СОСТОЯНИЕ ФРИКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХЛОПКА-СЫРЦА С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведён литературный обзор исследований трения деталей хлопкоуборочных машин и хлопка сырца. Одной из задач авторов является снижение повреждаемости хлопка- сырца при взаимодействии с металлическими органами машин и механизмов. В статье приводятся результаты исследований использования нового состава полимеркомпозиционного материала, обработанного ультразвуком, технологическая схема получения данного материала, а также графики зависимости свойств композиционных материалов от режимов ультразвуковой обработки.

ABSTRACT

The article provides a literary review of studies of the friction of parts of cotton pickers and raw cotton. One of the tasks of the authors is to reduce the damageability of raw cotton when interacting with the metal organs of machines and mechanisms. The article presents the results of studies on the use of a new composition of a polymer-composite material treated with ultrasound, a technological scheme for obtaining this material, as well as graphs of the dependence of the properties of composite materials on the modes of ultrasonic treatment.

Ключевые слова: машина, механизм, деталь, хлопок-сырец, трение, коэффициент, полимерные композиционные материалы, покрытия, влажность, графит, тальк, молибден, ультразвук, наполнитель, стекловолокно, эпоксидный материал.

Keywords: machine, mechanism, part, raw cotton, friction, coefficient, polymer composite materials, coatings, moisture, graphite, talc, molybdenum, ultrasound, filler, fiberglass, epoxy material.

Хлопок-сырец был и остается основной культурой нашей страны, поэтому для его выращивания, сборки и переработки требуются высокоэффек­тивные технологии.

Как известно, применение высокоэффективных современных технологий обуславливается высоким уровнем механизации и автоматизации, и од­ной из важнейших проблем становится снижение повреждаемости хлопка- сырца при взаимодействии с металлическими органами машин и механизмов, так как в связи с переходом на новые методы прядения современная тек­стильная промышленность проявляет высокие требования к качеству волок­на.

Так как повреждаемость хлопковых волокон и семян, в основном, происходит в результате фрикционного взаимодействия хлопка-сырца с поверх­ностями основных рабочих органов машин и механизмов по его переработке, то одним из основных факторов определяющих триботехнические свойства покрытий является природа их контактного взаимодействия при трении, чему посвящены многочисленные работы [4-126].

В теории трения имеются исследования физики и механики контактного взаимодействия двух тел с учетом многочисленных факторов и свойств материалов. Есть работы, посвященные изучению трения волокнистых ве­ществ с твердыми телами, но в них недостаточны выявлен механизм трения хлопка с твердыми телами.

Трение хлопка и других волокнистых веществ с различными материалами впервые изучены И.В. Крагельским [4], где было исследовано влияние различных факторов на коэффициент трения хлопка по металлу. При повы­шении скорости от нуля до некоторой величины наблюдалось повышение ко­эффициента трения, затем, при дальнейшем увеличении скорости - снижение. Это происходит, как объясняет автор, потому, что при малых скоростях упру­гие свойства волокнистой массы обеспечивают время, необходимое для вне­дрения ее в сопрягаемую поверхность. А при последующем повышении ско­рости такое внедрение не обеспечивается.

Влияние скорости скольжения объясняется, в основном, вязкоупругим характером связи хлопка с металлической поверхностью и соответствующим этому механизмам взаимодействия в этой системе.

В работе [5] автор исследовал механизм взаимодействия единичного волокна с твердым шероховатым телом. Рассмотрено филаментное волокно с продольными неровностями вдоль волокна, движущегося по твердой поверх­ности с шероховатостью, описываемой уравнением:

У = A(l+cosn𝜋x)                                                                 (1.1)

где   А - амплитуда или высота неровности;

n - частота или шаг неровности

В случае движения волокна по шероховатой поверхности с малым значением «А» и большим «n» площадь контакта велика и следует ожидать более высокого коэффициента трения.

