This paper presents an analysis of the reasons for the increased energy consumption of robotic vacuum cleaners when cleaning carpets compared to hard surfaces. It examines the mechanical and aerodynamic factors that affect the load on the drive and suction systems. The paper provides estimated calculations of power and current consumption based on experimental and literature data. It is found that the main factors are rolling resistance, taking into account the deformation of the pile, increased load on the main brush, and increased suction power.

Keywords : robot vacuum cleaner, energy consumption, rolling resistance, battery, power, carpet.

Роботизированные пылесосы широко применяются в бытовых и коммерческих помещениях, включая офисы, гостиницы и жилые пространства. В этих условиях важным параметром является время автономной работы устройства, определяющее эффективность уборки и частоту подзарядки. Практическая значимость исследования заключается в необходимости прогнозирования времени работы устройств при различных типах покрытий, а также в оптимизации алгоритмов управления и конструкции приводных систем. Это представляет интерес для разработчиков бытовой техники, сервисных инженеров и конечных пользователей. При движении робот-пылесоса по поверхности на него действует сила сопротивления качению, которая может быть выражена как:

Fr=cr · N

где cr — коэффициент сопротивления качению, N — нормальная реакция опоры. Для твердых поверхностей cr = 0.01–0.02, тогда как для ковровых покрытий, с учетом деформации ворса, значение может достигать 0.1–0.3 [1].

При массе робота m =3 кг: на твердом полу: Fr= 0.3–0.6 H, на ковре: Fr= 3–9 H. Таким образом, сопротивление возрастает в 5–10 раз.

Мощность, необходимая для движения, определяется как:

P=F · v

При скорости движения v =0.3м/c: на полу: P= 0.1–0.2 Вт, на ковре:

P= 1–3 Вт.

Рост мощности напрямую увеличивает ток разряда аккумулятора.

Повышенное сопротивление приводит к увеличению крутящего момента на колесах. При недостаточном сцеплении возникает пробуксовка — частичное скольжение колес относительно поверхности. На ковре пробуксовка возникает из-за: упругой деформации ворса, неравномерного контакта колеса с поверхностью, локальных участков повышенной плотности. В режиме пробуксовки часть энергии расходуется без совершения полезной работы, переходя в тепло. Экспериментально установлено, что при пробуксовке до 20 % энергии движения может теряться [2]. Это приводит к увеличению тока двигателей колес с типичных значений 0.2–0.3 А до 0.5–0.8 А.

Полученные в работе расчётные значения отражают типичный режим функционирования робот-пылесоса, однако фактическое время автономной работы зависит от ряда дополнительных параметров, связанных как с характеристиками покрытия, так и с техническим состоянием устройства. Дополнительные факторы влияние оказывают: высота ворса; поверхностная плотность материала; жёсткость волокон; наличие подложки; степень загрязнения покрытия.

Для ковров с ворсом более 15 мм сопротивление вращению главной щётки и сопротивление качению возрастают наиболее существенно. На коврах с коротким ворсом (до 5 мм) увеличение энергопотребления обычно не превышает 20–40 %, тогда как на покрытиях с высоким плотным ворсом оно может достигать 150–200 %.

С уменьшением остаточной ёмкости аккумулятора сокращается доступный энергетический запас:

E =U / C

Номинальное напряжение — эффективная ёмкость батареи.

После 300–500 циклов заряд-разряд фактическая ёмкость литий-ионных аккумуляторов бытовых устройств может снизиться на 15–30 %. В результате даже при неизменной потребляемой мощности продолжительность работы заметно уменьшается.

Накопление пыли в фильтрах увеличивает аэродинамическое сопротивление, а наматывание волос на главную щётку повышает момент сопротивления вращению. По данным эксплуатационных испытаний, загрязнение фильтра может увеличивать мощность вентилятора на 10–25 %, а засорение щётки — повышать потребляемый ток её двигателя на 20–40 %. При понижении температуры возрастает внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов, что снижает доступную ёмкость и увеличивает потери энергии. При температуре ниже 10 °C эффективная ёмкость батареи может уменьшаться на 5–15 %.

Следует различать: главную вращающую щётку (центральную), боковые щётки. Основной вклад в энергопотребление вносит именно главная щётка. На твердых поверхностях момент сопротивления вращению составляет около 5–10 мН·м, тогда как на ковре может достигать 20–50 мН·м [3]. Это приводит к увеличению мощности двигателя щетки: с 3–5 Вт (пол), до 8–15 Вт (ковер) Боковые щётки вносят меньший вклад (до 1–2 Вт) и существенно не влияют на общий баланс энергии. Мощность всасывания является основным потребителем энергии. На твердых поверхностях типичная мощность составляет 10–20 Вт, тогда как при работе на ковре многие модели автоматически увеличивают её до 30–50 Вт. Это связано с необходимостью извлечения загрязнений из глубины ворса. Ток вентилятора при этом возрастает: с 0.5–0.7 А, до 1.2–1.8 А. Таким образом, именно система всасывания дает основной вклад в ускоренный разряд аккумулятора.

Рассмотрим типичный аккумулятор: ёмкость: 3000 мА·ч, напряжение: 14.4 В, Энергия аккумулятора: E =43 Вт·ч.

Таблица 1

Суммарная мощность

Время работы: t=E/P ; на полу: t =2.1 ч, на ковре: t =0.8 ч. Снижение времени работы составляет примерно 2.5 раза, что согласуется с наблюдаемыми эксплуатационными данными.

Анализ показывает, что: вклад движения в общее энергопотребление относительно невелик, но возрастает кратно; основная доля энергии расходуется системой всасывания; дополнительный вклад вносит главная щётка; пробуксовка увеличивает потери энергии, но не является доминирующим фактором. Ускоренный разряд является результатом суммарного действия нескольких факторов, среди которых ключевыми являются аэродинамическая нагрузка и сопротивление вращению щётки.

В заключении работы установлено:

— Сопротивление качению на ковре увеличивается в 5–10 раз.

— Мощность, потребляемая системой всасывания, возрастает до 2–3 раз.

— Общая потребляемая мощность увеличивается с ~20 Вт до ~50 Вт.

— Время автономной работы сокращается в среднем в 2–3 раза.

Практическое значение результатов заключается в возможности: прогнозирования времени работы устройства; оптимизации алгоритмов управления мощностью; разработки энергоэффективных конструкций щеток и приводов. Перспективы дальнейших исследований связаны с: экспериментальным измерением параметров на различных типах ковров; разработкой адаптивных систем управления мощностью; оптимизацией конструкции колес для снижения сопротивления качению.

Литература:

1. Шепелев, А. О. Расчет емкости аккумуляторных батарей / А. О. Шепелев, Е. Ю. Артамонова. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 17 (121). — С. 99–101.
2. Алероев, М. И. Энергопотребление в состоянии screen-off / М. И. Алероев. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 17 (412).
3. Кнышенко, А. А. Методы сокращения энергопотребления в беспроводных сетях / А. А. Кнышенко. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 16 (363).
4. Федотов, А. Б. Инженерный расчет инерционного тележечного конвейера / А. Б. Федотов. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 21.2 (101.2). — С. 71–74
5. Джабборов, Н. И. Методика определения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих агрегатов с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов / Н. И. Джабборов, А. М. Захаров. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 15 (119). — С. 241–251.
6. Корх, Е. С. Аэродинамический дизайн. Улучшение формы поездов для снижения сопротивления воздуха / Е. С. Корх, А. Г. Воркачев. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2025. — № 23 (574). — С. 91–96.
7. Климова, Д. А. Как использовать литийионный аккумулятор долго и безопасно / Д. А. Климова, М. И. Лозенко. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 3 (44). — С. 48–55.