловли крупных пылевых частиц экономически не выгодно — его быстро забьет. У бытовых пылесосов HEPA фильтр по ресурсу переживет сотни мешков для сбора пыли (при условии что мешки без дыр). Я предусмотрел в моем пылесосе возможность использовать HEPA фильтры (достаточно заглушить отверстие и заменить крышку с вент. решеткой на держатель фильтров), но прикинул, что в цехе так пыльно что смысла пока нет. А вот в домашних условиях, особенно если есть аллергики то фильтрация необходима (частицы от микрона и менее как раз таки проскакивают обычные фильтры и застревают в HEPA фильтре).

 

Конструирование пылесоса

Вообще первым был прототип из дорожного конуса как префильтр, собранный за один вечер:

Он неплохо работал — насосал два полных ведра разного мусора.

Им сделали приборку пока его не сложило:

Обычный бытовой пылесос сложил мощное металлическое ведро! Но опыт был получен — работало хорошо, но тонкая пыль быстро забивала поры мешка, падала мощность всасывания и эффективность падала. Кроме того мощности одного мотора хватало поднять  с пола огарок 3 мм электрода от сварки, но вот далее вальса в шланге дело не шло — поэтому решил использовать два мотора. Ну и особое внимание к прочности узлов работающих с разрежением.

Основной материал — фанера 12 мм, просто потому что материал привычный, прочный и режется станком. Пожарная безопасность конечно не айс, и втягивать тлеющий окурок не очень хорошая идея, поэтому пылесос эксплуатируется с осторожностью.

Пылесос будет состоять из двух частей — большой бак с центробежным сепаратором (это не циклон в классическом понимании, но принцип тот же), и блок с моторами и фильтрами — задерживать то что пролетело через сепаратор.

Режем:

Скручиваем:

У моторов приличный крутящий момент на старте, поэтому не достаточно его только прижать, его еще нужно удерживать от проворота. Для этого у меня в отверстия в крышке мотора входят колпачковые гайки на прижимной пластине.

Фильтры от газели имеют внутри пластинку с отверстием поэтому крепление очень простое — шпилька да барашковая гайка:

В сборе. На фасаде 2 термометра для контроля температуры моторов в исследовательских целях:

Температура двигателей устанавливается в районе 42-45 градусов Цельсия. Если нарушен поток, то нагреваются до 60. Планирую добавить амперметр.

Режем сепаратор:

Корпус сепаратора — вент. канал диаметром 125 мм. Вся остальная арматура — канализационная труба диаметром 40 мм.

Сопрягаем трубу и вентканал при помощи эпоксилина:

Поток воздуха с пылью подается снизу вверх что бы в корпусе сепаратора не было мертвых мест для скопления пыли. Дно сепаратора держится на 5 шпильках и снимается легко, достаточно открутить барашка. Дело в том что такого рода сепараторы не способны работать с длинными обьектами — поэтому волосы, нитки, ленточки будут наматываться на центральную трубку, и требуется регулярная чистка.

Почти готово:

 

Шланги оконцовываем канализационными трубами:

Варим из хлама тележку:

Об эффективности сепаратора можно судить по фракционному составу пыли, оседающей на фильтре перед мотором, если она тонкая как мука — то все хорошо.

Если  втянуть что то длинное вроде ниток или щепок, то придется разбирать для чистки сепаратор:

Что в итоге получилось — любая деталь пылесоса которая может подвергнуться износу легко заменяется. Цена эксплуатации — мизерная. Компактности — никакой, зато брутальность и прочность зашкаливает. Два мотора ощутимо повысили мощность всасывания по сравнению с обычным пылесосом, тоесть он хорошо всасывает все время, а не только с новеньким мешком.

Масса: тележка 8,8 кг, блок с моторами и фильтрами 14,2 кг, сепаратор 14 кг. Итого пустой пылесос на тележке: 37 кг. Реальная потребляемая мощность — порядка 2,5-3 кВт, по мере увеличения сопротивления потоку потребляемая мощность снижается до 1,8-2 кВт.

Минусы замеченные при эксплуатации:

Из-за того что все 4 колеса тележки поворотные, маневренность настолько высока, что управляемость низкая — можно закатить в любую щель, но из-за большой массы хорошо прокатывается  по инерции куда хочет.

Плохо работает с щепками и длинной стружкой — щепки встают в перегибы и забивают воздуховоды.

Довольно неудобно каждый раз разбирать корпус сепаратора на 5 шпильках — нужен какой то механизм быстрого разбора, возможно на накидных петлях.

Нет клапана защиты, т.е. если заткнуть входной патрубок то моторы останутся без охлаждения, и если не установлены термоконтакты то начнет гореть изоляция проводов спустя какое то время.

В целом я доволен результатом, уборка стала приятнее и менее трудозатратной.