Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы по измельчению фуражного зерна и задачи исследований 11
1.1 Зерновое сырье для производства комбикормов и требования к его измельчению 11
1.2 Технологические и кормовые свойства рапса 17
1.2.1 Рапс - культура больших потенциальных возможностей 17
1.2.2 Эффективность использования рапсовых кормов в рационах крупного рогатого скота 22
1.3 Анализ результатов научных исследований физико-механических свойств фуражного зерна 29
1.4 Конструктивные особенности технических средств по измельчению фуражного зерна 38
1.4.1 Основные факторы, влияющие на технологические показатели рабочего процесса в молотковых дробилках 45
1.4.2 Основные факторы, влияющие на технологические показатели рабочего процесса в центробежно-роторных аппаратах 51
1.5 Выводы, цель и задачи исследований 58
2 Теоретический анализ способов измельчения и обоснование высокоэффективных измельчающих устройств 61
2.1 Способы механического разрушения материалов 61
2.2 Теории измельчения материалов и их энергетическая оценка 65
2.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы центробеж-но-роторного измельчителя 75
2.3.1 Теоретические исследования движения материальной точки по ротационным поверхностям 75
2.3.1.1 Движение частицы по ротационной плоскости, вращающейся вокруг вертикальной оси 76
2.3.1.2 Движение частицы по горизонтальному диску с вертикальной осью вращения и укрепленной на нем вертикально прямой лопаткой 82
2.3.2 Математическая модель движения зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя 88
2.3.3 Кинематика зерна в канале рабочего органа 95
2.4.Обоснование рабочих органов, обеспечивающих процесс измельчения способом среза и скалывания 99
2.4.1 Классификация видов резания по технологическим признакам 100
2.4.2 Исследование контактного взаимодействия режущих элементов рабочих органов с измельчаемым материалом поляризационно-оптическим методом 104
2.4.3 Обоснование конструктивных параметров режущей пары рабочих органов измельчителя 109
2.5 Определение оптимального количества режущих элементов 113
2.6.Метод определения производительности измельчителя 116
2.7.0пределение потребной мощности измельчителя 120
2.8.Выводы 123
3 Методические основы экспериментальных исследований конструктивных параметров рабочих органов центробежно-роторного измельчителя 125
3.1 Характеристика измельчаемого материала 125
3.2 Исследование физико-механических свойств зерна 127
3.3 Исследование процесса резания зерна при статическом нагружении 130
3.4 Исследование процесса динамического резания зерен злаковых культур и семян рапса 131
3.5 Экспериментальная установка центробежно-роторного типа, измерительные приборы и аппаратура 137
3.6 Порядок проведения опытов 143
3.6.1 Определение полезной мощности 145
3.6.2 Определение производительности измельчителя 146
3.6.3 Определение гранулометрического состава измельченного зернового материала 147
3.6.4 Исследование кинематики зерна с использованием киносъемки 149
3.7 Исследование износа поверхности рабочих органов центробежно-роторного измельчителя 151
3.8 Исследование на износостойкость высокопрочного чугуна с целью его использования при изготовлении рабочих органов измельчителей 156
3.8.1 Описание экспериментальной установки 158
3.8.2 Порядок проведения исследований 160
3.9 Определение рациональных режимов рабочего процесса центробежно-роторного измельчителя фуражного зерна 161
3.9.1 Описание экспериментальной установки 161
3.9.2 Способ дополнительной регулировки модуля помола 163
3.9.3 Характеристика измельчаемого материала 164
3.9.4 Измерительные приборы и аппаратура 165
3.9.5 Определение полезной мощности установки 166
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований 167
4.1 Анализ физико-механических свойств измельчаемого зерна 167
4.2 Влияние конструктивных параметров режущих элементов и влажности зерна на усилие резания при статическом нагружении 167
4.2.1 Влияние угла заточки режущих элементов на усилие резания 167
4.2.2 Влияние влажности зерна на усилие резания 170
4.3 Влияние скорости резания и конструктивных параметров режущих элементов на усилие резания зерна 173
4.4 Влияние количества режущих элементов рабочих органов на качество измельчения 179
4.5 Влияние скорости вращения роторов измельчителя на модуль помола и удельную энергоемкость рабочего процесса 186
4.6 Результаты исследований износа поверхностей рабочих органов измельчителя 191
4.7 Результаты экспериментальных исследований по определению износостойкости материала рабочих органов измельчителя 194
4.8 Результаты экспериментальных исследований по определению рациональных режимов рабочего процесса центробежно-роторного измельчителя 199
4.8.1 Технико-экономическое обоснование исследований 202
4.9 Выводы 208
5 Производственная проверка и экономическая эффективность использовании центробежно-роторных измельчителей фуражногозерна в сельскохозяйственном производстве 210
5.1 Результаты производственных испытаний 210
5.1.1 Рекомендации по расчету дополнительной прибыли от использо- 211 вания рапсовой муки в рационе дойных коров
5.2 Результаты применения центробежно-роторной установки для измельчения электрокорунда 219
5.3 Экономическая эффективность использования центробежно-роторных измельчителей в сельскохозяйственном производстве 221
5.3.1 Эффективность использования измельчителя ИЛС-5 по критерию энергетических затрат 222
5 3.2 Экономическая эффективность использования измельчителя фуражного зерна в стоимостной форме 225
Выводы 232
Общие выводы 235
Список литературы 237
Приложения 259
- Эффективность использования рапсовых кормов в рационах крупного рогатого скота
- Теории измельчения материалов и их энергетическая оценка
- Экспериментальная установка центробежно-роторного типа, измерительные приборы и аппаратура
- Влияние влажности зерна на усилие резания
Введение к работе
В концепции развития животноводства до 2010 г. потребность в фуражном зерне оценивается 66,0 млн т. К основным потребителям кормового зерна относятся такие отрасли, как скотоводство (47%), свиноводство (27%) и птицеводство (20%). Для организации полноценного кормления животных и птицы важное значение имеет рациональное использование концентрированных кормов, основным компонентом которых являются зерновые и зернобобовые культуры, обеспечивающие около 50% протеина. В настоящее время доля концентрированных кормов в общем кормовом балансе составляет 29...32%. Эффективность использования фуражного зерна без предварительной подготовки снижается на 10...20% [1-3].
Одним из основных способов подготовки зерновых кормов к скармливанию является измельчение. При размоле, плющении, дроблении и других операциях разрушается твердая оболочка, повышается доступность питательных веществ действию пищеварительных соков, ускоряется перевари-ваемость, присходит более полное усвоение энергии корма (за счет употребления измельченного зерна продуктивность животных повышается на 10...15%). Измельчение является наиболее энергоемкой и трудоемкой операцией, занимающей более 50 % от общих трудозатрат в приготовлении комбикормов. Основными машинами, применяемыми в сельскохозяйственном производстве для измельчения фуражного зерна, являются молотковые дробилки [4-6].
Изучению процесса измельчения в молотковых дробилках посвящено значительное количество работ как отечественных, так и зарубежных ученых. Существенный вклад в теорию измельчения внесли В.А. Елисеев, А.А. Зеленое, А.П. Макаров, Я.Н. Куприц, С.Д. Хусид, СВ. Мельников, В.И. Сы-роватка, В.А. Сысуев, В.И. Пахомов, П.А. Савиных, В.Д. Денисов и др. Несмотря на постоянное совершенствование конструкций молотковых дробилок, они имеют ряд недостатков.
Таким образом разработка конструктивно-технологической схемы измельчающего аппарата с включением вопросов по совершенствованию рабочих органов и создание на этой основе центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна, способных перерабатывать в том числе семена масличных культур, например, рапса с жирностью до 50%, и получать готовый продукт заданной крупности с содержанием пылевидной фракции не более 5% при одновременным снижении в 1,5...2,0 раза удельной энерго- и материалоемкости производства продукции, является актуальной проблемой и имеет важное народнохозяйственное значение.
Вытекающая из этого научно-техническая проблема заключается в разработке методических основ создания центробежно-роторных измельчителей фуражного зерна нового класса.
Научные исследования и разработки, выполненные в рамках решений данной проблемы, являются основой диссертационной работы, которая соответствует заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг., одобренной Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г., межведомственным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2001 г., и тематическим планам НИР ЧГАУ на 1993-2005 гг.
Цель исследований. Повышение эффективности процесса измельчения на основе изыскания рабочих органов и разработки методик расчета основных параметров измельчителей при их конструировании.
Объект исследований. Технологический процесс взаимодействия измельчающих элементов рабочих органов с перерабатываемым сырьем в измельчителе центробежно-роторного типа.
Предмет исследований. Закономерности, условия и режимы функционирования измельчителей, характеризующие процесс разрушения зерна способом среза и скалывания.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики, математики и математического моделирования. Предложенные рабочие органы измельчителя исследовались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составляла не менее 90%, а погрешность опытов - не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Statistica, MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна
1. Установлены закономерности динамического и кинематического взаимодействия семян и зерна с режущими элементами рабочих органов центро-бежно-роторного измельчителя, при этом срез (скалывание) происходит поперек зерна по минимальному сечению, что соответствует теории резания В.П. Горячкина.
2. Впервые получена система дифференциальных уравнений, описывающая поступательное и вращательное движение зерна в канале рабочего органа центробежно-роторного измельчителя.
3. Впервые в центробежно-роторных аппаратах применен способ резания и скалывания для измельчения семян рапса и фуражного зерна, обеспечивающий получение готового продукта высокого качества;
4. Разработаны модели и методика расчета рациональных параметров рабочих органов измельчителя.
5. Обоснованы конструктивные параметры измельчающих элементов рабочих органов центробежно-роторного измельчителя.
6. Получены следующие научные результаты:
— процесс измельчения зернового материала осуществляется с минимальным удельным расходом энергии;
— изыскана возможность измельчения семян масличных и высокобелковых культур (рапса, горчицы, расторопши, кориандра, амаранта, сои, гороха, и др.) с получением готового продукта без выделения жира и с хорошей сыпучестью.
7. Разработаны научные основы создания и проектирования центробежно-роторных измельчителей для переработки фуражного зерна и семян масличных культур.
8. Разработана методика инженерных расчетов рабочих органов и конструктивно-технологических параметров центробежно-роторных измельчителей нового класса.
Научная новизна и достоверность результатов работы подтверждены 18 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, результатами производственных и государственных испытаний, на базе которых созданы высокоэффективные центробежно-роторные измельчители фуражного зерна и семян масличных культур, позволяющие существенно снизить удельную энерго- и металлоемкость процесса измельчения.
Практическая ценность. Обобщена и развита теория и практика разрушения зерна способом резания и скалывания, разработаны механико-технологические основы проектирования и создания измельчителей центробежно-роторного типа, позволяющие обеспечить получение готового продукта зоотехнически требуемого качества с одновременным снижением пылевидной фракции в 3-4 раза, удельной энерго- и металлоемкости в 1,5-2,0 раза по сравнению с существующей технологией измельчения фуражного зерна.
Впервые получена возможность измельчать семена масличных культур, в частности рапса, с жирностью до 50% без выделения жира. Результаты исследований позволят ускорить разработку современного энергосберегающего оборудования для комбикормового производства. Разработанные образцы измельчителей прошли производственную проверку и актами хозяйственных комиссий рекомендованы к внедрению, что является основой для создания новых машин и оборудования для измельчения фуражного зерна, семян масличных культур и других сыпучих материалов.
Реализация результатов исследований. Разработанные методика инженерных расчетов основных параметров центробежно-роторных измельчителей и техническая документация на их изготовление переданы на заводы-изготовители: Кировской области - ПО «Кировагропромремонт», г. Киров, Нолинский ремонтно-механический завод, г. Нолинск; Челябинской области - АОЗТ Агромаш, г. Челябинск, Приборостроительный завод, г. Трехгорный. Опытные образцы измельчителей прошли производственную проверку и государственные испытания на Кировской МИС г. Киров; Поволжской МИС, г. Кинель, и в Центре сертификации электрооборудования АООТ «Электропривод», г.Москва. В 1999 году измельчители включены в Систему технологии машин, в 2000 году - в каталоги «Машины и оборудование для АПК». Они нашли применение в сельском хозяйстве, пищевой, строительной, перерабатывающей и других отраслях народного хозяйства.
Результаты научной работы используются в учебном процессе агроин-женерных факультетов вузов Минсельхоза России. Отдельные разделы диссертационной работы используются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала. Промышленные образцы центробежно-роторных измельчителей ИЛС изучаются студентами и слушателями факультетов повышения квалификации.
Апробация. Основные положения работы и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях Челябинского ГАУ и Свердловской ГСХА (1989...2007 гг.),семинаре заведующих кафедрами механизации животноводства в МГАУ (2002 г.), 9-й международной научно-практической конференции ВНИИМЖ (2006 г.), научно-технических советах: ПО «Кировагропромремонт», АООТ «Нолинский ремонтно-механический завод» Кировской области (1989, 1991гг.); «Приборостроительный завод» г.Трехгорный (1992, 1996, 1998 гг.), завод «Агромаш» Челябинской области (1992...1995 гг.). Опытные образцы центробежно-роторных измельчителей демонстрировались на ВДНХ СССР (1988, 1989 гг.), где были награждены тремя золотыми и одной серебряной медалями, на агропромышленной выставке в городе Львове (1992 г.), региональной выставке-ярмарке «Урал-конверсия, наука, бизнес-94» в городе Екатеринбурге (1994 г.), на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций ВВЦ (2006 г.), международной выставке-ярмарке «Лучшее оборудование и технологии для малого бизнеса» ВВЦ (2006 г.), 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» ВВЦ (2006 г.), международной выставке «Агро-2006» в городе Челябинске, где были также награждены дипломами и медалями.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 65 научных работах, в том числе 11, опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 18 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержание диссертационной работы изложено на 258 страницах, включая 102 рисунка, 32 таблицы и списка литературы из 250 наименований, в том числе 11 на иностранных языках; имеется 27 приложений на 57 страницах.
Эффективность использования рапсовых кормов в рационах крупного рогатого скота
Среди нетрадиционных кормов в рационе кормления крупного рогатого скота важное место занимает рапс. Наукой и практикой доказано, что корма из рапса можно скармливать всем видам и возрастным группам сельскохозяйственных животных. Эффективность скармливания рапсовых кормов крупному рогатому скоту определяется прежде всего по росту производства животноводческой продукции за счет увеличения продуктивности коров, повышения среднесуточных привесов животных при их откорме и улучшения качества готового продукта с учетом получаемой дополнительной прибыли в расчете на 1 т молока базисной жирности, 1 ц мяса и других зоотехнических факторов. Рост производства молока и получение дополнительной прибыли от скармливания молочному скоту рапсовых кормов был отмечен в СССР в ряде хозяйств Башкирской и Татарской АССР, Белгородской, Московской, Костромской, Новосибирской, Омской и других областей (таблица 1.9).
Эффективность скармливания высокопродуктивным коровам муки из семян ярового рапса с содержанием 0,5 % глюкозинолатов взамен комбикорма была установлена в ряде хозяйств ВНИИ кормов (ОПХ «Ермолино», ЦЭБ, Московская селекционная станция) и ГПЗ «Первомайское» Московской области. При этом Всесоюзным научно-исследовательским институтом кормов им. В.Р.Вильямса доказано, что эффективной нормой скармливания рапсовой муки лактирущим коровам с продуктивностью 5...7 тыс. кг молока как при пастбищном, так и при зимнестойловом их содержании является 0,8...1,2 кг на голову в сутки. Это позволяет повышать среднесуточные удои до 10%, массовую долю жира в молоке на 0,1...0,2 %, сокращать расход концентрированных кормов (комбикорм, зернофураж и др.) до 15%, без ухудшения состояния здоровья животных [24, 28]. Сотрудники СибНИПТИЖа сравнили эффективность скармливания скоту семян рапса, подвергнутых такой обработке, как дробление на роторной дробилке, плющение на кольцевой плющилке, термоплющение на опытном образце термоплющилки УТПФ-0,5, экструдирование на экструдере КМЗ-2М, прессование на прессе ПМШ-250, размол с последующей обработкой муки электроактивированным раствором (ЭДР) в течение 24 ч. Исследования показали, что различные способы обработки не вызвали существенных изменений в химическом составе семян [29]. Для проведения сравнительного изучения влияния цельных семян рапса и рапсовой муки на молочную продуктивность дойных коров в Омске в 2003 году проводились исследования в зимний период на трех аналогичных группах коров черно-пестрой породы, по 10 голов в каждой (таблица 1.10).
Питательность используемых рапсовых семян и муки, а также питательность рациона животных определялись по общепринятым методикам зоотехнического анализа. Молочная продуктивность кормов определялась путем проведения контрольных доек ежедекадно. Фактическая поедаемость кормов определялась путем проведения контрольного учета съеденных кормов три раза в месяц, переваримость семян рапса - визуально, по наличию целых семян в кале животных при последующей деконтации средней пробы водопроводной водой через мелкое сито; клинические и биохимические показатели крови - по общепринятым методам. Кормление коров в течение опыта осуществлялось по нормам ВИЖа, с учетом живого веса и планируемых надоев.
В предварительный период опыта все животные получали одинаковый рацион, состоящий из 3 кг злакового сена, 2 кг соломы, 20 кг кукурузного силоса, 4 кг концентратов, 0,4 кг рапсового жмыха, 0,5 кг патоки, 5 кг кормовой свеклы, 80 г поваренной соли, необходимых микроэлементов. Мука из рапса и семена в рацион коров в этот период не включались. В рационе содержалось 10,75 корм, ед., 129,45 МДж обменной энергии, 1041,2 г переваримого протеина, 3063,7 г сырой клетчатки, 747,1 г сахара, 376,3 г сырого жира, 524,6 мг каротина, 119,4 г кальция, 49,5 г фосфора.
В основном периоде опыта коровы контрольной группы получали в рационе 4 кг концентратов. У животных I опытной группы 20% концентратов по питательности заменялось семенами рапса. Наличие в рационе семян рапса повысило в нем количество жира с 376,3 г в контроле до 495,7 г, т.е. на 119,4 г, количество протеина на 50,3 г, количество фосфора - на 11,26 г. По другим питательным веществам рационы были одинаковыми и сбалансированными по кормовым единицам, переваримому протеину, обменной энергии и другими элементам питания. Сахаро-протеиновое отношение составило 0,71. В рационе коров II опытной группы 20% концентратов заменялось мукой из семян рапса. Рацион был сбалансирован по всем основным элементам питания и содержал 10,81 корм, ед., 129,6 МДж обменной энергии, 1049,3 г переваримого протеина, 738,0 г сахара, 504,3 г сырого жира, 120,9 г кальция, 41,94 г фосфора, 535,4 мг каротина. Сахаро-протеиновое отношение равнялось 0,7.
Теории измельчения материалов и их энергетическая оценка
При приготовлении кормов требуется учитывать не только многообразие видов кормов и их свойства, но и различные технологии и способы их обработки. Способы делятся по роду энергии, затрачиваемой на технологический процесс: механические, тепловые, химические, биологические и биохимические. Все виды обработки различных материалов путем механического воздействия на них с помощью рабочих органов машины относятся к механическим способам. Самым распространенным и важным механическим процессом является измельчение.
К механическому измельчению зерна (рисунок 2.1) следует отнести два основных процесса: резание и дробление. По данным многих исследователей, резание является наименее энергоемким процессом при измельчении зерна. Ввиду того, что воздушно-сухое зерновое сырье по физико-механическим свойствам приближается к абразивным материалам, достичь требуемой долговечности острых кромок ножей крайне затруднительно, что и офаничивает практическое применение этого способа [7, 98-101].
Процесс дробления можно осуществлять ударом, раскалыванием, раздавливанием (плющением) и истиранием. В настоящее время еще не создано дробильное устройство, в котором какой-либо из этих видов дробления осуществлялся бы в чистом виде.
Выбор способа механического измельчания в различных типах машин обусловлен физико-механическими свойствами измельчаемого материала и различными технологическими требованиями, предъявляемыми к продуктам помола. Например, при разрушении материала стесненным и свободным ударом (рисунок 2.2 а, б) материал разрушается между двумя рабочими органами измельчителя. Главная роль такого разрушения отводится кинетической энергии ударяющего тела. При свободном ударе разрушение материала наступает в результате столкновения его с рабочими органами или другими телами в полете. Эффект такого разрушения определяется скоростью столкновения, при раскалывании (рисунок 2.2 г) материал разрушается на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых рабочими элементами измельчителя. При раздавливании (рисунок 2.2 д) материал под действием нагрузки деформируется во всем объеме. Разрушение происходит тогда, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности сжатия.
При распиливании и резании материал делится на части (рисунок 2.2 е, ж, з) заранее заданных размеров и форм. Процессом можно управлять. При ударе материал разрушается под действием динамических нагрузок. Разру 63 шающий эффект при сосредоточенной нагрузке подобен раздавливанию. По мнению Козьмина П.А. и Макарова И.В., основными видами механического воздействия на зерновой материал при измельчении являются свободный удар, сжатие (раздавливание) и срез (скалывание) [47,101]. МЛ. Моргулис рекомендует для хрупких материалов применять ударные и раздавливающие способы нагружения, для пластичных - сдвиг, вязких - истирание, волокнистых - разрыв и резание [102]. СВ. Мельников считает, что зерно, "как и некоторые другие материалы (древесина, пластики), представляют группу упруго-вязко-пластичных материалов, специфическими особенностями которых являются наличие структуры, резко выраженная анизотропия и значительная лабильность всей гаммы прочностных характеристик, обусловленная главным образом, влиянием влажности. Законы деформирования под действием внешних нагрузок в упруго-вязко-пластичных материалах следует рассматривать только лишь исходя из их структуры" [59]. Главная задача переработки сырья заключается в управлении механическими процессами образования, деформации и разрушения дисперсных систем различного типа и получении на этой основе продуктов с заданными свойствами. Очевидно, что без изучения физико-механических и других свойств исходного сырья осуществить эту задачу нельзя. Знания свойств сырья являются основанием к расчету рабочих органов, снижению энерго- и материалоемкости перерабатывающих машин, повышению качества получаемых продуктов. В результате обобщения многочисленных исследований по изучению измельчения различных материалов многие авторы пришли к выводу, что каждый способ измельчения в отдельности выгоден только при разрушении определенного вида материала, и предлагают тот или иной способ измельчения в зависимости от физико-механических свойств разрушаемого материала, что наглядно показывает таблица 2.1.
Экспериментальная установка центробежно-роторного типа, измерительные приборы и аппаратура
Для выбора и обоснования параметров режущей пары рабочих органов измельчителя были использованы результаты исследования контактного взаимодействия режущих элементов и материала. Сложность исследования контактного взаимодействия режущего элемента с материалом обусловливает большой интерес к использованию для этой цели поляризационно-оптического метода. С его помощью можно выявить общую картину распределения и распространения напряжений как в режущем элементе (лезвие, клин, пуансон), так и в материале (в то время как, например, тензометриро-ванием можно получать такие сведения лишь в отдельных точках). Это позволяет устанавливать места концентрации напряжений при различных направлениях режущего воздействия, что очень важно для определения его оптимальной формы и параметров.
В основе поляризациошю-оптического метода исследования лежит свойство двойного лучепреломления, которое приобретает модель натурных деталей, выполненных из прозрачного, оптически чувствительного материала, при возникновении в нем напряжений и деформаций. Измерение двойного лучепреломления позволяет не только получить картину распространения полей напряжения и деформаций, но и определить их численные величины. Исследование контактного взаимодействия режущего элемента с материалом в большинстве случаев может быть сведено к изучению плоского напряженного состояния, что является наиболее простой задачей для решения поляри-зационно-оптическим методом [126-128].
Для проведения эксперимента нами были изготовлены из оптически чувствительного материала режущие элементы по профилю и контурным размерам, соответствующим натурным сечениям этих элементов. Эти элементы-модели сопрягаются в одной плоскости и нагружаются подобно рабочему их взаимодействию. При просвечивании плоской модели взаимодействующих элементов поляризованным светом на экране полярископа наблюдаются оптические эффекты, возникающие и изменяющиеся под действием нагрузок. При просвечивании модели белым светом на экране полярископа появляется картина цветных изохром, покрывающих все элементы, изготовленные из оптически чувствительного материала.
Поскольку интерес вызывает, главным образом, характер распределения и распространения напряжений и деформаций в режущем элементе, в перерезаемом материале и противорежущей пластине при различных их конструктивных и размерных параметрах, воспользуемся фотографическими картинами, полученными в наших исследованиях. Такие фотографии позволяют представить взаимодействие режущего элемента с материалом, а также определить места наибольших концентраций напряжений как в элементах режущей пары, так и в перерезаемом слое материала.
В проведенных экспериментах для деталей режущей пары использовались относительно жесткие полиуретановые пластины, для перерезаемого слоя - мягкий упруго-вязкий полиуретан. На рисунке 2.23 представлены картины расположения изохром при внедрении режущих элементов с относительно тупыми углами заточки: р= 50 (рисунок 2.23, а) и Р = 70 (рисунок 2.23, б).
Обе картины указывают на то, что фаски, особенно при значительном угле заточки режущего элемента, передают материалу относительно большую часть давления. Картины расположения изохром указывают на то, что концентрации напряжений и деформаций в этих случаях переместились от кромки режущего элемента к его фаскам, причем в случае более тупого угла Р - в большей мере к наклонной фаске, а в случае более острого угла Р - как у кромки, так и у наклонной фаски.
Серия проведенных исследований распространения напряжений и деформаций в самих режущих элементах (лезвие, резец, пуансон) при их контактном взаимодействии с материалом предполагала опыты с различными углами заточки режущих элементов. Указанные опыты показали снижение концентрации напряжений и деформаций в области, близкой к вершине режущего элемента с увеличением угла Р. На рисунке 2.24 представлены характерные случаи.
На лезвие существенное изгибающее воздействие оказывает материал при контактной нагрузке. Несимметричность деформации лезвия с углом Р=30 хорошо иллюстрируют изохромы, полученные на модели лезвия. С увеличением угла Р концентрация изгибающих напряжений у острия режущего элемента снижается. Так, если у лезвия плотность интерференционных полос концентрируется вблизи вершины угла заточки, указывая на его самое напряженное сечение, то у резца с углом р= 60 такой концентрации нет. Еще более разительна картина напряженного состояния у пуансона с углом (3=80, поскольку его задняя грань всей своей плоскостью почти равномерно сжимает материал. Большой интерес представляет картина распределения изохром в перерезаемом толстом слое материала при взаимодействии режущего элемента и противорежущей пластины. На рисунке 2.25 изображены четыре случая такого взаимодействия: с углом заточки р= 30 (рисунок 2.25 а, б) и с углом заточки р=75 (в, г).
Влияние влажности зерна на усилие резания
Специфика производства абразивных материалов заключается в том, что доведение кусков материала до требуемых размеров необходимо сочетать с минимальным переизмельчением, т.е. в процессе дробления и измельчения необходимо обеспечить максимальный выход требуемых фракций зернистости.
Процессы дробления, помола и рассева плавленого электрокорунда на Челябинском абразивном заводе не позволяют получить максимально выгодную для реализации и изготовления инструмента зернистость в необходимом объеме. Кроме того, получается большое количество фракции минус 160 мкм, значит, много безвозвратных потерь.
Причинами являются отсутствие мельниц сухого помола, нарушение режимов измельчения, отсутствие эффективной системы обеспыливания и др. Для решения задачи получения максимального количества зерна требуемых фракций зернистости и сведения к минимуму потерь при производстве нормального и белого электрокорунда была проведена исследовательская работа по изучению качества измельчения электрокорунда на центробежно-роторном измельчителе ИЛС-5 [190].
Были отобраны пробы белого и нормального электрокорунда с размерами кусков менее 20 мм. После измельчения материал рассеяли в установке «Ротап» на стандартных ситах по ГОСТ-3647. Для сравнения были взяты пробы измельченного материала такого же электрокорунда после стержневой мельницы и тоже рассеяли в установке «Ротап» на стандартных ситах. Полученные результаты показаны на графике (рисунок 5.8).
Анализируя результаты, можно сказать, что зерновой состав материала, полученный измельчением на ИЛС-5, предсказуем и выгоден. Наиболее весомым результатом является возможность получения максимального количества требуемых фракций зернистости. Сравнивая с рассевом материала серийного производства, можно говорить об увеличении выхода наиболее ходовых фракций зернистости в 1,5-2 раза, результаты рассевов белого и нормального электрокорунда аналогичны. Фракция минус 160 сведена к минимуму, а это значит, что получается меньше пыли, ухудшающей адгезионные свойства зерна и влияющей на работу оборудования.
Уменьшение адгезии будет способствовать более прочному закреплению зерна в связке. Снижение пыли в производственных помещениях на 30 — 50% позволит увеличить срок службы оборудования, работающего во вращающемся режиме, улучшить условия труда работающих. Отпадает необходимость дополнительной переработки мелкой фракции в плавильном комплексе завода, что позволит экономить электрическую энергию. Кроме того, безвозвратные потери электрокорунда в процессе производства определяются выходом мелких переизмельченных фракций. В результате использования центробежно-роторной установки ИЛС-5 при измельчении электрокорунда предполагается снижение производственных потерь более чем в 2 раза, а это дополнительная прибыль в размере 100 - 300 рублей на одну тонну электрокорунда [190]. Более подробный отчет исследований шлифовального зерна, полученного измельчением на центробежно-роторной установке ИЛС-5 и технико-экономическое обоснование применения её для измельчения электрокорунда представлены в документах Уральского научно-исследовательского института абразивов и шлифования (приложение Ш). Обеспечение всесторонней интенсификации общественного производства и повышения его эффективности является основной линией экономического развития страны. Ключевой проблемой экономики технического прогресса является определение экономической эффективности технических решений. В настоящее время основным аргументом в экономике служит энергетический критерий оценки любого производства. Необходимость энергетической оценки обусловлена следующими обстоятельствами: а) так как все производственные процессы в природе и обществе энер гетические, то интенсификация производства находится в прямой зависимо сти от энергопотребления, следовательно, от количества потребляемых ре сурсов и полноты их использования; б) рост энергозатрат в экономике сопровождается снижением трудоза трат на производство продукции, т.е. происходит замещение затрат живого труда (энергии человека) затратами вещества природы (энергии природы), и это соотношение является главным фактором роста производительности тру да; в) машины являются орудием (средством) вовлечения в производст венный процесс новых видов энергии (ресурсов) и эффективного её исполь зования. Это повышает производственные силы общественного труда. Поэтому энергоёмкость производства единицы продукции является важнейшим показателем эффективности, а снижение величины энергоёмкости служит ключевым показателем степени новизны технических и экономических решений [165...168, 172...174]. Исходя из вышеизложенного, расчет экономической эффективности применения центробежно-роторного измельчителя ИЛС-5 в сельскохозяйственном производстве при измельчении фуражного зерна производился по критерию энергетических затрат, используя энергетический эквивалент и в стоимостной форме.
