23 | 03 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Динамический коэффициент трения виноградной лозы по лезвию её измельчителя

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)

Динамический коэффициент трения виноградной лозы по лезвию её измельчителя

При измельчении виноградной лозы, обоснованная нами теоретическая форма лезвия ножа, а также энергетика процесса зависят от коэффициента трения по лезвию измельчителя [1, 2].

Динамический коэффициент трения в основном зависит от состояния лозы – её влажности, жёсткости и структуры; и от скорости резания.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях НИВиВ «Магарач» и ЮФ НУБиП Украины «КАТУ» с виноградной лозой сорта Каберне, широко распространённого в Крыму. Лоза сорта Каберне имеет плотную, упругую структуру, при разрушении которой затрачивается энергия, приближающаяся к максимальной по сравнению с другими известными сортами винограда.

Влажность лозы определялась по общепринятой методике [3].

Измерение жёсткости побегов лозы проводилось на приборе для определения жёсткости древесных побегов в соответствии с методикой, изложенной в работе [4].

Для получения достоверных данных была принята четырёхкратная повторность замеров, которая обеспечила точность опыта до 5%.

Жёсткость лозы определялась по следующей зависимости:

(1)

где: – прикладываемая нагрузка;

– расстояние от места закрепления лозы до точки приложения нагрузки;

– стрела прогиба лозы.

Металлические поверхности трения перед экспериментом протирались. Так как температура воздуха оказывает влияние на результаты опытов, весь комплекс работ проводился при температуре воздуха в лабораториях .

Величина динамического коэффициента трения определялась по выражению:

(2)

где: – прикладываемая нагрузка;

– расстояние от места закрепления лозы до точки приложения нагрузки.

Для построения регрессивной модели изменения коэффициента трения в виде квадратного полинома нами был принят рототабельный центральный композиционный план (РКЦП) [5].

Согласно формуле, описывающей в общем виде изменения функции отклика от независимых факторов

(3)

где: – скорость трения ;

– нормальное усилие ;

– влажность лозы ;

– жёсткость лозы .

В основу решения интерполяционных, аналитико-геометрических и оптимизационных задач, связанных с анализом получаемых результатов эксперимента, положена методика, изложенная в работе [6].

Обработка экспериментальных данных проводилась на ЭВМ с использованием программного обеспечения ANOVA и STEPR.

Таблица 1.1.

№ п/п

Независимые факторы

Код

Уровни варьирования

Звёздные точки

Интервал варьиро-вания

+1

0

-1

+L

-L

1

Скорость трения,

28,5

24

19,5

33

15

4,5

2

Нормальное усилие,

4

3

2

5

1

1

3

Влажность лозы,

53

43

33

63

23

10

4

Жёсткость лозы,

4,05

2,9

1,75

5,2

0,6

1,15

Исследование физико-механических свойств лозы показали, что величина коэффициента трения движения зависит в разной степени от влажности, жёсткости, нормального усилия и скорости скольжения.

В результате проведённых экспериментов получен ряд цифровых значений динамического коэффициента трения , обозначенного нами через .

После проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии и адекватности регрессионной модели процесса получена зависимость коэффициента трения лозы по лезвию от скорости скольжения , влажности лозы и жёсткости виноградных побегов в виде:

(4)

Раскодировка переменных значений уравнения позволяет записать его в виде:

(5)

Коэффициенты нормального усилия , равные и , а также коэффициенты взаимодействия с при расчёте оказались незначительными, то есть влиянием нормального усилия на величину коэффициента трения можно пренебречь.

Как отмечалось ранее, для обоснования рациональных параметров рабочих органов лозоизмельчителя необходимо проанализировать критерий оптимизации , решив для этого оптимизационные, аналитико-геометрические и интерполяционные задачи.

Оптимизационной задачей, поставленной в эксперименте, является нахождение такого сочетания факторов, которое обеспечивает максимальное значение выходного параметра . Для этого продифференцируем уравнение (4) последовательно по :

 

(6)

 

После соответствующих преобразований получаем следующие значения переменных:

; ; .

Подставляя полученные данные в уравнение регрессии, получим максимальную величину коэффициента трения, равную .

Значения скорости трения , влажности и жёсткости виноградных побегов, соответствующие и определены следующим образом:

Теоретический анализ выходного параметра показал, что максимальная его величина получена при значениях , выходящих за пределы эксперимента. Кроме того, значения жёсткости лозы получены с отрицательным знаком, что практически не выполнимо.

Согласно проведённым нами исследованиям, минимальная жёсткость лозы (при ). Подставив реально возможные значения переменных факторов в уравнение регрессии, получим максимально возможное значение параметра оптимизации .

Решение интерполяционной задачи позволило нам графически представить характер изменения входного параметра при изменении какого-либо переменного фактора в пределах эксперимента от до при постоянном значении остальных факторов.

На рис.1 представлены зависимости коэффициента трения движения от скорости трения при ; от жёсткости побегов при ; от влажности побегов при .

Из зависимости видно, что при увеличении скорости трения от до происходит увеличение коэффициента трения, причём при скоростях больших коэффициент трения увеличивается менее интенсивно, принимая значения близкие к максимальному.

Описание: Статья Бауков Бауков 1

 

Рис.1. Зависимость коэффициента трения от:

-  скорости трения при ;

-  жёсткости побегов при ;

-  влажности побегов при .

Наблюдаемая зависимость объясняется быстрой сменой образующих и разрушающих фрикционных связей и обусловлена проявлением реологических процессов в деформационной зоне, изменяющих шероховатость поверхности и величину сопротивления.

Увеличение сил трения происходит за счёт вязкости фрикционного контакта, возрастающей за счёт увеличения площади контакта и сопротивлению деформированию микронеровностей виноградного побега.

При увеличении скорости более между трущимися поверхностями успевает образоваться гигроскопическая плёнка, которая снижает трение.

Согласно исследованиям [7] коэффициент трения упруго-пластических материалов, как правило, имеют возрастающие максимальные и убывающие значения с увеличением скорости.

Изменение коэффициента трения движения при увеличении влажности побегов имеет свой максимум при . Увеличение сил трения при росте влажности побегов до происходит за счёт волнообразования сформированных микронеровностей. В этом случае влаги ещё недостаточно для образования устойчивой смазочной плёнки. При дальнейшем увеличении влажности происходит снижение коэффициента трения, что объясняется образованием устойчивой гигроскопической влажной плёнки, между исследуемым образцом лозы и поверхностью трения.

Из зависимости видно, что с увеличением жёсткости исследуемых побегов виноградной лозы, сила трения уменьшается, что объясняется менее интенсивными деформациями микронеровностей и, следовательно, снижением энергозатрат на образование поверхности трения лозы.

Полученные зависимости не позволяют в полной мере проанализировать суммарное влияние переменных факторов на входящий параметр. Поэтому нами были построены двумерные сечения поверхности отклика. Для этого мы поочерёдно подставляем значения , равные нулю в уравнение (4).

В результате получены уравнения, характеризующие влияния на величину коэффициента трения:

-  скорости трения , жёсткости побегов ;

-  скорости трения , влажности побегов ;

-  влажности побегов , жёсткости побегов .

;

 

;

(7)

.

 

Координаты центров поверхностей откликов получим дифференцированием уравнений (7) и значения соответствующих коэффициентов:

и для ;

и для ;

и для .

Подставляя эти коэффициенты в уравнения (7) получим: , , и исходные уравнения в виде:

;

 

;

(8)

.

 

Построение контурных кривых, соответствующих уравнениям (8) производилось на ЭВМ с помощью программного продукта GRAF. В результате получено семейство сопряжённых эллипсов (линий равного значения коэффициента трения движения). После соответствующе расшифровки графиков получены двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие коэффициент трения в исследуемом диапазоне.

Из этих графиков (Рис.2) установлено, что минимальное значение коэффициента трения движения в рассматриваемом сечении поверхности отклика при факторе , взятом на нулевом уровне, равно и имеет место при скорости трения около и жёсткости побегов . Максимальное значение получено при и .

Описание: Статья Бауков Бауков 2

Рис.2. Зависимость коэффициента трения от изменения скорости трения и жёсткости побегов .

При постоянных значениях скорости трения наблюдается уменьшение значения с увеличением жёсткости побегов, причём наиболее интенсивное изменение происходит при скорости .

При постоянных значениях жёсткости побегов с увеличением скорости трения наблюдается рост коэффициентов трения. Наиболее интенсивное изменение коэффициента трения происходит при малой жёсткости. Это позволяет сделать вывод о неравномерности изменения коэффициента трения при изменении скорости трения и жёсткости побегов. Всё зависит от степени влияния того или иного фактора на его величину в конкретно выбранном случае. Возможно три варианта:

-  влияние жёсткости побегов доминирует над влиянием скорости трения, в этом случае произойдёт снижение ;

-  влияние жёсткости побегов и скорости трения приблизительно равно, в этом случае значение остаётся неизменным;

-  влияние скорости трения доминирует над влиянием жёсткости побегов – произойдёт увеличение .

Из наших исследований следует, что наименьшее значение имеет при скорости трения и влажности побегов , а наибольшее, соответственно, при и . При постоянных значениях скорости трения увеличение наблюдается при росте влажности до . Дальнейшее увеличение влажности побегов снижает силы трения по причинам, описанным ранее. Возрастание скорости трения при любой влажности побегов приводит к росту значения . Изменение сил трения зависит от степени влияния и на величину в конкретно выбранном варианте. Если влияние влажности побега преобладает над влиянием скорости трения на силы трения, происходит снижение . В противном случае коэффициент трения увеличивается.

Исследование суммарного влияния жёсткости и влажности побегов на изменение коэффициентов трения показало, что наибольшее наблюдается при максимальных значениях жёсткости и влажности побегов; наименьшее – при их минимальных значениях. Рост жёсткости и влажности побегов приводит к снижению силы трения при любой их комбинации, что позволят сделать вывод о меньших затратах энергии на трение при резании у многолетних влажных побегов винограда по сравнению с однолетними.

Вывод. При расчёте оптимальных параметров режущих пар лозоизмельчающей машины необходимо задаться определённой величиной коэффициента трения виноградной лозы, рассчитанного по уравнению (4).

При этом надо учитывать, что оптимальная скорость резания, а, следовательно, и скорость трения обосновывается и определяется из последующей серии экспериментов. Поэтому при построении продольного профиля ножа и противореза надо исходить из следующих соображений:

-  подбор и перемещение виноградных побегов по поверхностям ножа и противореза должно происходить при любом физико-механическом состоянии лозы;

-  технологический процесс измельчения лозы должен выполняться как при максимальных, так и минимальных значениях коэффициента трения скольжения.

Для определения коэффициента трения необходимо выбирать такие значения скорости трения, влажности и жёсткости, при которых коэффициент трения принимает максимальные значения, а именно соответственно , и . При этих значениях коэффициент трения принимает значение . Угол трения – .

Список литературы.

1.  Бауков А. А. – теоретическое обоснование оптимальных параметров рабочего органа измельчителя ветвей ягодных культур. Научные труды Крымского ГАУ, выпуск 77, Симферополь, 2002.

2.  Бауков А. В., Бауков А. А. – Обоснование геометрии режущей пары лозоизмельчителя. Сборник научных работ Луганского национального аграрного университета. Серия: Технические науки №76(99), Луганск, 2007.

3.  Тищенко А. И. – Физико-механические свойства древесины ветвей плодово-ягодных растений. М., ВИСХОМ, Выпуск 32, 1962.

4.  Балановский В. А. – Исследование процесса механизированного снятия виноградных лоз со шпалерных проволок. Ялта, 1997.

5.  Рекомендации по применению методов математического планирования эксперимента в механизации уборочных работ в садоводстве. М. НИЗИСНП, 1987.

6.  Форсайт Дж. Машинные методы математического программирования. Мир, 1988.

7.  Крагельский И. В. Коэффициенты трения. М. Машгиз, 1962.

Бауков А. В., к. т.н., доцент ЮФ НУБиП Украины «КАТУ»

Бауков А. А., к. т.н., НИВиВ «Магарач»


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить