Обоснование силового взаимодействия очищающих элементов с загрязнениями кожного покрова Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Обоснование силового взаимодействия очищающих элементов с загрязнениями кожного покрова

Л.П. Карташов, д.т.н, Л.Г. Нигматов, аспирант, Оренбургский ГАУ; Ю.А. Хлопко, к.т.н, ИКВС УроРАН; В.А. Салов, к.т.н., ОАО «Газпром газораспределение Оренбург»

Функциональное состояние кожного покрова во многом определяет продуктивность животного и качество получаемой продукции. Полноценное выполнение кожным покровом своих функций зависит от степени загрязнения. Установлено, что регулярная обработка кожного покрова КРС с целью очистки от загрязнений способствует более полному использованию генетического потенциала животного [1].

В ряде работ обоснована необходимость регулярной механической обработки поверхности кожного покрова КРС, определены основные требования, предъявляемые к механическим устройствам для обработки и очистки, разработана и предложена конструкция устройства для механической обработки кожного покрова КРС [2—4].

Для определения конструктивно-режимных параметров работы устройства возникла необходимость в систематизации загрязнений на поверхности кожного покрова КРС с целью определения усилия их удержания на различных участках кожи. Результаты систематизации представлены на рисунке 1.

Для обеспечения максимальной очистки кожного покрова механическим очищающим устройством необходимо определить усилие удержания загрязнения на его поверхности. Для этого была разработана методика определения ¥удз загр,, которая заключается в суммировании усилий, прикладываемых для удаления загрязнения с определённой площади кожного покрова (рис. 2).

В процессе исследований выявили, что на различных участках тела животного величина

зависит от ряда параметров: толщины кожного покрова, густоты и длины волосяного покрова. Используя результаты Г.И. Кульчумовой и А.А. Ба-харева [5, 6], а также собственных исследований, мы составили карту загрязнений кожного покрова КРС (рис. 3).

Анализируя полученные результаты, можно заключить, что большую часть загрязнений кожного покрова КРС составляет навоз (55%), при этом Fyd.загр. находится в пределах от 15 до 40 Н в зависимости от влажности. Также к трудноудаляемым загрязнениям следует отнести семена сорных растений Руэзагр. = 35-39 Н.

Таким образом, можно определить минимально необходимые усилия воздействия очищающих элементов предлагаемого устройства [4].

Также следует принять во внимание тот факт, что в процессе очистки кожного покрова ручными скребками животные испытывают болевые ощущения, которые могут привести к стрессовому состоянию, а следовательно, повлиять и на их продуктивность. Чтобы избежать этого, при силовом воздействии на кожный покров животного механическим устройством должно выполняться условие:

F max < F < F

уд.загр. — устр. — бол.ощ. (1)

r^max

где ^удзагр — максимальное усилие, затрачиваемое на удаление загрязнения с кожного покрова КРС, Н;

Fycmp. — усилие, создаваемое устройством при взаимодействии с кожным покровом животного, Н;

F6m. . — усилие воздействия на кожный покров, при котором животное испытывает болевые ощущения, Н.

Цель исследований — обосновать необходимое усилие устройства, при котором будет происходить

10%

Рис. 1 - Виды и структура загрязнений кожного покрова КРС

1 - навоз

2 - кормовые

3 - подстилочный материал

4 - собственные выделения

5 - эктопаразиты

6 - семена растений

подстилочный материал

Рис. 2 - Усилие удержания загрязнений на поверхности кожного покрова КРС (усреднённые данные)

Рис. 3 - Карта загрязнений кожного покрова КРС

очистка кожного покрова, но животное не будет испытывать болевых ощущений. Опираясь на конструкцию устройства [4], нужно рассмотреть силы, возникающие при взаимодействии очищающих элементов с загрязнением кожного покрова (рис. 4).

Так как очищающий элемент вращается с определённой угловой скоростью, то при контакте с загрязнением он изгибается под действием силы упругости, проникая при этом в загрязнение, и разрушает его. Поверхность загрязнения разрушается, а изогнутый во время контакта очищающий элемент стремится занять свою первоначальную форму, т.е. выпрямляется, унося с собой частички разрушенного загрязнения.

