Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Характеристика корнеклубнеплодов, используемых для кормления скота 8
1.2. Анализ машин для измельчения корнеклубнеплодов 11
1.3. Состояние исследований процесса резания корнеклубнеплодов 22
1.4. Цель и задачи исследований 26
2. Теоретические исследования процесса резания корнеклубнеплодов клиновидным ножом 28
2.1. Оценка функционирования технических систем подготовки корнеклубнеплодов к скармливанию животным 28
2.2. Анализ процесса резания 35
2.3. Определение усилия, необходимого на отделение стружки от общей массы корнеклубнеплода 36
2.4. Определение усилия изгиба отрезаемой стружки 40
2.5. Определение усилия отбрасывания стружки 43
2.6. Сопротивление перемещению ножа пластинчатого с гребенчатыми выступами (диффузионного) 46
2.7. Определение длины стружки, скалываемой ножом 49
2.8. Определение угла резания ножом с криволинейной передней гранью 51
2.9. Определение основных параметров измельчителя 53
3. Экспериментальные исследования процесса резания корнеклубнеплодов 58
3.1. Задачи экспериментальных исследований 5 8
3.1.1. Характеристика корма 5 8
3.1.2. Исследования прочностных свойств кормовой свёклы при сжатии 59
3.1.3 Исследования трения кормовой свёклы по различным материалам 67
3.1.4. Оборудование и методика исследования резания корнеклубнеплодов 76
3.1.5. Оборудование и методика определения энергетических показателей резания корнеклубнеплодов 79
3.2. Методика проведения исследований по определению конструктивных параметров рабочих органов и режимов резания корнеклубнеплодов 83
3.3. Оптимизация режимов резания ножом пластинчатым 87
3.4. Оптимизация режимов резания ножом пластинчатым с гребенчатыми выступами (диффузионным) 95
4. Производственные испытания измельчителя корнеклубнеплодов на корм скоту 106
4.1. Оценка экономической эффективности применения измельчителя 113
Общие выводы и предложения 117
Литература 119
Приложения 129
- Состояние исследований процесса резания корнеклубнеплодов
- Определение усилия, необходимого на отделение стружки от общей массы корнеклубнеплода
- Исследования прочностных свойств кормовой свёклы при сжатии
- Оптимизация режимов резания ножом пластинчатым с гребенчатыми выступами (диффузионным)
Введение к работе
Повышение продуктивности сельскохозяйственных животных и снижение себестоимости получаемой продукции обеспечивается при увеличении в рационах богатых протеином, витаминами и белками сочных кормов. Ценным видом сочных кормов для молочного стада коров и других сельскохозяйственных животных являются корнеклубнеплоды, скармливаемые в чистом виде, в составе комбисилосов и наиболее полно усваивающиеся в составе влажных полнорационных кормосмесей [1...5]. Для введения корнеклубнеплодов в кормосмеси, для закладки их на хранение в составе комбисилосов, а также для дачи животным в чистом виде корнеклубнеплоды необходимо предварительно измельчать.
Зоотехническими требованиями предусмотрено измельчение для кормления в чистом виде крупный рогатый скот ломтями толщиной 8... 12 мм. Для свиней, телят, а также для всех животных в смеси с другими кормами корнеклубнеплоды измельчают до размера пластиной шириной от 10 до 30 мм, толщиной 5...10 мм и длиной равной длине продукта [13,14]. При закладке корнеклубнеплодов в составе комбисилосов их необходимо измельчать также как и при выдаче животным в смеси с другими кормами.
Анализ характеристик измельчителей корнеклубнеплодов и
универсальных машин, применяемых для их приготовления к скармливанию, показывает, что выпускаемые промышленностью машины имеют низкие качественные и эксплуатационные показатели, высокую энергоёмкость выполняемого процесса, металлоёмки. Обоснованию конструктивно-технологической схемы машины и исследованию процесса измельчения корнеклубнеплодов посвящена эта работа.
Цель работы. Совершенствование резания корнеплодов с обоснованием параметров измельчителя.
