CC BY
57
имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: aaa- [email protected].
Малюков Сергей Владимирович - доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about authors
Aksenov Alexey Aleksandrovich - Associate Professor of Production, Repair and Maintenance of Machinery Department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Malyukov Sergey Vladimirovich - Associate Professor Department of Forestry Mechanization and Machine Design, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 10.12737/18741 УДК 631.363.2
СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МОЛОТКОВ
КОРМОДРОБИЛОК
кандидат технических наук, доцент А. А. Петров1 кандидат технических наук, доцент В. С. Стеновский1 Н. В. Белоусова1
1 - ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», г. Оренбург, Российская Федерация
Целью исследования является повышение надежности работы кормодробилок за счет обоснования конструктивных параметров молотка и выбора материала для его изготовления. Объект исследования - процесс износа молотка в кормодробилке молоткового типа. Представлены результаты теоретических исследований по повышению износостойкости молотков кормодробилок. Проанализировав работу кормодробилки, пришли к выводу, что молоток отклоняется от радиального положения на угол а. Теоретическими расчетами установлено, что для исключения проскальзывания зерна по молотку кормодробилки необходимо изготовить молоток с заранее известным углом наклона рабочей грани, равным 16-18°. В результате исключения проскальзывания зерна по молотку происходит снижение износа. В результате эксперимента была получена зависимость угла отклонения молотка от радиального положения от таких факторов, как: скорость молотка, м/с; влажность измельчаемого материала, %; степень измельчения материала, %; величина подачи материала, кг/с. Для кормодробилки
КДУ-2А с техническими характеристиками: скорость молотка 71,3 м/с; влажность измельчаемого материала 16 %; степень измельчения материала, 100 %; величины подачи 0,5 кг/с угол составил при измельчении мягкой пшеницы 160; ячменя 180. Для выявления зависимости износа от количества перерабатываемого материала были изготовлены пластинчатые молотки из сталей: сталь 65Г; сталь У8А. Наиболее износостойким является молоток, изготовленный из стали У8А. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что наибольшим ресурсом обладают экспериментальные молотки, у которых рабочая грань изготовлена из стали У8 по сравнению с пластинчатым (базовым) молотком, изготовленным из стали 65Г, в 3,7 раза.
Ключевые слова: Износостойкость, надежность, молоток кормодробилки, угол отклонения.
METHOD OF OPTIMIZING THE FEED MILL HAMMERS' DURABILITY'S
IMPROVEMENT
PhD in Engineering, Associate Professor A. A. Petrov1 PhD in Engineering, Associate Professor V. S. Stenovsky1 N. V. Belousova1
1 - Federal State Budget Educational Institution of High Education «Orenburg SAU», Orenburg,
Russian Federation
Abstract
The aim of the study is the reliability of feed mill's improvement by the study of hammer's design parameters and the choice of the materials for its manufacture. The object of study is the process of the hammer's wear in a feed mill of the hammer type. The results of theoretical research to improve the wear resistance of feed mill hammers' are given. Analyzing feed mill work, we came to the conclusion that the hammer deviates from the radial position to the corner a. Theoretical calculations found that to avoid grain's slipping on a hammer of a feed mill, a hammer with known cutting edge's angle of 16-18° must be manufactured. As a result of grain slippage's exceptions on a hammer, wear reduction takes place. The result of the experiment was hammer angle deflection's dependence from the radial position on such factors as: speed of the hammer, m / sec; humidity of crushed material,%; crushing material's degree,%; the amount of the material supply, kg / sec .. For feed mill KDU-2A with the technical characteristics: speed of the hammer 71.3 m / s; humidity of crushed material 16 %; crushing material's degree, 100 %; the amount of the material supply 0.5 kg / sec. The angle at grinding of soft wheat - 16°; of barley - 18°. To detect wear, depending on the amount of processed material, the steel plate hammers were made : steel 65G; Steel U8A. The most durable hammer is one made of steel U8A. Basing on the experimental data one can conclude that experimental hammers have the greatest resource, their working face is made from steel U8 compared with the plate (base) hammer from steel 65G in 3.7 times.
Keywords: durability, reliability, feed mill hammer, the angle of deflection.
Как показывает производственная статистика предприятий агропромышленного комплекса, наиболее низкий ресурсный потенциал наблюдается у молотков кормодробилок, который в зависимости от наполнения измельчаемой массы вариру-ется в интервале [72-300] часов [1]. Следовательно, приоритетным предметом исследований, реализуемых в области измельчения кормовой продукции, можно считать элементы молоткового или ударного типа, их геометрические характеристики и конструктивно-режимные параметры. Оптимизация совокупности технологических показателей молотковых кормодробилок не является конструкторской самоцелью, но только путем технико-теоретических исследований можно кардинально усовершенствовать данный тип измельчителей, а простота и надежность в работе позволит сделать их конкурентоспособными в реальном секторе рыночной экономики агропромышленного комплекса.
Авторами предлагаются модернизированные молотки с преобладающими прямыми ударами, что приводит к увели-
чению ресурса молотка кормодробилки и значительному снижению потребления электроэнергии.
Молотки пластинчатого типа во время работы (рис. 1) под действием силы сопротивления со стороны воздушно-продуктового слоя отклоняются от своих радиально-равновесных состояний на угол С. Сила ударного воздействия зерна на молоток имеет две составляющие: нормальную, которая в основном и разрушает зерно, и тангенсальную - заставляющую проскальзывать зерновой материал по молотку, что приводит к его интенсивному истиранию.
Для предотвращения явления проскальзывания зерна молоток изготавливается с заранее установленным углом С ската грани. Указанный угол идентичен углу отклонения молотка во время работы кормодробилки.
Экспериментальный образец молотка (рис. 2) выполнен в виде пластины, состоящей из двух разновеликих трапеций, расположенных вдоль продольной оси симметрии молотка и расположенных
Рис. 1. Схема силового анализа взаимодействия пластинчатого молотка с зерном
меньшими основаниями ближе к поперечной оси симметрии. При этом угол наклона граней трапеции адекватен углу отклонения молотка от радиального положения.
В предлагаемой методике угол отклонения молотка определяется с учетом суммы моментов относительно точки А подвеса молотка.
Посредствам математических преоб-
п
разований системы ^ шош^г - 0 , установлена функция:
i=1
F -1 - sin а — F -1 -
цс сопр
-cosa + F' -1 - sin а = 0,
(1)
где Рф _ центробежная сила, Н;
Рсопр _ сила сопротивления воздушно-продуктового слоя, Н;
V = „„ _
т
Ш2 _ сила тяжести молотка, Н;
I _ расстояние между центром подвеса молотка и центром масс, м.
Пренебрегая силой тяжести молотка получаем уравнение:
Fl6 - sin а
F
сопр
cosa •
(2)
F
цб
F
= ctga.
сопр
F
цб
а = arcctg F
(3)
(4)
сопр
Анализ работы кормодробилки показал, что молоток, отклоняясь от радиального положения на угол С , создаёт условия для интенсивного проскальзывания зерна по его грани. Гипотетически данное явление может быть исключено, если изготовить молоток с заранее известным углом наклона рабочей грани. В результате исключения проскальзывания зернового материала по молотку его износ резко снижается [2, 7, 8, 9, 10].
А в связи с этим целью исследований определили выявление степени повышения надежности работы кормодробилки посредством оптимизации конструкционных параметров молотка.
Для подтверждения математической модели износа молотка использовали ме-
тод анализа динамики износа при проведении процесса экспериментальных испытаний дробилки типа КДУ-2А и на лабораторной установке для исследования процесса дробления кормов.
Природа износа молотков представляет собой взаимодействие материальных тел рабочей поверхности молотка и зернового материала. При научных исследованиях прежде всего необходимо установление закономерностей данного взаимодействия. Основными факторами, определяющими вид изнашивания, являются среда, в которой происходит взаимодействие; динамика и кинематика относительного перемещения взаимодействующих тел; характер контакта и свойства материала изнашиваемой детали.
Интенсивность износа молотков определяется рядом факторов, которые делятся на три основные группы:
1) конструкционные параметры (толщина, геометрия молотка и т.д.);
2) режимы дробления (подача, угловая скорость ротора, степень размола и т.д.);
3) физико-механические свойства перерабатываемого материала (влажность, твердость).
В процессе исследований авторы, прежде всего, ставили целью выявить закономерность взаимодействия молотков с зерновым материалом и установить зависимость продолжительности работы процесса дробления от вида перерабатываемого материала, то есть определить производительность кормодробилки.
Предметом исследования явились закономерности износа молотков, используемых в дробилках КДУ-2А, которые
наиболее распространены в сельскохозяйственном производстве.
Перед установкой на дробилку молотки подвергались метрическому обследованию.
Основными показателями, характеризующими количественную составляющую эксплуатации дробилок, устанавливались:
1) однородность фракционного состава дробленой массы;
2) равномерность гранулометрического состава.
Решение поставленной задачи сводилось к выявлению зависимостей влияния конструкционных параметров и физико-механических свойств перерабатываемого материала на динамику износа молотка и его ресурс.
Для исследования закономерности износа и производительности кормодроби-лок молоткового типа в зависимости от исследуемых геометрических параметров молотка проводились как лабораторные, так и производственные эксперименты.
Производственные эксперименты, по сравнению с лабораторными, являются более затратными. Однако только в естественных условиях можно получить результаты при наличии всех действующих факторов, особенно если это касается производственно-технологической среды.
Особенностью предлагаемой лабора-торно-экспериментальной установки для определения угла отклонения молотка от радиального положения является визуальное, фото-видеонаблюдение за процессом дробления зернового материала в дробилке молоткового типа. Это делает возможным определение оптимальных конструктивно-
режимных параметров молотковой кормод-робилки в ускоренном режиме. Лабораторная установка защищена патентом на полезную модель № 51900 (рис. 3) [3].
Рис. 3. Лабораторная установка
Лабораторная установка состоит из станины 1, вариатора 2, тахометра 3, в верхней части корпуса имеется смотровое окно 4 со шкалой, загрузочной горловины 5, молотка 6, ротора 7, стробоскопического прибора 8, лампы стробоскопа 9, корпуса с прозрачной задней торцевой стенкой и передней окрашенной в темный цвет 10 и электродвигателя 11.
В экспериментальных исследованиях были использованы стальные молотки 65Г и молотки из стали У8А инструментального коленния с отпуском. Количество молотков каждого вида специально определялось для получения достоверной оценки износа при эксплуатационных испытаниях [4].
В процессе всего времени работы _ 290 часов, при переработанной массе пятьсот восемьдесят тонн.
Замеры износа молотков проводились при техническом обслуживании кор-модробилки (рис. 4).
На лабораторных весах марки ВЛКТ-160г-М с точностью до 1 грамма определяется массовый износ разностью массы молотков при взвешивании.
Методически интенсивность изнашивания испытуемых молотков определялась как:
I = А т / Q, (5)
где А т - средний массовый износ молотков, г.;
Q - наработка дробилки, т. л п
Ат = ^ (тп-1 - т])/п, (6) 1
где тп-1 - масса нового j-того молотка, г;
т] - масса изношенного j-того молотка, г;
п - количество испытуемых молотков.
Такой подход не только дает возможность сравнивать качественные характеристики и делать заключительную оценку испытуемых молотков, но и оперировать количественными показателями, чем в данном случае является относительная износостойкость испытуемых молотков и коэффициент долговечности.
С = 1и / 1э, (7)
где С - относительная износостойкость;
1и = 1 / ¡и - износостойкость пластинчатых молотков;
1э = 1 / ¡э - износостойкость экспериментальных молотков.
Необходимо отметить соответствие испытуемых молотков требованиям по износостойкости при условии С > 1 [5, 6].
Для изготовления молотков с углом наклона боковой (рабочей) гранью авторы ориентировались на технические характеристики кормодробилки КДУ-2А и измельчаемого материала по следующим величинам: окружная скорость молотков, 71,5 м/сек; влажность измельчаемого материала, 16 %; степень измельчения материала, 70%; величина подачи материала в кормодробилку, 0,5 кг/с.
По полученным данным достоверно рассчитывается и строится, с помощью
программы Mathcad поверхности отклика. Анализировав поверхности отклика определяет оптимальные значения угла наклона рабочей грани молотка. Для мягкой пшеницы расчетный угол составил 160.
При проведенной серии опытов были установлены и получили апробацию следующие результаты.
Проведенные эксперименты подтвердили, что наибольшим ресурсом обладают экспериментальные молотки, у которых рабочая грань изготовлена из стали У8 по сравнению с пластинчатым (базовым) молотком, изготовленным из стали 65Г в 3,7 раза.
Наработка, т.
1 - пластинчатый молоток Сталь 65Г
2 - экспериментальный молоток Столь 65С
3 - пластинчатый молоток Сталь 48А
4 - экспериментальный молоток Столь У8А
Рис. 4. График износа пластинчатых и экспериментальных молотков, изготовленных из сталей 65Г и У8А, в зависимости от наработки
Библиографический список
1. Ялпачик, Ф.Е. К расчету оси подвеса молотков кормоизмельчающих аппаратов [Текст] / Ф.Е. Ялпачик, Г.С. Ялпачик // Механизация и электрификация с-х. - 1987. - Вып. 65. - С. 46-51.
2. Петров, А.А. Повышение надежности рабочих органов кормодробилок молоткового типа [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03: защищена 5.10.07 / А.А. Петров. - Оренбург, 2007. - 153 с.
3. Патент на полезную модель №51900 РФ. Лабораторная установка для исследования процесса дробления кормов [Текст] / М.И. Филатов, М.И. Бабьева, В.А. Шахов, А.А. Петров; опубликовано: 10.03.2006.
4. Рублев, В.И. Методика ускоренных испытаний на износостойкость молотков кормодробилок [Текст] / В.И. Рублев, И.Н. Иваненко // Сб. науч. тр. ВНИИМОЖ/ ВНИИ по ис-пыт. машин и оборудования для животных и кормопроизводства. - 1986. - № 4. - С. 23-33.
5. Розенбаум, А.Д. Повышение надежности молотков кормодробилок [Текст] / А.Д. Ро-зенбаум, Б.М. Меркулов, М.М. Тенденбаум. - М., 1968. - 520 с.
6. Власов, Ю.А. Допустимый износ молотков кормодробилок [Текст] / Ю.А. Власов // Механизация и электрификация с-х. - 1972. - №2. - С. 45-46.
7. Oje, K. Some physical properties of oilbean seed [Тех^ / K. Oje, E.C. Ugbor // Journal of Agricultural Engineering Research. - 1991. - Vol. 50. - Issue C. - pp. 305-313.
8. Vaculik, P. Disintegration process in disc crushers [Тех!] / P. Vaculik, J. Maloun, L. Chladek, M. P0ikryl // Research in Agricultural Engineering. - 2013. - Vol. 59. - Issue 3. - pp. 98-104.
9. Liu, S. Crushing pretreatment parameter optimization of soybean straw used as raw material of mulch. Nongye Gongcheng Xuebao [Тех^ / S. Liu, X. Fang, Y. Zhang, H. Chen, H. Chen // Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. - 2015. - Vol. 31. - Issue 2. - pp. 333-338.
10. Zhang, C. An application of breakage mechanics for predicting energy-size reduction relationships in comminution [Тех^ / C. Zhang, G.D. Nguyen, J. Kodikara // Powder Technology. -2016. - Vol. 287. -pp. 121-130.
