CC BY
36
УДК 631:363.4
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РЕЗАНИЯ
В. И. Курдюмов, доктор техн. наук, профессор;
П. Н. Аюгин, канд. техн. наук, доцент; Н. П. Аюгин, аспирант
ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия», т. +79023574908, E-mail: Nikall85g@yandex. ru
Выявлены влияющие на энергоемкость измельчения корнеплодов факторы, к которым относятся: вид резания, его скорость, угол скольжения ножей и др. Приведены результаты исследований процесса резания корнеплодов при скоростях движения ножа от 3 до 10 м/с и различных углах скольжения. Выявлено снижение удельной работы резания корнеплодов при уменьшении скорости ножа и оптимальных углах скольжения 30...40°.
Ключевые слова: измельчение, энергоемкость, корнеплод, скорость резания, угол скольжения.
Важнейшими факторами, влияющими на энергоемкость измельчения, являются скорость резания, угол скольжения лезвия ножа, а также геометрические параметры ножа.
Со скоростью резания тесно связана пропускная способность машин. Поэтому связь энергоемкости процесса со скоростью резания является определяющей для его технико-экономической оценки. Почти
во всех отраслях промышленности, где резание используется как процесс обработки материала, скорость резания являлась предметом многосторонних экспериментальных и теоретических исследований.
Исследуя влияние скорости резания на процесс измельчения древесины, ряд исследователей пришли к выводу, представляющему интерес и для растительных ма-
териалов. Увеличение опережающей трещины с увеличением скорости резания указывает на локализацию напряжений и уменьшение работы, затрачиваемой на деформацию материала. Улучшение качества обработки при повышении скорости резания объясняется, по-видимому, увеличением инерции волокон, создающих так называемый скоростной (или инерционный) подпор.
Одни ученые [1] утверждают, что при увеличении скорости ножа усилие резания уменьшается, другие [2, 3] указывают на независимость удельного давления резания растительных материалов от скорости воздействия режущего инструмента, а некоторые [4, 5, 6] определяют оптимальные скорости для каждого отдельного случая применительно к конкретной конструкции измельчителя.
Рассмотрение зависимости усилия резания от скорости резания как изменение некоторого физико-механического свойства материала, на наш взгляд, не лишено оснований, поскольку очевидно, что для определения физико-механических свойств материала скорость воздействия на него инструмента приобретает значение характера условий, при которых определяется свойство материала. Это тем более обос-
нованно, поскольку сопротивление упруговязкого материала динамическому воздействию связано со скоростью распространения в нем напряжений и деформаций, что является его специфическим качеством.
Учитывая противоречивый характер сведений о влиянии угла скольжения и скорости резания на энергетические показатели процесса резания, для проведения исследования нами была создана экспериментальная установка, состоящая из маятникового копра с ножом, измерительной шкалы со стрелками и устройства для крепления корнеплодов.
Анализ экспериментальных данных показал, что при увеличении скорости движения ножа наблюдается увеличение удельной работы резания (рис. 1).
Несмотря на значительное влияние скорости резания на энергетические показатели процесса измельчения, при конструировании измельчителей корнеплодов нельзя задаваться лишь скоростью резания, необходимо принимать во внимание конструктивные особенности измельчителя в каждом отдельном случае, а также такие показатели, как пропускная способность, качество готового корма.
При анализе и расчете схем измельчающих аппаратов большое внимание уде-
Рис. 1. Зависимость удельной работы резания моркови Ауд от скорости резания V и угла скольжения т
58
Технические науки
Рис. 2. Схема трансформации угла заточки
ляют обеспечению оптимальной величины угла т. Увеличение угла скольжения лезвия способствует снижению усилия резания. Это подтверждается теорией резания, разработанной академиком В. П. Горячкиным. Между тем экспериментальные исследования резания корнеплодов показали, что увеличение значения т выгодно лишь до некоторых пределов (рис. 1).
Рисунок показывает, что с увеличением угла т до 35° удельная работа резания снижается на 30...35 %. Это связано главным образом с кинематической трансформацией угла заточки лезвия. Величину угла заточки определяют, исходя из обычного представления о геометрии лезвия в статическом состоянии. Нетрудно убедиться, что в процессе наклонного резания и резания со скольжением угол заточки в направлении резания (рабочего перемещения лезвия) меняет свое значение - уменьшается в зависимости от угла наклона лезвия или угла скольжения т. Иными словами, переходя от представления о статической геометрии лезвия к представлению о его кинематической геометрии, мы встречаемся с явлением трансформации угла заточки.
На рис. 2 представлено лезвие с углом заточки doc, равным в. При проникновении лезвия в материал под некоторым углом т к нормали, т. е. в направлении vR, угол заточки будет равен углу aob, равному р1.
Из рисунка видно, что вследствие трансформации лезвия исходная величина угла его заточки в процессе резания может значительно уменьшиться. Характерно, что закономерность трансформации угла заточки в зависимости от угла т для лезвий с различным начальным углом заточки в различна.
При увеличении угла скольжения т, начиная с 35°, наблюдается увеличение удельной работы резания. При резании материла лезвием сила трения, возникающая между фасками и материалом, пропорциональна площади контакта фасок с материалом. С увеличением угла скольжения т
площадь контакта F увеличивается обратно пропорционально cos т. Если площадь контакта F0 при т0 = 0 принять за начальную, то
F=Fo/cosL
Следовательно, сила, необходимая для преодоления трения лезвием при резании, с увеличением угла т будет расти. Этим и объясняется вогнутость приведенной на рисунке 1 поверхности. Указанное явление говорит о том, что увеличение угла скольжения лимитируется не только углом защемления, но и трением, возникающим между фасками лезвия и материалом.
Из сказанного выше следует, что для обеспечения минимальной энергоемкости процесса резания корнеплодов угол скольжения целесообразно выбирать = 35°, а скорость резания снижать до величины, обеспечивающей заданную пропускную способность измельчителя.
Литература
1. Резник, Н. Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н. Е. Резник. - М.: Колос, 1975. - 311 с.
2. Горячкин, В. П. Теория клина / В. П. Горячкин. - М.: Колос, 1968. - 388 с.
3. Желиговский, В. А. Элементы теории почвообрабатывающих машин и механических технологий сельскохозяйственных материалов / В. А. Желиговский. - Тбилиси, 1960. - 145 с.
4. Мейласх, И. И. Измельчающий аппарат для кормовых корнеплодов / И. И. Мей-ласх // Техника в сельском хозяйстве. -1974. - № 4. - С. 78-80.
5. Тихонов, Н. И. Определение силы резания ножом / Н. И. Тихонов // Механизация сельского хозяйства. - 1983. - № 11. - С. 24-27.
6. Горюшинский, В. С. Совершенствование резания корнеплодов с обоснованием параметров измельчителя / В. С. Горюшин-ский // Автореф. дис. ... канд. тех. наук. -Пенза, 2004. - 13 с.