В своих работах [6,7] Г.И. Мирошниченко показано исследованые трение хлопка- сырца со сталью и поверхностью транспортерной ленты, а также с поверхностью дерева, асфальта, бетона и кирпича. В результате исследования уста­новлено, что вид материала контртела, взаимодействующего с хлопком- сырцом, оказывает существенное влияние на величину коэффициента трения. Установлено, что независимо от рода поверхности трения, влажности хлопка, сорта и способа его сбора происходит закономерное уменьшение коэффициента трения по мере возрастания нормального давления. Автор также уста­новил, что при трении хлопка по стали и резиновой транспортерной ленте ко­эффициент трения резко возрастает с увеличением влажности перемещаемого материала и снижается с повышенным нормального давления от 0,005 до 0,025 МПа. При более низком давлении 0,0001-0,0002 МПа и влажности 8% и 55% соответственно f=0,71-0,68 и 1,69 - 1,60.

Рост коэффициента трения с увеличением влажности хлопка-сырца автор объясняет усиливающимися взаимодействием молекул воды с молекула­ми контактирующей поверхности. Уменьшение коэффициента трения с рос­том давления объясняется повышением плотности хлопка, в результате чего образуется более легко сдвигаемая решетка, лежащая на выступах контакти­рующей поверхности твердого тела.

Показано, что коэффициент трения зависит от способа сбора и сорта хлопка-сырца. Так, коэффициент трения у хлопка-сырца машинного сбора всегда выше, чем у хлопка ручного сбора. Со снижением сорта хлопка для давлений 0,0001-0,0002 МПа наблюдается тенденция к уменьшению коэффициента трения а при больших значениях давление - к его возрастанию.

Скорость скольжения существенно влияет на коэффициент трения хлопка-сырца по исследованным поверхностям. При возрастании скорости от нуля до 2,0-2,5 м/с коэффициент трения увеличивается. Дальнейшее увеличение скорости существенно не влияло на изменение коэффициента трения. В зависимости от скорости скольжения при больших давлениях коэффициент трения изменяется меньше, чем при малых давлениях. Влажность хлопка, сорт, способ сбора и давление не изменяли общего характера возрастания си­лы трения при повышении скорости скольжения, но влияли на значение ко­эффициента трения.

Влияние скорости скольжения на коэффициент трения автор объясняет вязкоупругим характером связи хлопка с металлической поверхностью, основываясь на известных теоретических положениях И.В. Крагельского.

Проявлением такого характера связи является возрастание коэффициента трения до максимума при повышении скорости от нуля до некоторой ве­личины, затем снижение коэффициента трения с увеличением скорости.

Ф.Х. Ходжаев [9] исследовал трение хлопка-сырца по стальной сетке и установил, что коэффициент трения при этом лежит в пределах от 0,8 до 1,2. При прочих равных условиях это в два раза выше, чем при скольжении хлопка-сырца по гладкой стальной поверхности.

И.И. Новицкий [10] исследовал трение опушенных хлопковых семян по поверхности различных материалов. Хлопковые семена имели 10-14% волокнистого покрова и обладали сходными с хлопком-сырцом физико­-механическими свойствами. В результате исследований было установлено, что, хотя коэффициент трения для хлопка-сырца и семян были различными, но они зависели от аналогичных параметров.

К числу недостатков этих исследований можно отнести то, что они охватили недостаточно широкий диапазон изменений скоростных и нагрузочных режимов и не изучали зависимости силы трения хлопка-сырца от других факторов, например, параметров шероховатости, температуры и т.д.

Автор работы [11] показал, что при определении силы натяжения свободной части волокна, соприкасающегося со шпинделем, с увеличением ко­эффициента трения повышается натяжение свободной части волокна, то есть возрастает вероятность обрыва хлопковых волокон при извлечении из коро­бочки. С увеличением шероховатости поверхности растет коэффициент тре­ния. Следовательно, большая шероховатость поверхности повреждает волок­но и семена хлопчатника.

Взаимодействие хлопка-сырца с поверхностью конструкционных материалов с позиции оптимизации шероховатости поверхностей контртела и снижения механической повреждаемости хлопковых волокон исследовал академик Р.Г. Махкамов в работе [12], где изучена механика взаимодействия хлопка-сырца с шероховатой поверхностью рабочих органов хлопкоочисти­тельных машин. Используется модель волокнистой массы хлопка в виде тон­кой сетки пересекающихся продольных и поперечных волокон, прижатых к шероховатой поверхности силами, определяемыми свойствами массы хлопка. Определены условия, при которых волокнистая масса перемещается по по­верхности без механического захвата неровностями.

Автором показано, что сила взаимодействия хлопка-сырца с металлическими поверхностями увеличивается либо за счет микрорезания хлопковых волокон микровыступами, либо за счет увеличения адгезионных взаимодей­ствий с повышением влажности хлопка-сырца. По его данным, интенсивное микрорезание волокон происходит при радиусе округления вершин менее,, чем 100 мкм.

Для условий, при которых будет отсутствовать захват волокон микровыступами шероховатостей поверхности, автор рекомендует

где   μ₁ - коэффициент трения волокна с металлической поверхностью;

В₁ - цепкость, определяемая, в основном, силами адгезии между волокном и металлической поверхностью;

μ₂ - коэффициент внутреннего трения волокон;

В₂ - цепкость волокон, определяемая силами когезии;

N - нормальная нагрузка;

Rz - высота микронеровности;

S - шаг микронеровности

Предложены оптимальные значения радиуса округления вершин неровностей (100-200 мкм) и материал (титан и хром) для рабочих поверхностей основных органов машины, позволяющие снизить силы трения при их взаимодействии с хлопком-сырцом. Р. Г. Махкамов также показал влияние парафинов в восковой (кутикулярной) части поверхностного слоя хлопковых волокон, играющих роль граничной смазки, на их взаимодействие с поверх­ностями трения. При этом отмечено, что наиболее эффективное смазочное действие проявляется при жестких режимах (больших значениях давления и скорости скольжения) трения, обеспечивающих температуру в контактной зоне в пределах 60-70°С. Этими же явлениями автор объясняет повышение работоспособности пильчатых джинов при жестких режимах их эксплуатационную зону для обеспечения благоприятных условий взаимодействия хлопка-сырца с поверхностями рабочих органов машин.

Однако предложение Р.Г. Махкамова и других о технологический обработке рабочих поверхностей деталей машин с радиусом скругления вершин неровностей до 110-200 мкм, нанесение металлических покрытий из титана и хрома, подача нагретого воздуха и др. представляют определенные техниче­ские сложности в условиях производства в связи с большими габаритными размерами рабочих органов хлопкоочистительных машин. К тому же хром и титан относятся к дефицитным и дорогостоящим материалам.

Кроме того эти технологические приемы не устраняют таких недостатков рабочих органов хлопковых и хлопкоочистительных машин, как возник­новение пожаров от искры при наличии твердых включений в хлопке-сырце и соударения с твердыми металлическими поверхностями рабочих органов, механическую дробленность семян и т. п.

Одним из путей оптимизации процесса взаимодействия хлопка-сырца с металлическими рабочими органами машин и механизмов является покрытие их поверхности полимерными материалами, обладающими рядом положительных свойств, как низкая шероховатость, эластичность, дешевизна и др.

Ниже будет рассмотрен процесс фрикционного взаимодействия хлопка и полимерных покрытий.

Список литературы:

1. Мирощниченко Г.И. Основы проектирования машин первичной об­работки хлопка. М.: Машиностроение, 1972, 486 с.
2. Мирошниченко Г .И. Оборудование и технология производства пер­вичной обработки хлопка. Т., Укитувчи, 1980, 323 с.
3. Ямпольский А.Я. Влияние влажности хлопка-сырца на его основные механические характеристики как транспортируемого материала. Автореф. дисс. канд. техн. наук, - Ташкент, 1962. - 26 с.
4. Ходжаев Ф.Х. Исследование процессов механизации приемки и складирования хлопка на заготовительных пунктах и пути их совершенствование. Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Ташкент, 1967. - 28 с.
5. Новицкий И.И. Исследование некоторых физико-химических свой­ств хлопковых семян и изыскание механизмов для выполнение работ с ними. Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Т., 1968. - 31 с.
6. Ишлинский А.Ю. О захватывающей способности шпинделя. // Сельскохозяйственные машины, 1937. № 12.
7. Махкамов Р. Г. Основы процесса взаимодействия поверхностных твердых тел с волокнистой массой. Ташкент: ФАН, 1979. - 96 с.
8. Негматов С.С. Основы процессов контактного взаимодействия ком­позиционных полимерных материалов с волокнистой массой. Т.Фан, 1984, 296с.
9. Маткаримов С.Х. Исследование трения композиционных полимер­ных покрытий с хлопком-сырцом. Автореф. канд. дисс. - Р. на Д. 1978. - 20 с.