СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ КОРМОВ

Категория: Инженерия.

Аннотация. В статье рассматриваются факторы, влияющие на снижение энергоемкости измельчения кормов. Приведена уникальная методика определения удельной работы резания на разработанной лабораторной установке. Описана конструкция лабораторной установки и принцип ее работы. По результатам исследований получено уравнение регрессии, отражающее влияние основных конструктивных параметров ножа измельчителя на удельную работу резания. Исследован метод повышения долговечности ножей применением электромеханической обработки.

Ключевые слова: нож, початки, кукуруза, измельчение, электромеханическая обработка, упрочнение, износостойкость

В настоящее время до 70 % всех энергетических затрат при приготовлении кормов к скармливанию приходится на процесс измельчения, а это в свою очередь составляет приблизительно 50 % экономических затрат на их переработку [1, с. 50]. Развитие малых предприятий производства сельскохозяйственной продукции предполагает разработку, изготовление и использование малогабаритных измельчителей кормов. Между тем полного обоснования конструктивных параметров ножей нет. Не в полной мере обоснованы долговечность и энергоемкость измельчения кормов.

Перспективным направлением совершенствования средств механизации производства кормов является проектирование и изготовление измельчающих машин с модернизированными рабочими органами, позволяющими существенно сократить энергопоребление.

Исходя из этого проблема изучения и совершенствования измельчителей кормов, а также повышение ресурсной надежности их рабочих органов является актуальной и важной задачей.

При проектировании машин для измельчения кормов необходимо руководствоваться принципами минимальной энергоемкости позволяющей сократить удельные затраты на производства кормов.

Снижение энергоемкости процесса измельчения кормов возможно за счет оптимизации параметров измельчающего аппарата машин для приготовления кормов. К таким параметрам можно отнести толщину лезвия ножа, угол заточки ножа, остроту лезвия ножа и др. [2, с. 58].

Толщина лезвия ножа существенно влияет на энергозатраты процесса резания. Экспериментально установлено, что с увеличение толщины ножа увеличивает усилие и работу резания растительного материала [3, с. 21]. Наилучшие показатели работы измельчительного аппарата наблюдаются при толщине лезвия ножа в пределах 5…8 мм.

Удельная работа резания стебельных кормов снижается с увеличением угла скольжения до 70˚ и более, однако в работах некоторых авторов указывается оптимальный угол скольжения составляющий 35˚ [3, с. 21].

Угол заточки лезвия должен обеспечить минимальную силу резания, в то же время лезвие должно быть прочным и длительное время сохранять параметры заточки. Для резки стебельных кормов оптимальным углом заточки ножа является угол 45˚, но в некоторых источниках указывается значение угла в пределах 18...25° [3, с.21].

Различие показателей у разных авторов полученных при проведении испытаний при схожих условиях в первую очередь связано с кинематической трансформацией угла заточки лезвия. Величина угла заточки определяется для лезвия находящегося в статическом состоянии. Однако при наклонном резании или резании со скольжение жесткости лезвия не хватает, и оно изгибается и скручивается, следовательно, изменяется угол заточки в направлении резания – уменьшается в зависимости от угла наклона лезвия или угла скольжения. Следовательно, переходя из статического рассмотрения геометрии лезвия к кинематическому сталкиваемся с трансформацией угла заточки.

Еще одним значимым параметром является острота лезвия ножа. От остроты лезвия зависит силовое воздействие ножа с материалом и качество среза.

Немаловажное значение имеет и скорость ножа, от неё по утверждениям одних ученых усилие резания уменьшается, другие отмечают отсутствие влияния удельного давления резания растительных материалов от скорости воздействия режущего инструмента, а некоторых источниках оптимальные скорости определяются для каждого отдельного случая применительно к конкретной конструкции измельчителя.

Для изучения влияния геометрических параметров ножей измельчителей на удельную работу резания, а также долговечности ножей в ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ была разработана и сконструирована универсальная лабораторная установка изучения процесса резания кормовых материалов, представленная на рис. 1.

Лабораторная установка содержит электродвигатель 1 соединенный с приводным валом 2 на котором закреплен нож 3. Подача растительного материала осуществляется через загрузной патрубок 5, обработанный материал удаляется через выгрузное окно 6. Управление установкой производится с помощью кнопочной панели. Энргозатраты фиксируются прибором для измерения затрат энергии 8. Рабочее пространство лабораторной установки закрыто защитным кожухом 4.

Работу необходимую для резания определяем по данным о частоте вращения ротационного копра до и после среза растительного образца по формуле:

А = k (n21 – n22),

где n1 и n2 – частота вращения маховика ротационного копра до и после среза образца соответственно, с–1; kи – коэффициент, учитывающий полярный момент инерции всех вращающихся частей маховика и ротора копра;

kи = 2 ∙ π2 ∙ (J0 рот + J’o),

где J0 рот – полярный момент инерции ротора, м4; J’o – полярный момент инерции маховика с ножом, м4.

Максимальная скорость резания ротационного копра достигала 35 м/с.

