Трибологические исследования взаимодействия листьев табака с рабочими органами машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.3: 633.71

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИСТЬЕВ ТАБАКА С РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ МАШИН

Виневский Евгений Иванович д.т.н., доцент

Трубилин Евгений Иванович д.т.н., профессор

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Огняник Александр Васильевич к. т. н.

Виневская Наталия Николаевна к. т. н.

ВНИИ табака, махорки и табачных изделий, Россия, 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 42

Букаткин Рустем Николаевич Инженер

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Представлены результаты трибологических исследований по изучению влияние трения на контактное взаимодействие листьев табака с рабочими органами машин для их уборки и послеуборочной обработки. Определены коэффициенты трения покоя и скольжения

Ключевые слова: ТРЕНИЕ ПОКОЯ, ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ, ТАБАЧНЫЙ ЛИСТ, РАБОЧИЕ ОРГАНЫ

UDC 631.3: 633.71

TRIBOLOGICAL RESEARCH ON INTERACTION OF TOBACCO LEAVES WITH THE WORKING BODIES OF MACHINES

Vinevskii Evgeny Ivanovich Dr.Sci.Tech., associate professor

Trubilin Evgeniy Ivanovich Dr.Sci.Tech., professor

FGBOU VPO Kuban State Agrarian University

Ognianik Alexander Vasilyevich Сandidate of technical Sciences

Vinevskaia Natalia Nikolaevna Сandidate of technical Sciences All-Russian Research Institute of tobacco, makhorka and tobacco products, 350072 Krasnodar, Mos-kovskaya, 42, tel/fax 252-16-12, vniitti1@mail.kuban.ru

Bukatkin Rustem Nikolaevich engineer

FGBOU VPO Kuban State Agrarian University, 350072 Krasnodar, Kalinina, 13

The results of tribological researches on influence of friction on contact interaction of tobacco leaves with working bodies of the machines for their harvesting and further green leaf processing are presented. Coefficients of static and sliding friction are measured

Keywords: STATIC FRICTION, FRICTION OF SLIDING, TOBACCO LEAF, WORKING BODIES

Разработка новых и совершенствование существующих конструкций машин для уборки и послеуборочной обработки табака возможно только на основе глубокого изучения особенностей и свойств той среды, с которой взаимодействуют рабочие органы машин. В частности, оптимизация параметров технологических процессов, разработка конструкций машин для уборки и последующей обработки листьев табака невозможны без знания их физико - механических свойств.

В процессе взаимодействия рабочих органов машины с растением между ними возникают различные виды усилий, зависящие от физико -механических свойств растений, его листьев и стеблей: их массы, центра

тяжести, геометрического центра табачного листа, влажности, шероховатости поверхности и другие, оказывающие влияние на скорости витания и перемещение их. Одними из важнейших трибологических показателей фи-зико - механических свойств табачного растения являются коэффициенты трения покоя и скольжения, влияющие на силы трения, возникающие между поверхностями рабочих органов и различными частями растений табака [1].

Исходя из этого, целью исследований являлось определение трибологических характеристик взаимодействия листьев табака с рабочими органами машин - коэффициенты трения покоя и скольжения.

Теоретически проанализировано влияние силы трения покоя на процесс накопления листьев табака между поверхностями гибкого материала при сматывании его в рулон. Накопленные листья в рулоне при его сматывании под определенной силой натяжения материала испытывают давление с его стороны. Примем, что воздухопроницаемый материал оказывает малое сопротивление при изгибе и кручении. Накопление и фиксация листьев между поверхностями материала осуществляется при условии возникновения сил трения между ними в результате натяжения его ветвей (рис.1).

7?—Т2 +л Т

Рисунок 1 - Схема взаимодействия гибкого материала с табачным листом

Сила трения, распределенная в пределах дуги обхвата, зависит от ряда факторов и в первую очередь от величины натяжения концов материала

Т1 и Т 2, дуги обхвата а и коэффициентов трения материала как между собой ^ат, так и между материалом и табачным листом^. [2].

При исследовании процесса накопления возможны два случая:

- табачный лист скользит относительно поверхностей гибкого материала (трение скольжения);

- скольжение табачного листа относительно поверхностей гибкого материала во всех точках дуги обхвата отсутствует (трение покоя).

Первый случай возможен в начальном периоде накопления листьев, когда они фиксируются между наружной и внутренней поверхностями одного и того же материала и находятся в поверхностном слое рулонного накопителя.

Очевидно, второй случай будет наблюдаться, когда лист табака находится во внутренних слоях рулонного накопителя.

Исследуем процесс возникновения сил трения между табачным листом и поверхностями гибкого материала. В начальный период накопления лист защемляется между цилиндрической поверхностью барабана рулонного накопителя. Условно будем полагать, что концы материала, охватывающего барабан в пределах угла а, неподвижно закреплены, а барабан вращается с угловой скорость ю. С другой стороны, такое возможно, если барабан неподвижен, а материал скользит относительно его со скоростью V = г ю.

Разность сил натяжений Т 1 и Т 2 концов материала зависит от величины сил трения, действующих со стороны материала на табачный лист, находящийся между поверхностями материала в пределах дуги обхвата а. Для установления связи между силами Т1 и Т 2 выделим малую дугу материала, приложив к ее концам силы натяжения Т 2 и Т1 = Т 2 + А Т, каждая из которых направлена по касательной к барабану в соответствующей точке. На участке АВ сила натяжения не постоянна и изменяется от

значения Т1 у точки А до значения Т2 в точке В. Прижатие гибкого материала будет больше у точки А. [3].

Со стороны барабана на выделенный элемент материи будет действовать нормальное распределенное давление, имеющее равнодействующей

3 Rn, и распределенная сила трения 3F, направленная против скорости

скольжения.

По закону трения скольжения 3 F = f 3 Rn. Составим уравнение равномерного скольжения гибкого материала по дуге обхвата для элемента гибкой связи длиной Ш, соответствующего элементарному углу обхвата ёа в направлении оси У (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема элемента гибкого воздухопроницаемого материала

В сечениях аа и ЬЬ действуют натяжения Т и Т +dТ, элементарная сила трения 3F и нормальная реакция 3 Rn. При составлении условий равновесия необходимо учитывать центробежную силу 3 Pj, так как гиб-

кий материал движется по искривленной поверхности.

— Р V 2 (1)

с» 1 мат У мат 71 х у

о Р I =--------------d l

g г

где 3 Р - элементарная центробежная сила, Н; Рмат - погонный вес гибкой связи, Н/м; g - ускорение свободного парения, м/с2; Vмат - скорость перемещения гибкого материала, м/с; г - радиус поверхности, м.

Научный журнал КубГАУ, №100(06), 2014 года Так как ё1 = гёа, тогда

Р мат

] = g (2)

от-» Р мат V мат

о Р I =----------------------d а

Из условия равновесия суммы сил на ось ^7 = 0 и с учетом того, что натяжения Т и Т +dТ будут составлять с осью У угол (900 + а), По-

лучим

(Т + dТ - Т эт-^+О Р I + 0 Яп = 0 (3)

_ . da da „ „ dТ с1а

Заменяя 8т^“~ через ~^и пренебрегая малой величинои —-—, получим

0 ЯП = Т d а-О р (4)

Дифференциальная зависимость указывает, что прижатие 3 Яп материала к искривленной поверхности обусловлена натяжением Т и кривизной поверхности (угол- ёа), причем центробежная сила Р] уменьшает это прижатие.

Подставив (2) в (4) и преобразовав, получим:

с» /гтт~ Р мат V мат ч /с\

о Яп = (Т-------------) dа (5)

g

Из уравнения (5) следует, что прижатие натянутого гибкого материала к искривленной поверхности отсутствует в двух случаях:

- если ёа = 0 - материал прилегает к прямолинейной стенке;

- если т - Рмат Vмат =0 или Т=

g g где Т - натяжение от центробежных сил, Н. http://ej.kubagro.ru/2014/06/pdf/77.pdf

2

^ Р мат V мат

2

Отсюда критическая скорость перемещения материала Укр, м/с равна:

V^, =,/(6)

Для обоснования параметров процесса взаимодействия поверхностей гибкого материала с табачным листом воспользуемся формулой Эйлера

[3].

Р мат Vмат ч , Р мат Vмат ч 7 а /п\

(Т 1-----------)/(Т 2------------) = е7 (7)

g g Известно, что сила трения равна разности натяжений ветвей [2]:

F лист = Т1 — Т 2 (8)

Отсюда получим:

~ Рмат Vмат . , (а 1Ч (9)

Fлист = (Т2--------) (е —1) \У)

g

Определим нормальное распределенное давление, оказываемое на табачный лист со стороны гибкого воздухопроницаемого материала

Р

р*т = ^мат, (10)

лист

^ F лист ^

где Р мат =-------сила, оказывающая давление на табачный лист со сторо-

2

ны гибкого материала, Н; 8дист - площадь табачного листа, м .

/т Р мат V мат

/гг-1 мат г мат ч / 7 а л \

= (Т 2 ——><е —1) (11)

г' лист 7 ^

•у лист

В случае, если скольжение табачного листа относительно поверхностей гибкого материала во всех точках дуги обхвата отсутствует (Умат = 0), имеем:

Рист = Т1 —Т2 = Т 2(е'а — 1) (12)

После преобразований получим:

Р Т2(вг а-1)

__ мат ________ 2 У_______/1 л\

Рлист _ О _ О ^ (13)

лист лист ^

В результате теоретического исследования процесса накопления листьев между поверхностями гибкого материала получены уравнения для расчета критической скорости материала Укр и нормального распределенного давления на лист рлист. Оптимальные параметры, входящие в эти уравнения, необходимы при расчетах и конструировании, как самого рулонного накопителя, так и рабочего органа для его формирования.

Проводились экспериментальные исследования по определению коэффициентов трения покоя и скольжения табачных листьев о различные материалы в зависимости от продолжительности времени после отделения листа от стебля [4, 5].

Результаты исследований и основные статистические характеристики коэффициентов трения покоя о различные конструкционные материалы приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Статистические характеристики коэффициента трения покоя

Материал Статистические характеристики

Хср Б2 Б Бх, % V

Сталь 0,8884 1,12 10-7 3,35 10-4 1,68 10-2 9,60 10-2

Эмаль 0,8896 1,47 10-7 3,83 10-4 1,93 10-2 7,39 10-2

Пластик 0,8900 4,33 10-7 6,58 10-4 3,31 10-2 4,31 10-2

Дюраль 0,8905 7,27 10-7 8,53 10-4 4,29 10-2 3,76 10-2

Резина 0,8909 8,00 10-9 8,94 10-5 0,44 10-2 1,00 10-2

Дерево 0,8933 1,80 10-8 1,34 10-4 0,67 10-2 1,50 10-2

По результатам однофакторного дисперсионного анализа можно сделать выводы, что данные в группах отличаются существенно (критерий

Фишера: ¥ф ^05), нулевая гипотеза отвергается, и различия в группах носят неслучайный характер. Поэтому по критерию Фишера различия в группах данных вызваны внешними данными: различные конструкционные материалы рабочих поверхностей.

В таблице 2 представлены доверительные интервалы коэффициентов трения покоя листьев табака о различные конструкционные материалы с пределами варьирования

Таблица 2 - Доверительные интервалы коэффициентов трения покоя о различные конструкционные материалы

Материал Доверительный интервал

Сталь 0,8884±0,0027 (0,8858-0,8958)

Резина 0,8896±0,0021 (0,8858-0,8916)

Пластик 0,8900±0,00119 (0,8888-0,8912)

Дюраль 0,8905±0,0011 (0,8895-0,8916)

Эмаль 0,8909±0,0003 (0,8906-0,8911)

Дерево 0,8933±0,00042 (0,8928-0,8937)

Графическая интерпретация таблицы 2 в виде гистограммы представлена на рисунке 3. Представленные данные могут использоваться для расчета параметров рабочих органов в зависимости от силового воздействия.

Значения кэффициента трения

0,896

0,894 -------------

0,892 -------------

0,89 ------- -

0,888 — -

0,886

0,884

л с

го £1 2 СЕ

Рисунок 3 - Пределы варьирования коэффициентов трения о различные конструкционные материалы рабочих поверхностями

Экспериментально изучено изменение статического коэффициента трения поверхностей листьев табака о различные конструкционные материалы в зависимости от изменения тургора листьев с течением времени от момента их отделения от стебля. Результаты исследований приведены в таблице 3 [5]. В качестве исследуемых материалов изучались варианты гибкой воздухопроницаемой ленты, предназначенной для формирования рулонов при накоплении листьев.

Таблица 3 - Основные статистические характеристики коэффициента трения покоя

лепевп

Материал (коэффициент пористости) Вр емя Сторона листа Хср Коэффициент вариации V, %

Г ладкая поверхность (к=0) 0 часов нижняя 1,1529 22,324

верхняя 1,158 20,193

24 часа нижняя 1,022 10,022

верхняя 1,057 8,758

48 часов нижняя 0,873 11,134

верхняя 1,006 11,709

Мешковина (к=0,21) 0 часов нижняя 3,436 13,838

верхняя 2,845 10,940

Мелкая сетка (к=0,49) 0 часов нижняя 1,172 5,171

верхняя 1,34 13,499

Крупная сетка (к=0,83) 0 часов нижняя 1,495 11,946

верхняя 1,526 12,536

Получены эмпирические уравнения влияния коэффициента пористо-

сти материала на коэффициент трения нижней и верхней сторон пластинки табачного листа:

^ижн = 0,78кпор 2 - 0,07 кпор + 1,02 (14)

?верхн= -0,04 кпор 2 + 0,59 кпор + 1,05 (15)

В таблице 4 представлены доверительные интервалы коэффициентов трения покоя листьев табака о поверхности конструкционных материалов с различными коэффициентами пористости.

Таблица 4 - Значения коэффициента трения с доверительными интервала-

ми

Материал Доверительный интервал

гладкая поверхность (к=0) 1,1529 ± 0,181 (1,334 - 0,971)

Мешковина (к= 0,21) 1,006 ± 0,262 (0,743 -1,269)

мелкая сетка (к=0,49) 1,172 ± 0,042 (1,129 -1,2154)

крупная сетка (к=0,83) 1,495 ± 0,126 (1,369 -1,621)

Установлено, что повышением коэффициента пористости коэффици-

енты трения увеличивается.

Графическая интерпретация таблицы 4 представлена на рисунке 4, в виде гистограммы с пределами варьирования для представленных матери-

алов рабочих поверхностей. По ней можно судить о величине коэффициента трения и его пределах. Представленные данные могут использоваться для расчета параметров рабочих органов для накопления листьев табака в соответствующих материалов зависимости от величины силы натяжения при формировании рулонов.

0 0,21 0,49 0,83

коэффициент пористости

□ Хтах ШХтлп

Рисунок 4 - Пределы варьирования коэффициентов трения покоя листьев табака о поверхности конструкционных материалов с различными коэффициентами пористости

Изучено влияние степени снижения тургора листьев в зависимости от времени хранения их после отделения от стебля на коэффициент трения.

В таблице 5 представлены результаты дисперсионного анализа объемов выборок экспериментальных данных коэффициента трения табачного листа о материалы через различное количество часов после отделения его от стебля при его кратковременном хранении (томлении).

Таблица 5 - Результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных коэффициента трения свежеубранного табачного листа через различное количество часов

Сравниваемые данные Б-статистика Б-критическое Разность

Нижняя сторона листа 0 ч - 24 ч 2,226 4,414 Не существенная

24 ч - 48ч 11,092 4,414 Существен- ная

Верхняя сторона листа 0 ч - 24 ч 1,604 4,414 Не существенная

24 ч - 48ч 1,174 4,414 Не существенная

По результатам однофакторного дисперсионного анализа можно сделать выводы, что данные в группах отличаются не существенно.

На рисунке 5 представлены гистограммы коэффициентов трения нижних и верхних сторон табачного листа через определенное количество часов с пределами варьирования. Анализ экспериментальных данных показывает, что с течением времени коэффициент трения покоя табачного листа снижается не значительно.

Таким образом, установлено, что с повышением коэффициента пористости коэффициент трения увеличивается, а с течением времени после отделения табачного листа от стебля коэффициент трения снижается не существенно. Эти данные необходимы при конструировании рабочего органа для накопления и геометрии его размещения

верхняя сторона листа

0 24 48

Время, ч

□ Хтах ШХтіп

Рисунок 5 - Влияние продолжительности томления табачного листа на изменение коэффициента трения с указаниями величин пределов варьирования

Коэффициент трения скольжения определяется с использованием прибора (рисунок 6), состоящего из платформы 1, закрепленной шарнирно на стойке 2, которая крепится основанию 3, покоящемуся на четырех регулируемых по высоте опорах 4. Платформа может устанавливаться под любым наклоном к горизонту от 0° (горизонтальное положение) до 45°. Отсчет угла наклона платформы производится по шкале 5 и индексу 6.

Наклон платформы производится сначала от руки при открепленных рукоятках 7 и 8, а затем вращением маховика 9, при закрепленной рукоятке 7, производится уже точная установка платформы на необходимый угол. После окончательной установки, с помощью рукоятки 8 фиксируется заданный наклон платформы. Горизонтальность платформы при нулевой отметке шкалы выверяется по уровню и регулируется с помощью опор 4.

Рисунок 6 - Общий вид экспериментальной установки для определения

коэффициента трения скольжения

На боковой поверхности платформы устанавливаются два контакта 10, которые могут переставляться вдоль ее длины, для чего предусмотрены резьбовые отверстия с шагом 100 мм. Контакты сблокированы с электрическими секундомерами 11.

Исследования проводятся в следующей последовательности:

- платформа 1 устанавливается на угол 45°, т.е. максимальное значение, так как коэффициент трения покоя у табачных листьев принимает значения близкие к 0,9, что соответствует углу трения 42° [4];

- табачный лист кладется на платформу 1 за верхним контактом 10;

- начав скользить по поверхности платформы (рисунок8), табачный лист перемещается на расстояние 1Х между контактами 10 за время ?, которое фиксируется электрическими секундомерами 11.

- определяется среднее значение времени t, по которому рассчитывается коэффициент трения скольжения [3]:

—-г2*— ’ (О-1)

gt cos —

где fCK - коэффициент трения скольжения; —ск - угол

наклона платформы 1 (рисунокб), град.; 1х - расстояние, на кото-

рое перемещается табачный лист за время t, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; t - время перемещения табачного листа на

расстояние 1Х, с.

N - сила нормального давления, Н; Етр - сила трения скольжения, Н Рисунок 7 - Схема к определению коэффициента трения скольжения

а) - взаимодействие нижней сторо- б) - взаимодействие верхней стороной ной

Рисунок 8 - К определению коэффициента трения скольжения

Коэффициент трения скольжения определялся для табачных листьев сортов Трапезонд 92 и Юбилейный, а также вырезанной средней жилки при различном времени томления.

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблицах 6, 7 и графически на рисунках 8 и 9.

