3.6. Випадки складного опору при деформації одиничних рослинних матеріалів.

 

У сільськогосподарських машинах, крім простих деформацій одиничних рослинних матеріалів є багато випадків складних деформацій матеріалів. Нижче розглядаються такі випадки.

Розділення складових частин неоднорідних одиничних матеріалів. Вище (п.1.3) дано визначення неоднорідного одиничного матеріалу. Розділення складових частин таких матеріалів відбувається, наприклад, під час обмолоту, коли плід (зернівка) відділяється від квітколожа і луски колоса; при збиранні бавовнику, коли його витягують з розкритих коробочок; під час відриву плодів і ягід від плодоніжок або з плодоніжками від гілок, при обмолоті сої, гречки та інших культур.

Для оцінки міцності зв'язків, що утримують зерно в колосі, використовують методи, які базуються на використанні різних способів впливу на зв'язки. Найбільшого застосування набули статичний і динамічний методи; з них при статичному методі визначається сила руйнування зв'язків, а при динамічному методі визначається робота, яка необхідна для руйнування вказаних зв'язків.

При статичному методі використовується принцип роботи центрифуги, в якій утворюється поле доцентрових сил інерції. Напруженість цього поля можна збільшити до такої величини, що під дією доцентрової сили інерції зерна, яка при цьому виникає, зв'язки руйнуються. Якщо цю доцентрову силу інерції позначити Р_і, то

де    m_оз –  маса однієї зернини;

w – кутова швидкість обертання центрифуги, при якій відбувається руйнування зв'язків;

r - радіус обертання зерна.

Показник напруженості поля к дорівнює

де g - прискорення вільного падіння.

Величина к показує у скільки разів "вага" зерна в полі центрифуги більша його ваги в полі земного тяжіння.

Проведеними дослідами встановлено, що для твердих пшениць к=3250-5450, для м'яких пшениць к=2830-4300. Сила Р_і пропорційна масі зерна і залежить від стиглості і розвинутості зерна і для твердої пшениці становить 0,5-1,9 Н, а для м'якої – 0,2-1,8 Н.

Динамічний метод базується на скиданні з різної висоти в шахті металевого стакана з закріпленим у ньому колоском або на протягуванні копром колоса через щілину з ударом. Під час скидання стакана кінетична енергія під час удару витрачається на відрив зерна від колос. Оцінюється ця енергія роботою А, яка дорівнює

 

де h - висота падіння стакана.

За результатами проведених дослідів ця робота рівна для жита (6,3 – 9,9)×10^-4 Дж, для пшениці (16,6 – 31,4)×10^-4 Дж, для ячменю (12,5 – 96,9)×10^-4 Дж.

При використанні протягування колоса копром через щілину з ударом виникають сили тертя, тому визначити чисту роботу на руйнування зв'язків важко.

Дослідним шляхом встановлено, що для кукурудзи зусилля висмикування зерен зростає в міру їхнього дозрівання і становить від 14,8 Н до 24,1 Н.

Опір одиничних матеріалів подрібненню. Подрібнення матеріалів - операція, яка часто використовується у сільськогосподарському виробництві. В результаті подрібнення кормів утворюється безліч частинок з великою загальною площею поверхні. Це сприяє при їх споживанні тваринами прискоренню травлення і підвищенню у них засвоєння поживних речовин. Подрібнення можна охарактеризувати, як процес утворення додаткових поверхонь матеріалу в процесі його руйнування.

Під час руйнування матеріалу виконується певна робота. Механіка руйнування твердих тіл зводиться до наступного.

У твердому тілі є мікро- та макротріщини, що розподілені всередині тіла і частково виходять на поверхню. Всередині тіла можуть бути і сторонні включення, що порушують структуру тіла. З фізики твердого тіла відомо, що через такі дефекти опір тіла руйнуванню зменшується у 100-1000 разів у порівнянні з опором ідеально твердого тіла з непошкодженою структурою.

При прикладанні до матеріалу зовнішніх сил його руйнування відбувається спочатку в найслабших січеннях. В результаті цього утворюються уламки, що містять менше слабших місць, тобто більш міцні. Таким чином наслідком руйнування є зміцнення матеріалу.

При деформації кусків матеріалу зовнішні сили їх деформують, у деякій частині їх об'єму при цьому збільшуються розміри і кількість дефектів. Коли досягається висока концентрація дефектів, у тілі виникає тріщина з розмірами, що перевищують критичні, і тіло руйнується.

Робота, що затрачається на руйнування, частково витрачається на деформацію кусків матеріалу і розсіюється у навколишньому просторі у вигляді тепла і звуків; витрачається робота також на утворення нових оголених поверхонь. Енергія, що витрачається у вигляді звуків та тепла, незначна.

Способи подрібнення подані схематично на рис. 3.48 Найбільше поширення отримали наступні способи: роздавлювання, ламання, різання, стирання, удар.

Існує кілька теорій подрібнення, найголовніші з них: об'ємна (розроблена німецьким професором Ф. Кіком у 1885 р. ), поверхнева (розроблена німецьким професором П. Ріттінгером у 1867 р. ), узагальнююча (розроблена радянським вченим П.А. Ребіндером у 1928 р.).

Згідно з об'ємною теорією, робота, що затрачається на подрібнення, прямо пропорційна об'єму або масі частини тіла,  що деформується.  Згідно з поверхневою теорією робота, що затрачається на подрібнення,  прямо пропорційна поверхням,  що

Рис. 3.48. Способи подрібнення матеріалів: а – роздавлювання;             б ‑ розколювання; в – розламування;  г  – різання;  д - розпилювання;    є – стирання; ж - рубаючий удар; з ‑ вільний удар

 

утворились внаслідок подрібнення. Узагальнена теорія подрібнення враховує положення об'ємної і поверхневої теорій.

Розрахунки затрат енергії за формулами об'ємної і поверхневої теорії дозволяють отримати лише наближені значення цих затрат. Використання для розрахунків рівняння, що виражає узагальнену теорію, також не дозволяє отримати затрати енергії через те, що значення ряду величин, що входять у рівняння, не піддаються числовому виразові.

Найкраще розрахунок затрат енергії на подрібнення матеріалів проводити за формулою, що запропонував професор С.В. Мельников у 1952 р.:

 

де А_под  - питома робота подрібнення, Дж/кг;

      С_пр - безрозмірний коефіцієнт, що враховує вплив не врахованих факторів і залежить від принципу дії робочих органів подрібнювача і його конструктивних особливостей;

     С_V - робота пружних деформацій, що віднесена до одиниці маси матеріалів, Дж/кг;

     С_S - робота, що затрачається на утворення нових поверхонь при подрібненні і віднесена до одиниці маси матеріалу, Дж/кг;

        l - ступінь подрібнення.

Для матеріалів сферичної форми ступінь подрібнення l рівна:

(3.65)

де D - середній діаметр частинки до подрібнення;

     d - середній діаметр частинки після подрібнення.

 

Для матеріалів кубічної або витягнутої форми l рівна:

де L - середня довжина ребра частинки до подрібнення;

     l -  середня довжина ребра частинки після подрібнення.

Значення показників С_пр, С_V і С_S наведені в табл. 3.14. Значення  цих  показників  в таблиці  наведені для матеріалів з відносною вологістю 14 %. Якщо ж у матеріалів вологість інша, то для розрахунку питомої роботи потрібно А_под, визначену за формулою (3.86), домножити на поправочний коефіцієнт С_w=1+1,07(В-14), де В - відносна вологість матеріалу в процентах.

Експериментальні досліди показали, що навантаження, необхідне для руйнування зерен кукурудзи, зростає в міру дозрівання зерен і становить від 1 МПа до 4,3 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

Табл. 3.14. Значення показників до формули роботи подрібнення

 

Подрібнений матеріал	Спр	Сv, кДж/кг	Сs, кДж/кг
Ячмінь	1,2±0,30	8,50	7,50
Овес (без плівки)	5,0±1,50	2,34	1,96
Жито	1,4±0,35	8,40	6,40
Пшениця	-	4,60	8,15
Горох	-	10,70	3,66
Сіно: люцерна конюшина різнотрав'я	0,7-0,9 0,7-0,9 0,7-0,9	0,23 0,11 0,24	2,30 1,10 2,40
Солома: жито ячмінь	0,7-0,9 0,7-0,9	0,12 0,12	1,20 1,30
Свіжоскошена трава:          люцерна конюшина різнотрав'я	0,7-0,9 0,7-0,9 0,7-0,9	0,20 0,10 0,19	2,00 1,10 1,90