References
1. Yalpacik F.E., Yalpacik G.S. K raschetu osi podvesa molotkov kormoizmel'chajushhih appara-tov [Сalculation of the axis of suspension of hammers komosmolskaya apparatuses]. Mehanizacija i jelek-trifikacija s-h [Mechanization and electrification of agriculture], 1987, Vol. 65, pp. 46-51. (In Russian).
2. Petrov A.A. Povyshenie nadezhnosti rabochih organov kormodrobilok molotkovogo tipa dis. kand. tehn. nauk [Improving the reliability of the working bodies kormodrobilok hammer type Phd. tehn. Sci. dis.]. Orenburg, 2007, 153 p. (In Russian).
3. Filatov M.I., Babeva M.I., Shahov V.A., Petrov A.A. Laboratornaja ustanovka dlja issle-dovanija processa droblenija kormov [Laboratory installation for research of process of crushing of feed]. Patent RF, no. 51900, 2006.
4. Rublev V.I., Ivanenko I.N. Metodika uskorennyh ispytanij na iznosostojkost' molotkov kormodrobilok [Method of accelerated testing of the durability of hammers kormodrobilok]. Sb. nauch. tr. VNIIMOZh/ VNII po is-pyt. mashin i oborudovanija dlja zhivotnyh i kormoproizvodstva
[In Proc. scientific. Tr. VNIIMOG research Institute for testing machines and equipment for animal and fodder production]. 1986, no. 4, pp. 23-33. (In Russian).
5. Rosenbaum D.A., Merkulov B.M., Tenenbaum M.M. Povyshenie nadezhnosti molotkov kormo-drobilok [Improving the reliability of hammers kormodrobilok]. Moscow, 1968, 520 p. (In Russian).
6. Vlasov Yu.A. Dopustimyj iznos molotkov kormodrobilok [Allowable wear of hammers kormodrobilok]. Mehanizacija i jelektrifikacija s-h [Mechanization and electrification of agriculture]. 1972, no. 2, pp. 45-46. (In Russian).
7. Oje K., Ugbor E.C. Some physical properties of oilbean seed. Journal of Agricultural Engineering Research. Vol. 50, Issue C, September 1991/December 1991, pp. 305-313.
8. Vaculík P., Maloun J., Chládek L., P0ikryl M. Disintegration process in disc crushers. Research in Agricultural Engineering, 2013, Vol. 59, Issue 3, pp. 98-104.
9. Liu S., Fang X., Zhang Y., Chen H., Chen H. Crushing pretreatment parameter optimization of soybean straw used as raw material of mulch. Nongye Gongcheng Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, Vol. 31, Issue 2, pp. 333-338.
10.Zhang C., Nguyen G.D., Kodikara J. An application of breakage mechanics for predicting energy-size reduction relationships in comminution. Powder Technology, 2016, Vol. 287, pp. 121-130.
Сведения об авторах
Петров Алексей Анатольевич - заведующий кафедрой «Проектирование и управление в технических системах», ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», кандидат технических наук, доцент, г. Оренбург, Российская Федерация; e-mail: [email protected]
Стеновский Вячеслав Сергеевич - доцент кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства», ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, кандидат технических наук, доцент, г. Оренбург, Российская Федерация; e-mail: [email protected]
Белоусова Наталия Васильевна - старший преподаватель кафедры «Технический сервис», ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», г. Оренбург, Российская Федерация; e-mail: [email protected]
Information about authors
Petrov Alexey Anatolevich - Head of the department «Design and management of engineering systems», Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Orenburg State Agrarian University», PhD in Engineering, Associate Professor, Orenburg, Russian Federation; e-mail: leha.peter [email protected]
Stenovsky Viatcheslav Sergeevich - Associate Professor of «Power supply of agriculture», Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Orenburg State Agrarian University», PhD in Engineering, Associate Professor, Orenburg, Russian Federation; e-mail: [email protected]
Belousova Nataliya Vasilevna - Senior Lecturer of the Department «Technical service», Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Orenburg State Agrarian University», Orenburg, Russian Federation; e-mail: [email protected]
