Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса производства вермикомпоста. цель и задачи исследований 10
1.1. Значение вермикомпоста для сельскохозяйственного производства 10
1.2. Анализ способов производства вермикомпоста 16
1.3. Анализ существующих технических средств, используемых для обработки органических удобрений и влажных почв 22
1.4. Классификация устройств для измельчения органических удобрений и влажных почв 36
1.5. Обзор исследовании фрезерных рабочих органов 44
1.6. Цель и задачи исследований 52
2. Теоретические исследования рабочего процесса устройства для измельчения вермикомпоста 54
2.1. Описание конструктивно-технологической схемы измельчающего устройства 54
2.2. Определение угла установки крыла ножа фрезерного барабана 58
2.3. Определение угловых скоростей вращения фрезерного барабана при измельчении вермикомпоста 65
2.4. Определение среднего размера частиц вермикомпоста при работе фрезерного барабана с Г-образными ножами 75
2.5. Анализ сил, действующих на нож в процессе работы фрезерного барабана 77
2.6. Определение средней мощности и производительности, необходимой для работы фрезерного барабана 83
2.7. Выводы 87
3. Исследование физико-механических свойств вермикомпоста 88
3.1. Методика исследования физико-механических свойств 88
3.2. Результаты исследований физико-механических свойств 94
3.3. Выводы 99
4. Экспериментальные исследования рабочего процесса и обоснование оптимальных параметров устройства для измельчения вермикомпоста 101
4.1. Описание экспериментальной установки 101
4.2. Задачи исследований 104
4.3. Программа проведения эксперимента 104
4.3. Методика обработки экспериментальных данных 106
4.4. Результаты исследований влияния конструктивно-режимных параметров измельчающего устройства на критерий оптимизации 111
4.5. Определение производительности и мощности экспериментальной установки при оптимальных конструктивно-режимных параметрах 121
4.6. Выводы 124
5. Производственные испытания и расчет экономической эффективности исследуемого устройства для измельчения вермикомпоста 125
5.1. Производственные испытания предлагаемого измельчителя 125
5.2 Экономическая эффективность предложенного измельчителя 128
6. Общие выводы 134
Список литературы 136
Приложения 147
- Значение вермикомпоста для сельскохозяйственного производства
- Классификация устройств для измельчения органических удобрений и влажных почв
- Определение угла установки крыла ножа фрезерного барабана
- Методика исследования физико-механических свойств
Введение к работе
Развитие земледелия в нашей стране в последние десятилетия осуществлялось в основном за счет использования интенсивных технологий с применением большого количества минеральных удобрений и химических средств защиты растений, что привело к резкому снижению плодородия почв, которое в значительной мере определяется запасами гумуса. В природном гумусе сосредоточены 98 % запаса почвенного азота, 60 % фосфора, 80 % калия, 85 % кальция, 80 % серы, а также большое количество других макро- и микроэлементов в сбалансированном состоянии. В форме различных солей гуминовых кислот эти элементы служат источником питательных веществ для растений. При длительном использовании почвы гумус непрерывно минерализуется, а элементы питания в больших количествах отчуждаются с урожаями сельскохозяйственных культур.
Применение минеральных удобрений позволяет компенсировать в известной степени вынос азота, но не улучшает гумусового состояния почвы. Наоборот, на почвах с низким содержанием гумуса обнаруживается предел эффективности применения минеральных удобрений. Незаменима роль гумуса в формировании благоприятных физических свойств почвы, ее водного, воздушного и теплового режимов, в активизации микробиологической деятельности. В почве, богатой гумусом, слабее фиксируется фосфорная кислота, снижаются потери элементов питания от вымывания. Однако значение органического вещества почвы не ограничивается его влиянием на те или иные свойства, а определяется комплексным, многосторонним его воздействием. Снижение запасов гумуса в почве сопровождается ухудшением его качества, так как в начале минерализуются подвижные фракции, а остаются наиболее инертные, что неизбежно сказывается на многих агрохимических и агрофизических свойствах почвы [1,2].
Большую роль играет вид обработки почвы, которая влияет на микробиологичекую деятельность. Вспашка способствует большей активизации таких ценных в агрономическом отношении групп микроорганизмов, как нитрофицирующие и азотобактера, по сравнению с
7 плоскорезной обработкой. Одна из причин подавления развития полезной
микрофлоры при плоскорезной обработке - значительное уплотнение почвы.
Однако, усиливая микробиологическую деятельность, а вместе с ней
мобилизацию питательных веществ в почве, вспашка без возвращения в нее
органических веществ также приводит к снижению запасов гумуса и падению
почвенного плодородия [1, 2, 3, 4]. В связи с этим возникает проблема
обеспечения положительного баланса гумуса в почве, устранения
намечающегося снижения его. Уменьшение количества гумуса в почве на 1 %
снижает урожайность зерновых культур в среднем на 5 - 6 ц/га, а в ряде
случаев - до 10 ц/га. Для устранения дефицита гумуса в почве необходимо
вносить органические удобрения, основными источниками которых являются
навоз сельскохозяйственный животных и птичий помет [5, 6].
Однако использование навоза и помета без предварительной подготовки наносит вред окружающей среде, животным и людям из-за содержания в них огромного количества микроорганизмов, в том числе возбудителей кишечных и других инфекционных заболеваний, семян сорных растений. В 1 т. свежего навоза, не прошедшего биотермического обеззараживания, содержится от 2 до 12 млн жизнеспособных семян сорных растений. Это приводит к засорению посевов и вызывает недобор урожая, который для зерновых культур составляет 12 - 15 ц/га [7]. Из известных технологий утилизации навоза наиболее предпочтительными являются компостирование, термофильная анаэробная стабилизация, анаэробное сбраживание и вермикультивирование.
Главным элементом вермикультивирования является навозный червь, продуцирующий в результате переработки органических отходов ценное органическое удобрение вермикомпост, содержащий все необходимые для растений элементы питания, а также биологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие сельскохозяйственных культур [8,9].
В результате селекционной работы, проведенной в США в 1959 г., был выведен гибрид красного калифорнийского червя, имеющего более высокие плодовитость и продуктивность, чем дикие сородичи. В течение 2 мес. популяция из 30 - 50 тыс. особей перерабатывает 300 кг субстрата в
8 100 - 120 кг гумусового удобрения. Вермикомпост по содержанию гумуса
превосходит навоз и компост в 4 - 8 раз и содержит большое количество
ферментов и витаминов. Применение вермикомпоста дает прирост урожая
зерновых и сахарной свеклы до 20 %, овощей и картофеля - до 40 %, перца и
подсолнечника - до 100 %. Повышается устойчивость растений к болезням, до
минимума сводится загрязненность продукции вредными веществами.
Изготовленная из биомассы червей белковая мука содержит 61 - 71 %
протеина и имеет сбалансированный аминокислотный состав, поэтому
является хорошим кормом для животных, птиц и рыб.
Калифорнийский червь лучше всего развивается в компостной смеси
после ее биотермического созревания при температуре субстрата 20 - 25 С,
влажности 70 - 80%, нейтральной или слабокислой среде и достаточной
аэрации [10,11,12,13].
Существуют различные способы производства вермикомпоста: в ящиках, вермиинкубаторах, на стеллажах, в мелких траншеях и грядах. При промышленном производстве вермикомпоста наибольшее распространение получил грядный способ с вертикальным и горизонтальным распределением свежей продукции [14,15].
Технологический процесс производства вермикомпоста заключается в приготовлении субстрата, формовании гряд и заселении их вермикультурой. Он включает в себя также распределение дополнительной подкормки, сбор избыточной массы вермикультуры, измельчение и подсушивание вермикомпоста, сбор готового продукта [16, 17]. Наиболее трудоемкими и маломеханизированными операциями являются измельчение вермикомпоста и доведение его до товарной влажности 50 - 55 % с средней длиной измельченных частиц 4 мм [18].
Целью данной диссертационной работы является совершенствование технологии производства вермикомпоста с разработкой устройства для измельчения и обоснование его основных конструктивно-режимных параметров, предлагаемой конструкции.
