Определение углов скольжения лезвия в процессе опорного резания

Процесс резания по своей роли в технологии приготовления кормов животного происхождения, а также по доли энергозатрат является одним из наиболее значимых. На этот процесс во всем мире расходуется до 50 % электроэнергии, затрачиваемой на приготовление кормов, причем большая часть электроэнергии расходуется непроизвольно и нерационально: превращается в тепло и другие виды энергии [1]. Вследствие этого весьма актуальным становится изучение наиболее значимых параметров процесса резания. Одним из таких параметров считается угол скольжения лезвия ножа т [3], [4], [6], [8]. Данный угол заключен между направлением движения рассматриваемой точки лезвия и нормалью к лезвию и может принимать значения в очень широком интервале: 0° <  т < 90°. Вместе с тем не на всем интервале значений угол скольжения способствует осуществлению процесса резания и уменьшению энергозатрат. Вследствие этого возникает необходимость определить из указанного интервала значения угла скольжения, которые способствуют осуществлению процесса резания и уменьшению энергозатрат, что и явилось целью настоящей работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В. А. Желиговский [4] экспериментально установил, что в зависимости от величины угла скольжения можно выделить три вида резания: нормальное, наклонное и скользящее. Причем при использовании скользящего резания происходит уменьшение энергозатрат вследствие

снижения нормального усилия за счет кинематической трансформации угла заточки, переноса части силы трения с нормального на тангенсаль-ное направление, кинематической трансформации кромки лезвия и пилящего воздействия кромки. Вид скользящего резания осуществляется при условии:

Т > ф. (1)

Данные В. А. Желиговского подтверждаются результатами исследований [2], [7], выявившими снижение энергозатрат на процесс резания и уменьшение нормального усилия резания при увеличении угла скольжения лезвия.

В. П. Горячкин [3] в ходе исследования процесса опорного резания установил, что для того чтобы материал в процессе опорного резания удерживался между лезвиями и не выскальзывал, необходимо, чтобы угол защемления х был равен или меньше двойного угла трения:

X < ² ф. ⁽²⁾

Кроме того, угол защемления х равняется сумме углов наклона лезвия ножа т и лезвия противорежущей пластины т _п:

X = ^т + ^т п . ⁽³⁾

В большинстве современных машин для измельчения кормов лезвие противорежущей пластины устанавливают под углом наклона 0° [5], то есть т = 0. Учитывая это обстоятельство и выражение (3), неравенство (2) можно переписать в виде:

т < 2 ф. (4)

На основе представленных выше результатов исследований В. А. Желиговского и В. П. Горяч- кина, а также полученных выражений (1) и (4) нами были получены значения угла скольжения, способствующие осуществлению процесса резания и уменьшению энергозатрат, определяющиеся из интервала:

φ ≤ τ ≤ 2 φ . (5)

Выражение (5) позволяет определить значения углов скольжения различных кормов животного происхождения, способствующих осуществлению процесса резания и уменьшению энергозатрат. Для этого необходимо знать углы трения этих кормов о материал ножа и противо-режущей пластины.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследование коэффициентов трения скольжения различных кормов животного происхождения проводилось на установке для измерения коэффициентов трения пищевых продуктов (рис. 1), конструкция подобной установки и методика эксперимента ранее описывались в литературе [9]. В качестве исследуемого материала использовались корма животного происхождения из базового рациона кормления пушных зверей: атлантическая сельдь, минтай, мясо свинины, голень куриная, печень свиная, кость свиная. Исследуемые корма животного происхождения имели следующие характеристики: влажность 72…75 %, температура 273…278 К. В качестве поверхности трения использовалась стальная пластина.

контакта трущихся поверхностей (так как в процессе резания измельчаемый материал обжимает боковые грани лезвия ножа, создавая тем самым давление контакта трущихся поверхностей). Куски исследуемого материала посредством крюка 4 и троса 6 последовательно соединялись с электронным динамометром 5 типа ВВ и мотор-барабаном 7 марки МБ-1,6, который приводил их в движение, обеспечивая постоянную скорость скольжения 0,25 м/с. Электронный динамометр с ценой деления 0,001 кг автоматически фиксировал на дисплее значение силы трения скольжения при установившемся движении кусков материала. Измерение силы трения скольжения проводилось для всех исследуемых материалов по 100 повторностей. В процессе измерений получены выборки случайных величин сил трения скольжения F _трi. По значениям сил трения скольжения были р^рассчитаны углы трения скольжения φ _i по формуле:

φ _i = arctg( F _трi / m _i * g ).

Для них произведена статистическая обработка для доверительной вероятности 0,7, результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Углы трения скольжения различных кормов животного происхождения, градусы

12        3  4  5  6     7

Показатель

Среднее значение угла трения скольжения

Среднеквадратичное отклонение

Рис. 1. Схема установки для определения коэффициента трения: 1 – стальная пластина, 2 – пластина-утяжелитель, 3 – куски исследуемого материала, 4 – крюк, 5 – электронный динамометр, 6 – трос, 7 – мотор-барабан марки МБ-1,6

6,21

1,19

10,14 10,43

9,02   2,11

Довиенртиетревлаьлный   0,31  2,38 0,56

Верхняя граница доверительного 6,52 12,52 10,98 интервала

Нижняя граница доверительного интервала

5,89

7,76

9,87

12,76  8,89   12,12

1,48    1,19   2,09

0,39   0,31    0,55

13,15   9,20   12,67

12,37 8,57   11,57

Исследуемые корма животного происхождения предварительно разрезались на куски 3 одинакового размера 40 × 60 мм, взвешивались и укладывались на стальную пластину 1 плоскостью разреза вниз (так как в процессе резания нож взаимодействует с материалом по поверхности среза, в процессе резания из материала выделяется клеточный сок, кровь и другие жидкости, влияющие на коэффициент трения). Сверху на куски устанавливалась пластина-утяжелитель 2 массой 0,5 кг с целью обеспечения давления

Полученные значения углов трения были подставлены в выражение (5). В качестве минимального значения угла скольжения в выражении (5) были подставлены значения нижней границы доверительного интервала угла трения, в качестве максимального значения угла скольжения были подставлены удвоенные значения верхней границы доверительного интервала угла трения, результаты подстановки представлены в табл. 2.

Полученные значения минимальных и максимальных углов скольжения различных кормов животного происхождения были представлены в виде диаграммы (рис. 2).

Таблица 2

Углы скольжения различных кормов животного происхождения, градусы

от 10 до 40°, при дальнейшем увеличении угла скольжения работа резания возрастает.

Показатель

Минимальный угол скольжения

5,89

7,76

8,57 9,87 11,57 12,37

Рис. 2. Диаграмма углов скольжения различных кормов животного происхождения

Максимальный угол скольжения

13,05

17,14 19,75 23,15 26,31

Анализируя рис. 2, можно выделить зону перекрытия углов скольжения (выделены горизонтальными жирными линиями), в которой нахо -дятся углы скольжения, совпадающие для всей совокупности исследуемых кормов. Эта зона составляет интервал 12,37 ≤ τ ≤ 13,05.

Полученные результаты подтверждают экспериментальные исследования [7], в которых установлено, что при измельчении кормов работа резания уменьшается при углах скольжения

ВЫВОДЫ

В результате данной работы было получено выражение для определения значений угла скольжения лезвия ножа, которые способствуют осуществлению процесса опорного резания и уменьшению его энергозатрат: φ ≤ τ ≤ 2 φ . Также определен интервал значений угла скольжения лезвия ножа, общий для ряда исследованных кормов животного происхождения, способствующий осуществлению процесса опорного резания и уменьшению его энергозатрат: 12,37 ≤ τ ≤ 13,05.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития (ПСР) ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.