Конструкцией устройства предусмотрено, что в зоне контакта потоком воздуха создаётся раз-

ряжение, благодаря чему оторванные частички загрязнения эвакуируются в пылегрязесборник.

Рассматривая очищающий элемент в виде жёстко закреплённого с одной стороны балки, воспользовавшись теорией упругости [7, 8] при взаимодействии очищающего элемента с загрязнением, можно определить величину прогиба очищающего элемента:

6„3

8, =

1 ■ ^

ь Го.э

3 ■ Е ■ J,

=> Ро.э. =■

■ Е ■ Jr

13

(2)

где 5С — прогиб очищающего элемента, м; Е — модуль упругости материала Па; 1Х — момент инерции очищающего элемента,

м4; Jx =

пЛ о

Рис. 4 - Силы при взаимодействии очищающего элемента с загрязнением на кожном покрове КРС

Ь — длина очищающего элемента, м; йо.. — диаметр очищающего элемента, м.

Очищающий элемент вращается с определённой угловой скоростью ю, что создаёт динамический удар по загрязнению, который можно учесть динамическим коэффициентом удара кд:

к' = ' + ^

(3)

где о1 — линейная скорость на конце очищающего элемента, м/с, и1= ю -(Ь + г); и2 — скорость перемещения насадки устройства; м/с [4];

g — ускорение свободного падения, м/с2; г — радиус барабана, на котором жёстко закреплены очищающие элементы, м. С учётом преобразования можно получить усилие, создаваемое одним очищающим элементом:

F = Ъст 3EndL

1 + (ю- (L + г ))12 +-uj; (4)

о . э . 6413 у я 8С

Зная усилие на кожном покрове, можно определить количество очищающих элементов поэ, необходимое для удаления загрязнения:

F

уд.загр.

F„„

К

з ,

(5)

где КЗ — коэффициент запаса КЗ =1,1.

Тогда усилие, создаваемое механическим очищающим устройством, можно рассчитать по формуле:

F = F

устр. о.

(6)

Таким образом, проведённые теоретические исследования позволили определить, что при изгибе очищающего элемента 5С = 2 мм, выполненного из полиэтилена Е =300 МПа, диаметром d03. =

0.5.мм, длиной L =15 мм, вращающегося с угловой скоростью ю =312 рад/с-1, усилие, создаваемое устройством F , составит 54 Н/см2 при пороге болевых ощущений в 60 Н/см2, т.е. процесс очистки кожного покрова КРС будет для животного безболезненным. Лабораторные и производственные исследования предложенной конструкции устройства для механической обработки кожного покрова КРС подтвердили достоверность полученных теоретических результатов.

Литература

1. Хлопко Ю.А., Осипова А.М. Обоснование и перспективы развития механической обработки кожного покрова животных // Вестник ВНИИМЖ. 2012. № 4 (8). С. 124-128.

2. Хлопко Ю.А., Осипова A.M., Нигматов Л.Г Совершенствование очищающих устройств для механической обработки кожного покрова // Вестник ВНИИМЖ. 2013. № 3 (11). С. 202-206.

3. Хлопко Ю.А., Нигматов Л.Г. Обоснование механической обработки кожного покрова крупного рогатого скота // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 3 (41). С. 99-103.

4. Хлопко Ю.А., Нигматов Л.Г. Устройство для механической обработки кожного покрова КРС // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. № 2 (46). С. 62-63.

5. Кульчумова Г.И., Заднепрянский И.П. Методические рекомендации по изучению кожного покрова и качества кожевенного сырья крупного рогатого скота. Оренбург, 1988. 32 с.

6. Бахарев А.А. Особенности волосяного покрова мясных пород скота в условиях Северного Зауралья // Аграрный вестник Урала. 2011. № 12-2 (92).

7. Александров А.В. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 2003.

8. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990.

По.э. =