На защиту выносится следующие научные положения:
9 конструктивно-технологическая схема устройства для измельчения
вермикомпоста;
теоретическое обоснование конструктивно-режимных и технологических параметров измельчающего барабана;
результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств вермикомпоста,
результаты экспериментальных исследований устройства для измельчения вермикомпоста и определение среднего размера измельченных частиц;
Настоящая диссертационная работа выполнялась с 2000 года в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» на кафедре «Механизация и технология животноводства».
Значение вермикомпоста для сельскохозяйственного производства
Вермикомпост - это высококачественное концентрированное экологически чистое удобрение, являющееся продуктом жизнедеятельности дождевых червей. Это микробиологическое удобрение содержит гумуса в 4 - 8 раз больше чем навоз. В его составе большое количество ферментов, витаминов, почвенных антибиотиков, гормонов роста растений. Вермикомпост не обладает инертностью. Данное органическое удобрение оказывает многостороннее положительное влияние на свойства почвы, улучшая ее физико-химические и биологические характеристики. По сравнению с навозом КРС вермикомпост не содержит семян сорных растений. Благодаря наличию биологически активных веществ в своем составе он оказывает стимулирующее действие на растения [10,13,19,20,21].
Для производства вермикомпоста используются в основном дождевые черви Eisenia foetida. В результате многолетней селекции выведен подвид Eisenia foetida andrei - красный калифорнийский червь. Данный подвид обладает высокой плодовитостью (500 - 1500 особей в год) и продолжительностью жизни (более 16 лет). В России широко используется Чуйская популяция Eisenia foetida.
Своей деятельностью черви обеспечивают хорошую аэрацию субстрата и активизацию микробных процессов. Помимо этого они воздействуют на субстрат собственными ферментами. Черви, используемые для вермикультуры, отличаются высокой продуктивностью. Их ткани содержат более 60 % белка. Белковая мука, получаемая из червей, содержит набор всех аминокислот, ряд витаминов и не уступает по пищевой ценности мясо-костной муке [21, 22, 23, 24,25].
Сырьем для производства вермикомпоста могут служить многие виды органических отходов, но состав и свойства субстрата являются важнымфактором, влияющим на интенсивность размножения, переработки, накопления биомассы и свойства готового вермикомпоста. В качестве субстрата могут быть использованы подстилочный навоз, твердые фракции бесподстилочного навоза, птичий помет, торф, солома, опилки лиственных деревьев, картон, бумага, листья деревьев, ботва, отходы переработки овощей и фруктов, отходы мясокомбинатов, рыбного производства, пивоварения, отработанный грибной компост, отходы хлопчатника. Так как субстрат является местом обитания червей и одновременно их пищей, его подготовка имеет решающее значение в технологическом процессе вермикультивирования. Субстрат должен быть рыхлым, чтобы черви имели возможность передвигаться, дышать и всасывать пищу, и не содержать посторонних механических примесей. Кроме того, размер частиц субстрата не должен превышать 4 мм [25, 26, 27,28, 29].
При составлении рациона для червей необходимо выдерживать оптимальное соотношение белков, углеводов, минеральных веществ, витаминов и т.д. Содержание азота следует поддерживать на уровне 1,8 - 2,0 %, фосфора - 3,0 %, калия - 2,5 % (в сухом веществе), соотношение C:N - 1:10 - 1:20. Исследования показали, что при соотношении C:N, равном 1:10 - 1:20, черви активно прибавляют в массе и наиболее эффективно перерабатывают отходы, превращая их в компост. Также необходимо присутствие в рационе клетчатки, которая стимулирует пищеварение, дает энергию для быстрого роста червей и обеспечивает быстрый рост микроорганизмов. Выделяемые при ферментации субстрата газы (аммиак, сероводород, метан) и повышенная температура, приводят к гибели червей, поэтому отходы необходимо в течение определенного времени выдержать. Каждый компонент корма седует подвергать дроблению, увлажнению, ферментации [21,30,31].
