CC BY
2«ШУУШШШУМ-ШИГМаУ» #W7©)), 2023 / TECHNICAL SCIENCE
35
УДК 630:620.952
Борис А. М.,
кандидат технгчних наук, заступник директора з науковоХроботи 1нституту механгки та автоматики агропромислового виробництва НацюнальноХ академИ аграрних наук Украши
Рихлiвський П. А.,
кандидат технгчних наук, старший науковий ствробтник «В1дд1л механгко-технологгчних проблем овочгвництва»
Гузк I. М.,
здобувач
«В1дд1л механгко-технологгчних проблем овочгвництва»
Коновал О. О. провгдний тженер, здобувач «В1дд1л механгко-технологгчних проблем збирання i тслязбирально'Х обробки
урожаю зернових та олтних культур» 1нституту мехатки та автоматики агропромислового виробництва НацюнальноХ академИ аграрних наук Украши (смт Глеваха, КиХвська обл.) DOI: 10.24412/2520-6990-2023-11170-35-38 АНАЛ1З СИЛОВО1 ВЗАСМОДП НОЖА 13 ПРУТОМ ДЕРЕВНО1 БЮЕНЕРГЕТИЧНО1 КУЛЬТУРИ У ПРОЦЕС1 ЙОГО Р13АННЯ
Boris A. M.,
Ph.D., deputy director for scientific work, Institute of Mechanics and Automatics ofAgroindustrial Production of
the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine
Rykhlivskyi P. A., PhD., Senior Researcher,
"Department of mechanical and technological problems of vegetable growing "
Huzik I.M., Applicant
"Department of mechanical and technological problems of vegetable growing "
Konoval O. O. Applicant
"Department of mechanical and technological problems of harvesting and post-harvest processing of grain and
oilseeds"
Automatics of Agroindustrial Production of the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine
(Hlevakha, Kyiv region)
ANALYSIS OF THE FORCE INTERACTION OF A KNIFE WITH A TWIG OF A WOODY BIOENERGETIC CULTURE IN THE PROCESS OF CUTTING IT
Анотацш.
У статтi наведено аналгз теоретичних та експериментальних до^джень процесу ргзання прутiв деревних бiоенергетичних культур за нормального та ковзного ргзання. Запропонована конструкцшна схема мехашзму для яюсного та ефективного наргзання живцiв деревних бiоенергетичних культур. Abstract.
The article provides an analysis of theoretical and experimental studies of the process of cutting twig of woody bioenergy crops with normal and sliding cutting. A structural diagram of a mechanism for high-quality and efficient cutting of cuttings of woody bioenergy crops is proposed.
Ключовi слова: прут деревноХ бiоенергетичноi культури, процес ргзання, нормальне ргзання, ковзне ргзання, рух ножа, сили ргзання.
Keywords: woody bioenergy crop twig, cutting process, normal cutting, sliding cutting, knife movement, cutting forces.
Постановка проблеми. З початку нового столптя людство активно здшснюе пошук замши традицшних енергоносив вщновлювальними дже-релами енергп. Така необхвдшсть значною мiрою обумовлюеться виснаженням свггових запаав ву-глеводшв, порушенням природного балансу екоси-стем, глобальними еколопчними проблемами, зо-
крема зростання в атмосферi концентраци парнико-вих газiв, що призводить до частих природних ка-таклiзмiв i рiзкоl змши погоди на земнш поверхш. Тому все актуальшшим стае розвиток тако! ново! галузi науки, як бюенергетика, яка може стати важ-ливим елементом зменшення дефщиту на викопну
вуглеводневу сировину та основою сталого забез-печення держави бюресурсами, И енергобез-пеки [1-5].
Результати дослвджень. Пiд час взаемоди ножа iз прутом деревно1 бюенергетично1 культури (вербою) закон змши сил мае дуже складний характер, i точно описати його не вдаеться. Тому, не спо-творюючи фiзичноl сутностi цього процесу, замiнимо безперервно розподшене навантаження рiвнодiючими силами, прикладеними до рiзних дiлянок ножа (рис. 1а).
Умовно схема сил тд час перемщення ножа перпендикулярно рiзальнiй крайцi наведено на рис. 16. В процес взаемоди iз прутом на шж впли-вають вертикальна сила Р, нормальш реакци та
— г
N2 сили тертя, що дiють на 6Í4HÍ rpaHi F1 та F2 ; сила опору рiзанню лезом РЛ. Умовно вважаючи рух ножа рiвномiрним, складемо рiвняння рiвноваги згаданих сил у проекщях на осi координат x i y: N1 - N2 cos fí + F2sinfí = 0 ; -P + Pji + F1 + F2 cos fí + N2sinfí = 0 .(1)
Рiвняння (1) мютять п'ять неввдомих: N2, Fu F2, Pji . Тому розглянута задача тричi статично невизначена. Цю невизначенiсть можна виявити. Пiд час руху ножа i ковзаннi м1ж прутом i бiчними гранями юнують спiввiдношення F1=f W1; F2 = f N2, де f - коефiцieнт тертя ковзання.
а б в
Рис. 1 - Схема сил, що дтть на тж в процеci нормального pi-зання
а б в
Рис. 2 - Схема сил, що дтть на тж в процей ковзного pi-зання
З урахуванням цих двох рiвнянь задача стала невизначеною лише один раз. Для и виршення ро-зрiжемо попередньо прут i розсунемо обидвi його частини на вщстань 5 , рiвну товщинi рiзальноl крайки i закрiпимо !х нерухомо. I тут у рiвняннях (1) слад прийняти РЛ = 0, а Р = Р0 (рис. 1е). Виршу-ючи рiвняння щодо невiдомих N-1 та Ы2, знаходимо:
=
P0(cosp-f sinP) 2 f cosP + (1-f2)sinP
; n7 =
2 f cosP + (1-f2)sinP
.(2)
Визначивши значения сил P та P0 експеримен-тально, знайдемо, що сила опору рiзанню лезом
Pj = P .
Ра
Умовно схема сил, що дшть на нiж за нор-мально-дотичного рiзания, показана на рис. 2а. На нього впливають вертикальна сила Р; нормальнi ре-акцй' N1 та N2; сили тертя, що дшть на бiчнi граиi F1 та F2; сила тертя F, що дie на лезо; сила опору рiзанню Q. Вважаючи рух ножа рiвномiрним, складемо рiвняння згаданих сил у проекцiях на оа координат y, x та z:
—Р cos а + Q + F2 sin у cos fí + F1 sin у + N2 sinfí = 0 Л
N1 + F2sin'físiny-N2cosfí = 0 ; } (3)
P sina — F — F± cos y — F2 cos y = 0 . )
p
0
«ШУУШШШУМ-ШИГМаУ» #W7©)), 2023 / TECHNICAL SCIENCE
37
У даному випадку в piBHHHHHX (3) слiд прий-няти Q = 0; F = 0; Р = Р0 (рис. 2б). З урахуванням значень P1 i Р2 цi рiвняння набувають вигляду:
—Р cos а + / W2 sin у cos jS + / Л^ sin у + W2 sin ^ = 0 ;
Ni + / W2 sin уб sin у — W2 cos уб = 0 ;
P0 sin a — / W1 cos у = 0 . (4)
Виршуючи першi два рiвняння щодо невщо-мих W1 i W2 знаходимо:
M =
Pq cos a(cos/ siny sin 2 / siny cos^ + (1-/2sin2y) sin
Pq cos a
2 / sinycos^ + (1-/2sin2y) sin P'
(5)
Пiдставляючи значения W1 i W2 в останне рiвняння, отримаемо сшввщношення мiж кутами a i у :
tg а
/(1+cos jft-/ sin Р siny) cosy 2 / sinycos^ + (1-/2sin2y) sin¿ft*
(6)
тяжкосп перерiзу прута (рис. 3), то рiвняння контуру перерiзу - коло х2 + у2 = R2, звiдки у = VP2 — х2 i отже зрiзана площа Рс = / VP2 — x2dx. За впровадження ножа на величину а отримаемо:
Рс = a V^2 — а2 + Р2 arcsin(a/P) .
Ведомо, що за а = у виникае нормально-до-тичне р1зання без ковзання. Ковзання леза по ро-зр1заному матер1алу настае за у > а (рис. 2в). Формула (6) дозволяе визначити в цьому випадку зна-чення кута у, якщо вщомий кут а, легко визначаеться експериментально.
За а = у = 0 вщбуваеться нормальне р1зання. Щдставляючи щ значення в (5), отримуемо вели-чини 1 , аналопчш тим, яш визначеш р1внян-нями (2).
З1 змшою виду р1зання вщбуваеться змша сгаввадношення нормального 1 дотичного зусиль зр1зу: з1 зменшенням нормально! сили Ри дотична сила Рт, яка необхщна для виникнення р1зання, зро-стае так, що р1внодшча сила Р збер1гае приблизно постшну величину (рис. 2в):
Рис. 3 - Схема входження тонкого леза в прут
Тиск, що припадае на одиницю поперечного перерiзу прута, q = Q/P, де Q - поздовжня сила притиску зразка; F - площа поперечного перерiзу прута. У разi вiльно стоячого прута, Q - сила тяжшня його. Тодi сила тертя, що припадае на одиницю площi поперечного перерiзу прута, дорiвнюе q/, а з урахуванням зрiзаио! частини прута вона становитиме [6]:
Р = + ^ .
З урахуванням цього змша кута нахилу р1внодшчо!' Р до нормал1 леза (а) в1д 0 ° до 39 ° збтаеться 1з змшою кута напрямку перемщення леза, тобто. кути а {у в межах 0-39 0 р1вш. Зб1г сили Р з напрямом перемщення леза свщчить про в1д-сутшсть ковзання леза за матер1алом у зазначених межах кута а (нормально-дотичне р1зання без ковзання). Однак за подальшого зменшення нормально! сили 1 вщповщному зростанш сили Рт р1вшсть кут1в а {у порушуеться 1 р1зниця !х величин швидко зростае. За у > а лезо ковзае по матер1алу, що ро-зр1заеться.