Проведению серии экспериментов предшествовала тарировка ротационного копра. Тарировка проводилась по затуханию частоты вращения на холостом ходе.

По результатам проведенных согласно плану эксперимента опытов с использование программы Statistica была установлена зависимость влияния остроты лезвия и толщины ножа удельную работу резания початков кукурузы (рис. 2), а также уравнение регрессии.

Уравнение регрессии имеет вид:

A = 6,2038 + 0,0016 ∙ δ + 3,0997 ∙ h + 4,7772 ∙ 10–5 ∙ δ2 + 0,0214 ∙ δ ∙ h – 0,2815 ∙ h2,

где A – удельная работа резания, кДж/м2; δ – острота лезвия ножа, мкм; h – толщина лезвия ножа, мм.

Данные уравнения регрессии свидетельствуют, что толщина лезвия ножа оказывает решающее влияние на изменение удельной работы резания. Увеличение толщины лезвия ножа с 2 до 5 мм приводит к увеличению удельной работы резания на 34…37%. Увеличение остроты лезвия ножа с 30 до 100 мкм ведет к возрастанию удельной работы резания на 21…24%.

Из-за того что снижение толщины лезвия ножа ограничено прочностными характеристиками материала и жесткостью детали, снижение энергоемкости измельчения возможно за счет остроты лезвия и её поддержании в течение всего срока эксплуатации.

Сохранение остроты лезвия ножа в процессе эксплуатации является важной задачей, т.к. это позволяет обеспечить стабильный фракционный состав измельченного корма, снизить затраты на ремонт машин для измельчения кормов.

Ножи существующих машин для измельчения кормов процессе эксплуатации интенсивно изнашиваются и при достижении критического износа разрушаются, что приводит к внезапным отказам машин, затратам на ремонт и нарушениям технологического процесса производства кормов. Вследствие этого, увеличение долговечности на этапе изготовления машин для измельчения кормов предпочтительнее восстановления или замены. Увеличение ресурса ножей возможно поверхностным упрочнением рабочих кромок ножа которое позволит использовать эффект самозатачивания.

При изготовлении рабочих органов машин для измельчения кормов должны учитываться особенности работы, такие как, повышенные динамические нагрузки, интенсивный износ рабочих органов.

Из широкого ряда способов упрочнения одним из наиболее эффективных и ресурсосберегающих является электромеханическое упрочнение (ЭМУ) [4, 5]. К достоинствам ЭМУ следует отнести малый расход энергии, высокую производительность, повышенную износостойкость, усталостную прочность и ударную вязкость упрочненных поверхностей деталей. Несмотря на несомненные достоинства способа на практике не применялся из-за сложной формы ножей (винтообразного профиля).

Для эффективного упрочнения ножей машины для измельчения кормов предлагается использовать многоинструментальную головку [6].

Исследования в производственных условиях проводились машиной для измельчения кормов барабанного типа с наклонными ножами [7, с.10]. Ножи изготавливались из рессорно-пружинной стали 65Г (ГОСТ 14959-79).
Проведенные в СХПК «Волга» Цильнинского района Ульяновской области исследования показали, что при измельчении неочищенного корма ножи машины для измельчения кормов подвержены повышенному износу и разрушению ножей, при этом энергоемкость процесса измельчения кормов возрастает до 43%. Интенсивный износ объясним наличием абразивных частиц грунта, частое разрушение ножей связано с механическими характеристиками стали, в частности повышенной отпускной хрупкостью, которая отрицательно влияет на работу деталей в условиях высоких ударных нагрузок.

В связи с этим было предложено использование для изготовления ­ножей конструкционной стали 45 (ГОСТ 1050-88), с последующим электромеханическим упрочнением. Среди положительных характеристик стали 45 можно выделить повышенную износостойкость и отсутствие отпускной хрупкости. Кроме того экономически изготовление ножей из стали 45 с последующим электромеханическим упрочнение более выгодно по сравнению со сталью 65Г.

В ходе работы было проведено электромеханическое упрочнение образцов из стали 45 и выполнены испытания физико-механических свойств. Методика проведенных исследований включала в себя определение прочности и ударной вязкости поверхностей деталей, абразивной износостойкости, твердости, глубины упрочненного слоя ножей. [8, 9, 10].

Режим ЭМУ образцов деталей подобран согласно рекомендациям ученных ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ: величина силы тока I = 2000 А, напряжение U = 4 В, частота вращения упрочняющего ролика n = 4 об/мин, подача 3 мм/мин.

Твердость определяли согласно ГОСТ по шкале Роквелла твердомером МЕТ-УД, глубину упрочненного слоя замеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3.

Абразивную износостойкость определяли по разработанной методике на машине трения СМТ-1.
Продолжительность – 2 суток. Повторность испытания – 3-кратная.

Предел прочности деталей из стали 45 после ЭМУ, определяли в соответствии с ГОСТ 25.503-97 с использованием универсальной гидравлической разрывной машины Р-50. Исследования проводились при плавном увеличении нагрузки до появления трещин в образце, что свидетельствовало о разрушении упрочненного слоя.

Ударную вязкость экспериментальных ножей определяли по стандартной методике на маятниковом копре МК-30А. Серия опытов продолжалась с постепенным увеличением нагрузки, задаваемой высотой подъема маятника, до разрушения образца.

В результате проведенных исследований была определена твердость поверхности ножей. Ножи изготовленные из стали 65Г имели твердость поверхности HRC 30, для детали изготовленной из стали 45 после ЭМУ значение составило HRC 53. Глубина упрочненного слоя ножей из стали 45 составила 0,58 мм.

Проведенные исследования на абразивную износостойкость ножей (таблица 1) показали, что у деталей изготовленных из стали 45 с последующим электромеханическим упрочнением износостойкость в 2,9 раз выше, чем у образцов из стали 65Г. Следовательно использование ножей изготовленных из стали 45 с последующим ЭМУ способно существенно увеличить ресурс рабочих органов машины для измельчения кормов в производственных условиях.

Приведенные данные в работе [7, с. 11], показывает, что рабочие кромки ножа измельчителя кукурузы испытывает значительные динамические нагрузки. Для предотвращения деформации и разрушения ножа прочность рабочей кромки должна быть не менее 1400 МПа.

Прочность ножей в момент разрушения упрочненного слоя составила 2060 МПа. Полученный результат позволяет утверждать, что прочность ножей изготовленных из стали 45 с последующим ЭМУ будет соответствовать допустимой.

Исследования ударной вязкости ножей показали, что у упрочненных деталей из стали 45 она выше, чем у ножей из стали 65Г (таблица 2).

Таблица 2 – Ударная вязкость ножей

Результаты, представленные в таблице 2 показывают, что ножи из упрочненной ЭМО стали 45, имеют ударную вязкость на 9 Дж/см2 больше, чем у ножей из стали 65Г.

В дальнейшем, планируется проведение проверки результатов лабораторных испытаний в производственных условиях, при измельчении кукурузы.

Таким образом, в целях снижения энергоемкости измельчения початков кукурузы в кормоприготовительных машинах наиболее целесообразно применение ножей толщиной не менее 2 мм. Дальнейшее снижение толщины ножа приводит к существенному снижению его прочности.

Добиться рекомендуемой остроты лезвия ножа кормоприготовительной машины целесообразно за счет применения поверхностных методов упрочнения, поскольку в процессе работы задняя грань ножа изнашивается в несколько раз быстрее передней грани, благодаря чему и достигается самозатачивание ножа.

Рассмотрена возможность рационального применения в качестве материала ножей измельчителя кукурузы, стали 45, подвергнутой электромеханическому упрочнению, взамен ранее применявшейся стали 65Г.

По результатам исследований определено, что при ЭМУ повышается износостойкость ножей в 2,9 раза, усталостная прочность – до 2060 МПа, ударная вязкость – до 28 Дж/см2.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курдюмов В. И. Снижение энергоемкости измельчения / В. И. Кур­дюмов, Н. П. Аюгин, П. Н. Аюгин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. – 2008. – № 5. – С. 50–53.
2. Курдюмов В. И. Анализ факторов, влияющих на энергоемкость резания / В. И. Курдюмов, Н. П. Аюгин, П.Н. Аюгин // Нива Поволжья. – 2008. – № 3. – С. 57–59.
3. Аюгин Н. П. Определение оптимальных параметров ножей измельчающего аппарата кормоприготовительных машин / Н. П. Аюгин, Р. Ш. Халимов, П. Н. Аюгин, Н. Н. Аксенова // Техника и оборудование для села. – 2016. – № 1. – С. 20–23.
4. Пат. 2385212 Рос. Федерация. Способ упрочнения поверхности деталей / Жиганов В. И., Халимов Р. Ш., Смирнова Н. И.; Опубл. 27.03.2010 г. ; Бюл. № 9.
5. Патент 2501643 Рос. Федерация. Способ многопроходной электромеханической обработки детали на токарном станке / Жиганов В. И., Халимов Р. Ш. ; Опубл. 20.12.2013 г. ; Бюл. № 35.
6. Пат. 2383429 Рос. Федерация. Многоинструментальная головка для электромеханической обработки плоских поверхностей, В. И. Жиганов, А. В. Морозов, К. Р. Кундротас, Р.Ш. Халимов. Опубл. 10.03.2010. Бюл. № 7.
7. Аюгин Н. П. Разработка энергосберегающего измельчителя корнеклубнеплодов / Н. П. Аюгин, Н. В. Павлушин, В. И. Курдюмов // Ползуновский альманах. – 2011. – № 4-2. – С. –13.
8. ГОСТ 9013-79. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. М. : Издательство стандартов, 2001. – 9 с.
9. ГОСТ 23.208-79. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы. М. : Издательство стандартов, 1980. – 8 с.
10. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. М. : Издательство стандартов, 1979. – 12 с.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед