CC BY
27
Математическое обоснование конструктивно-режимных и технологических параметров пуховычёсывающего устройства
В.Д. Поздняков, д.т.н, профессор, В.А. Ротова, преподаватель, Ю.А. Ушаков, к.т.н, Оренбургский ГАУ
Рентабельность козоводства — одной из основных отраслей сельского хозяйства Оренбургской области — вплоть до 2000-х годов резко снижалась. Лишь в последние годы наметилась устойчивая тенденция к возрождению этой отрасли. Вместе с тем механизация технологических процессов в козоводстве находится ещё на крайне низком уровне. Механизированная чёска пуха практически не применяется, пух чешут вручную с помощью специальных гребней.
Процесс чёски козьего пуха представляет собой биотехническую систему «человек — ма-
шина — животное», состоящую из звеньев, воздействуя на которые можно влиять на процесс в целом (рис. 1). Перспективным направлением совершенствования процесса чёски является разработка новых механических устройств для вычёсывания и теоретическое обоснование их конструктивно-режимных параметров. При оптимизации технологии вычёсывания пуха и снижении энергозатрат следует особое внимание при чёске обращать на состояние кожного покрова животного.
Основные параметры, в той или иной степени влияющие на процесс, — это сила трения, скорость движения и угол вхождения вычёсывающего элемента в шёрстно-пуховой покров,
ЕЛОДГДҐДОІІІїН іуг&1 ОІ'
- степень влияния на структурные элементы; используемые в исследованиях;
- прямые связи;
- косвенные связи
Л * I .'ГГ.ТЛИЯННГКН'П-
1 *
С^пкмп рчґрлйютл*! латмоираглитмг і(Г^ИТПТлиг1ГН,ШҐ. ».«■ ЧГТ<- Г+ Л 'Ті' ПТ I- * ІІ/Л^ПІІил'ц-.ф М ҐКШґчГй
і + *
1і А ХЧІМЧУІ ЧІГГХІГ л* ІЬиШіфМЛ 4І^и 4 гліудопмґія ЧОТНТ
Рис. 1 - Модель процесса чёски козьего пуха
усилие, необходимое для вычёсывания пуха, энергозатраты.
На частицу пуха при вычёсывании действуют силы (рис. 2):
= b
Q
P
1 > b • tga+b • tgty + tgty • tga
, тогда:
tga <
1 - b • tg9
шёрстно-пухового покрова (центральный волос). Пуховой волос при вычёсывании перемещается по направлению скорости иаб. Скорость иаб (м/с) абсолютного движения точки А складывается из скорости и (м/с) перемещения вычёсывающего устройства и скорости и (м/с) движения зубьев.
и .
Показатель кинематического режима — - А
можно наити из выражения:
ь=-
tgß
Рис. 2 - Силы, действующие на частицу пуха при вычёсывании
Q — вес частицы;
Р — сопротивление пуха вычёсыванию;
Рин. — сила инерции, прижимающая при подъёме частицы пуха к зубьям гребёнки;
N — нормальная реакция зуба;
Fmp — сила трения пуха о зуб.
Угол наклона а прямолинейного участка зуба выбирают из условия скольжения пуха на этом P • cos а > СушаР tgф•(Q cos а + P sin а)
P • cos а > Q • sina+ Fmp ,
где Fmp = f (Q • cos а + P • sin а + PUH);
f = tgty — коэффициент трения пуха о зуб гребня;
ф — угол трения пуха о зуб гребня.
sin(a - 0) - tgß • cos(a - 0)
где ß — угол между направлением скорости иаб и горизонталью:
п . и sin(a-0) ß = arcsin-----------.
иаб
Абсолютная скорость движения может быть определена по теореме косинусов:
= и 2 + и2 — 2uu cos(180 — (a — 0)) =
9 9
= и2 + и2 + 2uu cos(a — 0),
2
*аб
'■ -J~U + и + 2uu cos(a — 0)
Ь + tgф
Так как масса частицы пуха незначительна и и движения вычёсывающего устройства не превышает 0,2—0,9 м/с, можно пренебречь силой инерции и весом частицы пуха. Тогда условие примет вид:
1
tga < —.
^Ф
Таким образом, тангенс угла вхождения зуба в шёрстно-пуховой слой не должен превышать величины, обратной коэффициенту трения пуха о зуб гребня. Определим оптимальный путь перемещения зуба вычёсывающего устройства.
Пусть пуховой волос (рис. 2), наклонённый под углом 0, расположен на очёсываемой полосе
Мощность, затрачиваемую на выполнение рабочего процесса чёски пуха, найдем как скалярное произведение векторов силы и скорости её точки приложения:
Nр = R-V
Аналитическое выражение мощности имеет вид:
Nр = RnVn + RtVt , где Rn, Rt, — проекции векторов силы;
Vn, VT — проекции скорости точки приложения силы на тангенциальную и нормальную оси соответственно.
Следовательно
Np = [p cos a - Q sin(a - 0) - Fmp ]- иаб cos(a - 0 - в) + + [n - Q cos(a - 0) - P sin a - PUH ] - иаб sin(a - 0 - в)
Учитывая формулу для нахождения силы трения
Fmp = f - P - sin a ,
получим, что нормальная реакция Fm
N = ■
тр
f
= P • sin a.
Вес частицы пуха Q = 0, соответственно и Рин = 0, тогда выражение для нахождения рабочей мощности устройства, примет вид:
Np = [P cos a- Fmp ] • иаб cos(a-0-P).
В результате математической обработки теоретических исследований определены оптимальные эксплуатационные параметры пуховычёсывающего устройства: диаметр вычёсывающих элементов d = 2,0 мм, угол входа вычёсывающих элементов в шёрстно-пуховой покров a = 32°,
скорость перемещения пуховычёсывающего устройства по поверхности покрова козы и = 0,01 м/с, скорость движения вычёсывающих элементов и = 0,6 м/с.
Полученные эксплуатационные параметры позволяют создать механическое устройство для чёски пуха коз, наиболее точно соответствующее требованиям ручного вычёсывания пуха, как наиболее рационального, исторически сложившегося процесса.
Литература
1. Карташов Л.П., Поздняков В.Д. Методические материалы по совершенствованию технических средств для чёски пуха коз. Москва-Оренбург, 2006. 24 с., ил.
2. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. 720 с.
3. Ротова В.А. Совершенствование технологии и технического средства для механизированного вычёсывания пуха коз: дисс. на соиск. уч. ст. кандидата тех. наук. Оренбург, 2009. 416 с.
4. Яблонский A.A. Курс теоретической механики. Ч. 2. Динамика: учебник для техн. вузов. 6-е изд., испр. М.: Высш. шк., 1984. 423 с., ил.