Величезний вплив на процес р1зання прута надають сили тертя Р0, що становлять 45-50 % в1д повно! сили Р, що йде на перер1зання прута. Для зменшення цих сил шж мае бути виконаний у ви-гляд1 тонко! пластинки. За значного введения тонко! пластинки в товщу прута перер1заеться площа Р = /у^х. Якщо оа х 1 у проходять через центр
Ф = ^сЧ1/ = [a VP2 — а2 + Р2 arcsin(a/P)]q/ при а = Р;
Ф = 0,5(^P2)q/.
Останнiми роками в Iнститутi мехашки та автоматики агропромислового виробництва НААН (1МА АПВ НААН, колишнш ННЦ «1МЕСГ») про-водяться науково-дослщш роботи з розробки, конс-труювання та випробування технiчного засобу для садшня деревних бiоенергетичних культур (верба, тополя i т. п.). Одшею iз задач дано! розробки е до-слвдження процесу нарiзания живщв пiд час садiннi деревних бюенергетичних культур прутами довжи-ною 1,5-2,5 м. За результатами дослщжень була за-пропонована наступна конструкцiйна схема, яка включае два барабани, що мають зустрiчне обер-тання (рис. 4) [3, 4].
Барабани обладнаш гумовими трубками, як1 стискають прут i протягують його в промiжку м1ж барабанами. Одночасно з цим проводиться нарiзаиия прутiв на живщ. Для забезпечення як1сного нарiзания живщв вибрана схема рiзаиия з протирiзом. Основними параметрами е: кут за-гострення рiзального ножа ф, довжина ножа l, гли-бина входження ножа в крайку на протирiзi h.
Рис. 4 - Конструкцшно-технологгчна схема мехашзму наргзання живцгв деревних бгоенергетичних культур: ф - кут загострення ножа; I - довжина ножа; И - глибина входження ножа в крайку на протир1з1;
г - рад1ус барабана
Виготовлено лабораторну установку та проведено дослщження з обгрунтування параметрiв ножа та протирiза. За результатами дослвджень встанов-лено, що i3 зб№шенням кута заточування з 20 до 30 градуав процес перерiзання вiдбуваeться швидше i вiдповiдно швидшсть входження живця в спрямовувальний кожух зб№шуеться на 0,3 м/с. За умови збшьшення заглиблення ножа в крайку на протирiзi з 0,5 мм до 3 мм швидюсть зб№шуеться на 0,6 м/с. Обгрунтовано наступнi значення пара-метрiв: дiаметр прута деревних бiоенергетичних культур 8...25 мм, заглиблення ножа в крайку на протирiзi - 1.2 мм, кут заточування ножа 15.20
Список лiтератури
1. Адамчук В. В., Грицишин М. I., Перепе-лиця Н. М. Бiоенергетичнi культури. Технологи. Технiка. Економiка. Нiжин: Видавець Лисенко М. М., 2021. 136 с
2. Енергетична верба: технолопя вирощу-вання та використання. Щд загальною редакцieю доктора сшьськогосподарських наук В. М. Сшче-нка. - Вшниця: ТОВ «Ншан-ЛТД», 2015. 340 с.
3. Розробити науковi основи техшко-техно-логiчного забезпечення вирощування та збирання деревних культур, як сировини для виробництва
твердих бiопалив: звт (пром1жний) 04.03.00.01Ф / НААН; ННЦ «1МЕСГ»; кер. А. Борис; вик.: В. При-сяжний, I. Савченко, I. Гузiк, В. Кусайко, Н. Мар-тинайтус;. Глеваха, 2018. 29 с.
4. Борис А. М., Ри^вський П. А., Гузш I. М. Обгрунтування рацюнальних параметрiв робочих сегментiв механiзму нарiзання живцiв деревних бь оенергетичних культур. «Крамаровсьш читання»: зб. тез доповвдей IX Мiжн. наук.-техн. конф. з на-годи 116-1 рiчницi ввд дня народження докт. техн. наук, проф., член.-кор. ВАСГШЛ, вiцепрез. УАСГН Крамарова В. С. (1906-1987) (23-24 лютого 2023р., м. Ки1в). Ки!в: НУБШ, 2023. С. 321-323.
5. Борис А. М., Рихлiвський П. А., Гузш I. М. Особливосп в конструюваннi механiзму нарiзання живщв деревних енергетичних культур. Наука, освгга, технологи i суспiльство: новi дослщження i перспективи: збiрник тез доповщей мiжнародноl науково-практично! конференци(Полтава, 20 вере-сня 2022 р.): у 2 ч. Полтава: ЦФЕНД, 2022. Ч.1. С.54-55
6. Рустамов С. И. Высокопроизводительные режущие аппараты сельскохозяйственных уборочных машин. Киев; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1985. 95 с