Объект исследования. Измельчение корнеклубнеплодов режущими рабочими органами. Физико-механические свойства корнеклубнеплодов,
проявляющиеся при взаимодействии с рабочими органами и ограждающими конструкциями.
Методика исследований. Теоретические исследования опирались на законы и методы математики, физики и механики. Постановка экспериментальных исследований и производственных испытаний проводились в соответствии с действующими ГОСТами и разработанными методиками.
Научную новизну составляют:
-модель функционирования измельчителя корнеклубнеплодов;
-методика определения усилий возникающих при резании корнеклубнеплодов;
-теоретическое обоснование параметров измельчающих органов;
-аналитическое выражение для определения энергоёмкости отделения стружки от куска свёклы и длины стружки.
Практическую ценность представляют:
-конструкция устройства для определения усилия резания корнеклубнеплодов;
-комплект оборудования для лабораторного исследования физико-механических свойств корнеклубнеплодов;
-основные положения диссертации;
-опытный образец измельчителя;
-результаты хозяйственных испытаний измельчителя
корнеклубнеплодов.
Экспериментальные исследования производились в СГАУ им. Н.И. Вавилова (г. Саратов), лаборатории приготовления полнорационных кормосмесей ВИИТиН (г. Тамбов). Производственные испытания измельчителя проходили в колхозе им. Ленина, Тамбовского района, Тамбовской области. Обработка экспериментальных исследований производилась с использованием статистических методов.
Апробация. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены: на научных конференциях профессорско - преподавательского состава, сотрудников и аспирантов по итогам научно-исследовательской
работы СГАУ им. Н.И. Вавилова (г. Саратов) в 1982, 1983 гг.; на научной конференции профессорско - преподавательского состава, сотрудников и аспирантов УСХА (г. Ульяновск) в 1982 году, на международной конференции «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО», (г. Уфа) в 2003 году; на международной научно - практической конференции «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы», (г. Пенза) в 2003 году.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 научных работах. Новизна конструкции устройства для определения усилия резания подтверждена авторским свидетельством на изобретение СССР № 905702.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, списка использованной литературы, общих выводов и предложений.
На защиту выносятся:
-модель процесса подготовки корнеклубнеплодов к скармливанию животным;
-теоретическое обоснование конструктивно - режимных параметров измельчителей корнеклубнеплодов барабанного типа;
-опытный образец измельчителя барабанного типа с огибающей барабан спиральной кривой;
-методика экспериментального исследования резания кормовой свёклы ножами различной формы;
-результаты хозяйственных испытаний предложенного измельчителя корнеклубнеплодов.
Состояние исследований процесса резания корнеклубнеплодов
В исследованиях отечественных ученых [76...86] рассмотрены основные положения процесса резания различных растений и материалов клиновидным режущим инструментом. Во всех работах за основу для определения общего сопротивления резания принята рациональная формула академика В.П.Горячкина [87]. В приложении к случаю резания корнеклубнеплодов она имеет вид:
Рр=Ро+Р +Ъ. (1.1) Согласно исследованиям Г.И.Новикова [26], сопротивление резанию лезвием Р0 зависит, главным образом, от механических свойств продукта. Сопротивление деформации отрезаемого слоя и трению о грани ножа Рд определяется по формуле: Величина qp определяется экспериментально для каждого вида корнеклубнеплодов, величины Кд и Кп определены экспериментально для исследуемой конструкции измельчающего механизма.
Другие авторы [27, 54, 55, 81] предлагают ввести в формулу для определения мощности, необходимой для измельчения корнеклубнеплодов также величину q, характеризующую удельное давление на единицу длины ножа без учета скорости резания, параметров режущего органа.
Б.В. Кононов и Л.Н. Ромазанов [82] ввели в формулу для определения мощности, затрачиваемой на измельчение корнеклубнеплодов, величину, характеризующую удельный расход энергии. Величина удельного расхода энергии на измельчение корней кормовой свеклы и куузику равна 0,6 - 0,8 квт ч./т.
Удельное сопротивление резание материала ввел в формулу для определения мощности, необходимой для измельчения корнеклубнеплодов Х.Х.Куйго [54].