Лучшими субстратами являются конский навоз и твердая фракция навоза крупного рогатого скота, свиней, овец, кроликов, а также птичий помет. Хорошим наполнителем выступают растительные отходы. Наилучший субстрат - конский навоз 3 - 6-месячной ферментации благодаря высокому содержанию целлюлозы. Навоз из животноводческих комплексов, где используются высокобелковые корма, отличается высоким содержанием протеина, поэтому он нуждается в добавлении измельченных целлюлозосодержащих компонентов, срок его ферментации - 12 - 13 мес. Ценный субстрат - овечий навоз. Предварительная подготовка его заключается в нарезке на пласты, обильном увлажнении и разрыхлении; ферментация происходит в буртах или навозохранилищах в течение 3-8 мес. Свиной навоз ввиду своей высокой кислотности нуждается в добавлении 30 40 % измельченных целлюлозосодержащих компонентов (соломы, картона, ферментированных опилок). Срок ферментации - 9 - 10 месяцев при постоянном контроле рН. Свиной навоз, удаленный гидросмывом, можно давать червям в свежем виде. Кроличий навоз подвергают предварительному компостированию, в процессе которого выделяются аммиак и метан. Птичий помет ферментируют в течение 16-24 мес. с добавлением 50 % измельченных целлюлозосодержащих компонентов. Пищевые отходы предварительно очищают от бытового мусора и измельчают. Оптимальным является использование комбинированных субстратов, состоящих из растительных отходов, навоза (помета), торфа, коры и т.д. [27,28,31, 32]. Для получения высококачественного вермикомпоста при формовании гряд и закладки в них маточного поголовья слой базового субстрата должен быть оптимально увлажненным и иметь температуру 19-20 С, рН - 6,8 - 7,2. При повышенной кислотности субстрата вносят мел или гашеную известь (порошок) в количестве 300 г/м3 и обильно поливают. Излишнюю щелочность также устраняют обильным поливом [33]. Скорость переработки субстрата в компост зависит от его начальной влажности во время закладки и в процессе вермикультивирования. Оптимальный уровень влажности, при которой обеспечиваются активная жизнедеятельность червей и ферментация компоста 70 - 80 % [31].
Классификация устройств для измельчения органических удобрений и влажных почв
В процессе приготовления вермикомпоста наиболее трудоемкими операциями являются измельчение и подбор вермикомпоста [17]. На основе анализа погрузчиков органических удобрений непрерывного действия [72 - 81] и почвообрабатывающих машин фрезерного типа [56 - 69] для обработки влажных почв приведена классификация устройств для измельчения органических удобрений фрезерного типа (рис. 1.17) [82]. По способу воздействия на материал фрезерные устройства делятся на режущие, рыхлящие, ударные. Способы воздействия на материал определяются его физико-механическими свойствами. Для вермикомпоста наиболее приемлемым является измельчение при котором происходит разрушение капиллярных токов, способствующее ее иссушению, и приведение слежавшегося материала в мелкокомковое состояние [67, 83]. В зависимости от конструктивных особенностей ротационной машины фрезы можно разделить на следующие группы: механические, гидравлические, электрические [67, 83]. По форме фрезерного барабана ротационные устройства делятся на цилиндрические и конические. Чаще в работе применяют цилиндрические фрезерные барабаны [84]. По расположению фрезерного барабана относительно направления поступательного движения машины разделяются на следующие группы: с горизонтальной осью вращения фрезерного барабана; с вертикальной осью вращения фрезерного барабана; с фрезерным барабаном, расположенным под углом к направлению поступательного движения машины. Рабочими органами фрез с горизонтальной осью вращения являются пружинные крючки или жесткие ножи, закрепленные на горизонтальном валу. Пружинные рабочие органы различной формы применяются для обработки окультуренных почв с небольшим растительным покровом. Жесткие рабочие органы выполняют в виде прямых ножей, крючков или Г-образных рабочих ножей. Их используют на полях с сильно развитой растительностью для измельчения ее и перемешивания с почвой. Вертикальное расположение рабочих органов не нашло широкого применения и встречается лишь в стационарных установках для работы с сыпучим материалом [67, 84, 85]. По способу воздействия рабочего органа
Классификация устройств для измельчения органических удобрений и влажных почв Фрезерные барабаны различаются по траектории движения рабочих органов, вращающихся сверху вниз (ФБН-2,0, ФПУ-4,2) и снизу вверх. Первые нашли более широкое применение, так как при вращении сверху вниз энергии на обработку тратится на 10 - 15 % меньше, чем при работе снизу вверх (патент № 1470213, «Буриватор») [67, 82, 84]. Режущие элементы фрезы могут быть установлены на дисках, на цилиндрическом барабане и на отдельных стойках [83]. По способу крепления рабочих органов фрезерные барабаны делятся на жесткие («Ротовар», ФБН-1,5) и шарнирные (патент № 973053)[67, 81]. Режущие элементы фрезы могут быть установлены на дисках («Ротовар». ФБН-2,0), на барабане (патент № 973053), на стойке и на ленте (патент № 1727609) [67, 72, 76]. Ножи, в свою очередь, бывают прямые, изогнутые Г-образные, тарелочные, лущильные S-образные, рыхлящие долота и крючки[86, 87, 88, 89]. Прямые ножи (рис. 1.18, а) хорошо крошат почву и разрезают дернину и растительные остатки и перемешивают их с почвой. Они предназначены для скарификации луговой дернины, обработки целинных земель на значительную глубину [69,86,87]. Рисунок 1.18. Основные типы рабочих органов фрез: а - прямой нож; б-изогнутый нож; в - пружинный крючок; г - рыхлящее долото Изогнутые ножи (рис. 1.18, б) лучше чем прямые перемешивают остатки, поэтому их применяют на болотных и полевых фрезах. Загнутая часть лезвия способствует более интенсивному крошению почвы. Изогнутые ножи должны обеспечить резание со скольжением и самоочищение с наименьшим сопротивлением. Для этого лезвие ножей устанавливают тангенциально к диску, на котором закреплены ножи. Такие ножи обеспечивают большую зону деформации и, следовательно, лучше рыхлят почву [69, 86, 87]. Тарелочные ножи предназначены для глубокой обработки торфяников с погребенной древесиной и кустарниковой растительностью. На минеральных почвах они быстро изнашиваются. Кроме того, они более энергоемки и работают на малых подачах [69]. Лущильные S-образные ножи предназначены для среднего и глубокого рыхления почвы с препятствием, например, лесной почвы с корневой системой кустарников и деревьев, при глубокой обработке почвы с соломистым навозом или зеленым удобрением [86, 87]. Полевые крючки (рис. 1.18, в) используются для обработки старопахотных почв со слабой растительностью, без крупных препятствий [86]. Рыхлящие долото (рис. 1.18, г) применяют главным образом для предпосевной обработки старопахотных почв, на почвах, значительно засоренных растительными остатками, а также камнями [69]. На машинах с фрезерным барабаном с горизонтальной осью вращения распространены Г-образные ножи [85]. Нож фрезерной почвообрабатывающей машины включает стойку 1 и отогнутую часть 2. (рис. 1.19, а) Экспериментальный коэффициент 1,14 обеспечивает сопряжение лезвия отогнутой части с лезвием стойки ножа. Такое сочетание характеризует оптимальный переход от лезвия стойки к лезвию отогнутой части, что снижает энергоемкость процесса отрезания почвенной стружки и улучшает самоочистку ножа от растительных остатков [86]. Рабочий орган 3 ротационной машины (рис. 1.19, б) содержит вал 1, диск 2, на котором закреплен Г-образный нож 3, имеющий форму цилиндрической поверхности. Значение угла 0 и отношение Ъ/ Ь\ оказывают влияние на сход материала с ножа и перераспределение усилия от деформации пласта [86].
Определение угла установки крыла ножа фрезерного барабана
В сельскохозяйственном производстве широко применяют почвенные фрезы с Г-образными ножами, результаты исследований которых можно использовать для анализа процесса измельчения вермикомпоста. Угол резания рабочих органов почвенных фрез применяют в пределах 15- 25. Однако во фрезах с жестким креплением рабочих органов этого достичь невозможно, т.к. угол резания Г-образного ножа по мере погружения его в почву изменяется. Значение угла нельзя выбирать произвольно. Поэтому при проектировании и изготовлении Г-образных ножей фрез необходимо знать угол их установки [95, 96]. Пусть ось вращения барабана 0\Z] направлена перпендикулярно плоскости рисунка и точка 0\ движется горизонтально влево со скоростью поступательного движения барабана ь п(рис. 2.3). Одновременно с поступательным барабан совершает вращательное движение с угловой скоростью со. Введем неподвижную систему отсчета Оху: начало отсчета т.О находится в начальном положении точки 0\\ ось Ох направлена горизонтально в сторону поступательного движения барабана; ось Оу направлена вертикально вниз. Рассмотрим стойку АА\Е\Е и крыло ножа АВЕД, с которыми свяжем подвижную систему отсчета ОіХіуі: ось 0\Х\ направим вдоль оси стойки, ось ОіУі - перпендикулярно к ней. Заданы размеры: ширина стойки 2а, длина стойки, измеряемая вдоль ее оси, Rc = 0\С, толщина стойки и крыла h, а также угол заточки ножа /. ., T E_- ! 5f/ 0, a l о X -v./ Lit/ [ \/—J "" «. а і A А, і Ht H. У. і , //7 /// /// Ill III /// m У Рисунок 2.3. Схема к определению угла установки ус Г-образного ножа с внутренней заточкой. Требуется определить угол установки ножа ус в зависимости от кинематического параметра Хс, который равен отношению окружной скорости L 0 точки С к поступательной скорости ип барабана: соЛ„ 1 = (2.1) и„ где уп - поступательная скорость устройства, м/с; и0 - скорость фрезерного барабана м/с; со - угловая скорость барабана, рад/с; RA - радиус барабана, м Определение угла установки ус проведем в два этапа. Вначале сделаем допущение, что крыло Г-образного ножа бесконечно тонкое (h«l), а затем учтем толщину h и ширину 2а крыла ножа. Пусть в начальный момент времени ось 0\ находится в положении О, а радиус RA = 0\А режущей кромки А располагается горизонтально. Тогда уравнения движения точки А можно записать в виде: xA=uj+RAcos(ut; уА = RAsmt. (2.2) Траекторией точки А является циклоида и в определенный момент времени /, касательная к циклоиде и, соответственно, вектор абсолютной скорости точки А направлены вертикально (рис. 2.3). Определим этот момент времени дифференцируя уравнения движения (2.2) по времени / и проекцию скорости точки А. uXA=un-RA(usm(ut; t yA =#/QCOSCO/. (2.3) Так как Uy = 0 в интересующий нас момент времени, то из первого уравнения (2.3) находим: sinco/,= —, (2.4) где ХА - кинематический параметр. К- - (2.5) Вектор скорости точки А можно представить как геометрическую сумму скорости поступательного движения барабана и окружной скорости во вращательном движении барабана (рис. 2.4) = Ц, + Ц, (2-6) где модуль окружной скорости и0 = RA(o и вектор U0 _L ОхА. Обозначим 9 - угол между вектором абсолютной скоростью йА и окружной скоростью vQ; є - угол между вектором иА и задней режущей кромкой ДА. Найдем зависимость между углами 9 и є (рис. 2.4). Для этого векторное равенство (2.6) проецируем на направление радиуса RA = 0\А и перпендикулярно к нему: иА sin 0 = ип sin(90 - со/) = un cos со/; (2.7) uA cos 0 = и0 - ип cos(90 - со/) = и0 - ип sin со/. (2.8) Тогда модуль скорости точки А: иА = u2n cos2 со/ + (и0 - vn sin со/)2 = ип \ + X2A- 2ЯА sin со/. (2.9) Поделив равенства (2.7) на равенство (2.8), получаем: у„ - u„ sin со/ о п где ип- поступательная скорость фрезерного барабана, м/с; L 0 окружная скорость фрезерного барабана, м/с. І/пост RAsincot. R.coswt. Рисунок 2.4. Схема к определению заднего угла резания є Разделив числитель и знаменатель в правой части выражения (2.10) на ип ип и учитывая кинематический параметр ХА= — , формула для определения угола v„ в зависимости от времени будет иметь вид: cosotf 0 = arctg ХА -sinсо? (2.11) Определим момент времени, когда угол 0 будет иметь экстремальное значение. Для этого найдем производную по времени от угла 0и приравняем ее к нулю: 1- sincfl/ и ( cosШ Y (К-sinШУ d0= ю (2.12) уХА -s mcut 1 + d0 Производная — обращается в нуль, когда: dt sin (0/ + 1 = 0. (2.13) Отсюда угол 9 имеет экстремальное значение при sin со/, = —, что А совпадает с уравнением (2.11), т.е. в данный момент касательная к циклоиде направлена вертикально. d/ Если Sin СО/ -— то производная — 0, если sin со/ -—} то — 0, d/ "А -» "А поэтому в момент времени t — tx угол 9 имеет максимальное значение, которое обозначим 0,: Учитывая, что COS СО/, l-sin2 со/, = 1— 4 і к получим: из выражения (2.11) л ї cos CO/i 1 ХА -sinсо/. 0, = arctg- . = arctg (2.14) Из рис. 2.5 видно, что угол є между задней кромкой ножа и абсолютной скоростью точки А связан с остальными углами соотношением: 8 = 180 -{уА +/ + 90 +е)=90 -(уА +/)-0. (2.15) ,в х Л\/ О, о Рисунок 2.5. Схема к определению угла 9 между векторами абсолютной и окружной скоростей Следовательно, в момент времени / = /] , когда угол 0 имеет максимальное значение 0= 0Ь угол є будет достигать минимума є— ЄГ єх =90-{уA+i)-Q{. (2.16) В первом приближении выберем угол установки ножа уА так, чтобы минимальное значение заднего угла резания при t — t\ равнялось нулю: sl=90-(yA+i)-Q]=0. (2.17) Отсюда: Ул+/ = 90-Є, . (2.18) Геометрически это означает, что в момент t — t\ задняя кромка АД ножа располагается вертикально (рис. 2.5). Из выражений (2.9) и (2.11) получим: tg(r,+/)=tg(90o-ei)=ctg9] =-L = TT. (2.19) tg9j Отсюда находим угол уд в первом приближении: y arctg -l-/. (2.20) Из треугольника АСО\ (рис. 2.2) по теореме синусов: а _ Rc Rt sm(pA sin у л sin(l80-(y, +q A)) Отсюда находим угол фл : (2.21) (рА = arcsm —- -. (2.22) кс Из того же треугольника видно, что УС=УА+ РА (2,23) Применяя последовательно формулы (2.20), (2.22), (2.23) в первом приближении находим угол установки ножа у с.
Методика исследования физико-механических свойств
С целью разработки теоретических исследований и определения мощностных и конструктивных параметров измельчителя фрезерного типа программой исследования предусмотрено определение следующих показателей вермикомпоста: - плотность р; - влажность W; - липкость о,; - угол трения (р; - коэффициент трения скольжения по стали ; - коэффициент трения движения по стали ; - коэффициент внутреннего трения ; - сопротивление вермикомпоста резанию трез. Определение физико-механических свойств вермикомпоста, проводилось согласно с общепринятыми рекомендациями [98,99,100, 101]. Плотность р вермикомпоста (кг/м3) [99] представляет собой отношение массы т пробы к его объему V: т (1 14 Р = у (3-1) і где т - масса пробы, кг; V- объем пробы, м . Массу исследуемого материала определяли с помощью мерного ящика с габоритными размерами 0,5x0,5x0,4 м и весов ВП-50 с погрешностью 0,1% [100]. Плотность вермикомпоста зависит от его гранулометрического состава и влияет на водный и воздушный режимы вермикомроста [101]. Влажность определяли методом высушивания навесок с материалом. Для этого использовались: сушильный шкаф ШС-150 (рис. 3.1), электронные весы OHAUS Scout SC-2020-3A1 с точностью взвешивания до 0,001 г, бюксы [100]. Порядок определения следующие: а) взвешивают пустую бюксу - это масса т\\ б) навеску вермикомпоста массой 15 - 20 г кладут в бюксу и взвешивают масса w2; в) ставят бюксу в сушильный шкаф и сушат при температуре 105 С до достижения постоянной массы (около 5 ч.); г) бюксу с сухим вермикомпостом взвешивают, получая массу т3. Рисунок 3.1 Прибор для определения влажности Влажность вермикомпоста И7 определялась по формуле А.П. Геркова [99]: ЦГ = Щ ЩЛ№%, (3.2) тъ -тх где гп\ - масса пустой бюксы, г; ті - масса навески с бюксой до сушки, г; тз - масса навески с бюксой после сушки, г. Липкость - это способность частиц материала прилипать к различным поверхностям тел и склеиваться. Липкость вермикомпоста зависит от его гранулометрического состава, структуры, плотности и влажности [100].
