Повышение надежности дробилки зерна путем оптимизации конструкции лопастного колеса барабана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Петров Виталий Анатольевич

• Петров Виталий Анатольевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Петров Виталий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные проблемы технической оснащенности

сельского хозяйства

1.2 Анализ существующих принципов и оборудования

для приготовления кормов в молочном животноводстве

1.3 Основные причины отказов и повышение надежности

молотковых дробилок

Выводы по главе 1 и задачи исследования

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО ВЕЛИЧИНЕ ИЗНОСА ЛОПАСТИ КОЛЕСА БАРАБАНА _И ОПТИМИЗАЦИЯ ЕГО КОНСТРУКЦИИ

2.1 Постановка и решение контактной задачи при износе рабочей поверхности лопасти колеса

2.2 Исследование напряженного состояния на рабочей

поверхности лопасти

2.3 Определение величины износа рабочей поверхности лопасти

2.4 Расчет контактных напряжений, обоснование критерия и условия

оптимальности положения лопасти

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА, ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа и этапы экспериментальных исследований

3.2 Приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований

3.3 Разработка полярископа с высокой разрешающей способностью

и методики расчета напряжений в оптически прозрачных

моделях элементов деталей

2

3.3.1 Разработка принципиальной схемы полярископа

3.3.2 Разработка методики определения максимальных касательных напряжений

3.3.3 Разработка полярископа с усовершенствованной оптической схемой и корректировка эмпирической зависимости

для расчета максимальных касательных напряжений

3.3.4 Определение механических и оптических характеристик

ОС (плексигласа)

3.3.5 Методика определения максимальных касательных напряжений

в приконтактной зоне рабочей поверхности модели лопасти

3.4 Методика моделирования геометрически подобного лопастного колеса дробилки

3.4.1 Применение трехмерной печати для изготовления моделей

деталей дробилки

3.4.2 Принципы теории подобия при моделировании работы

дробилки серии ДКР

3.5 Моделирование процесса абразивного износа рабочей

поверхности лопасти

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Исследования напряженного состояния в приконтактной зоне оптически прозрачной модели лопасти на полярископе

4.2 Результаты исследования износа рабочей поверхности лопасти до и после модернизации на геометрически подобной модели

дробилки серии ДКР

4.4 Результаты производственных испытаний модернизированного

лопастного колеса

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ ЛОПАСТНОГО КОЛЕСА БАРАБАНА

ДРОБИЛКИ СЕРИИ ДКР

5.1 Экономическая эффективность ускоренных испытаний

на физических моделях

5.2 Технико-экономическая эффективность модернизированной

дробилки зерна ДКР-4

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ПРИЛОЖЕНИЕ И

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности дробилки зерна путем оптимизации конструкции лопастного колеса барабана»

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние сельскохозяйственной отрасли РФ связано с нарастающим внешнеполитическим давлением. Высокая конкуренция на мировом рынке и нестабильная международная ситуация, последствиями которой являются всевозможные санкции в отношении России, требуют соответствующей защитной реакции.

В начале прошлого десятилетия произошла первая заметная реконструкция государственной политики в направлении обеспечения продовольственной независимости. Была принята доктрина продовольственной безопасности от 30.01.2010 г., впоследствии обновленная от 21.01.2020 г., на основании которой стратегической целью продовольственной безопасности является обеспечение населения страны безопасной сельскохозяйственной продукцией, рыбной и иной продукцией из водных биоресурсов и продовольствием [55]. Реализация стратегии не может быть выполнена качественно без должного уровня материально-технического обеспечения сельскохозяйственной отрасли.

Интенсификация любого производства требует увеличения производительности труда путем применения высокоэффективных машин и оборудования. Импортные модели техники превосходят большинство российских аналогов по показателям надежности, экономичности, эргономичности и комфорта более чем в 4 раза. Поэтому машинно-технологическая модернизация, преодоление технического и технологического отставания в показателях надежности отечественных машин являются важнейшими задачами аграрного производства [54, 60, 62, 90, 91, 127, 214, 215].

В связи с санкциями некоторых государств вопрос импортозамещения в

отечественном сельскохозяйственном машиностроении является весьма

актуальным. Распоряжением Правительства РФ от 7 июля 2017 г. № 1455-р

определена стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России

на период до 2030 г. В документе сказано, что отечественные производители

сельхозтехники должны обеспечить долю продукции на внутреннем рынке выше

5

80 % и доли экспорта выше 50 % по отношению к внутреннему [204]. При этом показатели надежности необходимо так же поднимать до уровня передовых зарубежных производителей сельхозтехники.

Одним из основных направлений сельскохозяйственного производства на территории Удмуртской Республики является молочное животноводство. Условием интенсивного развития молочного направления в животноводстве можно уверенно назвать наличие качественных кормов, желательно собственного производства. Возделывание зерновых культур позволяет при должной оснащенности сельскохозяйственной организации производить собственные концентраты, а в некоторых случаях формировать полноценные кормоцеха по производству комбикормов. Механизация приготовления концентрированных кормов из злаковых культур основана на дробилках зерна. Теория измельчения зерна рассматривалась в трудах: Горячкина В.П., Алешкина В.Р., Завражникова А.И., Куприцы Я.Н., Макарова И.В., Мельникова С.В., Ржаницына А.Р., Сыроватки В.И., Хусид С.Д. и их школ. На сегодняшний день отечественная и зарубежная промышленность производит современные образцы измельчающих машин, которые описаны в работах: Алешкина В.Р., Баранова Н.Ф., Борщева В.Я., Булатова С.Ю., Дьячкова С.В., Завражнова А.И., Карташева Б.В., Миронова К.Е., Нечаева В.Н., Сабиева У.К., Савиных П.А., Сергеева А.Г., Сергеева В.П., Сергеева Н.С., Сысуева В.А., Федоренко И.Я., Braun E., Holz W., Kang K.S., Kormann W., Martin E.M., Schmidt A., Young R.T. и др. Авторы отмечают абразивный износ основной причиной потери работоспособности молотковых дробилок зерна.

Проблемами повышения несущей способности элементов конструкции и

причинами отказов дробилок занимались: Аулов В.Ф., Бойко А.М.,

Власенко Д.А., Власов Ю.А., Денисенко Н.И., Клименко Н.И., Коноводов В.В.,

Лялякин В.П., Надежин А.В., Поздняков В.Д., Розенбаум А.Б., Савиных П.А.,

Сысуева В.А., Тимановский А.В. и другие ученые. Молотковые дробилки при

измельчении зерна претерпевают значительный абразивный износ рабочих

органов (лопастного колеса, молотков, решета и пр.) вследствие их

6

неоптимальной конструкции в местах динамического взаимодействия с частицами газодисперсного материала.

Наши исследования доказывают, что показатели долговечности колеса барабана, который является одним из основных деталей дробилки, путем оптимизации положения лопастей увеличиваются более чем в 3 раза.

Объект исследований - абразивный износ лопастного колеса молотковой дробилки.

