Теоретическое обоснование бесподпорного резания стеблей растений шнековым режущим аппаратом с горизонтальной осью вращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕСПОДПОРНОГО РЕЗАНИЯ СТЕБЛЕЙ РАСТЕНИЙ ШНЕКОВЫМ РЕЖУЩИМ АППАРАТОМ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Т. А. Погоров

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Аннотация

Целью исследований являлось выявление и изучение основных физических параметров растительных материалов, характеризующих их негоскальпические и износные свойства, и оценка их влияния на процесс резания свободно стоящих стеблей растений. В процессе работы был проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований бесподпорного резания, полученных ведущими учеными в этой области, в ходе которого установлено, что в приведенных обоснованиях бесподпорного резания свободно стоящих стеблей растений учитывались не все физические параметры растительных материалов, характеризующие их негоскальпические и износные свойства. Также в данных исследованиях в основном рассматривалось нормальное резание (удар лезвия направлен перпендикулярно продольной оси стебля). В реальных условиях срез стебля может происходить и не под прямым углом, с этим явлением мы сталкиваемся при окашивании откосов каналов и склонов на холмистой местности. На основании этого автором выдвинуто предположение, что при резании растений лезвием ножа, направленного под углом к продольной оси стебля, в процессе противодействия резанию задействованы силы сжатия и растяжения стебля. В процессе исследований рассмотрены случаи резания свободно стоящих стеблей растений лезвием ножа режущего аппарата сверху вниз и снизу вверх. Выявлено, что при вращении ножей снизу верх процессу резания препятствует сила разрыва волокон стебля растения. А при вращении ножей сверху вниз в процессе резания противодействие оказывает сила продольного сжатия стебля, которая во много раз меньше силы продольного растяжения. Сделан вывод, что бесподпорное резание свободно стоящих стеблей растений ножами сверху вниз имеет весьма ощутимые преимущества в плане значительного уменьшения энергоемкости процесса.

Ключевые слова: бесподпорное резание, нож, лезвие ножа, стебель растения, сила резания, критическая сила резания, сила растяжения.

Abstract

The aim of the research is to reveal and study basic physical parameters of vegetative materials characterizing their wear properties and resistance to cutting, and to assess their impact on the process of cutting of free standing stems of plants. The analysis of results of theoretical and experimental study on without-prop cutting obtained by the leading scientists in this field was done. It was established that considered substantiations of without-prop cutting of free standing stems of plants didn't account all physical parameters of vegetative materials characterizing their wear properties and resistance to cutting. Also in these studies normal cutting was considered (stab of a blade is directed perpendicularly to longitudinal axis of stem). In real conditions cutting of a stem may occur not only at the right angle, for example at cutting the vegetation of canal and hilly terrain slopes. For reasons given, the author proposes that during vegetation cutting by a knife blade directed at the right angle to longitudinal axis of a stem the compression force and tensile strength of a stem resist to cutting. During the study the cases of cutting free standing plant stems by a knife blade of cutting apparatus directed top-down and bottom-up were considered. It was revealed that at bottom-up knife rotating the breaking strength of stem fibers resists to cutting process. And at a top-down knife rotating the longitudinal compressive force of a stem resists to cutting process. This force is many times smaller than the longitudinal tensile strength. The conclusion was done that without-prop cutting of free standing stems of plants by the knives directed top-down has benefits for significant energy savings.

Keywords: without-prop cutting, knife, knife blade, plant stem, cutting force, critical cutting force, tensile strength, compression force, experiment.

