Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 619:616-084.596:631.3

Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів пристроїв для обрізки копитець великої рогатої худоби

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рибалко Вячеслав Миколайович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Ярошенко Володимир Федорович

доктор технічних наук, професор Ловейкін Вячеслав Сергійович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри конструювання машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, членкор УААН Булгаков Володимир Михайлович, Українська академія аграрних наук, академік-секретар відділення механізації та електрифікації

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ткач Віктор Васильович, Національний науковий центр «Інститут механізації і електрифікації сільського господарства», завідувач лабораторії науково-технічних проблем у тваринництві та птахівництві

Захист дисертації відбудеться „ 11 ” листопада 2008 р. о ____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус №3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус №4, к. 28

Автореферат розісланий „10” жовтня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.Г. Войтюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обрізка та розчистка копитець - найважливіші та досить трудомісткі операції, що входять до числа обов'язкових заходів з профілактики захворювань кінцівок великої рогатої худоби (ВРХ). Цю операцію проводять 2 - 3 рази на рік. Метою механічної обробки копитець є зрізання надлишкового рогу та надання їм оптимальної форми, що забезпечує рівномірний розподіл навантаження по всій опорній поверхні кінцівки.

Сучасні механічні засоби для обрізки копитець мають суттєві недоліки: велика маса ручних кератофрез (3 - 5 кг); відсутність регулювання режимів різання залежно від фізико-механічних властивостей рогу, що є причиною низької якості обробки копитець. Великі зусилля різання, що перевищують допустимі, роблять роботу існуючим інструментом небезпечною для тварин та оператора.

Існуючі механізми для обрізки та розчистки копитець мають низьку продуктивність через недосконалість технологічного процесу обробки копитець тварин, який складається із ряду допоміжних операцій, що вимагають ручної праці. Таким чином, дослідження процесу різання копитцевого рогу та обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів пристроїв для обрізки копитець ВРХ є актуальною та перспективною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з програмою науково-дослідних робіт Національного аграрного університету, в рамках держбюджетної теми «Розробка приводів робочих органів машин для приготування і роздачі кормів та догляду за тваринами» (2000 - 2003 рр.), номер державної реєстрації - №0101U001750.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення продуктивності обрізки копитець та забезпечення їхньої природної геометричної форми і бажаної шорсткості обробленої поверхні шляхом обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів і режимів роботи пристрою.

Відповідно до поставленої мети визначені такі задачі досліджень:

- провести аналіз теоретичних та експериментальних досліджень процесів механічної обробки копитець ВРХ;

- обґрунтувати теоретичні положення для визначення основних параметрів та умов забезпечення процесу різання копитцевого рогу із урахуванням його фізико-механічних властивостей;

- визначити раціональні режими різання копитцевого рогу, що має різні фізико-механічні властивості;

- експериментально встановити фізико-механічні властивості копитцевого рогу ВРХ і встановити зв'язок між ними та структурою рогу;

- розробити ефективну конструкцію пристрою для обрізки копитець ВРХ і обґрунтувати його конструктивно-технологічні параметри;

- провести експериментальні дослідження процесу обрізки копитець та визначити ефективність роботи розробленого пристрою.

Об'єкт дослідження - робочий процес різання копитцевого рогу.

Предмет дослідження - пристрій для обрізки та розчистки копитець ВРХ та вплив його конструктивно-технологічних параметрів на якість і продуктивність обрізки. обрізка копитце ріг різання

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконано із застосуванням основних законів класичної механіки, диференціального та інтегрального числення. Аналіз математичних моделей здійснено за допомогою відповідних програм для ЕОМ. Експериментальні дослідження проводились із застосуванням статистичних методів, зокрема багатофакторного експерименту та відповідних програм для ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Обґрунтовано межі зміни геометричних параметрів копитець від їхньої природної форми, на основі чого встановлена раціональна періодичність обрізки копитець при стійловому утриманні ВРХ.

2. Дістало подальшого розвитку використання теорії різання деревини для визначення основних параметрів та умов забезпечення процесу обрізки копитцевого рогу із урахуванням його фізико-механічних властивостей, яка виражається у визначенні коефіцієнтів та показників ступенів параметрів сили різання.

3. Вперше експериментально встановлено залежність між коефіцієнтом тертя ковзання копитцевого рогу по різних матеріалах та вмістом вологи у ньому, а також між твердістю рогу та його густиною, що дало можливість визначити фізико-механічні властивості рогу безруйнівним способом.

4. Обґрунтовано раціональні конструктивно-технологічні параметри пристрою та його режими роботи, які забезпечують підвищення якості та продуктивності обрізки копитець ВРХ із різними фізико-механічними властивостями.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано методики контролю геометричних параметрів копитець та визначення фізико-механічних властивостей копитцевого рогу неруйнівним способом. Розроблено конструкцію пристроїв для їхнього здійснення.