Предмет исследований - теоретические и экспериментальные методы моделирования износа и оптимизации конструкции лопастного колеса дробилки зерна.

Цель исследований - повышение надежности дробилки зерна путем оптимизации положения лопастей колеса барабана методами моделирования процесса износа.

В связи с поставленной целью определены задачи исследований:

- выявить причины отказов и провести анализ способов повышения надежности молотковых дробилок зерна;

- разработать математическую модель процесса износа рабочей поверхности лопасти колеса молотковой дробилки серии ДКР;

- провести теоретические исследования и определить поля нормальных и касательных контактных напряжений на поверхности износа лопастей;

- обосновать критерий и условие оптимальности конструкции лопастного колеса для повышения долговечности барабана дробилки серии ДКР;

- экспериментально исследовать напряженное состояние в поперечных сечениях прозрачных моделей лопастей в контактных зонах при помощи лазерного полярископа, сравнить теоретические результаты с опытными данными и дать оценку адекватности разработанной математической модели;

- разработать методику физического моделирования и изготовить геометрически подобную модель дробилки серии ДКР для исследования характера износа рабочих поверхностей барабана и проверки условия и критерия оптимизации конструкции;

- изготовить прототип модернизированного лопастного колеса дробилки оптимальной конструкции и провести производственную проверку научных исследований;

- дать оценку экономической эффективности применения полученных результатов научных исследований и от внедрения в производство.

Научную новизну работы составляют:

- аналитические выражения, позволяющие исследовать поле контактных напряжений по величине износа от потока зернового вороха;

- методика оптимизации конструкции лопастного колеса, позволяющая обеспечить равномерное контактное напряженное состояние и, как следствие, равномерный износ рабочих поверхностей барабана;

- результаты физического моделирования напряженного состояния и износа рабочих поверхностей барабана при модернизации и проектировании дробилок серии ДКР.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные математические модели могут быть использованы при расчете напряженного состояния и процессов разрушения рабочих поверхностей, а также оптимизации конструкции узлов и механизмов технологического оборудования при газоабразивном износе.

Результаты научных исследований и опытно-конструкторских разработок, связанных с оптимизацией конструкции лопастного колеса барабана дробилки зерна серии ДКР, внедрены в АО «Путь Ильича» Завьяловского района Удмуртской Республики (УР), ООО «Дуслык», СХПК «Активист» Балтасинского района Республики Татарстан (РТ), ООО ТРК «ПРОГРЕСС» г. Ижевск УР (Приложения Г, Д, Е, Ж).

Результаты исследований также используются в учебном процессе инженерных факультетов аграрных вузов РФ (Приложение И).

Методология и методы исследований. В качестве объекта исследования выбрана оптимизация конструкции лопастного колеса с целью повышения

показателей надежности дробилки серии ДКР.

8

При выполнении работы использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования базировались на основах дифференциального и интегрального исчисления, теории функции комплексного переменного, интегральных уравнений и преобразований, функциональных рядов.

При выполнении экспериментальных исследований применялись общие методики физического моделирования и трехмерной печати, основ поляризационно-оптического метода, современные приборы и вычислительная техника с пакетом программ по математике и статической обработке данных, методы планирования стендовых и эксплуатационных испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика расчета напряженного состояния по величине износа рабочей поверхности лопасти колеса барабана и математическая модель износоконтактных напряжений;

- обоснование критерия и условия оптимизации конструкции лопастного колеса барабана дробилки зерна серии ДКР, и методика расчета оптимального угла наклона лопастей;

- результаты экспериментальных исследований напряженного состояния на рабочей поверхности лопасти на оптически-прозрачных моделях и геометрически подобных прототипах барабана дробилки до и после модернизации лопастного колеса;

- результаты производственных испытаний дробилки зерна с модернизированным лопастным колесом;

- экономическая эффективность результатов выполненных научных исследований.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов исследований и основных выводов работы подтверждается высокой степенью согласованности теоретических расчетов с данными экспериментальных исследований на физических моделях в лабораторных условиях, а также производственными испытаниями молотковой дробилки ДКР-4.

Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационный потенциал сельскохозяйственной науки XXI в.: вклад молодых ученых-исследователей» (г. Ижевск, 2017 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии для реализации программы научно-технического развития сельского хозяйства», посвященной 75-летию Ижевской ГСХА (г. Ижевск, 2018 г.); Международной научно-практической конференции «Аграрная наука-сельскохозяйственному производству» (г. Ижевск, 2019 г.); Международной научно-практической конференции «Научные инновации в развитии отраслей АПК» (г. Ижевск, 2020 г.); Национальной научно-практической конференции молодых ученых «Интеграционные взаимодействия молодых ученых в развитии аграрной науки» (г. Ижевск, 2020 г.); Национальной научно-практической конференции «Научное обеспечение инженерно-технической системы АПК: проблемы и перспективы» (г. Ижевск, 2020 г.); Международной научно-практической конференции «Технологические тренды устойчивого функционирования и развития АПК», посвященной году науки и технологии в России (г. Ижевск, 2021 г.); II Международной научно-практической конференции «Динамика механических систем», посвященной памяти профессора А.К. Юлдашева (г. Казань, 2021 г.); Международной научно-практической конференции «Развитие производства и роль агроинженерной науки в современном мире» (г. Ижевск, 2021 г.); Международной научно-практической конференции «IOP Conference Series: Earth and Environmental Science.» (г. Красноярск, 2021 г.); Международной научно-практической конференции «Научные разработки и инновации в решении стратегических задач агропромышленного комплекса» (г. Ижевск, 2022 г.); VI Международной научной конференции «Conference on Advanced Agritechnologies, Environmental Engineeringand Sustainable Development - Chemical, Ecological, Oil-and-Gas Engineering and Natural Resources» (г. Красноярск, 2022 г.).

Личный вклад соискателя.

Экспериментальные исследования напряженного состояния на прозрачных моделях лопастей. Апробация методики оптимизации угла наклона лопасти колеса дробилки на физических моделях. Изготовление модернизированного лопастного колеса с оптимальным углом наклона лопастей в = 10° к продольной оси барабана. Проведение производственных испытаний на дробилке ДКР-4 модернизированного лопастного колеса барабана. Оценка экономической эффективности научных исследований.

По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 4 статьи в журналах, входящих в международную базу данных рецензируемой научной литературы Scopus, и 13 статей в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, зарегистрирован 1 патент на полезную модель (Приложение А).