В.М.Бойко экспериментально определил общее сопротивление резанию корнеплода, из которого отнял сопротивление отбрасыванию, определенное теоретическими построениями, в результате получил усилие, необходимое для отделения стружки от основной массы материала и её деформации. Результатом его работы являются общие рекомендации по заточке ножей для скоростного резания корнеклубнеплодов [85].
Представляют интерес работы ученых, исследующих процесс резания металлов [88...98]. В них предлагаются обобщенные формулы для определения режимов резания, в которые включены различные поправочные коэффициенты, учитывающие влияние таких факторов, как скорость и глубина резания, подача (применительно к резанию сельскохозяйственных материалов - ширина стружки), даются рекомендации по определению коэффициентов трения стружки о резец. Приведены схемы стружкообразования с силами, действующими на переднюю и заднюю поверхности инструмента.
Наибольший интерес представляет работе А.А.Рунцо [86], где предлагается рассматривать резание, как внедрение клина в материал с определенными физико-механическими свойствами. Усилие резания представляется как сумма сил необходимых: на отделение стружки от основной массы материала; на деформацию и сообщение ей скорости сравнимой со скоростью резания; на преодоление трения о переднюю поверхность инструмента. Но в указанной работе не даны конкретные рекомендации по определению указанных сил. Поэтому, несмотря на большое количество методик по определению мощности привода измельчителя корнеклубнеплодов, имеющихся в технической литературе, данных для её расчета недостаточно, так как все они применимы строго для определенных условий.
Следует отметить, что исследования физико-механических свойств корнеклубнеплодов проводилось применительно к конкретной конструктивной схеме измельчителей, что не позволяло обобщить их результаты. Имеется настоятельная необходимость разработать инструментарий, обеспечивающий получение результатов исследований при использовании для любых конструктивных схем измельчителей.
Определение усилия, необходимого на отделение стружки от общей массы корнеклубнеплода
Рядом исследователей установлен факт образования перед сваями, резцами, штампами, ножами так называемых "уплотненных ядер", которые резко изменяют механику процесса разрушения различных материалов [93, 95, 98,106, 107].
Как известно, во всех видах разрушения твердых тел, доминирующим является процесс сжатия, почти не изученный в зоне пластических деформаций. При лабораторных опытах на раздавливание возникают краевые условия и отсутствует сплошность материала. В связи с этим, можно констатировать, что в различных условиях разрушения (при Рмах) при одноосном сжатии с учетом "уплотненных ядер" можно ожидать возникновения в разрушаемых образцах объемного напряженного состояния.
Профессором А.Н.Зелениным были проведены исследования [105] по изучению напряженного состояния образцов при одноосном сжатии, целью которых являлось установление факта образования "уплотненных ядер" в образцах при сжатии и влияние этих ядер на процесс разрушения, вплоть до раздавливания при Рмах. При проведении опытов на сжатие образцов свеклы И.И.Мейлахс [99] наблюдал, при постепенном нагружении образца, внезапное разрушение его с образованием уплотненного ядра (рис. 2.4). Р.А.Шагимарданов при проведении опытов на разрушение шаровых образцов ударом о неподвижную стенку [100] также обнаружил образование уплотненного ядра (рис. 2.5). Образование его имело место также при проведении опытов по определению усилия резания кормовой свеклы на вертикальном копре перед ножом на всех скоростях резания. При этом ядро не разрушается, а является как бы разрушающим инструментом более прочным, чем разрушаемый материал.
Формирование уплотненного ядра существенно изменяет картину напряженного состояния в материале. Представим, что в начальной стадии сжатия образца в форме цилиндра или куба уплотненные ядра ещё не сформированы. Тогда элементарные нагрузки АР , которые пока условно можно считать расположенными равномерно по сечению АВ (рис. 2.6 а), будут расположены нормально к обеим горизонтальным поверхностям образца, и под их воздействием возникнут элементарные силы трения AT . Силы трения неизбежно возникнут в реальных условиях. Выделим из образца полоску шириной АЪ (рис. 2.6 б). В горизонтальных сечениях образца возникнут сжимающие напряжения. Форма эпюры напряжения сжатия будет зависеть от отношения hfb образца.
При образований уплотненных ядер суммарное воздействие от сил АР и AT передается на тело материала (в объеме II) в виде элементарных нагрузок АР\ перпендикулярных к контурной линии АСВ уплотненных ядер. В связи с тем, что в процессе дальнейшей нагрузки ядро (объем I) перемещается вертикально, деформируя объем II, на поверхности этих объемов возникают силы трения AT. В результате по контурам АСВ возникает элементарные нагрузки AR (рис.2.6 а и б), которые вызывают горизонтальные напряжения растяжения. Отсюда следует, что материал при его одноосном сжатии разрушается также от растягивающих напряжений. В реальных условиях сжатия материала при измельчении ножом, молотком или иным рабочий органом картина разрушения принципиально не изменится: вместо двух уплотнённых ядер будет одно с формой, обусловленной формой рабочего органа. В случае резания линейным ножом, форма уплотненного ядра будет иметь форму клина, и растягивающие напряжения возникнут только в одной плоскости.
Таким образом, постоянное сопротивление резанию Р0 (рациональная формула академика В. П. Горячкина), обусловленное возникновением перед разрушающим органом напряжений растяжения, зависит от временного сопротивления на растяжение разрушаемого материала авр и будет для него постоянным.
Исследования прочностных свойств кормовой свёклы при сжатии
До настоящего времени процесс разрушения кормовой свёклы изучали многие исследователи [23, 25, 26, 54, 55, 57], но эти исследования производились в условиях непосредственно приближенных к условиям измельчения в конкретных машинах или применительно к определённому классу кормоприготовительных машин. Поэтому был подготовлен эксперимент с целью изучения поведения образца свёклы в нагруженном состоянии до его полного разрушения с точки зрения сопротивления материалов. Для этой цели была изготовлена разрушающая машина (рис.3.1) представляющая собой штатив 1, на котором установлен микрометрический винт 2, с воротком и шкалой для контроля перемещения нагрузочного пуансона 3. Исследуемый образец свёклы располагается на предметном столике 4, закреплённом в верхней части кольца 5 предварительно оттарированного динамометра. Показания динамометра снимаются с индикатора часового типа. 6.
Работа на разрушающей машине производится следующим образом: на предметный столик 4 строго по центру помещается образец свёклы, затем вращением микрометрического винта 2 образец сжимается с фиксацией перемещения пуансона через 1 мм его осевого смещения и одновременной фиксацией показаний динамометра 5 на индикаторе часового типа 6. Все показания заносятся в таблицу. Для выяснения влияния расположения волокон в свёкле на прочность образца - эксперимент производился с приложением нагрузки вдоль волокон и отдельно с приложением нагрузки поперёк волокон. Кормовая свёкла для эксперимента бралась из хранилища колхоза им. Ленина, Тамбовского района в середине декабря 1998 года.
Размеры образца свёклы в опытах:
D06P= 29 мм, пуансон D„= 29 мм, Ьобр=29мм. Тарировка динамометра производилась при помощи дисков спортивной штанги с интервалом в 2,5 кг.
Деформация образца свёклы определялась по формуле:
AL = L-l, (3.1)
где L - перемещение нагрузочного пуансона под воздействием микрометрического винта, мм;
/ - показания индикатора динамометра, мм.
Для удобства работы с материалом исследований используя численные методы дифференцирования [113] находим усилие сжатия свёклы образца свёклы при увеличении деформации сжатия на 1...2 мм, по формуле 2 определяем среднеквадратичную величину усилия по результатам нескольких опытов и заносим в таблицы 3.1 и 3.2. P tf (3-2) Относительная деформация є определялась по формуле:
=-г (3.3) Модуль упругости Е находился из выражения:
Одним из показателей характеризующих прочность материала при его разрушении является относительное сжатие до его полного разрушения. В случае с кормовой свёклой в таблице 3.3 приведены результаты деформации образцов свёклы до полного разрушения.
