Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Кормовые ресурсы леса 10
1.2 Использование древесной зелени в животноводстве
1.2.1 Содержание минеральных и питательных веществ в хвое 21
1.2.2 Механические свойства древесины и древесной зелени
1.3 Зоотехнические требования к измельчению кормов и хвойной лапки 28
1.4 Способы и машины для заготовки и измельчения хвойной лапки.. 33
1.5 Машины для измельчения растительных материалов
1.5.1 Анализ измельчающих аппаратов 45
1.5.2 Конструктивные особенности и классификации режущих аппаратов
1.6 Краткий обзор научных исследований процесса измельчения растительных материалов резанием 55
1.7 Задачи научных исследований 63
2 Теоретические исследования по совершенствованию рабочего процесса измельчителя хвойной лапки 64
2.1 Обоснование конструктивно-технологических параметров измельчителя 64
2.2 Определение силы воздействия передней грани ножа на материал 73
2.3 Исследование динамического равновесия материала при движении в процессе резания 77
3 Программа и методика экспериментальных исследований 91
3.1 Программа экспериментальных исследований 91
3.2 Методика экспериментальных исследований 91
3.2.1 Приборы и аппаратура 91
3.2.2 Экспериментальные установки 93
3.2.3 Методика исследований энергетических показателей процесса изме6льчения 98
3.2.4 Методика определения характеристик исходного материала и готового продукта 99
3.2.5 Методика расчета энергетических показателей рабочего процесса измельчения 101
3.3 Краткая методика проведения многофакторного эксперимента.
Выбор критериев оптимизации 103
4 Результаты экспериментальных исследований рабочего процесса измельчителей 106
4.1 Исследования физико-механических характеристик хвойной лапки 106
4.2 Влияние скорости резания и угла защемления материала на энергоемкость процесса резания дисковым аппаратом 110
4.3 Исследование влияния факторов скользящего резания прямолинейными ножами диска на энергоемкость процесса 119
4.4 Влияние направления подачи материала в зону резания на энергетические показания дискового аппарата 125
4.5 Определение силы затягивания материала ножами диска 128
4.6 Исследование рабочего процесса комбинированного режущего аппарата. Устройство и принцип действия
4.6.1 Влияние углов защемления и подачи материала на энергетические показатели барабанного режущего аппарата 137
4.6.2 Определение силы затягивания материала ножами барабана 140
4.7 Исследование процесса измельчения хвойной лапки 145
4.7.1 Измельчение хвойной лапки двухступенчатым измельчителем с дисковым режущим аппаратом 145
4.7.2 Измельчение хвойной лапки комбинированным режущим аппаратом 148
4.8 Расширение функциональных возможностей измельчителей 154
4.9 Выводы 163
5 Технико-экономическая эффективность разработок 165
5.1 Расчет экономической эффективности 165
5.2 Расчет энергетической эффективности 172
Заключение 178
Список литературы
- Зоотехнические требования к измельчению кормов и хвойной лапки
- Определение силы воздействия передней грани ножа на материал
- Методика исследований энергетических показателей процесса изме6льчения
- Исследование влияния факторов скользящего резания прямолинейными ножами диска на энергоемкость процесса
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования. Современное состояние сельскохозяйственного производства характеризуется достаточно стабильными показателями животноводства в передовых хозяйствах. Однако хозяйства многих регионов России имеют низкие показатели по ряду причин, одной из которых является недостаточный уровень обеспеченности качественными кормами и несбалансированность рационов по основным питательным веществам.
Основным резервом повышения эффективности животноводства является совершенствование уровня кормления и снижение себестоимости продукции за счет рационального использования кормовых ресурсов, обладающих высоким содержанием витаминов, протеина, углеводов.
Восполнить недостаток питательных веществ в зимний период содержания животных можно за счет кормовых ресурсов леса. Фитомасса леса, как возобновляемый, экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии и питательных веществ все больше привлекает внимание отечественной и зарубежной науки.
Кормовые добавки из древесной зелени, по прогнозам отечественной и зарубежной науки, займут в будущем определенный удельный вес в кормовом балансе животноводства.
