CC BY
80
УДК 631.363.2.001.2:633.853.494
В.И. Сыроватка, доктор техн. наук, академик РАСХН
Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства»
Н.С. Сергеев, канд. техн. наук
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинский государственный агроинженерный университет»
исследование процесса динамического резания семян рапса и фуражного зерна
В результате обобщения многочисленных исследований измельчения различных материалов многие авторы пришли к выводу, что каждый способ измельчения в отдельности выгоден только при разрушении определенного вида материала и предлагают тот или иной способ измельчения в зависимости от физико-механических свойств разрушаемого материала. Большое количество исследований посвящены изучению механических свойств зерна при статическом нагружении, но весьма недостаточно изучено взаимодействие измельчаемого материала c режущим инструментом в динамике. Возникновение этих проблем обусловлено специфичностью поведения различных материалов в процессе резания и, следовательно, соответствующими требованиями к режущему инструменту и режиму резания. В соответствии с этим термин резание можно рассматривать как понятие, объединяющее три различных технологических процесса: резание пуансоном, резцом и лезвием. Специфичен вид операций, осуществляемый указанными видами резания. При резании пуансоном достигается разделение на части главным образом твердых упругопластичных материалов. Такой же эффект получают при резании лезвием упруговязких материалов. Важное раз-
личие рассматриваемых видов резания заключается в том, что образование новой поверхности материала в случае воздействия пуансона и резца происходит вследствие возникновения внутренних касательных напряжений, тогда как в процессе резания лезвием указанная поверхность образуется под непосредственным давлением кромки лезвия. Повышение износостойкости и долговечности ножей режущих аппаратов за счет изменения их конструктивных параметров, кинематических режимов работы и изготовления их из современных износостойких материалов является актуальной проблемой.
Скорость резания — важнейший параметр, от которого существенно зависит производительность 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 многосторонне исследуют.
Влияние скорости резания, углов заточки и защемления режущих элементов на усилие резания одиночных зерен [1, 2] изучено на специальной экспериментальной установке центробежно-роторного типа, оборудованной динамометрическим резцом
г
(12
б
Рис. 1. Экспериментальная установка динамического резания зерна:
а — внешний вид; б — камера измельчения; 1 — корпус; 2, 4 — стержень динамометра; 3, 5 — кронштейны; 6 — канал для зерна; 7 — обечайка камеры измельчения; 8 — отверстие приемной камеры; 9 — диск-ротор; 10 — противовес; 11 — планка-канал; 12 — резец; 13 — зерновка; 14 — электродвигатель
а
и измерительном системой для регистрации усилия резания зерна (рис. 1).
В качестве измельчаемого материала использованы: пшеница Оренбургская, ячмень Красно-уфимский-95, овес Сельма и рапс Агат влажностью 14,3+0,2 %. Угол заточки режущего элемента (резца) изменяли от 60 до 85°. Учитывали также влияние угла защемления х материала на процесс резания.
По теории резания В.П. Го-рячкина полное защемление материала в режущей паре наступает при условии, когда хкрит = 2фш1п (здесь ф — угол трения). Зная коэффициент трения исследуемого материала по металлу, определяли угол трения ф. В результате для зерен исследуемых культур рациональный угол защемления х = 36° (резание со скольжением). Для сравнения проведен эксперимент резания «рубкой» (х = 0) при угле заточки резца в = 85°, как наиболее износостойкого. Опыты проводили с трех-пятикратной повторностью [3].
Стальной диск-ротор 9 установлен на валу электродвигателя постоянного тока ДГ-1УЗ, который закреплен на верхней крышке корпуса. На диске-роторе 9 размещена радиальная направляющая планка-канал 11. Для балансировки диска симметрично с планкой-каналом 11 установлен противовес 10. Квадратное отверстие направляющей планки-канала обеспечивает ориентированное движение одиночных зерен к режущему элементу 12. Загрузка зерен производится через отверстие 8 приемной камеры. Через прорезь в обечайке 7 проходит регистрирующая часть резца 12, закрепленного на стержне 2, направленного по касательной к периферии диска-ротора 9.
Стержень динамометра цилиндрический, диаметром 4 мм. Резец 12 выполнен из алюминиевого сплава Д16, термообработка которого (закалка и искусственное старение) обеспечивает высокую твердость и прочность режущей кромки. Стержень 2 динамометра прикреплен посредством резиновых втулок к кронштейнам 3 и 5, установленным на верхней крышке корпуса 1. Длина стержня 600 мм обеспечивает регистрацию измеряемого импульса без наложения отраженных от торца резца волн напряжений.
1
Рис. 2. Диск-ротор (вид сверху)
Таблица 1
Режимы работы экспериментальной установки по исследованию динамического резания зерна
Напряжение, В Частота вращения двигателя, мин-1 Скорость резания, м/с
10 1000 16
15 1350 21,7
20 1650 26,5
25 1900 30,5
30 2120 34,2
35 2400 38,5
40 2620 42
45 2900 46
Размер зерна, выходящего из направляющей планки-канала 11, ограничена зазором Л£ (рис. 2) между ее торцом и внутренней стенкой обечайки 7. Режущая кромка резца 12 установлена с минимальным зазором Л1 между торцом планки-канала 11.
6
Рис. 3. Электрическая схема установки:
1 — автотрансформатор ЛАТР-1М; 2 — контрольная лампочка; 3 — выпрямитель Д226-Б; 4 — вольтметр постоянного тока; 5 — электродвигатель ДГ-1УЗ; 6 — предохранитель ПР-2
5
Рис. 4. Схема волнового процесса в динамометре
Электрические сигналы динамометра регистрировались электронным запоминающим осциллографом С8-13 с усилителем Я40-1103. Параметры регистрирующей системы: полоса частот 0,5 Гц ... 50 кГц; коэффициент отклонения 0,5 МШ/дел.; коэффициент развертки 10.20 мкс/дел.; питание моста от аккумулятора С/а = 25 В.
На рис. 3 показана электрическая схема установки. Для плавной регулировки скорости резания электродвигатель 5 постоянного тока подключен через выпрямитель 3 к вторичной обмотке регулируемого автотрансформатора 1. Напряжение питания двигателя измеряли вольтметром постоянного тока 4.
Зависимость между скоростью вращения двигателя и напряжением питания определяли стробоскопическим тахометром СТ-2. При измерении усилия Рх(0, приложенного в процессе резания зерен к резцу 12 (см. рис. 2), использовали основы теории распространения продольной волны напряжений [6] в стержне (рис. 4).
Длительность процесса резания Тр рассчитывали по формуле
Т = ^,
р v
где Dз — диаметр зерна; ир — скорость резания.
3 р
(1)
Принимая Dз = 1.4 мм и скорость резания ир = 20.50 м/с, получаем диапазон ожидаемых значений T = (20...200) 10 6 с. В процессе резания в динамометре возникает волна сжимающих напряжений а(х, 0, длина которой определяется зависимостью
\ = СЬТ, (2)
где С, — скорость волны, рассчитываемая по формуле:
8
Рис. 5. Электрическая схема измерения усилия резания:
1 — калибрующий резистор МЛТ-1; 2, 5 — тензорезисторы; 3, 8 — постоянные резисторы; 4 — конденсатор; 6 — осциллограф С8-13; 7 — частотомер Ч3-33
Сь = у]Е/р; Е, р — соответственно модуль упругости и плотность материала стержня.
Наряду с волной сжимающих напряжений в динамометре возможно распространение волн напряжений изгиба, возникающих от сил, приложенных к резцу перпендикулярно его оси. В связи с этим для измерения продольных напряжении ах в контрольном сечении динамометра наклеивали два диаметрально противоположных тензорезистора Я1 и К2, которые включали в противоположные ветви мостовой схемы (рис. 5). В этом случае выходной сигнал мостовой схемы пропорционален только напряжениям от продольной силы, поскольку сигналы тензорезисторов от напряжений изгиба, имеющих разные знаки, взаимно компенсируются. При балансировке моста сначала подгоняли сопротивления постоянных резисторов Я3 и Я4 до значений, обеспечивающих равенство: Я3Я4 = (здесь Я4 — значения сопротивлений тензорези-сторов).
Ордината осциллограммы (рис. 6) п' линейно зависит от сигнала а(^ тензорезистора:
X
6
1
Овес Рапс
Рис. 6. Осциллограммы резания одиночных зерен
Таблица 2
Динамическое усилие резания целых зерен при различных углах заточки и защемления режущих элементов
Скорость Значения усилия резания, Н
резания, Вид зерна в = 60° в = 70° в = 80° в = 85° в = 85°
м/с X = 36° X = 0 (рубка)
22 Пшеница 21,05 21,80 26,20 27,30 28,20
Ячмень 15,61 19,27 22,09 24,34 25,72
Овес 9,45 9,71 10,22 10,74 11,81
Рапс 8,85 9,07 9,22 9,41 -
26 Пшеница 21,24 22,34 28,19 29,21 32,00
Ячмень 17,78 20,45 23,18 25,00 26,22
Овес 9,95 10,55 10,83 11,68 12,56
Рапс 9,18 9,38 9,50 9,66 -
34 Пшеница 21,00 22,93 29,00 31,11 35,40
Ячмень 20,15 21,82 24,73 26,70 30,85
Овес 10,45 11,05 11,57 12,37 14,91
Рапс 9,54 9,63 9,75 9,90 -
38 Пшеница 21,35 24,00 29,81 31,92 37,33
Ячмень 20,96 23,09 26,36 27,82 34,14
Овес 11,00 11,50 12,00 13,07 16,02
Рапс 9,63 9,73 9,86 10,06 -
46 Пшеница 22,30 25,45 30,45 32,59 39,04
Ячмень 24,16 25,27 30,64 32,13 39,91
Овес 12,05 12,58 12,80 13,66 17,55
Рапс 9,70 9,80 10,00 10,24 -
и'(0 = 2Кса(г),
(3)
Р, Н 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16
где 2 — две активные ветви моста; Кс — коэффициент передачи измерительной системы.
Сигнал тензорезистора а(г) = ДЯ/Я (здесь Я — начальное сопротивление; АЯ — изменение этого сопротивления, обусловленное деформацией динамометра ех (г) = о х/Е).
Р, Н 38 36 34 32 30 28 26 24 22
Уравнение преобразования тензорезистора можно представить в виде
а(г ) = Кч е х (г ) =
Кч Рх ( о
ЕЕ
(4)
где Кч — чувствительность тензорезистора; г — время, отсчитываемое от начала осциллограммы сигнала; Е — модуль упругости; Е — площадь сечения стержня динамометра.
5
4
3
1 2
\
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 V, м/с
Рис. 7. Зависимость силы резания Р зерна пшеницы от скорости резания V при х = 36°:
в = 60°; 2 — в = 70°; 3 — в = 80°; 4 — в = 85° при угле защемления X = 0; 5 — в = 85° (рубка)
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 V, м/с
Рис. 8. Зависимость силы резания Р зерна ячменя от скорости резания V при х = 36°:
1 — в = 60°; 2 — в = 70°; 3 — в = 80°; 4 — в = 85° при угле защемления X = 0; 5 — в = 85° (рубка)
Окончательно получаем
„■(,)=адаъ (5)
ЕЕ
Неизвестный коэффициент передачи измерительной системы Кс исключали методом электрической калибровки по амплитуде. Для этого параллельно тензорези-стору Я1 подключали калибрующий резистор Як (см. рис. 5). При этом на выходе схемы возникало такое же напряжение сигнала
«к = к/К, (6)
как и при деформации тензорези-стора на величину
- Я
к Я1 + Я <7>
Знак «-» показывает, что направление сигнала «к соответствует деформации сжатия (уменьшение сопротивления Я1). Поскольку калибровку и измерения осуществляли в одинаковых метрологических условиях, то значения Кс в уравнениях (5) и (6) равны между собой. В итоге получаем формулу для расчета
Рх (г ) =
ЕЕ ак п(г)
2 Кч «к '
(8)
Параметры испытаний: Я1 = 200 Ом; Як = 2,1106 Ом; ак = 9,4105; Кч = 2,14; для стержня диаметром 4 мм из алюминиевого сплава Е = 0,7210-5 МПа и Е = 12,5610-6 м2. С учетом этих параметров усилие резания, Н,
Рх (г) = 19,92«'( г)/пк . (9)
Для калибровки тензометри-ческого сигнала по времени частотомером Ч3-33 подавали частоту / = 100 кГц. Геометрические параметры режущей части дина-
1
P, Н 17 16 15 14 13 12 11 10
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 V, м/с
Рис. 9. Зависимость силы резания Р зерна овса от скорости резания V при х = 36°:
1 — в = 60°; 2 — в = 70°; 3 — в = 80°; 4 — в = 85° при угле защемления X = 0; 5 — в = 85° (рубка)
P, Н 10,3 10,1 9,9 9,7 9,5 9,3 9,1 8,9 8,7
3
4^
s
ч2
1
зания и геометрических параметров режущих элементов (рис. 7, 8, 9, 10).
Выводы
1. Сила резания фуражного зерна режущими элементами с углами заточки в = 60°, в = 70°, в = = 80°, в = 85° и защемления х = 36° при изменении скорости резания от 22 до 46 м/с возрастает примерно в 1,2 раза. Сила резания семян рапса при этих же условиях увеличивается в 1,1 раза.
2. С уменьшением угла резания от в = 85° до в = 60° усилие резания снижается. Однако более острые углы режущих элементов изнашиваются и притупляются быстрее. В процессе многочисленных опытов установлены рациональные углы резания в = 80°, в = 85° и защемления х = 36°.
3. Усилие резания режущим элементом с углами заточки в = 85° и защемления х = 36° на 20.. .25 % ниже, чем при угле защемления X = 0 (рубка). Следует отметить, что при рубке режущим элементом с углом заточки в = 85° из семян рапса выжимается масло.
4. Предложенный метод проведения эксперимента по исследованию процесса динамического резания семян рапса и фуражного зерна позволяет фиксировать импульсный характер усилия резания на осциллограмме с большой точностью.
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 V, м/с
Рис. 10. Зависимость силы резания Р семян рапса от скорости резания V при х = 36°:
1 — в = 60°; 2 — в = 70°; 3 — в = 80°; 4 — в = 85°
мометра изменяли в плоскости резания и в перпендикулярной к ней плоскости. По результатам экспериментальных исследований динамического резания (табл. 2) построены графические зависимости усилия резания одиночных зерен от скорости ре-
Список литературы
1. Сергеев Н.С. Разработка основных параметров измельчителя фуражного зерна центробежно-роторного типа: дис... канд. техн. наук. — Челябинск, 1989. — 157 с.
2. Сергеев Н.С. Поляков А.А. Исследование процесса динамического резания зерен злаковых культур при различных углах заточки и защемления режущих элементов // Сб. науч. тр. «Совершенствование механизации производственных процессов в животноводстве». — Челябинск, ЧИМЭСХ, 1990. — С. 20-26.
3. Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел. — М.: 1965. — 448 с.