Таблица 6 - Значения коэффициента трения скольжения черешковых ли-

стьев

Продолжительность томления Соприкосновение со стальной поверхностью

нижняя сторона листа верхняя сторона листа средняя жилка

Свежеубранный лист (0 часов) 0,512 0,644 0,500

24 часа 0,527 0,650 0,500

48 часов 0,558 0,654 0,500

72 часа 0,644 0,658 0,500

Таблица 7 - Значения коэффициента трения скольжения сидячих листьев

Продолжительность томления Соприкосновение со стальной поверхностью

нижняя сторона листа верхняя сторона листа средняя жилка

Свежеубранный лист (0 часов) 0,549 0,647 0,500

24 часа 0,582 0,654 0,500

48 часов 0,635 0,657 0,500

72 часа 0,652 0,660 0,500

Трііііеіонд92

Рисунок 8 - Значения коэффициента трения скольжения табачных листьев и средней жилки черешковых листьев (Трапезонд 92)

Юбилей lHb.lt 1

Рисунок 9 - Значения коэффициента трения скольжения табачных листьев и средней жилки сидячих листьев (Юбилейный)

Значения коэффициентав трения скольжения табачных листьев о сталь при взаимодействии верхней стороной листа за время томления (72 часа) изменяются не значительно: на 2,13 % (Трапезонд 92) и на 1,97 % (Юбилейный). При взаимодействии нижней стороной листа за тоже время: на 20,5 % (Трапезонд 92) и на 15,8 % (Юбилейный). Характер изменения кривых «Нижняя сторона листа» различен: у сорта Трапезонд 92 за время томления 48 часов значение коэффициента трения скольжения увеличилось на 8,2 %, а у сорта Юбилейный - на 13,5 %. Несколько большее значение коэффициента трения скольжения у сорта Юбилейный объясняется большей площадью соприкосновения пластинки листа со стальной поверхностью, так как это крупнолистный сорт

Практическое использование результатов исследованию по изучения коэффициентов трения покоя и скольжения позволит разработчикам обоснованно определять технологические схемы процессов и геометрические и кинематические параметры создаваемых машин, делать выбор наиболее подходящих конструкционных материалов и будет способствовать расширению научных основ расчета на прочность отдельных узлов и деталей машин для табаководства.

Литература

1. Виневский, Е.И. Машинные технологии и комплексы технических средств для производства табака: дис. ... д-ра техн. наук. - Краснодар, 2009. - 408 с.

2. Кожевников, С.Н. Теория механизмов и машин //М.: Машиностроение, 1973.590с.

3. Колчин Н.И. Механика машин // Л.: Машиностроение,т.2- 1972.-454с.

4. Огняник, А.В. Усовершенствованный технологический процесс и параметры рабочего органа для полистного разделения пачек табачных листьев и их ориентации: дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 2012. - 127 с.

5. Виневская, Н. Н. Оптимизация параметров и режимов работы рабочих органов для накопления и транспортирования листьев табака машинной уборки: дис. . канд. техн. наук. - Краснодар, 2012. - 197 с.

6. Юденич, В.В. Лабораторные работы по теории механизмов и машин / В.В. Юденич. - М.: Высшая школа, 1962. - С. 109-117.

References

1. Vinevskij, E.I. Mashinnye tehnologii i kompleksy tehnicheskih sredstv dlja pro-izvodstva tabaka: dis. ... d-ra tehn. nauk. - Krasnodar, 2009. - 408 s.

2. Kozhevnikov, S.N. Teorija mehanizmov i mashin //M.: Mashinostroenie, 1973.590s.

3. Kolchin N.I. Mehanika mashin // L.: Mashinostroenie,t.2- 1972.-454s.

4. Ognjanik, A.V. Usovershenstvovannyj tehnologicheskij process i para-metry ra-bochego organa dlja polistnogo razdelenija pachek tabachnyh list'ev i ih orienta-cii: dis. ... kand. tehn. nauk. - Krasnodar, 2012. - 127 s.

5. Vinevskaja, N. N. Optimizacija parametrov i rezhimov raboty rabochih organov dlja nakoplenija i transportirovanija list'ev tabaka mashinnoj uborki: dis. ... kand. tehn. nauk. - Krasnodar, 2012. - 197 s.

6. Judenich, V.V. Laboratornye raboty po teorii mehanizmov i mashin / V.V. Jude-nich. - M.: Vysshaja shkola, 1962. - S. 109-117.