Оптимизация режимов резания ножом пластинчатым с гребенчатыми выступами (диффузионным)
После реализации первой части эксперимента по резанию образца корнеплода ножом пластинчатым, были получены параметры исследуемых величин, в пределах которых усилие резания минимально. С учётом этих данных, производим вторую часть эксперимента по резанию кормовой свеклы ножом пластинчатым с гребенчатыми выступами (диффузионным), принимая толщину стенки диффузионного ножа постоянной и равной S = 1 мм. В качестве дополнительного фактора вносится расстояние между поперечными пластинами ножа s. Учитывая, что в парном взаимодействии дополнительного
96 фактора с тремя остальными могут быть существенные отличия от результатов первой части эксперимента, влияющие на усилие резания, вводим также их, определив интервалы и уровни варьирования с преобразованием в условные единицы по формулам [120, 121]. После преобразования факторов, уровни их варьирования сведены в таблицу 3.8.
Вторая часть эксперимента проводится также согласно центральному композиционному ротатабельному униформ - планированию второго порядка для четырех факторов [120, 121] и результата обрабатываются по формулам (3. 7, ...3.26) с занесением в таблицу (Приложение 3).
После реализации второй части эксперимента и обработки данных получена полиномиальная модель процесса резания корнеклубнеплодов по выбранным оценочным показателям для ножа пластинчатого с гребенчатыми выступами ( диффузионного): Ррез = 35,529-1,084 +9,674Х2 н-1Д68ЛГ5 -7,339Х6 + 2,25X 2 + 3,875 + + 2,0Х2Х5 -4,375 2Х6 -\,25Х5Х6 + 2,747Х52 + 3,62Uf; (3.43) / = -13,203-1,44 +2,711Х5 +5,035Х6 +0,717X 6 +1,126Х2Х5 +3,284Х2Х6 -1,253Х5Х6 -0,747Af -0,624 1 +3,02Х2 + 1,652Х. (3.44) Для моделей (3.43), (3.44) и выбора оптимальных режимов резания корнеклубнеплодов ножом пластинчатым с гребенчатыми выступами (диффузионным) воспользуемся методом построения двумерных сечений поверхности отклика [120]. Продифференцировав уравнения (3.43) и (3.44), взяв производные первого порядка по каждой переменной и, приравняв их нулю, получим: — - = -1,084 + 2,25Х2 + 3.875Х, = 0; дх, Так как энергоемкость резания корнеклубнеплодов находится в прямой зависимости от усилия резания, а усилие отжатия стружки ножом необходимо учитывать при прочностном расчете барабана и ограждающего корпуса, так же и в случае с плоским ножом, все дальнейшие исследования ведем по усилию резания корнеклубнеплодов. Оптимальная скорость резания находится в исследуемой области и составляет для ножа пластинчатого с гребенчатыми выступами (диффузионного) v = 6,9 м/с. Оптимальный угол резания кормовой свёклы диффузионным ножом также находится в исследуемой области и составляет аоптд = 15,8. Оптимальная толщина стружки, отрезаемой диффузионным ножом, находится в области близкой к исследуемой и составляет Ьоптд = 14,2 мм. Оптимальная ширина стружки составляет sonmd = 16,2 мм, что также находится вблизи исследуемой области. Следует также отметить, что два последних фактора выбирается в зависимости от назначения измельченного материала и зоотехнических требований, предъявляемых к нему, и составляют для выдачи воем животным в смеси с другими кормами и в чистом виде в среднем Ь = 10...12 мм, s = 10... 15 мм. Для изучения поверхности отклика вблизи оптимума Х1Резд и Xspe3d и интересующей нас области Х2рез и Хврез строим двумерные сечения поверхности отклика. Подставляя значения факторов в уравнения регрессии (3.43), (3.44), кроме двух исследуемых, получим следующие уравнения:
Построение двумерных сечений поверхности отклика для опытов резания кормовой свёклы ножом пластинчатым с гребенчатыми выступами (диффузионным) производим так же, как и для опытов резания плоским ножом с получением цифровых данных из уравнений (3.46,...3.57). Из уравнений (3.47,...3.58) видно, что удельное усилие резания и удельное усилие отжатия зависит от всех исследуемых факторов: скорости резания ( v ); толщины стружки ( b ); угла резания ( а ); ширины стружки ( s ). Зависимости, в большинстве случаев, имеют нелинейный характер.