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 182 страницах, состоит из введения, основной части, содержащей 90 рисунков и 6 таблицы, заключения, списка использованной литературы, включающего 247 наименований, в том числе 17 на иностранных языках, и 8 приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные проблемы технической оснащенности сельского хозяйства

Современные реалии развития аграрного производства тесно связаны с условиями санкционного давления на Российскую Федерацию со стороны ряда недружественных государств. Производство и экспортный потенциал отечественных продуктов, производимых российскими сельскохозяйственными организациями (СХО), нуждается в интенсивном использовании ресурсов механизации и автоматизации производства. Парк сельскохозяйственной техники и технологических машин, активно пополнявшийся марками и моделями импортных машин до 2014 г., сильно устаревает. К примеру, объем выпуска машин для животноводства и кормопроизводства в сравнении с 1990 г. в нашей стране сократилось в 38 раз, запасных частей в 17 раз, а обеспеченность сельских товаропроизводителей необходимой техникой и оборудованием в настоящее время составляет лишь 35...60 %. Ухудшение международной обстановки привело к сложностям по приобретению импортной техники и запасных частей к ней. Некоторые образцы техники простаивают на сельскохозяйственных предприятиях по причине необходимости дорогостоящего ремонта. По отношению к 2015 г. количество импортируемой техники выросло на 9 %, а вот в стоимостном выражении импорт вырос на 28 % [120]. Большая разница в процентах объясняется вступлением в силу Постановления Правительства РФ от 6 февраля 2016 г. № 81 «Об утилизационном сборе в отношении самоходных машин и (или) прицепов к ним и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации» [127]. Тем не менее зависимость от импорта все еще сохраняется.

Численность тракторов и самоходных уборочных машин по данным

Росстата, сократилась более чем в 6 раз за последние 25 лет - с 1 945 тыс. штук в

12

1990 г. до 312 тыс. штук в 2015 г. Отчасти данное сокращение объясняется смещением спроса в сторону более мощных и производительных машин. Анализ динамики, которую демонстрирует отрасль за последнее десятилетие, показывает, что после наблюдавшегося на протяжении 2013 - 2015 гг. спада в выпуске сельхозтехники, в 2016 - 2017 гг. был существенный прирост производства на 34 % по отношению к предыдущему периоду. Однако в 2018 г. количество изготовленных в России сельхозмашин вновь сократилось на 10 %, а 2019 г. фиксировался подъем в 1,3 раза по сравнению с 2015 г. [166, 212]. Количество работников, занятых на производствах машин и оборудования для сельского и лесного хозяйства, с 2009 г. по 2020 г. сократилось в 3 раза (рисунок 1.1) [31].

тыс.чел.

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 ГОД

Рисунок 1.1 - Среднесписочная численность работников по полному кругл организаций и виду деятельности «Производство машин и оборудования для сельского и лесного хозяйства»

В распоряжении Правительства РФ от 7 июля 2017 г. №1455-р отмечен крайне низкий уровень технической оснащенности сельского хозяйства России в сравнении с Канадой, у которой схожие почвенно-климатические условия, урожайность и рельеф полей. В России на 1 тыс. га пашни приходится 3 трактора, а в Канаде - 16,1 тракторов, аналогичная ситуация по уборочным машинам [166]. При этом, согласно данным Ассоциации «Росагромаш», доля машин,

используемых за пределами сроков амортизации и нормативной эксплуатации (старше 10 лет), в зависимости от вида техники достигает 70 % [204].

Решающим критерием в выборе техники для российского агрария служит ее качество и дизайн. По итогам 2018 г. доля импорта на отечественном рынке сельхозмашин составила 40 %. Прежде всего речь идет о поставках техники из Республики Беларусь. Также среди лидеров потребительского спроса у российских аграриев эксперты отмечают марки «CLAAS», «John Deer» и «Case New Holland» [31]. Все перечисленные иностранные бренды имеют в России собственные локализованные сборочные предприятия. В целом отрасль сельскохозяйственного машиностроения в стране остается под влиянием фактора низкого платежеспособного спроса со стороны внутреннего рынка и сильно зависима от целевых мер по ее поддержке со стороны правительства. Развитие производства сельхозтехники сейчас во многом идет за счет локализации на территории России зарубежных производителей, и правительство прилагает значительные усилия к тому, чтобы глубина этой локализации увеличивалась [31].

Согласно утвержденной в 2017 г. стратегии развития сельскохозяйственного

машиностроения России на период до 2030 г. [204], можно заключить, что

отрасль играет важнейшую роль в обеспечении продовольственной безопасности

страны и будет поддерживаться на достойном уровне. Однако ее развитие

существенным образом нуждается в применении новых научно-технических

разработок [204]. Например, уровень инвестиций предприятий

сельхозмашиностроения в НИОКР по отрасли за 2020 г. составил 0,67 % от

выручки, тогда как показатель ведущих предприятий США и Германии превысил

4,5 % [218]. Это значительно ограничивает возможности отечественного

сельхозмашиностроения в реализации потенциала роста новой техники. Также о

низкой инновационной активности отечественных предприятий

сельхозмашиностроения свидетельствует количество задействованных

конструкторов - 737 человек в 2020 г. [218]. При этом наблюдаются

положительные тенденции в части инноваций: с 2014 г. по 2021 г. доля

14

инвестиций в НИОКР выросла в 6,6 раза, а число занятых конструкторов увеличилось на 98 человек (+ 15,3 %), в основном за счет показателей АО КЗ «Ростсельмаш». Важно отметить, что отрасль сельскохозяйственного машиностроения сохранила все базовые компетенции, обладает высоким мультипликативным эффектом, так как обеспечивает спрос на продукцию химической и металлургической промышленности, станкостроения, смежных отраслей машиностроения и т.д., а общий налоговый эффект от роста производства и реализации сельхозтехники может достигать 90 % [31].

С учетом стратегических целей России по снижению зависимости производства от импорта техники и технологий, для обеспечения выполнения технологических операций возделывания и первичной переработки растениеводческой продукции проанализированы наиболее распространенные виды сельхозтехники. Чтобы остановить естественное выбытие техники вследствие превышения сроков нормативной эксплуатации, перейти к увеличению парка и в ближайшей перспективе достичь расчетной обеспеченности предприятий для механизации полевых работ, необходимо ежегодно приобретать не менее 20 тыс. тракторов, 8 тыс. зерноуборочных и 2 тыс. кормоуборочных комбайнов. Интенсификация первичной переработки зерна для приготовления кормов в животноводстве молочной специализации также требует повышать оснащенность технологических процессов новым оборудованием (зерносушильными комплексами, дробилками, измельчителями и т.д.). В сравнении с вложениями в основной капитал доля инвестиций на реконструкцию и модернизацию машин и оборудования по сельскому хозяйству РФ составляла 17,2 % (за 2019 г.), а по экономике в целом она равнялась 30,6 %. За период с 2013 г. по 2017 г. анализ импортозависимости по машинам для приготовления кормов в животноводстве показал негативную динамику: в 2013 г. импортозависимость была на уровне 28 %, а в 2017 г. - 51 % [81, 90, 91, 120, 121, 159 - 161, 175, 196, 203].

1.2 Анализ существующих принципов и оборудования для приготовления кормов в молочном животноводстве

Одним из основных направлений сельскохозяйственного производства на территории Удмуртской Республики является молочное животноводство. По данным регионального Министерства сельского хозяйства, в 2020 г. в хозяйствах республики насчитывалось 117,6 тыс. голов дойного стада, а к 2021 г. эта цифра увеличилась на 2,6 тыс. голов. Общее поголовье КРС молочного направления -порядка 120 тыс. голов. Производство молока за 2020 г. составило 800 тыс. тонн [130].

Условием интенсивного развития молочного направления в животноводстве

можно уверенно назвать наличие качественных кормов, желательно собственного

производства. В условиях зоны рискованного земледелия, в которую входит

практически вся территория Удмуртской Республики, процесс кормозаготовки

требует больших запасов мощностей сельскохозяйственной техники и

дополнительного оборудования для первичной переработки растительной

продукции (зерносушильные комплексы, дробилки, измельчители и т.д.). Тем не

менее производство концентрированных кормов из собственных продуктов

растениеводства остается приоритетным в силу экономии хозяйств на

транспортных издержках. Расчеты показывают, что для ежедневного кормления

дойного стада в 121 тыс. голов, с учетом зоотехнических требований, в среднем

требуется от 150 до 200 тонн концентрированных кормов в виде

комбинированных добавок либо посыпки [126, 131, 168]. Современные условия

содержания животных в сельскохозяйственных предприятиях подразумевают их

кормление так называемым монокормом. Монокорм - сбалансированная смесь

грубых сочных и концентрированных составляющих, подвергающихся

смешиванию и пропорциональному дозированию компонентов в зависимости от

рациона и рецептуры [81, 89, 94, 126, 193, 244]. Дойное стадо стараются кормить

круглый год относительно одинаковым по структуре кормом во избежание

сезонных спадов продуктивности животных. Возделывание зерновых культур

16

позволяет при должной оснащенности СХО производить собственные концентраты, а в некоторых случаях формировать полноценные кормоцеха по производству комбикормов. Самым энергозатратным процессом при первичной переработке зерна для кормов является измельчение. Механизация приготовления концентрированных кормов из злаковых культур основана на дробилках. За последние годы, по данным переписи, было выпущено порядка 789 тыс. дробилок [125, 128, 196, 203, 244]. В зависимости от производительности и требуемых зоотехнических характеристик, относящихся к модулю помола, дробилки зерна имеют различные конструкционные решения (рисунок 1.2) [66].

С переходом к интенсивному характеру ведения хозяйственной деятельности и с изменением подходов к кормлению высокопродуктивных сельскохозяйственных животных габаритные высокопроизводительные и сложные конструкции дробилок зерна непреклонно вытесняются относительно компактными и простыми в эксплуатации молотковыми дробилками всасывающего-нагнетательного типа [66].

К примеру, дробилки ДКУ-2 заменяют на ДКР-4 с сопоставимой производительностью (2.3 т/ч) (рисунок 1.3).

* ■

Рисунок 1,3 - Внешний вид дроби, производительностью 2...3 1

Аграрии Удмуртской Республики все больше отдают предпочтение всасывающе-нагнетательным молотковым дробилкам зерна роторного типа -серия ДКР (овальный блок на рисунке 1.2) [84, 94, 122, 125, 130, 192, 211]. Эти машины имеют простую конструкцию, а гибкий рукав обеспечивает относительно удобный процесс забора измельчаемого сырья (рисунок 1.4).

Дополнительной причиной широкого распространения дробилок подобного типа является их применение в составе мобильных комбикормовых установок. С развитием института поддержки малых форм хозяйствования в виде крестьянских фермерских хозяйств (КФХ) и семейных ферм сельское население страны активно начало заниматься сельским хозяйством. Для интенсивного и экономически обоснованного развития подобных субъектов необходимо иметь возможность регулировать поступление концентрированных кормов как по количеству, так и по качеству. Мобильные комбикормовые установки с энергоэффективными и компактными дополнительными механизмами более предпочтительны для использования на таких предприятиях.

Измельчение зерна в дробилках данного типа реализовано посредством ударного разрушения при помощи шарнирно подвешенных рабочих органов -молотков. Принципиальная конструкционная схема молотковой дробилки изображена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема конструкции молотковой дробилки (ДКР):

1 - электродвигатель: 2 - крышка со станиной электродвигателя: 3 - диск вентилятора (выбрасывающая дорожка не показана): 4 - корпус дробилки: 5 - решето: 6 - ротор: 7 - молотки: 8 - ось молотков: 9 - крышка передняя с сепаратором: 10 - магнит

1 2

3 4

5 7 8 6

9

Принцип работы всасывающей-нагнетательной дробилки следующий (рисунок 1.6).

По гибкому пневмопроводу исходный материал (зерновой ворох) через всасывающий патрубок 1, в котором оседают твердые примеси, поступает в дробильную камеру 2, где под действием молотков и лопастей ротора активно измельчается в барабане 3. Затем измельченная часть просеивается сквозь решето 4 и отводится по нагнетательному патрубку 7 к смесителю концентрированных кормов [14, 84, 80, 86, 122, 141, 176, 178, 179, 182].

Роторные молотковые дробилки производит ряд предприятий в стране, в зависимости от этого они имеют некоторые отличия в маркировке. Дробилка

данного типа имеет ряд преимуществ [14, 125, 143, 176, 177, 184, 186, 226], которые отмечены в литературе и специалистами СХО:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петров Виталий Анатольевич, 2023 год

- *

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 «1,2 0.3 0.4 0.5

Рисунок 2.5 - Средняя величина износа на внутреннем контуре лопасти:

1 - линия, построенная по замерам; 2 - линия тренда

—Н J Ь

1 —V,;

'V 'А

и, 7 \1_

г л *

-К- л- 2(

<1.5 -0,4 -03 -0,2 -11,1 0 0.1 0 Л 0.3 0,4 0.5

Рисунок 2.6 - Средняя величина износа в среднем сечении лопасти:

1 - линия, построенная по замерам; 2 - линия тренда

-»-] <1 о J и ■

2 /

Л /

А 1

Ил '

1

-н- .V 21

0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Рисунок 2.7 - Средняя величина износа на внешнем контуре лопасти:

1 - линия, построенная по замерам: 2 - линия тренда

Уравнение регрессии для функции износа в среднем сечении имеет вид:

= 2 '0748х3 + 1 '5 63х2 + 1 '02 2 5хх + 0 '3 05 (2. 34)

с коэффициентом корреляции R = 0,9943, х1 = х/2£

Уравнение регрессии для функции износа на внешнем контуре имеет вид:

= 1 2 '2 34х? + 3 ' 4 1 8 1 х3 0 '0782х2 + 0'6883хх + 0 ' 3 1 1 1 ( 2 . 3 5 )

2

с коэффициентом корреляции R = 0,9912, х1 = х/2£

2.4 Расчет контактных напряжений, обоснование критерия и условия оптимальности положения лопасти

По коэффициентам в уравнениях регрессии (2.33)...(2.35) определены постоянные в выражениях (2.25).. .(2.30), которые имеют следующие значения: для внутреннего контура -

Ь2 = 2 ■ ( - 0,2 5 2 7) = - 0,5 054,

Ь з = 3 ■ ( - 5, 141) = - 1 5,42 3, Ь4 = 4 ■ ( -6,8 1 2 7) = - 2 7,2 5 08,

для среднего сечения -

г2 = 2 ■ 1,563 = 3,126, г3 = 3 ■ 2,0748 = 6,2244, ?4 — 4 ■ 0 — 0,

( )

( )

для внешнего контура -

к2 = 2 ■ 0,0782 = 0,1564,

кз = 3 ■ 3,41 8 1 = 1 0,2 543,} ( 2 . 3 8)

к4 = 4-12,234 = 48,936..

Эпюры контактных напряжений (2.25)...(2.30) показаны на рисунках

2.8 - 2.12.

Рисунок 2.9 - Эпюры контактных напряжений в среднем сечении лопасти

Ч \

V р

I

Рисунок 2.10 - Эпюры контактных напряжений на внешнем контуре

лопасти

Рисунок 2.12 - Эпюра контактных касательных напряжений г

За критерий оптимальности можно взять коэффициент контактных нормальных напряжений ^ [57, 60, 153]

Oz

= ^ ' ( 2 ■ 3 9)

а условие оптимальности -

= — 1 ил и (jz — (—р) = cons t ■ ( 2 ■ 4 0)

Например, для среднего сечения лопасти условие оптимальности запишется:

16

G0z Л

9а = ~

— (?)'

't2

г2 + г3х + г3 I — + х2 ) ) — 1 ■

( - р ) тг(4г2 + 3 г^2 д2 " "V2

Если в выражении (2.40) знак «стремится» заменить на «равно», оно станет условием равнопрочности, когда контактные нормальные напряжения распределены по изнашиваемой поверхности лопасти равномерно, а линия действия равнодействующей

i

J ^dx = 2 t ( 2 ■ 4 1 )

с

Р =

-с

пересекает ось симметрии у лопасти.

При плоской рабочей поверхности лопасти условие равнопрочности не выполняется, поэтому зададимся условием оптимальности, когда линия действия равнодействующей (2.41) пересекает ось симметрии у лопасти (рисунок 2.13). Для этого необходимо наклонить лопасть к оси х под углом

¿tgac

где xc/2t, gc - координаты центра тяжести эпюры gz,

/_% ох dx

( 2 ■ 4 2 )

хс = -' ( 2 ■ 4 3 )

2dx

= ~\р ■ ( 2 ■ 4 4)

э<?, * / х./2! \ 1 Ц 2 \ Ра У \ | С-,-*- "" X

-1 х\ 4 \ J<t 1 \ \ \ \

Рисунок 2.13 -оптимизация положения срединной поверхности

лопасти:

1- нормаль к срединной поверхности в оптимальном положении: 2 - центр

тяжести эпюры 3 - положение срединной поверхности лопасти до оптимизации: 4 - оптимальное положение срединной поверхности лопасти

Тогда выражение для угла наклона лопасти примет вид:

Р = агсгд ( ). ( 2 . 4 5 )

ч гд Ъ&х)

Учитывая (2.38) и (2.25), (2.27) и (2.29) с коэффициентами (2.36)-(2.38) в (2.45), получаем в = 7°...13°,5'. Среднеарифметическое целое значение угла наклона лопасти в = 10°.

Тогда уравнение срединной поверхности лопасти имеет вид:

2 = tg10•x (2.46)

Выводы по главе 2

1. Предложена методика расчета контактных напряжений по величине износа рабочей поверхности лопасти.

2. Полученные уравнения регрессии износа рабочей поверхности лопасти с коэффициентом корреляции, превышающим 0,98, позволяют рассчитать величину контактных напряжений.

3. За критерий оптимизации положения лопасти выбран коэффициент нормальных контактных напряжений, а условие оптимизации - стремление его к единице.

4. Определен оптимальный угол наклона лопасти в к продольной оси барабана, который находится в интервале от 7° до 13°5'.

5. Для обеспечения технологичности конструкции колеса барабана целесообразно устанавливать лопасть по среднеарифметическому целому значению угла наклона лопасти в = 10°.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА, ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа и этапы экспериментальных исследований

В качестве основания для выполнения научной работы послужили замечания представителей сельскохозяйственных организаций о постепенном износе рабочих органов современных молотковых дробилок зерна всасывающе-нагнетательного типа. Анализ научно-технической литературы показал актуальность проблемы и различные способы ее решения. Одним из способов повышения надежности дробилки является оптимизация конструкционных параметров основного рабочего органа - лопастного колеса.

Программа экспериментальных исследований представлена в блок-схеме этапов выполнения диссертации (рисунки 1.12 и 3.1). Для экспериментальной проверки полученных теоретических расчетов были выбраны методы физического моделирования с целью экономии ресурсов и ускорения процесса испытаний.

Исследования на основе физического моделирования проводились в два этапа. На первом этапе проводились исследования контактных напряжений на моделях рабочей поверхности лопасти при помощи лазерного полярископа. В качестве материала для изготовления моделей использовалось органическое стекло (ОС) или плексиглас, оптико-механические свойства которого исследовались экспериментально.

На втором этапе исследовался износ лопасти на геометрически подобной модели дробилки. При проведении исследований были использованы технологии трехмерного моделирования и возможности системы автоматизированной технологической подготовки производства (CAD/CAM систем) в качестве оператора по написанию машинного G-кода для станков с ЧПУ. Материал для изготовления модели рабочего органа дробилки подвергался механическим

испытаниям с целью определения физико-механических характеристик.

52

На основе результатов физического моделирования был изготовлен полномасштабный рабочий орган дробилки для проведения натурных исследований.

Решение проблемы интенсивного износа рабочего органа молотковой дробилки путем оптимизации конструкционных параметров при проектировании методами физического моделирования является целесообразным, т.к. производственные испытания полномасштабных изделий приводят к большим материальным и временным затратам.

3.2 Приборы и оборудование для проведения экспериментальных

исследований

Для проведения экспериментальных исследований использовались приборы и оборудование, список которых приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований

№ п/п Название прибора Характеристики Примечание

1 Цифровой тахометр Digital tachometer DT-2234A

2 Цифровой мультиметр Mastech 2023

3 Цифровые весы CAS XE-300

4 Фотоаппарат Philips

5 Блок питания Б5-47

6 Электромотор ДМ 2-26

7 Манометр ДНМП-100УЗ ТУ 25-7305.016-90

8 3D-принтер StereoTech HTE-530

9 Гравировально-фрезерный станок с ЧПУ Изготовлен в ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА

Для исследования напряженного состояния контактного износа рабочей поверхности лопасти и проверки теоретических расчетов возникла необходимость в разработке лазерного полярископа с высокой разрешающей способностью. Лабораторные исследования абразивного износа лопасти колеса проводились путем физического моделирования на геометрически подобной модели дробилки зерна серии ДКР.

3.3 Разработка полярископа с высокой разрешающей способностью и методики расчета напряжений в оптически прозрачных моделях

элементов деталей

3.3.1 Разработка принципиальной схемы полярископа

За основу взят лазерный полярископ (ЛП) [13, 28, 44, 57, 58, 60], принципиальная оптическая схема которого изображена на рисунке 3.2.

Лазерный полярископ работает следующим образом. Луч лазера, прошедший через прозрачную модель детали, последовательно проходит оптический фильтр 3, оптический анализатор 4, далее попадает на фотодатчик 2, показания выходного сигнала с которого снимаются мультиметром (милливольтметром или микроамперметром) 1. Шаговые двигатели ЛП позволяют синхронно поворачивать поляризатор и анализатор. Особенностью прибора является то, что он позволяет определять максимальные касательные напряжения на моделях из ОС - материала с малой оптической чувствительностью, который редко используется в поляризационно-оптических исследованиях [2, 60].

3.3.2 Разработка методики определения максимальных касательных напряжений

Для определения механических напряжений проводились оптические исследования с выходным сигналом на фотоприемнике в виде электрического напряжения и в зависимости от сжимающей модель нагрузки Р (фотометрическая кривая 1 на рисунке 3.3) [2, 3, 16 - 18, 44, 57, 60].

Аналитически фотометрическую кривую 1 можно записать [2, 60]

и = итах5 т2(щ-р) ( 3 . 1 )

где и - величина напряжения на фотодатчике; итах - наибольшее значение напряжения и; Р0,5 - сжимающая сила, при которой и принимает значение итах; Р - величина силы, сжимающей оптически прозрачную модель.

Рисунок 3.3 - Фотометрическая кривая:

1 - фотометрическая кривая; 2 - линеаризация одной полуволны изохромы: и - показания милливольтметра: Р - нагрузка на модель: Р0,5 - нагрузка, при которой II = 11тах

Из (3.1) находим Р:

2Р05 Р =-— аг с б I п

ТС

Ч

и

—• (3 ■ 2)

У-тах

Так как передаточная характеристика системы «выходной сигнал с фотодатчика - нагрузка на модель» - нелинейная, а разность главных напряжений С1 - С2 прямо пропорциональна порядку интерференционной полосы k (закон Вертгейма) [2, 60], то для нахождения порядка изохромы проведем линеаризацию уравнения (3.2)

и1 = Нл^1р > ( з ■ з )

"о,5

т.е.

2 и

тт ^^тах

и1 =-аТСБШ

Ч

и

—■ (3 .4)

Углах

Здесь, порядок интерференционной полосы (изохромы) согласно [13, 28, 44, 57, 60], можно записать:

и±

/ = 0 ,5———. ( 3 . 5 )

У тах

Из (3.4) и (3.5) следует, что

1

к = — агсят п

Ч

и

—. (3.6)

Утах

Закон Вертгейма имеет вид [2, 60]:

- 6Г2 = / 6Г0 , ( 3 . 7 )

где Со - тарировочная постоянная (цена деления изохромы), которая определяется на эталонном образце (сжимаемый диск из ОС).

Для центра диска разность главных напряжений, согласно теории упругости [2, 60], определяется

8 Р

- ^ = Ш' ( 3 . 8)

где D - диаметр диска; ^ - толщина диска. Из (3.7) и (3.8) цена деления изохромы

16 Р05

60 = ^ (3 ■ 9)

при Р = Р0,5 и k = 0,5.

Подставляя (3.6) и (3.9) в (3.7), окончательно получаем выражение для расчета разности главных напряжений

6 — б2 = —7—— аг с б I п

1 2 л ОБ

и

-. (3. 1 0)

Утах

16Р0,5

- шсыг

N

Максимальные касательные напряжения в плоской задаче будут определяться

Тщах

~ _ 8Ро,5

2 ~ 7Г2^

агс б I п

N

и

и.

= т0агсб I п

тах

\

и

и.

(3 . 1 1)

тах

где

8 Р.

0,5

При использовании микроамперметр имеем:

т0=^- ( 3 . 1 9

в качестве регистрирующего прибора

Тт ах т 0 аГ с б 1п

N

( )

'тах

где пь, Атах - постоянные, определяемые при тарировке прибора; А - значение тока на фотоприемнике.

В ходе экспериментальных исследований на ЛП был выявлен существенный недостаток его конструкции - блок анализатора 4, оптического фильтра 3 и фотодатчика 2 (рисунок 3.2) располагается на консольной балке за нагрузочным устройством установки, что ограничивает перемещение координатного устройства ЛП и, тем самым, затрудняет исследование напряженного состояния в моделях сложной геометрии [60]. Поэтому возникла необходимость в модернизации оптической схемы и конструкции прибора.

3.3.3 Разработка полярископа с усовершенствованной оптической схемой и корректировка эмпирической зависимости для расчета максимальных касательных напряжений

На рисунке 3.4 представлена принципиальная схема усовершенствованного полярископа ЛП-1 [28, 44, 51, 60].

ю I 11

Рисунок 3.4 - Оптическая схема лазерного полярископа ЛП-1:

1 - полупроводниковый лазер мощностью 5 мВт и длиной волны X. = 655 им со стабилизированным источником питания: 2 - фокусирующая линза: 3 - поляризатор: 4 - зеркало: 5 - анализатор: 6 - оптический фильтр: 7 - фотоприемник: 8 - мнтливольтметр (или микроамперметр): 9 - луч лазера, отраженный от задней поверхности модели: 10 - модель детали, нагруженная силой Р; 11.12- луч лазера, прошедший через модель и падающий на нее:

В усовершенствованном полярископе на фотодатчик поступает сигнал не от проходящего через модель детали из ОС луч лазера, а от отраженного [60]. Луч

лазера проходит через модель из ОС 10, частично отражается от ее задней плоскости, затем, от зеркала 4, проходит через оптический анализатор 5, оптический фильтр 6 и попадает на фотодатчик 7, показания выходного сигнала с которого снимаются мультиметром (милливольтметром или микроамперметром) 8 [5, 6, 9, 11, 60, 96, 149]. Внешний вид прибора ЛП-1 представлен на рисунке 3.5. Предложенная схема позволяет исследовать напряжения в любой точке модели (диаметр пятна луча лазера при фокусировке может достигать 0,1 мм) в пределах рабочей зоны нагружения между опорными плитами нагрузочного устройства лабораторной поляризационно-оптической установки ППУ-7 (таблица 3.2, рисунок 3.6). Здесь координатный механизм прибора не зависит от нагрузочной части установки ППУ-7.

Таблица 3.2 - Технические характеристики оптико-механичекой

установки

№ п/п Характеристика установки Параметр

1 Максимальное усилие на модель, Н 5000

2 Шаг угла поворота шаговых двигателей (плоскости поляризации), град 5

3 Максимальные габариты моделей деталей, мм 100x120

4 Цена деления координатного механизма ЛП-1 по вертикали и горизонтали, мм 0,1

5 Материал модели Органическое стекло (плексиглас)

6 Оптическая разрешающая способность ЛП- 1, мм 0,1 ± 0,01

И 12 13 12 3

Рисунок 3.5 - Обший вид ЛП-1: 1 - регулятор и шкала вертикального перемещения луча лазера; 2 - прямой и отраженный луч лазера: 3 - модель детали: 4 - рама крепления к нагрузочному устройству установки: 5 - регулятор и шкала

горизонтального перемещения луча лазера: б - пульт управления: 7 - микроамперметр: 8 - лазерный модуль: 9.13 - шаговые двигатели: 10 - зеркало: 11 - шкала отсчета угла наклона плоскости поляризации: 12 - узел анализатора, фильтра и фотоприемника

Рисунок 3.6 - Внешний вид установки:

1 - блок питания: 2 - прибор ЛП-1: 3 - нагрузочное устройство: 4 - модель детали из плексигласа

На рисунке 3.7 представлены экспериментальная и теоретическая фотометрические кривые (зависимость электрического напряжения от внешней нагрузки) для центра сжимаемого тарировочного диска.

1,2 1

0.8 0,6 0.4 0.2 0

и/иПМ.Х

1СрИМСМ1 )|1Я

гсо

/>/2Ро,5

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Рисунок 3.7 - Экспериментальная и теоретическая фотометрические кривые

Эксперименты показали, что при скрещенных направлениях плоскости поляризации оптического анализатора 5 и поляризатора 3 (см. рисунок 3.4) по оптической схеме прибора ЛП-1 напряжение на фотодатчике отлично от нуля, т.е выражение (3.1) примет вид [60]:

£/ = £/тйХ5 + ( 3 . 1 4)

где в (сдвиг синусоиды) - тарировочная постоянная. Так, для образцов толщиной ^ = 6 мм сдвиг в = 0,224, для s = 7 мм - в = 0,274 при итах = 18,6 мВ, D = 59,2 мм, Р05 = 1177,2 Н.

Из рисунка 3.7 следует, что теоретическая кривая, построенная по формуле (3.14), не выходит за пределы доверительного интервала ± 5 % экспериментальной кривой, полученной по показаниям ЛП-1. Тогда окончательное выражение для расчета максимальных касательных напряжений образцов примет вид [27, 47, 48, 60]:

_ 8^0,5 Ттах п205

шгсб т

N

и

и.

тах

-О) = Т0(

атсб I п

N

и

V

-О I. ( 3 . 1 5)

тах

При использовании микроамперметра выражение (3.15) перепишется:

Т т ах = Т 0 I ат с б 1п

N

-О

( )

1тах

Здесь тарировочные постоянные имеют значения: п = 2,3 МПа, Атах = 38мкА, в = 0,274.

Окончательно, по показаниям микроамперметра ЛП-1 максимальные касательные напряжения будут определяться

итах

= 2, 3(

ат с б т

N

( )

38

-0,2 74 ),(МПа).

( )

3.3.4 Определение механических и оптических характеристик ОС (плексигласа)

Для разных партий и марок плексигласа или органического стекла механические и оптические характеристики могут значительно отличаться от стандартных значений по ГОСТ 10667-90 [60], поэтому для корректного исследования напряженного состояния в моделях необходимо уточнить физико-механические характеристики при сжатии имеющегося листового плексигласа.

Исследование ползучести, т.е. изменение деформаций нагруженной полосы из ОС с течением времени проводилось на установке СМ-5 по схеме шарнирно-опертой балки с двумя нагруженными консолями [60] (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Лабораторная установка СМ-5

На рисунке 3.9 показаны зависимости w = ;((;), т.е прогиба по середине полосы w в зависимости от времени при различных значениях веса гирь Г на консолях (температура в лаборатории 21-23 °С).

* 4*1 Н

ъ\\п к

1 2\\н

10 н

О 6« 120 180 240 и С 300

Рисунок 3.9 - Механическая ползучесть ОС при разных нагрузках

Анализ графиков, что скорость ползучести за первые пятьдесят-шестьдесят секунд сравнительно велика, а затем остается малой в течение десятков часов (свойство вязко-упругости [83]). Для получения точных результатов показания микроамперметра прибора ЛП-1 следует снимать не менее чем через 50 секунд после сжатия модели между опорными плитами нагрузочного устройства [60].

Испытания плексигласа на сжатие. Эксперименты проводились на разрывной машине МР-0,5-1 (таблица 3.3) [28, 44, 59, 60, 150] с нагрузочным устройством для испытания образцов на сжатие (рисунок 3.10).

Таблица 3.3 - Характеристики разрывной машины МР-0,5-1

№ п/п Характеристика машины Параметр

1 Диапазон значений предельных нагрузок, кгс 0.. .100 (по шкале А) 0... 200 (по шкале Б) 0.500 (по шкале В)

2 Цена деления динамометра, кгс 0,2 (по шкале А) 0,4 (по шкале Б) 1,0 (по шкале В)

3 Пределы плавного изменения скорости перемещения активного захвата, мм/мин 3...30 (вниз) 12...120 (вверх)

4 Порог чувствительности не более цены деления шкалы

5 Наибольшее расстояние между захватами, мм 700

6 Наибольшее расстояние между опорными плитами при сжатии, мм 150

7 Предельные значения шкалы деформации, мм 0.200

8 Погрешность измерения деформаций, мм ± 0,5

9 Масштаб записи деформации на диаграммном аппарате 1:1 и 5:1

10 Расстояние между колоннами, мм 250

11 Мощность электродвигателя составляет, Вт 270

и

Рисунок 3.10 - Испытание ОС на сжатие:

1 - разрывная машина МР-0.5-1: 2 - нагрузочное устройство для испытаний

образцов на сжатие: 3 - образец из ОС

На рисунке 3.11 показаны образцы из ОС цилиндрической формы до и после испытания на сжатие.

а о

Рисунок 3.11- Образец на сжатие:

а) до испытания: б) после испытания

На рисунке 3.12 представлен пример полученной диаграммы сжатия

2

образца из ОС с поперечным сечением 66,44 мм (высота цилиндра13,4 мм).

По диаграмме определены механические характеристики [60]: Сп = 10,6 МПа - предел пропорциональности (Рп = 704 Н); £В = 67,7 МПа - предел

69

прочности (Рв = 4500 Н). Для серии образцов механические характеристики изменяются в пределах: Сп = 9,45 .11,3 МПа; Св = 67,7. 75,25 МПа.

Таким образом, при исследовании напряжений на экспериментальной установке ЛП-1 предельные значения сжимающих напряжений в моделях деталей не должны превышать 9,45 МПа, и, соответственно, предельные максимальные касательные напряжения - 4,72 МПа, иначе может происходить расхождение теоретических расчетов с экспериментальными данными вследствие текучести ОС (появления значительных остаточных деформаций) (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 - Образец после испытания на сжатие при напряжениях, превышающих предел пропорциональности

Исследование отражающей способности ОС. Блок-схема прибора для исследования коэффициента пропускания света ОС изображена на рисунке 3.14. Исследования проводились в следующем порядке [60]: 1) проводилась калибровка прибора путем выставления оптической мощности лазера 1 без образца 3 из ОС, при которой напряжение на фотодатчике 4 максимально; 2) затем образец 3 размещался перпендикулярно лучу лазера 2 и снимались показания мультиметра (милливольтметра) 5. Например, если выставить итах = 100 мВ, то показания милливольтметра и (мВ) соответствуют коэффициенту пропускания света через ОС.

Рисунок 3.14 - Блок-схема прибора для определения коэффициента

пропускания света ОС:

1 - лазер: 2 - луч лазера: 3 - исследуемый образец из ОС: 4 - фотодатчик: 5 - цифровой милливольтметр

Для исследуемого листового ОС коэффициент пропускания света составил 91,5 %. Т.е. коэффициент отражения равен 0,085, т.к. на отражение света лазерного луча длиной волны X = 655 нм приходится 8,5 %, а поглощением света листа из ОС толщиной 7,17 мм можно пренебречь [57, 60].

3.3.5 Методика определения максимальных касательных напряжений в приконтактной зоне рабочей поверхности модели лопасти

Для проверки теоретических результатов расчета напряжений и оптимизации положения лопасти (анализ адекватности математической модели, описанной в главе 2) необходимо разработать методику экспериментальных исследований при помощи лазерного полярископа на оптически прозрачных моделях.

На рисунке 3.15 показана расчетная схема среднего сечения лопастей колеса из ОС до оптимизации.

Рисунок 3.15 - Расчетная схема для исследования напряженного состояния в среднем сечении прямой лопасти колеса:

1 - модель среднего сечения лопасти: 2 - упругая полоса: 3 - упругий штамп с круглым основанием: 4 - нижняя плита нагрузочного устройства установки: 21 = 80 мм - ширина модели среднего сечения лопасти: Л = 8 мм -высота модели среднего сечения лопасти: .$ = 6 мм - толщина модели лопасти: I] 1 = 18 мм - высота упругой полосы: Я= 490 мм - радиус основания упругого штампа; 20 =- 2 мм - координата прохождения пятна луча лазера (исследования напряженного состояния в приконтактной зоне): Р = 250 Н-внешняя нагрузка: е = 11 мм - эксцентриситет нагрузки

Эксцентриситет нагрузки е определяется путем исследования функции контактных максимальных касательных напряжений на экстремум:

йт

= 0 , ( 3 . 1 8)

Цл

где тт ах = ; т0 - контактные нормальные и касательные

напряжения в среднем сечении лопасти, рассчитанные по формулам (2.27) и (2.28) с постоянными коэффициентами (2.37).

В среднем сечении лопасти получаем координату экстремума е = 0,2 75t =

мм .

На рисунке 3.16 представлена расчетная схема среднего сечения лопасти при оптимальном положении под углом 10° к нормальному потоку частиц материала.

Рисунок 3.16 -Расчетная схема для исследования напряженного состояния в среднем сечении лопасти при оптимальном ее положении:

1 - модель среднего сечения лопасти: 2 - упругая полоса: 3 - упругий штамп с круглым основанием: 4 - нижняя плита нагрузочного устройства установки: 2Г = 80.ш/ - ширина модели среднего сечения лопасти: И = 15 мм - высота модели среднего сечення лопасти по середине: 5 = 6 мм - толщина модели лопасти: Ь2 = 30 мм - суммарная высота моделей:/? = 490мм - радиус основания упругого штампа: гО = -2 мм - координата прохождения пятна луча лазера (исследования напряженного состояния в приконтактной зоне): Р = 250 Я - внешняя нагрузка:

/?= 105

3.4 Методика моделирования геометрически подобного лопастного

колеса дробилки

3.4.1 Применение трехмерной печати для изготовления моделей деталей дробилки

Метод изготовления деталей сложной формы при помощи 3D-печати (рисунок 3.17) позволяет использовать для создания геометрически подобной модели реальной детали, однако для исследования физических характеристик изделия необходимо учитывать механические свойства материала модели.

Рисунок 3.17 - Модели деталей машин, изготовленные на ЗБ-принтере

Из различных источников можно найти основные механические характеристики пластиковых нитей или образцов, изготовленных на 3D-принтере: пределы прочности, относительное остаточное удлинение, модуль упругости. Их значения сильно разнятся в зависимости от технологии изготовления моделей и определяются при простых видах сопротивления

в условиях статического нагружения, что недостаточно для требуемых

исследований напряженно-деформированного состояния деталей, на которые при эксплуатации машин воздействуют динамические нагрузки, вследствие чего было принято решение об исследовании физико-механических свойств полилактида (PLA) и полиэтилентерефталата (PET-G), которые широко применяются при изготовлении деталей способом трехмерной печати.

Предварительно необходимо определить механические характеристики пластиков PLA, PET-G при различных видах сопротивления и характера нагружения по стандартным методикам [111].

При испытаниях на сжатие применялась испытательная машина МР-0,5-1 (см. таблица 3.3) [49, 57, 60, 238] с нагрузочным устройством в виде опорных плит и четырех направляющих (рисунок 3.18).

а) б)

Рисунок 3.18 - Испытательная машина МР-0,5-1:

л) общий вил; 1 - диаграммный аппарат: 2 - динамометр: о) нагрузочное устройство: 3 - исследуемый образец: 4 - опорные плиты

Для серии образцов кубической формы со стороной а = 5,0-5,3 мм (рисунок 3.19) получены диаграммы сжатия, некоторые из которых показаны на рисунке 3.20.

г) д) <-'>

Рисунок 3.19 - Образцы на сжатие:

а) PLA до испытания: ö) PLA после испытания поперек слоев: в) PLA после испытания вдоль слоев: г) PET-G до испытания: д) PET-G после испытания поперек слоев: е) PET-G после испытания вдоль слоев

В масштабе диаграммы высота точки А представляет собой нагрузку РП, соответствующую пределу пропорциональности. По формуле

были рассчитаны пределы пропорциональности £п, значение которых составило: для PLA Сп = 32,0...34,5 МПа (поперек слоев), Сп = 30,9...36,0 МПа (вдоль слоев); для РЕТ^ СП = 29,5.30,7 МПа (поперек слоев), СП = 25,1.25,7 МПа

3 3

(вдоль слоев). При плотности PLA р = 1085 кг/м и РЕТ^ р = 1132 кг/м найдены их удельные характеристики: для PLA Сп/р = 29,5.31,8-кПам /кг (поперек слоев), Сп/р = 28,5.33,2-кПам3/кг (вдоль слоев); для РЕТ^ Сп/р = 26,1.27,1-кПам3/кг (поперек слоев), £"п/р = 22,2.22,7-кПам3/кг (вдоль слоев) [238].

а)

i »

с /

в

4

г -

АС-

о)

\ > j 1