Основы теории резания кормов лезвием.

К такого рода машинам относятся соломорезки, силосорезки, соломосилосорезки.

Бывают дисковые (РСС - 6) и барабанные измельчающие аппараты (РСБ – 3.5; Волгарь - 5).

Теорию резания лезвием разработал академик В.П. Горячкин. дальнейшее развитие она получила в работах В.А. Желиговского, Г,И, Бремера, А.Н. Карпенко, М.В. Собликова и др.

Рабочий процесс резания лезвием состоит из двух этапов: уплотнения и резания материала (рис. 1).

1. режущий аппарат;

2. противорежущая пластина;

3. верхний уплотнительный валец ;

4. нижний уплотнительный валец;

5. питающий транспортер.

Рис. 1.

Так выглядит этот процесс на схеме процесса резания пучка стеблей.(Рис. 2.)

Собственно рабочий процесс режущей пары характеризуется волнистой кривой, подъемы которой отмечают этап уплотнения материала ножом, а понижение давлений – этап перерезания стеблей.

В общем случае процесс резания может происходить различно – с перемещением лезвия ножа по материалу и без перемещения.

В.П. Горячкин установил, что в процессе резания лезвием решающее значение имеет скользящее (боковое) движение ножа, так как оно понижает предел нормального давления на материал. Облегчение проникновения ножа в материал при наличии бокового движения объясняется перепиливающим действием неровностей (микронеровностей) лезвия.

В.А. Желиговский из всего многообразия выделяет два характерных случая:

1. Перемещение точек ножа совпадает по направлению со скоростью перемещения лезвия ножа. Здесь резание материала производится только нормальным давлением N без бокового перемещения ножа. Имеет место «рубка» материала и наибольшие энергетические затраты.

2. Направление приложенной силы не совпадает с направлением скорости точек лезвия ножа, т.е. когда направление полной скорости точек лезвия ножа отклонено на какой-то угол . Этот угол называется углом скольжения.

Здесь кроме нормального давления имеет место и боковая сила Т, но она еще не может вызывать скользящего движения частиц материала по лезвию так как угол скольжения меньше угла трения ( ). В этом случае частицы материала перемещаются вместе с лезвием и резание производится только нормальным давлением.

3. Угол скольжения больше угла трения ( ). Резание производится нормальным давлением с участием боковой силы, которая в этом случае способна вызвать скользящее движение частиц материала по лезвию (или лезвия по материалу). Вследствие недостаточности сил сцепления (трения) частицы материала при перемещении отстают от бокового движения ножа, и возникшее относительное движение обеспечивает перепиливающее действие микровыступов лезвия.

Факторы, влияющие на процесс резания:

1. Удельное давление;

2. Скольжение;

3. Геометрические параметры ножа (углы заточки, острота, шероховатость);

4. Свойства материала из которого изготовлен нож;

5. Рабочая скорость ножа;

6. Прочность и состояние разрезаемого материала;

7. Зазор режущей пары;

8. Угол резания;

9. Защемление материала.

Рассмотрим некоторые факторы:

Удельное давление

Удельным давлением называется отношение нормально действующей силы к загруженной части лезвия ножа, т.е.

, Н/см.

Для случая резания рубкой удельное давление имеет максимальную величину. Ее обозначают через q₀.

При наличии боковой силы Т и скользящего движения ножа величина потребного нормального давления уменьшается. Если удельное давление q₀ при рубке принять за 100%, то его величина q при разных углах может быть оценена графиком. (Рис. 5.)

Для различных материалов q₀ – величина постоянная. Она зависит от влажности материала и от остроты ножа. По мере затупления величина q увеличивается.

ЗАЗОР РЕЖУЩЕЙ ПАРЫ.

Зазор между лезвием ножа и противорежущей пластиной:

для соломосилосорезок = 0,5-1,0 мм.

для барабанных режущих аппаратов =1,5 до 4,6 мм.

УГОЛ РЕЗАНИЯ

Угол резания , где

- угол заточки ножа;

- угол установки ножа.

Для соломорезок угол заточки ножа . Нижний предел угла заточки обусловлен прочностью материала, а верхний - экономичностью режимов резания.

ЗАЩЕМЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА.

Для осуществления рабочего процесса резания по принципу ножниц режущий аппарат должен иметь два лезвия, надежно удерживающие материал.

Режущая пара защемляет материал, если угол раствора равен или меньше двойного угла скользящего резания (трения).

В несимметричной режущей пары имеются два не одинаковые угла скользящего резания:

- угол скользящего резания лезвия ножа по материалу;

- угол скользящего резания материала по противорежущей кромке.

Академик М.В. Сабликов показал:

По данным Висхома - для дисковых соломосилосорезок, а в барабанных - = 24÷30⁰.

Из анализа условий резания лезвием следует, что для рабочего процесса соломосилосорезок основное значение имеют такие параметры как нормальное давление ножа на материал и боковое скользящее движение ножа.

Количественное соотношение между этими параметрами характеризуется значениями коэффициента скольжения и коэффициента скользящего резания.

Для вычисления сущности этих коэффициентов рассмотрим схему действия сил со стороны ножа на материал.

2. Взаимосвязь между конструктивными и энергетическими параметрами дискового измельчителя.

Такое размещение лезвия ножа может привести лишь к рубке, что нас не удовлетворяет. (Рис. 8.)

Необходима поставить нож с каким – то вылетом, т.е. отстоящем от оси вращения на какое – то расстояние Р. (Рис. 9.)

Рассмотрим точку m лезвия ножа. Направление полной скорости перпендикулярно радиусу r.

; ;

Тогда

Но - коэффициент скольжения.

Следовательно, можно представить в таком виде:

- это гиперболическая зависимость.

Это говорит, о том, что чем дальше точка m от точки с, тем меньше эффект скольжения.

Таким образом величина коэффициента скольжения определяет собой долю участия бокового скользящего движения ножа в общем процессе резания.

Угол называется углом скольжения. Угол скольжения – это угол между радиусом – вектором и лезвием ножа (а) (для прямолинейного лезвия) (Рис. 10.) или касательной к нему (б) (для криволинейного лезвия). (Рис. 11.)

Рис. 10. Рис. 11.

Это явление, что с увеличением расстояния «u» эффект скольжения снижается, крайне нежелательно. Поэтому необходима корректировка лезвия ножа.

Вывод. Желательно иметь лезвие криволинейной формы для которого бы с увеличением радиус-вектора точек лезвия ножа, угол скольжения увеличивался.

В.П. Горячкин исследовал 13 видов лезвий. Наилучшим оказалось эксцентрично поставленная окружность. (Рис. 12.)

Рис. 12. Рис. 13.

е – эксцентриситет.

R – радиус окружности.

Зона ВС – удовлетворяет требованию, предъявленному к рабочему органу.

Угол φ называется углом скользящего резания. А отношение величины касательной силы Т к нормальной – называется коэффициентом скользящего резания f!

3. Динамика дискового измельчителя и его энергетический расчет.

Рассмотрим схему сил, действующих со стороны лезвия ножа на материал.

Если равнодействующая R сил сопротивления резанию, приложенная в точке «m», то для преодоление этого сопротивления со стороны ножа должна быть приложена сила резания Р_рез, равная по величине R и противоположно направленная ей.

Разложим силу Р_рез на нормальную составляющую N и тангенциальную Т.

Тогда:

Так как (из условия - коэффициент скользящего резания).

То

или

Учитывая, что (из условия )

Окончательно имеем:

Выражение представляет собой удельную работу резания; т.е.

- на единицу срезанной площади.

Коэффициент В.П. Горячкин назвал обобщенной характеристикой ножа, показывающей действительное участие скользящего перемещения в процессе резания.

По опытным данным А_уд для сена и соломы , для травы .

В этих пределах мы получаем наименьшие энергетические затраты. (Рис. 15)

На величину А_уд влияет скорость ножа. (Рис. 16.)

Рис.16.

Следовательно .

Анализируя формулу М_рез, можно заключить, что его величина изменяется от нуля до М_{рез max} и от М_{рез max} до нуля (Рис. 17.).

Рис. 17.

Согласно ОСТ – 70.2.3 -73 «Оценка электропривода сельскохозяйственных агрегатов» в качестве оценочных критериев для определения характера нагрузки со стороны рабочего органа на привод приняты:

М_min, М_max и М_ср – соответственно, минимальный максимальный и средний моменты сопротивления.

Если М_max - М_min ≤ М_ср, то нагрузка считается равномерной, и мощность двигателя рассчитывают по среднему моменту сопротивления, т.е. М_ср.

Если М_max - М_min > М_ср, то нагрузка считается неравномерной и мощность двигателя нужно рассчитывать по эквивалентному моменту сопротивления, т.е. по М_экв который определяется так

Рис. 18.

Поэтому при расчете потребной мощности на привод соломосилосорезки пользуются средней величиной момента сопротивления резанию М_рез.ср..

- площадь диаграммы;

Вращающий момент машины

где - момент на валу диска соломосилосорезки, обусловленый сопротивлением механизма подачи, Н•м;

- момент сопротивления от холостого хода машины.

Исследованиями установлено, что соотношения отмеченных моментов в среднем можно принять:

Следовательно

Мощность двигателя

где, n – частота вращения вала соломосилосорезки, об/мин.

Степень неравномерности вращения:

или

Отсюда момент инерции моховика:

Степень неравномерности для соломосилосорезки должна быть в пределах =0,03-0,07 (3-7%).

Механическая характеристика соломосилосорезки РСС – 6Б, ИГК – 30Б. (Рис. 19.)

Рис. 19.

Нагрузочные диаграммы представлены на Рис. 20 и 21:

ИГК – 30Б при использовании машин в потоке.

Рис. 20.

ИГК – 30Б

РСС – 6Б

Волгарь- 5 при загрузки вручную

Рис. 21.