Проблема использования кормовых добавок из ресурсов леса, успешно решается многими развитыми странами даже в условиях перепроизводства обычных кормов. К числу таких стран относятся Австралия, Англия, Канада, Норвегия, США, Финляндия, Швеция, Япония и др.
В России накоплен определенный опыт использования древесной зелени в качестве витаминной кормовой добавки к традиционным кормам преимущественно в зимний период.
Проведенный анализ научно-технической литературы показывает, что промышленностью практически не производятся машины для измельчения древесной зелени. Переработку ведут либо на универсальных измельчителях, применяемых в сельскохозяйственном производстве, либо с помощью руби-тельных машин, после которых требуется доизмельчение молотковыми дробилками.
Поэтому создание измельчителя хвойной лапки является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. Целью работы является обоснование и оптимизация конструктивно-технологических параметров измельчителя хвойной лапки для приготовления кормовой добавки.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи научных исследований:
-
разработать конструктивно-технологические схемы измельчителей с дисковым и комбинированным режущими аппаратами;
-
теоретически обосновать конструктивно-технологические параметры режущих аппаратов измельчителей хвойной лапки;
-
получить математические модели рабочего процесса измельчения материала режущими аппаратами;
-
оптимизировать основные режимы работы измельчителей, обеспечивающие получение готового продукта с наименьшими энергозатратами при высокой пропускной способности;
-
оценить технико-экономическую и энергетическую эффективность использования разработанных измельчителей.
Объект исследований - рабочий процесс и конструктивно-технологические параметры измельчителей хвойной лапки с дисковым и комбинированным режущими аппаратами.
Научную новизну работы составляют:
конструктивно-технологические схемы измельчителей с дисковым и комбинированным режущими аппаратами;
аналитические зависимости для обоснования конструктивных параметров режущего аппарата, определения силы затягивания материала ножами режущего аппарата;
математические модели влияния конструктивно-технологических факторов на показатели рабочего процесса, позволяющие определить их оптимальное значение.
Теоретическая и практическая значимость работы:
аналитические зависимости и математические модели рабочего процесса позволяют определять оптимальные значения конструктивно-технологических параметров режущего аппарата;
измельчитель с комбинированным режущим аппаратом позволяет увеличить пропускную способность по сравнению с дисковым на 25%.
Результаты исследований используются предприятиями ООО "Котельнический механический завод" Кировская область и ЗАО "Арзамасская Сельхозтехника - Регион" Нижегородская область при освоении серийного выпуска измельчителей хвойной лапки.
Методология и методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны рабочий процесс и конструктивно-технологические параметры измельчителей хвойной лапки с дисковым и комбинированным режущими аппаратами.
При выполнении диссертационной работы использованы стандартные и частные методики с применением математического моделирования, сертифицированных приборов и современной вычислительной техники с пакетом программ для обработки результатов экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
конструктивно-технологические схемы измельчителей с дисковыми и комбинированным режущими аппаратами;
аналитические зависимости и математические модели рабочего процесса, позволяющие определить оптимальные значения конструктивно-технологических параметров режущего аппарата;
- технико-экономическая и энергетическая эффективность использования измельчителей.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов в заключении подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами использования измельчителей хвойной лапки в хозяйственных условиях.
Основные положения диссертационной работы доложены на: VI, VII и VIII Международных научно-практических конференциях «Наука-Технология-Ресурсосбережение» Вятской ГСХА (Киров, 2013–2016 гг.); научных конференциях молодых ученых, аспирантов и соискателей Вятской ГСХА (Киров, 2013–2016 гг.); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию создания кафедры «Ремонт машин и технология конструкционных материалов» (Чебоксары, 2014 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние прикладной науки в области механизации и энергетики» (Чебоксары, 2016 г.).
Научные исследования выполнены на кафедре эксплуатации и ремонта машинно-тракторного парка ФГБОУ ВО "Вятская ГСХА" в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: "Совершенствование технологических процессов и повышение надежности машин в животноводчестве" (номер государственной регистрации 01.2.006 09913).
По основным положениям диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и получен патент РФ на изобретение.
Зоотехнические требования к измельчению кормов и хвойной лапки
Во время другого опыта овцам и ягнятам скармливали по 0,25—0,5 кг свежеизмельченной хвои вместе с концентратами, а молодым, растущим свиньям — по 0,4 кг на 100 кг живого веса. У овец и ягнят привес был на 17—45, а у свиней на 20— 38% выше, чем в контроле. Была поставлена также серия опытов на овцематках, овцах, свиньях: 8 овцематок в течение 80 дней получали по 0,5 кг измельченной свежей технической зелени на одну голову в сутки. Привес ягнят оказался на 17— 20% выше, чем у контрольных (привес у овцематок опытной группы 43 г, а в контрольной — 28 г в сутки). В другом опыте 48 овцематок получали по 0,25 и 0,5 кг технической зелени на одну голову в сутки. Лучший результат был получен при дозе 0,25 кг. Ягнята весили на 45% больше, чем в контрольной группе. В следующем опыте 6 свиней в течение 100 дней получали по 0,5 кг технической зелени на одну голову в сутки. Привес в опытной группе был на 20,6% выше, чем в контрольной (в контрольной группе 559, а в опытной — 674 г в сутки на одну голову). Группа из 12 свиней в течение 100 дней получала по 0,4 кг хвои в сутки на 100 кг живого веса. Дополнительный привес составил 18% контроля (контроль — 690, опытная группа — 812 г в сутки). Кроме того, 20 свиней получали по 0,4 кг хвои на 100 кг живого веса в сутки. Дополнительный привес составил 21% контроля (контрольный — 520, опытный — 621 г в сутки), 104 свиньи получали в дополнение к основному рациону по 0,2 и 0,4 кг измельченной хвойной зелени. Лучший результат был получен в группе, получавшей 0,2 кг хвои в рационе, привес составил 35— 58%; среднесуточный привес: контроль—490, опыт — 783 г. Во всех опытах были проведены анализы пищевого достоинства мяса и сала. Мясо и сало, полученное от животных опытных групп, содержало больше витаминов и имело лучший вкус. У животных опытных групп увеличилось количество гемоглобина в крови и витамина А в печени.
Был поставлен опыт по применению свежей хвои в качестве витаминной подкормки птицам в ряде совхозов Лениградской области. При выгонном содержании на несушку скармливали до 10 г хвои в день, при клеточном содержании — до 7 г; цыплятам 20—30-дневного возраста — по 2 г в сутки на голову. За полгода применения хвои годовая яйценоскость повысилась от 146 до 171 яйца. Аналогичные результаты были получены в совхозах «Гранит», «Коминтерн», «Приморье». Случаев отрицательного действия хвои на пищеварение птицы за 6 лет не наблюдалось.
В Кировской области провели опыт по скармливанию курам свежей хвои. Куры опытной группы (2213 голов) дополнительно к рациону получали по 10 г свежей хвои на одну голову в сутки. За 20 дней в опытной группе было собрано на 278 яиц больше, чем в контроле. Через 5 дней яйценоскость в опытной группе повысилась на 5% по сравнению с контрольной, а через 10 дней — на 14% и в дальнейшем держалась на таком же уровне. В желтке яиц опытной группы содержание каротина было на 25% выше. Выводимость цыплят из яиц опытной группы увеличилась в течение опыта с 72 до 82% по сравнению с контролем, понизился падеж молодняка.
При скармливании свежей хвои, кроме дополнительного привеса, надоя и повышения жизнестойкости животных и птиц, наблюдается улучшение показателей воспроизводства у крупного рогатого скота. Примером может служить совхоз «Федоровское» Ленинградской области, где коровы в зимнее время в дополнение к основному рациону получают до 2 кг свежеизмельченной хвойной лапки в сутки.
В совхозе «Детскосельский» Ленинградской области в опыте с 118 свиньями, протекавшем в течение 28 дней, скармливали дополнительно к основному рациону по 50 г свежеизмельченной технической зелени на одну голову в сутки. Среднесуточный привес в контрольной группе был 333 г, а в опытной — 366 г, т. е. на 9,9% выше. Затрата корма на 1 кг привеса в контрольной группе 4,7 кормовой единицы, а в опытной— 4,4 кормовой единицы, т. е. на 6,4% меньше. Хвою успешно использовали также в борьбе с яловостью коров и болезнями молодняка. В этом случае в качестве подкормки применяли свежую дробленую хвою и хвойный настой. Хвои давали по 0,5 г на 1 кг живого веса, настоя — по 5—7 л на одну голову. Положительный результат был достигнут через 15 дней. То же наблюдалось у свиноматок, которым давали по 2—6 л хвойного настоя. Настой хвои давали также телятам, больным паратифом— до 1 л на одну голову в день; поносы от этого прекратились. В результате применения хвойного настоя и скармливания хвои коровам и телятам у последних увеличился привес, а коровы повысили надой по сравнению с прошлой лактацией на 400 л.