Введение

Решая вопрос о сопротивляемости перерезанию свободно стоящих стеблей растений при бесподпорном резании, необходимо учитывать структуру и физико-механические свойства растительного материала с учетом фазы созревания. Физические параметры растительных материалов, характеризующие их негоскальпические и износные свойства, не должны ограничиваться только модулем деформации, коэффициентом трения материала по стали, коэффициентом Пуассона и разрушающим контактным напряжением, должны учитываться также силы продольного сжатия и растяжения. Учет всех физических параметров растительных материалов нужен для установления качественных и количественных показателей процесса резания, выявления оптимального силового и энергетического режимов. Создание и эксплуатация уборочных машин (косилок) невозможны без точного знания физико-механических свойств растений, в частности их сопротивляемости различным видам резания. В связи с этим целью исследований являлось выявление и изучение основных физических параметров растительных материалов, характеризующих их негоскальпические и износные свойства, и оценка их влияния на процесс резания свободно стоящих стеблей растений.

Материалы и методы. Вопрос бесподпорного резания свободно стоящего стебля впервые был рассмотрен академиком В. П. Горячкиным [1]. Он подчеркивал, что стебель должен рассматриваться как упругий вертикальный стержень, закрепленный снизу (рисунок 1).

- сила удара (кгс); - расстояние, на котором происходит удар (мм);

- расстояние, на которое отклоняется стебель при ударе (мм)

Рисунок 1 - Схема отклонения стебля под действием силы (по В. П. Горячкину)

В. П. Горячкин считал, что под действием удара на высоте от земли стебель отклоняется на амплитуду и приходит в колебательное движение. Путем математических преобразований он выводит окончательную формулу расчета силы удара ножа по стеблю:

,

где - момент инерции стебля относительно точки 0, кг·мм²;

- период колебания стебля, с;

- модуль упругости, кгс/мм²;

- наружный диаметр стебля, мм;

- разрушающее контактное напряжение, которое характеризует технологические свойства материала, кгс/мм².

Академик В. П. Горячкин делит процесс резания волокнистых материалов на два вида [1]. В первом случае лезвие ножа перемещается в направлении разреза только в нормальном к его кромке направлении, а во втором одновременно с этим оно перемещается и параллельно кромке.

Первый вид резания В. П. Горячкин назвал рубкой, второй - резанием со скольжением. Он утверждал, что при резании со скольжением часть силы трения переносится по направлению, перпендикулярному направлению разреза, вследствие чего лезвие ножа легче внедряется в материал. Для характеристики скольжения он ввел понятие коэффициента скольжения , который выражает отношение тангенциальной составляющей (м/с) абсолютной скорости лезвия ножа к нормальной составляющей (м/с) этой скорости: энергоемкость растительный резание бесподпорный

,

где - угол скольжения (т. е. угол между нормальной составляющей абсолютной скорости и самой абсолютной скоростью лезвия ножа), градусы.

Развивая теорию скользящего резания В. П. Горячкина, В. А. Желиговский [2] экспериментально установил взаимную зависимость нормального давления (рисунок 2) лезвия ножа на материал и тангенциальной силы , необходимой для возбуждения перемещения этого лезвия по материалу, а также величин тангенциального и нормального перемещения лезвия относительно материала в процессе резания.

- сила нормального давления (кгс); - тангенциальная сила (кгс); - величина нормального перемещения лезвия относительно материала (мм); - величина тангенциального перемещения лезвия относительно материала (мм);

- равнодействующая сила (кгс); - нормальное перемещение лезвия ножа (мм);

- тангенциальное перемещение лезвия ножа (мм); - величина перемещения лезвия ножа по материалу (мм); - угол перемещения лезвия (градусы);

- угол наклона равнодействующей (градусы)

Рисунок 2 - Схема к определению взаимосвязи нормальной и тангенциальной сил, нормального и касательного перемещений лезвия при скользящем резании (по В. А. Желиговскому)

В ходе исследований автор установил, что по мере убывания силы необходимая для возникновения резания сила возрастает и наоборот, но в процессе резания их равнодействующая сохраняет приблизительно постоянную величину:

.

Причем в его опытах изменение угла наклона равнодействующей относительно нормали к лезвию ножа от 0 до 39° совпадает с изменением угла направления перемещения , что, по мнению автора, свидетельствует об отсутствии скольжения лезвия по материалу в указанных пределах угла .

По результатам исследований В. А. Желиговский заключает, что все случаи резания можно разделить на три группы:

- резание нормальным давлением (кгс) без участия касательной силы и без продольных перемещений ;

- резание с участием касательной силы и продольного перемещения , но без скольжения. Такое резание имеет место в случае, когда угол между нормалью к лезвию и направлением его перемещения не превосходит угол трения лезвия по материалу;

- резание с участием силы и со скольжением. При этом .

Рассуждая о трении лезвия ножа о материал, В. А. Желиговский отмечает: сопротивление скольжению лезвия по материалу в процессе его резания можно назвать трением лишь условно, так как природа этого сопротивления не изучена. На наш взгляд, самый главный вывод, который сделал В. А. Желиговский в ходе этих исследований, заключается в следующем: в зависимости от некоторых физико-механических свойств перерезаемого материала эффект от скользящего движения лезвия может быть значительным только при определенных углах скольжения.

Для выяснения процесса резания материалов ножом большие по объему исследования провел В. А. Зяблов [3]. Он исследовал процесс резания материала ножом, устанавливаемым под разными углами. Сопоставив результаты опытов двух видов резания, В. А. Зяблов делает вывод о том, что при резании материала ножом, движущимся по неопределенной траектории под воздействием двух взаимно перпендикулярных сил, одна из которых нормальна к лезвию и постоянна, внедрение его в материал происходит неравномерно. Встречая на своем пути переменное сопротивление, вызванное анизотропностью (неравномерной структурой стеблей растений) материала, нож меняет только тангенциальную составляющую своего пути.

В. А. Зяблов провел графическое построение функции

(рисунок 3), используя результаты исследований Т. И. Егоровой [4], А. А. Ивашко [5] и свои.

Рисунок 3 - Относительное изменение силы Р_п в зависимости от коэффициента е при разных способах резания (по В. А. Зяблову)

На рисунке 3 по оси ординат сила отложена в процентах от , что позволяет наглядно сопоставить различные эксперименты в одной координатной сетке. Кривая 1 построена по данным Т. И. Егоровой [4], кривая 2 - по данным А. А. Ивашко [5], кривые 3 и 4 - по данным В. А. Зяблова [3]. Как утверждает автор, анализ графиков показывает, что характеристика кривых в большей степени зависит от способов резания, чем от физико-механических свойств исследованных материалов.

Чтобы удостовериться в правильности своих выводов, В. А. Зяблов далее в своей работе сопоставил значения нормальных усилий с коэффициентами скольжения для двух различных указанных выше видов резания [3]. Из графиков (рисунок 4) видно, что при одинаковых значениях нормального давления лезвия ножа на материал в указанных различных видах резания (кривые 1 и 2) величины тангенциальных перемещений лезвия, достаточные для возбуждения процесса резания, оказываются различными.

Рисунок 4 - Зависимость между нормальной составляющей Р_п усилия резания и коэффициентом скольжения е при разных способах резания (по В. А. Зяблову)

По мере уменьшения нормального давления эти различия возрастают. Так, при давлении лезвия ножа на материал , равном 55 % от , коэффициент скольжения резания первого вида в 1,58 раза больше коэффициента скольжения резания второго вида (для наглядности указанные точки на графиках соединены пунктирной линией). И все же, подводя итоги своих исследований, автор отмечает, что анизотропные свойства материала независимо от вида резания оказывают существенное влияние на процесс резания.

Наиболее полные исследования в теоретическом и экспериментальном плане провел Н. Е. Резник [6]. Он вывел уравнение, определяющее величину критического усилия резания (кгс), которое необходимо приложить к ножу, чтобы под воздействием его на лезвие материал начал разделятся на части:

,(1)

где - острота лезвия, мкм;

- разрушающее контактное напряжение, которое характеризует технологические свойства материала, кгс/мм²;

- модуль упругости материала, кгс/мм²;

- толщина сжатого лезвием ножа материала до момента начала резания, мм;

- толщина слоя перерезаемого материала, мм;

- угол заточки лезвия ножа, градусы;

- коэффициент трения лезвия ножа о материал;

- коэффициент Пуассона.

Из выражения (1) явно видна основная взаимосвязь между конструктивными (, ), физико-механическими (, , , ) и технологическими (, ) параметрами процесса резания.

Проанализировав результаты экспериментов, он делает вывод, что

,

где - усилие, затрачиваемое непосредственно на резание материала, кгс;

- усилие, которое обусловлено непроизводительными деформациями материала и лишь незначительно содействует процессу резания, кгс.

Далее он делает допущение:

,

и отмечает, что практическая погрешность несущественна. В этой же работе [6] автор утверждает, что , а .

Хотя это допущение носит гипотетический характер, на самом деле невозможно исключить из процесса резания физически. Однако исключение при определении общего критического усилия резания приведет к занижению значения на 20-60 %, а это составляет уже существенную практическую погрешность.

Результаты и обсуждение. Анализируя вышерассмотренные работы, делаем заключение:

- основные явления, связанные с резанием материала, сложны; к ним относятся контактные напряжения предварительного сжатия, напряжения изгиба, сжатия и растяжения;

- до настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования физико-механических явлений, происходящих на кромке лезвия ножа, производились приближенно, в расчетах учитывались только контактные явления.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости изучения физико-механических явлений, происходящих с материалом в зоне резания лезвием ножа, с учетом всех физических параметров, характеризующих его негоскальпические и износные свойства. Видимо, существующие и применявшиеся до настоящего времени методы требуют кардинального изменения.

В приведенных выше исследованиях [1-8] процесса резания учитывались следующие физико-механические параметры растительного материала: , , , . Но физические параметры растительных материалов, характеризующие их негоскальпические и износные свойства, не ограничиваются модулем деформации , коэффициентом трения материала по стали , коэффициентом Пуассона и разрушающим контактным напряжением . Растительные материалы обладают силами продольного сжатия и растяжения. Также необходимо подчеркнуть, что количественная составляющая всех вышеперечисленных показателей растительного материала зависит от фазы созревания.

В реальных условиях срез стебля может происходить и не под прямым углом, с этим явлением мы сталкиваемся при окашивании склонов (откосов каналов). Кроме того, процесс резания во многом зависит от типа режущего аппарата [9], например, в режущих аппаратах бесподпорного резания с горизонтальной осью вращения (шнековых) ножи расположены под углом 14-15° к вертикально стоящим стеблям растений. При резании растений лезвием ножа, расположенным под таким малым углом к продольной оси стебля растения, последние подвергаются деформациям предварительного сжатия или растяжения в зависимости от того, как направлен удар лезвия ножа: сверху вниз или наоборот. Следовательно, силы сжатия и растяжения стебля растения участвуют в процессе резания.

При резании свободно стоящего стебля растения лезвием ножа сверху вниз срез происходит без потери его устойчивости, а это значит, что критическая сила резания должна быть меньше значения наименьшей критической силы продольного сжатия стебля растения, при которой наступает потеря его устойчивости:

,

где - сила продольного сжатия стебля, кгс.

Сила в этом случае выступает как самая значительная из всех сил, противодействующих разделению материала на части (рисунок 5).

При продольном сжатии стебля потеря его устойчивости наступает при наименьшем критическом значении силы сжатия, которое рассчитывается по формуле [10]:

,(2)

где для стержня, один конец которого защемлен, а другой свободен, т. е. в нашем случае для отдельно стоящего стебля;

- момент инерции, который равен:

.(3)

- сила обжатия материала (кгс); - сопротивление материала сжатию фаской лезвия (кгс); - сила, действующая на фаску лезвия (кгс); - сила трения на грани ножа (кгс); - сила трения на фаске ножа (кгс); - проекция силы (кгс);

- угол трения ножа о материал (градусы); - угол наклона фаски ножа (градусы);

- угол внедрения ножа в материал (градусы)

Рисунок 5 - Силовое взаимодействие лезвия ножа с материалом (удар лезвия направлен под углом сверху вниз)

Подставив значение из формулы (3) в выражение (2) и выполнив соответствующие преобразования, получим:

.(4)

Известно, что называется пределом прочности (или временным сопротивлением) [10]. Разрыв стебля подчиняется закону Гука:

,(5)

где - модуль деформации;

- относительное удлинение стебля при растяжении:

,(6)

где - удлинение стебля, мм;

- первоначальная длина стебля, мм.

При резании свободно стоящего стебля растения лезвием ножа снизу вверх срез происходит без потери его устойчивости, а это значит, что критическая сила резания должна быть меньше значения критической силы продольного растяжения стебля растения, при достижении которой наступает разрыв стебля растения, т. е.

,

где - сила растяжения стебля, при которой происходит его разрыв, кгс.

Сила в этом случае выступает как самая значительная из всех сил, противодействующих разделению материала на части (рисунок 6).

- сила обжатия материала (кгс); - сопротивление материала сжатию фаской лезвия (кгс); - сила, действующая на фаску лезвия (кгс); - сила трения на грани ножа (кгс); - сила трения на фаске ножа (кгс); - проекция силы (кгс);

- угол трения ножа о материал (градусы); - угол наклона фаски ножа (градусы);

- угол внедрения ножа в материал (градусы)

Рисунок 6 - Силовое взаимодействие лезвия ножа с материалом (удар лезвия направлен под углом снизу вверх)

Сила растяжения стебля определяется по формуле [10]:

,(7)

где - диаметр стебля, мм.

В формулу (7) подставим значения выражения (5) и получим:

,(8)

где - площадь поперечного сечения стебля растения, мм².

Подставим в формулу (8) значение из выражения (6) и окончательно получим:

.(9)

В уравнениях (4) и (9) имеется общий член , если эти уравнения поделить на него, получим:

,(10)

.(11)

Из выражений (10) и (11) видно, что , т. е. сила, необходимая для сжатия стебля растения без потери устойчивости, во много раз меньше силы растяжения того же стебля.

Для примера: сила разрыва стебля пшеницы составляет 50-350 Н, а сила сжатия - 0,031 Н [10].

Выводы

В роторных режущих аппаратах бесподпорного резания с горизонтальной осью вращения ножи могут вращаться как сверху вниз, так и наоборот. А это значит, что при вращении ножей снизу верх процессу резания препятствует сила разрыва волокон стебля растения. А при вращении ножей сверху вниз в процессе резания противодействие оказывает сила продольного сжатия стебля, которая во много раз меньше силы продольного растяжения.

Бесподпорное резание свободно стоящих стеблей растений ножами сверху вниз имеет весьма ощутимые преимущества в плане значительного уменьшения энергоемкости процесса. Для выявления других данных, характеризующих этот вид резания, таких как распределение сил сжатия и растяжения, действующих со стороны растения на лезвие ножа при разных углах наклона его к продольной оси стебля, и направление удара, необходимо провести дополнительные исследования.

Список литературы

1 Горячкин, В. П. Собрание сочинений. Т. 3 / В. П. Горячкин; под ред. Н. Д. Лучинского. - М.: Колос, 1965. - 384 с.

2 Желиговский, В. А. Экспериментальная теория резания лезвием / В. А. Желиговский // Труды МИМЭСХ. - М., 1940. - Вып. 9. - С. 1-28.

3 Зяблов, В. А. Основы теории технологического процесса резания в режущих аппаратах кормоприготовительных машин / В. А. Зяблов. - М.: Колос, 1964. - 140 с.

4 Егорова, Т. И. Трение в технологическом процессе резания лезвием / Т. И. Егорова // Сборник трудов по земледельческой механике. - М.: Сельхозгиз, 1954. - С. 171-177.

5 Ивашко, А. А. Вопросы теории резания органических материалов лезвием / А. А. Ивашко // Тракторы и сельхозмашины. - 1958. - № 2. - С. 34-37.

6 Резник, Н. Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н. Е. Резник. - М.: Машиностроение, 1975. - 312 с.

7 Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин: учеб. для вузов / Е. Н. Босой [и др.]; под ред. Е. Н. Босого. - М.: Машиностроение, 1978. - 568 с.

8 Труфляк, И. С. Теоретическое обоснование резания стеблей шнековым режущим аппаратом [Электронный ресурс] / И. С. Труфляк // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - № 101. - 16 с. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/153.pdf.

9 Погоров, Т. А. Современное состояние комплекса машин по уходу за оросительными каналами и перспективы его развития [Электронный ресурс] / Т. А. Погоров // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск:

РосНИИПМ, 2013. - № 2(10). - 14 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archi-ve?n=171&id=186.

10 Ковалев, Н. Г. Сельскохозяйственные материалы (виды, состав и свойства): учеб. пособие / Н. Г. Ковалев, Г. А. Хайлис, М. М. Ковалев. - М., 1998. - 213 с.

References

1 Goryachkin V.P., 1965. Sobraniye sochineniy [Collected Works]. Vol. 3, M., Kolos Publ., 384 p. (In Russian).

2 Zheligovskiy V.A., 1940. Eksperimentalnaya teoriya rezaniya lezviyem [Experimental theory of cutting blade]. Trudy MIMESKh, Release 9, M., pp. 1-28. (In Russian).

3 Zyablov V.A., 1964. Osnovy teorii tekhnologicheskogo protsessa rezaniya v rezhushchikh apparatakh kormoprigotovitelnykh mashin [Fundamentals of the Theory of Cutting Process in Cutting Units of Feed-Preparing Machines]. M., Kolos Publ., 140 p. (In Russian).

4 Yegorova T.I., 1954. Treniye v tekhnologicheskom protsesse rezaniya lezviyem [Friction in the process of cutting by blade]. Sbornik trudov po zemledelcheskoy mekhanike [Collection of Articles on Agricultural Mechanics]. M., Selkhozgiz Publ, pp. 171-177.

(In Russian).

5 Ivashko A.A., 1958. Voprosy teorii rezaniya organicheskikh materialov lezviyem [Questions of the theory of organic materials cutting by blade]. Traktory i selkhozmashiny, no. 2, pp. 34-37. (In Russian).

6 Reznik N.Ye., 1975. Teoriya rezaniya lezviyem i osnovy rascheta rezhushchikh apparatov [Theory of cutting by blade and calculation basis of cutting apparatus]. M., Mashinostroyeniye Publ., 312 p. (In Russian).

7 Bosoy Ye.S., Vernyayev O.V., Smirnov I.I., Sultan-Shakh Ye.G., 1978. Teoriya, konstruktsiya i raschet selskokhozyaystvennykh mashin: ucheb. dlya vuzov [The Theory, Design and Calculation of Agricultural Machinery: Tutorial]. M., Mashinostroyeniye Publ., 568 p. (In Russian).

8 Truflyak I.S., 2014. [Theoretical Basis Cuttingscrewstems Cutterbar]. Nauchnyy zhurnal KubGAU, no. 101, 16 p. (In Russian).

9 Pogorov T.A., 2013. [Modern state and development prospects of machine complex for maintaining irrigation canals]. Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioratsii, no. 2(10), 14 p. (In Russian).

10 Kovalev N.G., Khaylis G.A., Kovalev M.M., 1998. Selskokhozyaystvennyye materialy (vidy, sostav i svoystva): ucheb. posobiye [Agricultural Materials (Types, Composition and Properties): tutorial]. M., 213 p. (In Russian).

Размещено на Allbest.ru

...