Статя О КРИТЕРИИ ИЗНОСА ЗУБЬЕВ ДЖИННЫХ ПИЛ

УДК 677.21.03.021.1

О КРИТЕРИИ ИЗНОСА ЗУБЬЕВ ДЖИННЫХ ПИЛ

САПАЕВ УМИДБЕК АБДУЛЛАЕВИЧ

Тошкент тўқимачилик ва енгил саноат институти

Изнашивание зубьев джинных пил, по известной классификации [1], относится к механическому абразивному. В качестве абразива выступают сорные примеси, имеющиеся всегда в перерабатываемом хлопке-сырце. Абразивное действие оказывают в основном песчинки (известняк) - двуокись кремния SiO₂, микротвердость которых составляет 10⁴…1,2∙10⁴ МПа. В составе почвы, зависящего от географического фактора, имеются частицы минералов повышенной твердости: гранит (1,68∙10⁴ МПа), корунд (2,29∙10⁴ МПа). Данные сорные примеси совместно с частицами глины и другими составляющими, внедренными в сырцовый валик, инициируют абразивный износ зубьев пил, твердость которых составляет HRA 66..69 и значительно уступает микротвердости перечисленных компонентов сора в хлопке-сырце.

Результатом абразивного износа (рис.1) является изменение параметров зуба (уменьшается высота, возможно появление фаски износа на задней поверхности зуба, закругление вершины зуба и кромок на боковых поверхностях). Износ зубьев джинных пил, выражающийся в истирании и удалении контактных микрообъемов их поверхностного слоя, предшествует другому виду разрушения - пластическому сдвигу (смятию), ошибочно названному некоторыми авторами также износом.

Рис.1. Абразивный износ зубьев джинных пил

Пластическое смятие вершины зубьев создает загнутость вперед (в сторону вращения джинных пил). Причем, есть участки джинных пил , где соседние зубья загнуты в равной степени и по идентичной форме. Радиус кривизны меньше у зубьев, которые сохранили остроту вершины зуба после обработки их в песочной ванне, если же острая вершина зуба удалена в процессе обработки и создан участок с необходимым радиусом закругления r, то радиус кривизны значительно больше и профиль зуба менее искажен .

Анализ состояния зубьев джинных пил, эксплуатировавшихся до потери их работоспособности, показывает, что возможно даже пластическое смятие всего объема зуба с максимальным радиусом кривизны.

Подобная картина пластической деформации зуба практически лишает его захватывающей способности хлопка из сырцового валика, т.к. вершина деформированного зуба почти касается задней поверхности переднего зуба и закрывает необходимое технологическое пространство между зубьями. Образование сильно загнутого профиля зубьев затрудняет съем волокна после прохождения пильного диска рабочей зоны, что отражается на производительности и эффективности джинирования.

Распространенным видом разрушения зубьев джинных пил является их поломка, количество которых, согласно техническому регламенту, служит основанием для пересекания данной пилы на меньший диаметр: если поломано более 4 зуба подряд или более 10…15 зубьев, расположенных в разных местах пильного диска. Первоначальная поверхность поломанных зубьев имеет прямолинейный профиль, приблизительно перпендикулярный к передней поверхности зуба. В процессе эксплуатации джинных пил с поломанными зубьями джинирование протекает в более напряженных условиях, способствующих возрастанию различных пороков волокна. Прямолинейный профиль поломанных зубьев постепенно закругляется в процессе контактирования с сырцовым валиком.

Поломка зубьев джинных пил вызвана действием пиковых технологических нагрузок на зуб и возникающим изгибающим моментом этой силы относительно опасного сечения зуба. По данным исследований авторов [2], нагрузка на зуб в большинстве случаев не превосходит 6…7Н и в отдельных случаях она достигает 10 Н. В более поздних исследованиях [3] была определена сила динамического взаимодействия летучки хлопка-сырца с зубом пилы в зависимости от угла встречи передней грани зуба пилы с лобовым брусом, изменяющегося в пределах от -9 до 15⁰. Для существующей пилы с передним углом 38±2⁰ и опытной (15…20⁰) сила динамического взаимодействия зуба с волокном на пиле составила соответственно 3,92…5,79 Н и 5,94…9,19Н. Таким образом, приведенные значения технологических нагрузок на зуб следует использовать в расчетной практике для проверки зубьев джинных пил на прочность по напряжениям изгиба. Незначительная нагрузка на зуб в абсолютном выражении приобретает весомую значимость при сопоставлении с размерами поперечного сечения зуба джинных пил, а также то, что контактное взаимодействие зуба с плотно упакованной вращающейся массой оголенных семян сырцового валика носит ударный характер.

На основе исследований топографий поломанных зубьев джинных пил и графическом восстановлении первоначального профиля зубьев по фотографиям было установлено, что поверхность поломки находится на расстоянии приблизительно (0,3…0,6) высоты h от вершины зуба, измеренного по биссектрисе угла заострения. Обработка экспериментальных данных ранее проведенных исследований [4] позволила установить, что при джинировании хлопка I-IV сортов селекции Ташкент-1 количество поломанных зубьев на h/3 высоты, упрочненных закалкой вершины зубьев при электроконтактном нагреве током промышленной частоты и стандартных пил примерно равны (78,2 и 78,6 %). Остальные поломанные зубья приходятся на высоту, соответствующую h/2 и h/3. В связи с изменением высоты зуба по мере износа и сопутствующей трансформации длины зуба l по биссектрисе угла заострения β происходит пропорциональное изменение момента сопротивления сечения зуба. Следовательно, нормальные напряжения при изгибе зуба находятся в соотношении 3:2:1,5, которое отражает отношение высоты зубьев, подвергнувшихся поломке при эксплуатационных условиях.

Эффективность процесса джинирования предопределяется захватывающей способностью зубьев пильных дисков, которая при прочих равных условиях зависит от остроты вершины зубьев и радиусов скругления кромок передней поверхности. Изменение геометрических параметров зубьев в результате их разрушения существенно влияет на целый ряд показателей, характеризующих как работу оборудования (снижение производительности и ухудшение съема волокна, переуплотнение сырцового валика, увеличение энергозатратов), так и качество перерабатываемого хлопка-сырца: остаточная волокнистость, опушенность и механическая поврежденность семян. Зависимость качественных показателей хлопкового волокна при джинировании от геометрических параметров зубьев пильных дисков и необходимость их обеспечения в течение регламентированного времени эксплуатации оборудования ставит задачу обоснованного выбора критерия работоспособности джинных пил.

К настоящему времени разработан количественный критерий работоспособности джинных пил по износу зубьев. Авторы работ [4] линейный износ Δl вершины зубьев определяли по биссектрисе угла заострения β. Износ вершины зуба приводит к уменьшению его остроты и выражен в виде закругления радиусом r между передней и задней поверхностями зуба. Одновременно уменьшается длина l зуба по биссектрисе угла заострения (рис.2). Измерение линейного износа Δl затруднительно из-за неопределенности измерительной базы и в производственных условиях практически неосуществимо.

Рис.2. Взаимосвязь параметров зуба джинных пил в исходном и изношенном состояниях: h - высота зуба; l - длина зуба по биссектрисе угла заострения β; Δl - линейный износ по биссектрисе; Δh - радиальный износ; t - острота зуба;

r - радиус скругления вершины зуба; r_к - радиус скругления кромок

В качестве критерия износа предложено [5] принять площадку на вершине зуба, ориентированную в тангенциальном направлении. Авторы оценивали износ с помощью отсчетного микроскопа МПБ-2 (лупа Бринелля) и рекомендовали в качестве критерия износа величину 0,85…0,90 мм, т.к. при дальнейшей эксплуатации и достижении предельно допустимого значения износа (1,0…1,1 мм) резко повышается опушенность семян и снижается производительность. Данный подход при оценке износа и обосновании критерия приемлем, если джинные пилы теряют работоспособность в основном по причине износа без заметных пластических деформаций вершины и части зуба, ведущих к необратимым изменениям первоначальной формы и угла заострения зуба.

Износ зубьев джинных пил можно оценивать также в виде радиального износа Δh как разницу высоты зуба в радиальной проекции в течение некоторого фиксированного времени. Причем, имеется геометрическая связь между величинами Δh и Δl :

. (1)

Таким образом, до настоящего времени нет единого обоснованного и простого в применении в производственных условиях критерия износа, который имел бы количественную оценку и максимально характеризовал работоспособность джинных пил.

Экспериментальные исследования [6] показали, что интенсивность отрыва волокна q, г/с сильно зависит от остроты вершины зуба t и степени скругления r_к кромок передней поверхности, причем, влияние остроты вершины зуба в 2,7 раза больше, чем радиус скругления кромок. Данные параметры зуба составляют негативные характеристики, т.к. их увеличение приводит к уменьшению интенсивности джинирования. Влияние на энергозатраты джинирования анализируемых параметров противоположно: возрастание условной фаски износа t (уменьшение остроты зуба) увеличивает крутящий момент, а увеличение радиуса скругления r уменьшает энергозатрату процесса джинирования. Учитывая важность остроты зубьев, оцениваемой величиной t, и взаимосвязь с минимально возможным радиусом вписанной окружности r, которая реально отражает профиль зуба при установившемся режиме джинирования, получим соотношения между параметрами зуба в исходном состоянии и в процессе эксплуатации (рис.2):

; ; . (2)

С учетом того, что t = 2tg(β/2)∙Δl, выражение для радиуса скругления r можно представить в виде:

(3)

По нашему взгляду, острота вершины зуба, оцениваемая величиной t [6], не может точно ее характеризовать, т.к. в пределах площадки t можно расположить окружности с различным радиусом r. Чем меньше радиус окружности, тем больше острота вершины и наоборот.

Наблюдения за трансформацией и топографией износа зубьев джинных пил позволяет сделать следующее предположение относительно кинетики абразивного износа. Образовавшаяся площадка (фаска) износа на вершине зуба формирует радиус скругления (кривизны), стремящейся к бесконечности. Однако ввиду трансформации фаски износа образуется скругление некоторым радиусом r, значение которого постепенно уменьшается до предельного, создающего полностью вписанную окружность. Данный радиус характеризует наибольшую остроту вершины зуба. По мере дальнейшей эксплуатации вновь происходит увеличение радиуса скругления, соответствующего новому значению t. Далее процесс уменьшения радиуса r повторяется. Таким образом, уменьшение радиуса скругления соответствует последующему возрастанию размера t зуба. Периодичность описываемого процесса изнашивания может нарушиться в результате внезапной поломки зуба вследствие превышения эксплуатационных напряжений изгиба относительно допускаемых: σ_F › [σ_F].

С учетом рекомендаций [5] для величины площадки износа t, которая не должна быть более 1,0…1,1 мм (резко возрастает энергопотребление и снижается производительность), целесообразно заменять пилы по достижении ими значений t = 0,8…0,85 мм. Определим минимальный радиус кривизны r, который соответствует указанной площадке:

;

.

Таким образом, значение r = 0,48…0,51 мм характеризует предельные размеры площадки износа на вершине зуба.

Фундаментальные исследования [7] влияния радиусов скругления переходных поверхностей (боковых с передней и задней поверхностями зубьев, передней с задней поверхностями) показали, что в зависимости от его значения можно выделить три характерные случаи контактного взаимодействия: 1) "чистое" резание волокон при r < 0,05 мм; 2) трение совместно с резанием, когда r = 0,05…0,2 мм; 3) "чистое" трение при r > 0,2 мм. В данных исследованиях критерием определения оптимальной величины радиуса скругления были степень механических повреждений на волокне и соответствующая потеря его прочности. По результатам лабораторных экспериментальных исследованеий был рекомендован диапазон значений радиусов r = 0,2…0,3 мм, хотя с учетом результатов производственных испытаний автор указывает о возможности снижения радиуса кривизны до предела 0,1…0,15 мм, при которых практически сохраняются природные свойства хлопкового волокна.

Таким образом, геометрический критерий работоспособности джинных пил в виде радиуса скругления переходных поверхностей строго должен быть увязан с технологическими параметрами процесса джинирования. Так, если ограничениями являются производительность и удельные энергозатраты джинирования, то предельные значения радиуса переходных поверхностей равны 0,4…0,5 мм; если лимитируют механические повреждения на волокне и его прочность, то r = 0,2…0,3 мм.

1. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. 496 с.

2. Мирошниченко Г.И., Корабельников Р.В. Экспериментальное исследование нагрузок на зубья джинных и линтерных пил //Реф.сб. Хлопковая промышленность. №4, 1967. С.34-36.

3. Эргашев Ш.Т., Бурнашев Р.З. Сила динамического взаимодействия летучки хлопка-сырца с зубом пилы //Реф.сб. Хлопковая промышленность. №2, 1987. С.7-8.

4. Иминов Б.А., Рогов А.П., Курис И.М. Результаты производственных испытаний упрочненных и стандартных джинных пил //Реф.сб.Хлопковая промышленность. №6, 1984. С.18-19

5. .Арзуманов С.С., Тютин П.Н. Исследование износа джинных пил //Реф.сб.Хлопковая промышленность. №3, 1980. С.20-22.

6. Иминов Б.А. Исследование влияния остроты вершины кромок зубьев на производительность джинирования и энергозатраты //Реф.сб.Хлопковая промышленность. №2, 1985. С.27-28.

7. Махкамов Р.Г. Основы процесса взаимодействия поверхностей твердых тел с волокнистой массой. Ташкент: ФАН, 96 с.