Положительные результаты были получены при применении хвои при лечении авитаминоза у телят. Практика показала, что хвоя даже при самой примитивной подготовке ее к скармливанию поедается скотом и приносит пользу. В рационах крупного рогатого скота хвоя может достигать 2 кг в день при откорме молодняка и 3…5 кг для взрослых животных [74]. Измельченная хвойная масса, предназначенная для непосредственного скармливания животным должна отвечать ряду требований, включающих цвет, запах, влажность, содержание примесей и т.д. [151].
Определение силы воздействия передней грани ножа на материал
Существует несколько мнений о критериях оценки эффективности измельчителей кормов, но большинство ученых поддерживает С.В. Мельникова в том, что при оценке работы измельчающих устройств необходимо принимать во внимание оптимальное соотношение трех показателей: затрат энергии на измельчение, пропускной способности и степени измельчения.
Вопросами резания и измельчения древесины и хвойной зелени занимались многие исследователи, такие как: Аввакумов М.В., Вальщиков Н.М., Воскресенский С.А., Гаузе А.А., Герасимович А.О., Гомонай М.В., Гончаров В.Н., Ивановский А.А., Качелкин Л.И., Коперин Ф.И., Коробов В.В., Михайлов Г.М., Рушнов Н.П., Черезова В.М., Ягодин В.И. и многие другие.
Взаимодействие лезвия с упруговязкопластичным материалом, к которым относятся растительные стебельчатые материалы, в процессе резания характеризуется сложными физическими процессами, зависящими от ряда конструктивных, кинематических факторов и физико-механических свойств материала.
Основной характеристикой процесса резания является энергоемкость, определяемая остротой лезвия, углом его заточки, толщиной лезвия, угла наклона режущей кромки, угла затягивания (переднего угла лезвия), зазора в режущей паре, скорости резания, состоянием и механическими свойствами материала.
Скорость резания является одним из важнейших факторов процесса измельчения, растительных материалов лезвием. Считается, что ножевые режущие аппараты относятся к низкоскоростным и исследованию данного фактора уделяется значительное внимание. Предметом исследований является установление закономерностей снижения энергоемкости с повышением скорости резания. Рядом авторов [37,58,59,64,109] было установлено снижение силы резания растительных материалов при увеличении скорости резания. Исследованиями В.И. Филина [148] выявлено, что при увеличении скорости резания стеблей овса с 13 до 32 м/с удельное сопротивление резания снижается почти вдвое. Аналогичные результаты были получены исследованиями А.Н. Карпенко [64], при увеличении скорости резания стеблей зеленой ржи с 0,1 до 0,8 м/с сила резания снизилась в 7,6 раза. Н.Е. Резник [127] объясняет данное явление изменением некоторых физико-механических свойств материала.
Тенденция снижения энергоемкости сохраняется и при резании слоя волокнистых растительных материалов. Исследовав диапазон скоростей резания стеблей кукурузы от 10 до 21 м/с Н.Е. Резник установил, что сила резания снизилась в 1,86 раза, удельная работа резания – в 1,6 раза. При резании со скоростью 40 м/с наблюдается оптимум данного фактора.
Наиболее часто скорость резания современных силосоуборочных комбайнов составляет 32…40 м/с и дальнейшее повышение не целесообразно ввиду малого снижения энергоемкости.
Анализ публикаций результатов исследований влияния скорости на процесс резания древесины показывает, что у авторов нет единого мнения в конкретных значениях этих факторов. Это вызвано прежде всего многообразием конструкций режущих аппаратов и различными свойствами материала.
При резании древесины на повышенных скоростях наблюдается улучшение качества обработки и снижение удельной работы за счет локализации напряжений [38,59].
При получении щепы [31,33], увеличение скорости резания свыше 25 м/с приводит к увеличению силы резания и возрастанию количества мелкой фракции.
Увеличение скорости резания еще более ухудшает показатели процесса резания мерзлой древесины [89]. При скорости 36,4 м/с доля мелкой фракции и опилок достигает 40%, что существенно снижает качество готового продукта. При этом существенно возрастают энергозатраты измельчения за счет увеличения прочности мерзлой древесины на сжатие вдоль и поперек волокон более чем в 2 раза.
Исследования процесса резания ветвей яблони [90,91] с заделкой щепы в почву установлено, что оптимальная скорость резания 3,8 м/с позволяет осуществлять измельчение с минимальными энергозатратами.
Оптимизация подборщика-измельчителя ветвей плодовых деревьев (а.с.№1454318, 1655365) [11,52] позволила установить оптимальную скорость резания в щепу ветвей яблони диаметром 10…15 мм. При скорости подачи ветвей 1,4 м/с оптимальная скорость режущей кромки ножа составляет 8м/с. Важными конструктивными факторами являются геометрические параметры ножей и загрузочной горловины, существенным образом влияющие на производительность и энергоемкость процесса резания.
Исследованиями установлено [128,129,130], [46,60,125,133], что при увеличении угла заточки лезвия, образованного фасками (гранями) лезвия от минимально возможных значений до 80 критическая сила резания увеличивается более чем в четыре раза. При этом существенный рост силы резания наблюдается при углах заточки более 50. Исследованиями [128, 130] установлено, что удельная работа резания стеблей кукурузы при увеличении угла заточки с 15 до 50 возрастает в 2 раза. При безопорном резании стеблей пшеницы [37] наблюдается аналогичная картина повышения усилия резания при увеличении угла заточки.
Методика исследований энергетических показателей процесса изме6льчения
Конструкция позволяет изменять расположение противорежущей балки и тензодатчиков в вертикальной плоскости таким образом, чтобы устанавливать различные углы скольжения и защемления материала в различных точках резания по длине лезвия ножа (рисунок 3.3). Изменение скорости резания осуществляли приводом рубительной машины от электродвигателя через частотный преобразователь ESQ А900 (рисунок 3.4).
В зависимости от расположения материала в загрузочном окне изменяется радиус - вектор точки резания ножа относительно оси вращения а, следовательно, и скорость резания при постоянной угловой скорости вращения диска. Изменяется также и угол между режущей кромкой ножа и противорежущей балкой и соответственно "угол скользящего резания". Поэтому в лабораторных исследованиях для изучения влияния различных факторов на энергетические показатели процесса резания были выбраны различные точки расположения измельчаемого материала относительно оси вращения диска с ножами.
Тарировка регистрирующей аппаратуры осуществлялась следующим образом: в каждой из выбранных точек резания вдоль лезвия ножа закрепляли нижнюю ось электронно-цифрового динамометра ДОУ-3-50И. Вторая ось подвеса его крепилась на неподвижной опоре. Изменением расстояния расположения груза на рычаге, закрепленном на шкиве, от оси вращения диска создавали усилие в каждой точке резания ножа в 50 и 100 кг. Радиусы расположения груза на рычаге для каждой точки резания строго фиксировались. Затем после снятия динамометра на противорежущую пластину помещали измельчаемый брусок и создавая усилие 50, 100 кг, которое распределялось на две тензобалки, включали регистрирующую аппаратуру. Подобрав требуемый коэффициент усиления и масштабы по осям х и у, получали диаграмму записи сначала с нагрузкой, а затем без нее для проверки дрейфа нуля. Пример диаграммы приведен на рисунке 3.5. уу 1 Ijj - її 1 0,012
С изменением места подачи измельчаемого материала в приемном окне камеры измельчения относительно оси вращения в горизонтальной плоскости изменяются скорость и угол резания. В первом ближнем от оси вращения положении бруска на радиусе 180 мм угол максимальный и равен 34, в наиболее удаленном от оси третьем положении радиус 320 мм угол резания минимальный - 18. При среднем положении заготовки угол резания имеет промежуточное значение - 26. С целью выявления наиболее целесообразного места подачи с точки зрения минимальных затрат энергии на резание изменялось расположение противорежущей балки в вертикальной плоскости таким образом, чтобы в крайних положениях подачи материала имелась возможность устанавливать углы 18 и 34. При этом для обеспечения одинаковых значений угла скользящего резания противорежущую балку устанавливали с учетом того, чтобы центр сечения бруска и точка резания ножа не изменяли своего положения, как по горизонтали, так и по вертикали относительно оси вращения диска.
В основе конструкции измельчителя хвойной лапки с комбинированным рабочим органом заложен режущий аппарат состоящий из дисковой и барабанной части в виде одной сборочной единицы. Измельчитель содержит две ступени измельчения. На первой ступени осуществляется измельчение ножами режущего аппарата, а на второй билами, расположенными на периферии барабана. Схема измельчителя и его общий вид представлены на рисунке 3.6.
Методика исследований предполагала изучение процесса измельчения с самозатягиванием материала ножами рабочего органа.
Энергозатраты процесса измельчения оценивали по показаниям дисплея частотного преобразователя ESQ A-900 с видеофиксацией.
Исследования проводили с использованием методов планирования активного эксперимента. Адекватность полученных моделей оценивалась регрессионным анализом.
На этапе лабораторных исследований для стабильности результатов повторностей опыта измельчаемым материалом являлись сосновые бруски сечением 22х22 мм со средней относительной влажностью 10 и 30%. Сечение бруска выбирали исходя из вероятности одновременного резания нескольких веток. Для определения усилия и работы резания записывались нагрузочные диаграммы (рисунок 3.7).
На этапе оптимизации измельчению подвергалась еловая хвойная лапа диаметром в отрубе до 15 мм зимней заготовки. 3.2.4 Методика определения характеристик исходного материала и готового продукта Перед началом опытов производят контрольный замер влажности материала штыревым гигрометром (рисунок 3.8) согласно прилагаемой к прибору инструкции. Рисунок 3.8 - Штыревой гигрометр KIMO НМ 100 Для определения средневзвешенного размера и гранулометрического состава, измельчённого материала проводился анализ навески массой 0,1 кг. Отбор проб измельченного материала и анализ гранулометрического состава осуществляли в соответствии с ГОСТ 21769-84. Навеска просеивалась на вибрационном классификаторе РЛ-3М в течение 5 мин (рисунок 3.9). При лабораторных исследованиях был подобран набор сит со следующими отверстиями (0,512; 1,00; 1,50; 2,00; 3,00; 4,00; 6,00; 8,00)-10"3 м (рисунок 3.10).
Исследование влияния факторов скользящего резания прямолинейными ножами диска на энергоемкость процесса
Анализ полученных результатов показывает, что при резании «сухой древесины» наибольшее значение силы затягивания, равное 44 Н, достигается при углах и . Данные значения согласуются с результатами предыдущего эксперимента и исследованиями других авторов [127,129]. При резании мерзлой древесины максимальное значение силы затягивания достигается при и и составляет Н. Дальнейшее увеличение факторов снижает значения критерия оптимизации. В пределах варьирования исследуемых факторов усилие затягивания возрастает в 3…5 раз.
Выводы: Выявлена зависимость силы затягивания ножами дискового режущего аппарата от угла скольжения и направления подачи материала к плоскости резания. При резании мерзлой древесины значение силы затягивания снижается на 25…30% по сравнению с резанием при положительной температуре (сухой древесины). При подаче материала под углом в вертикальной плоскости и разворотом к плоскости резания по горизонтали оптимальными значениями угла скольжения являются 32..34. При этом сила затягивания материала ножами диска достигает 2,73 Н/мм длины загруженной части лезвия. Исследование рабочего процесса комбинированного режущего аппарата. Устройство и принцип действия Схема комбинированного рабочего органа представлена на рисунке 4.18.
Он состоит из дисковой и барабанной частей, объединенных в одну сборочную единицу. На диске 2 установлено четыре ножа 4. С учетом результатов ранее проведенных экспериментов ножи отклонены на величину эксцентриситета р= 178 мм. К диску при помощи сварки закреплен барабан 1 с четырьмя ножами 3, лезвия которых обращены внутрь. Таким образом, получен комбинированный режущий аппарат, содержащий восемь ножей поочередно участвующих в процессе резания. Барабан содержит билы 6, обеспечивающие процесс доизмельчения и эвакуации готового продукта, а к диску приварены лопасти 5, выполняющие функцию крыльчатки вентилятора-швырялки. На рисунке 4.19 представлен общий вид измельчителя с комбинированным режущим аппаратом со стороны загрузочной горловины, а общий вид рабочего органа показан на рисунке 4.20. Рисунок 4.20 – Общий вид комбинированного рабочего органа Рисунок 4.19 – Общий вид измельчителя с комбинированным рабочим органом 136 Рабочий процесс осуществляется следующим образом: измельчаемый материал подается в загрузочную горловину (рисунок 4.21), содержащую противорежущую пластину, взаимодействующую одновременно с ножами диска и ножами барабана (рисунок 4.22), и попадает к измельчающему аппарату.
При исследовании энергетических показателей процесса резания ножами барабана проведен активный эксперимент. Для этого реализована трехфакторная матрица плана Бокса-Бенкена [20]. Исследовали влияние на энергоемкость процесса следующих факторов: х\ - положение заготовки относительно образующей внутренней поверхности барабана, выраженное в угловой характеристике ау; х2 - угол защемления материала , составленный линией лезвия ножа и верхним обрезом противорежущей пластины; х3 -линейная скорость ножа .
Уровни варьирования факторов выбраны на основе ранее выполненных однофакторных экспериментов и представлены в таблице 4.9.
В качестве измельчаемого материала выбраны сосновые бруски сечением 2222 мм влажностью 14...20%. Усилие резания передавалось на два тензорезисторные датчика Т2-0Д-С3 (рисунок 4.23), на которые опиралась противорежущая пластина, расположенная в точке резания ниже горизонтальной оси барабана на 20 мм. Регистрация сигналов с датчиков велась при помощи цифрового многоканального преобразователя "S-Recoder-L" и персонального компьютера. В ходе обработки экспериментального материала рассчитывалась: эквивалентная сила за время резания Дэкв.рез.[127].
Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие влияние угла подачи материала в горизонтальной плоскости ау (фактор х\), угла защемления материала / (фактор х2), линейной скорости ножа Vрез (фактор х3) на удельную работу резания: а- Jt3=0 ;б- х2=0 ;в- JCI=0
Анализ модели регрессии и двумерных сечений показывает, что в области эксперимента увеличение угла подачи материала к ножам от 30 до 46…48 позволяет снизить удельную работу резания с 27 до 18,8 кДж/м2. Дальнейшее увеличение y приводит к возрастанию критерия оптимизации. Увеличение угла защемления материала ножом и противорежущей пластиной от 0 до 24…25 снижает удельную работу резания с 32 до 19…20 кДж/м2. При угле защемления 30 энергоемкость измельчения увеличивается.
Изменение скорости резания аналогичным образом отражается на энергоемкости процесса измельчения, то есть, энергозатраты снижаются при увеличении скорости до 36,5 м/с, а при больших скоростях энергозатраты возрастают.
При резании барабанным рабочим органом оптимальными значениями факторов являются: угол подачи материала к ножам y=46…48; угол защемления материала =24…25; скорость резания V=36…37 м/с. При этом удельная работа резания составляет 18,5…19,0 кДж/м2.
Для подтверждения теоретических предпосылок проведены экспериментальные исследования влияния на усилие затягивания материала ножами барабанного режущего аппарата таких факторов, как угол затягивания между задней гранью ножа и направлением резания (рисунок 4.25), расположение противореза относительно оси барабана по высоте (фактор ) и угол защемления материала (на схеме не показан). Рисунок 4.25 – Схема взаимодействия ножа с материалом: 1–барабан; 2–нож; 3–противорежущая пластина (противорез); 4-материал
Реализована матрица плана Бокса-Бенкена (таблица 4.10). Угол затягивания варьировал в пределах 3…9 изменением угла заточки ножа. Положение В противореза по высоте относительно оси барабана выбирали исходя из теоретических обоснований и эпюры силы затягивания (раздел 2.1). Данный фактор изменялся от 0 до 40 мм (ниже оси барабана), причем значение 40 соответствовало уровню (-1), а 0 – уровню (+1). Угол защемления материала ножом и противорежущей пластины изменялся от 0 до 30 перестановкой противореза.