Липкость определялась на приборе (рис. 3.2), представляющем собой емкость 6, (рис. 3.3) и в которую помещают образец вермикомпоста, металлического диска 1 диаметром 56 мм, жестко соединенного со стержнем 2, который соприкасаясь с двумя парами роликов 3, может перемешаться в вертикальном направлении. Верхний конец стержня 2 соединен с одним из концов нити 4, перекинутой через блок 7. Другой конец нити прикреплен к чаше 5, в которую засыпают песок [99, 100]. Рисунок 3. 2 Прибор для определения липкости Рисунок 3.3 Схема прибора для определения липкости вермикомпоста при отрыве: 1 - диск; 2 - стержень; 3 - ролики; 4 - нить; 5 - чаша; 6 - емкость для почвы; 7 - перекидной блок Для того, чтобы в процессе исследования обеспечить контакт диска с вермикомпостом, на стержень устанавливают груз, создающий давление на вермикомпост 0,01 кг/см в течение 3 мин. Затем груз снимают и проводят отрыв путем насыпания песка в чашку. После отрыва песок вместе с чашкой взвешивают и определяют силу отрыва Р [100]. Липкость оп (Н/м ) вычисляют по формуле: 4Р %dl где Р - сила отрыва диска, Н; d - диаметр диска, м. Угол трения ф определялся на приборе, представленном на рис. 3.4[100]. Он включает в себя основание 1, (рис 3.5) поворачивающуюся относительно основания наклонную плоскость 2, шарнирно прикрепленного к основанию при помощи шарнира, передачу винт - гайка, при помощи которой осуществляется наклон плоскости 2 на определенный угол ф и угломер 4. Последний судит для замера угла ф. Исследуемый материал 5 размещают на наклонной плоскости 2. После чего одну сторону плоскости плавно поднимают при помощи передачи винт-гайка до момента смещения вермикомпоста. Значения углов начала движения вермикомпоста по поверхности фиксировали с помощью транспортира и отвеса [98, 100]. Щ Рисунок 3.4 Прибор для определения угла трения -ТГГ77ТТ7ТПТТТТГ7ТГГ7Г7777 Рисунок 3.5 Схема прибор для определения угла трения 1 - основание; 2 - поворотная доска; 3 - прикрепляемый к доске материал; 4 - угломер; 5 - материал; 6 - рычаг Р ЭЛИ fo, определяется по формуле: /с = tgp , (3.4) где /с - коэффициент трения покоя; р - угол наклона поверхности, при котором вермикомпост приходит в движение, град. Коэффициент внутреннего трения /в определяли на трибометра, представленном на рис 3.6[100]. Он состоит из желоба 5 (рис 3.7) и рамки 3. Рамка 3 опирается катками 7 на направляющие 1 и соединена с грузовой чашкой 4 при помощи металлического шнура 8, перекинутого через блок. На нижних направляющих 9 установлена съемная пластина из исследуемого материала с зазором от подвижной рамки 0,5 - 2 мм [100].