Запропоновано методику визначення основних параметрів раціональних режимів різання копитцевого рогу механічними засобами залежно від механічних властивостей оброблюваного матеріалу.

Удосконалено конструкцію переносного інструменту та запропоновано конструкцію стаціонарного пристрою для обрізки копитець, які забезпечують зміну режимів різання копитцевого рогу залежно від його фізико-механічних властивостей та форми копитець. Ефективність роботи була підтверджена при обробці копитець ВРХ в агропромисловому підприємстві „Квінт ЛТД” Київської області, в науково-виробничому товаристві „Агро - Інтер” ПСП „Вороновка” Вознесенського району Миколаївської області.

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані здобувачем особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в тому, що аналітичним шляхом встановлено співвідношення між геометричними параметрами копитець ВРХ, що мають природну форму та копитець, що мають відхилення від цієї форми внаслідок відростання копитцевого рогу [4]; здійснено аналіз існуючих механічних засобів для обрізки копитець та проведено експерименти з дослідження впливу фізико-механічних властивостей рогу на режими його різання [6]; експериментальним шляхом встановлено функціональну залежність між вологістю копитцевого рогу та коефіцієнтом тертя ковзання його по різних матеріалах, а також між його твердістю та густиною. За допомогою основних залежностей відомої теорії різання деревини, із урахуванням особливостей форми оброблюваного об`єкта та фізико-механічних властивостей біологічного матеріалу, проведено аналіз впливу на процес різання його основних параметрів [5].

Апробація результатів дисертації. Основні результати наукових досліджень, що містяться у дисертації, доповідалися і одержали позитивну оцінку: на наукових конференціях у Всеросійському науково-дослідному інституті тваринництва (м. Подольск Московської області, Росія 1990 - 1991 рр.); на Міжнародній науковій конференції «Морфо-екологічні проблеми у тваринництві та ветеринарії» (м. Київ, 1992р.). З 1992 по 2008 рр. доповіді на науково-практичних конференціях викладачів та аспірантів НАУ (м. Київ) та Науковій конференції «Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарських машин», (Кіровоградський державний технічний університет, м. Кіровоград, 2002 р.); на науковому семінарі НТІ НАУ 2007 р.

Публікації. Результати публікацій представлені у 18 наукових працях, з них 7 - статей, з яких 4 у фахових збірниках наукових праць, 4 авторських свідоцтва СРСР та 7 патентів України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних літературних джерел, що нараховують 160 назв та додатків. Основна частина викладена на 148 сторінках, містить 80 рисунків, 26 таблиць. Повний обсяг роботи становить 165 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, наведені: мета, задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі «Стан питання, мета та задачі досліджень» проведено аналіз особливостей будови копитця, засобів механічної обробки копитець, експериментальних досліджень властивостей копитцевого рогу та механізмів для його різання. У розробці даних питань найвагоміший внесок зробили І.О. Поваженко, В.Б. Борисевич, С.М. Кревер, В.А. Лук'яновський, В.В. Варданян, А.Ф. Бурденюк, С.Г. Кузнєцов, Г.Ш. Шредер, М.О. Терес, Л. Жерарден. Ними встановлено причини хвороб кінцівок, що виникають залежно від фізико-механічного стану рогу та відхилень від геометричних параметрів копитець; визначені основні операції, які є обов'язковими заходами з профілактики захворювань кінцівок тварин, у тому числі - обрізка та розчистка копитець. Питання різання біологічних матеріалів, у тому числі копитцевого рогу розглядались в роботах В.І. Кликова, І.А. Тіме, М.А. Дешевого, С.А. Воскресенського, Д. Кумабэ, І.І. Ревенка, В.М. Булгакова, С.Г. Фрішева, та ін.

Проте багато питань залишаються малодослідженими або зовсім недослідженими. Механічні властивості рогу вивчені недостатньо; недосконалою є конструкція механічних засобів для обрізки та розчистки копитець, що передбачає обробку тільки прямолінійних ділянок копитець «правильної» форми; не визначені раціональні режими роботи пристроїв для обрізки копитець залежно від фізико-механічних властивостей копитцевого рогу. Ці питання вимагають теоретичного і експериментального дослідження, що створює передумови до розробки вдосконаленого пристрою для обрізки копитець ВРХ.

У другому розділі «Теоретичні передумови до визначення параметрів механічних засобів для обрізки копитець ВРХ» встановлено вплив надлишкового рогу копитця на розподіл навантаження між його опорними поверхнями; визначено величину шару надлишкового рогу, залежно від форми рогового башмака; визначено величину граничного кута зміщення опорної площини копитця; встановлено шляхи підвищення продуктивності та якості обробки копитець; уточнено залежності для визначення складових сил різання копитцевого рогу; визначено геометричні параметри різального інструменту, що забезпечують утворення зливної стружки копитцевого рогу. Хронометраж відомого процесу різання копитцевого рогу показав, що 46 % часу припадає на операції з фіксації тварини, 19 % - на контроль геометричних параметрів копитець, 35 % часу - на обробку копитець, включаючи ручну обробку. Зменшення витрат часу можливо за умови виключення ручної обрізки, зменшення кількості операцій фіксації тварини та часу на контроль геометричних параметрів копитець. Проведеними дослідженнями встановлено, що на якість обробленої поверхні копитцевого рогу впливають: глибина різання; геометрія різального інструменту; механічні властивості матеріалу, що оброблюється; швидкість різання; подача (подача на зуб при фрезеруванні); ступінь зношування інструменту.

Глибина різання h залежить від вихідної (стандартної) форми копитець та величини надлишкового рогу у зачепній частині копитця (рис. 1).

З метою виключення можливості зламу вершини кута копитця по лінії В₁Р зроблено технологічний надріз. Після цього фронтальна проекція ділянки надлишкового рогу обмежується трикутником В₁РА із висотою h - необхідною глибиною різання шару надлишкового рогу. З В₁РА визначаємо:

Припускаючи, що вся маса тварини рівномірно розподілена між її кінцівками, а також між пальцями кінцівки, силу що діє на кожний палець F_n (рис.2) визначаємо за залежністю:

де F_к= mg - сила тяжіння тіла тварини, що припадає на одну кінцівку; б - кут нахилу копитцевої стінки копитця у зачепі; г - кут відхилення пальця від вертикальної осі кінцівки; m - маса тіла тварини, що припадає на одну кінцівку; g - прискорення вільного падіння.

Враховуючи похиле положення пальців тварини, розкладемо зусилля F_n, що діє на кожен із двох пальців кінцівки, на складові вздовж координатних осей: F_x; F_z; F_y (рис. 3). Із представлених схем, визначаємо зазначені сили:

Внаслідок природного відростання копитцевого рогу в передній частині копитець відбувається зміна навантаження на кінцівку. Більше навантажуються підошва, м'якуш - задня частина копитець.

Сили, що діють на копитце тварини у момент відштовхування наведено на рис.4. Момент, утворений силою F_z відносно точки K, за величиною більший за момент, утворений силою (-F_x),, тому відштовхування кінцівки здійснюється передньою частиною кінцівки.

Надлишковий ріг у зачіпній частині копитець примушує тварину збільшувати кут нахилу кінцівки до межі фізичних можливостей:

Значення можна визначити із умови рівності моментів:

За такої умови відштовхування кінцівки від опори, що здійснюється середньою частиною копитця, починається порушення руху тварини. Підставивши у вираз (6) значення сил F_z і F_x отримаємо:

де = 8є…10є - кут нахилу кінцівки тварини у момент відштовхування від опори.

Розв'язавши рівняння (7) відносно, отримаємо вираз для визначення максимального значення цього кута:

Для середніх значень ^о, визначено значення. Використовуючи вираз (8), встановлюємо граничне значення - кута зміщення опорної поверхні копитця: = 12^о...14^о.

Аналізом попередніх досліджень встановлено, що для обрізання копитець ВРХ може бути використана теорія різання деревини, оскільки вона має близькі фізико-механічні властивості із копитцевим рогом.

Згідно з відомою теорією різання деревини горизонтальну складову F_z сили різання визначають за такою залежністю:

де F_н - сила надрізання; F_д - сила деформації стружки; F_з - сила тиску на задню грань різця.

Найбільш впливовою, у процесі різання, складовою горизонтальної сили є сила деформації стружки F_д, бо процес стружкоутворення є визначальним у загальному процесі різання.

Кожен із загальноприйнятих видів стружки передбачає певний вид деформації оброблюваного матеріалу: пластичний зсув, сколювання, згин із розривом, пластичний згин. Напружений стан стружки визначається у площині руйнування пп₂ (рис. 5) величиною напружень зсуву ф_зс та розтягу у_р.

Враховуючи особливості обробки копитцевого рогу (не утворення тріщин), найбільш придатним для цих умов є пластичний зсув, який забезпечує утворення зливної стружки та створює гладеньку поверхню різання. Умовою утворення пластичного зсуву у площині руйнування є:

де ф - дійсні напруження зсуву у площині ; _с - межа пружності при зсуві матеріалу, що оброблюється; у_р - дійсні напруження розтягу у площині пп₂; _пр.р - межа пружності матеріалу при розтягу.

Величину сили деформації стружки в умовах пластичного зсуву визначають за такаю залежністю:

- коефіцієнт тертя копитцевого рогу по сталі; - коефіцієнт Пуассона для копитцевого рогу.

Ці залежності дають змогу визначити аналітичним шляхом кути різання різального інструменту, що забезпечать пластичний зсув у площині руйнування nn₂. Для копитцевого рогу із густиною = 1300...1400 кг/м³, вологістю = 25...30 %, коефіцієнтом тертя ковзання f₀ = 0,22…0,25, кути різання = 30^о...75^о та відповідні кути = 30^о...62^о.

Отримані залежності вказують на те, що значного впливу на процес стружкоутворення (процес різання) мають: механічні властивості матеріалу, що оброблюється - межа пружності ф_пр.зс.; коефіцієнт тертя ковзання копитцевого рогу по сталі f₀; коефіцієнт Пуассона , які визначаються дослідним шляхом.

Горизонтальна складова сили різання F_z, що визначається за формулою (12) в умовах елементарного різання є аналогом колової сили різання F_z при фрезеруванні поверхні копитець циліндричними фрезами.

Згідно з теорією різання біологічного матеріалу колову силу визначають залежністю:

де _F - коефіцієнт, що залежить від матеріалу, який обробляється; t - глибина різання; S_z - подача на зуб фрези; z - кількість зубів фрези; B - ширина фрезерування; D - діаметри фрези; - показники степенів, які експериментально визначають в кожному конкретному випадку і для копитцевого рогу приймають значення _F = 15.92 ± 0,28…20.36 ± 0.18; = 0.414 ± 0,018…0.505 ± 0.028; = 0.506 ± 0,017…0.516 ± 0.031; = 0.378 ± 0,014…0.562 ± 0.019.

Форма опорної поверхні копитець та конструкція стандартної кератофрези КФ-1 не забезпечують постійної ширини різання. Згідно із залежністю (11), за якою визначають умови утворення деформації пластичного зсуву у зоні різання, можна припустити, що із зміною ширини різання відбувається зміна величини дотичних напружень, змінюється вид деформації стружки. Для визначення найменшої та найбільшої ширини різання на опорній поверхні копитець запропоновано представити її у вигляді двох концентричних кіл із радіусами r та R і розглянути сектор цього кола, що обмежується кутом ц_max = р/2. Шукана ширина різання Д як функція кута ц визначається залежністю:

Припускаючи, що перехід від одного виду деформації до іншого відбувається поступово, запропоновано утворити інтервал значень показників механічних властивостей біологічного матеріалу, який забезпечує умови будь-якого вибраного виду деформації стружки. У випадку утворення деформації пластичного зсуву інтервал дотичних напружень у зоні різання має значення:

де - розрахункове значення дотичних напружень ();- дійсні дотичні напруження у зоні різання;- допустимі відхилення дотичних напружень в умовах пластичного зсуву;- границя міцності біологічного матеріалу при зсуві;- границя пропорційності біологічного матеріалу при зсуві.

Для утримання дотичних напружень у визначеному інтервалі значень при зміні ширини різання, величина сили деформації стружки визначається за залежністю:

Де - коефіцієнт зміни напружень;- верхня межа інтервалу дотичних напружень.

Запропоновані умови утворення інтервалу значень дотичних напружень ф забезпечують збереження умов утворення деформації пластичного зсуву при зміні ширини різання у два рази. При цьому величина сили деформації стружки зростатиме у 1,25…1,34 раза.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” викладена програма досліджень, представлені прилади та обладнання, які використовувались під час проведення дослідів.

Описані методики визначення залежності механічних властивостей біологічного матеріалу (копитцевого рогу ВРХ) від його густини (структури) та від вмісту у ньому вологи, залежності твердості матеріалу від його густини, впливу вмісту вологи у біологічному матеріалі на коефіцієнт тертя ковзання його по сталі, вмісту вологи у біологічному матеріалі безруйнівним способом, залежності величини сили різання біологічного матеріалу від його механічних властивостей, впливу геометричних параметрів різального інструменту та швидкості різання на величину сили різання.

Для визначення механічних властивостей біологічного матеріалу (ф_пр.зс. - межі пружності зсуву, у_пр.с. - межі пружності при стиску та інші) залежно від його густини та вмісту вологи, запропоновано використовувати густину сухого рогу с_сух (умовна величина), коефіцієнт вмісту вологи; коефіцієнт максимального насичення вологи копитцевого рогу, - коефіцієнт насичення.

де- маса вологого копитцевого рогу; - маса зразка сухого копитцевого рогу;

де- густина вологого копитцевого рогу;- густина максимально насиченого рогу.

Для проведення експериментальних досліджень у лабораторних та польових умовах, крім стандартного обладнання, використовувалися спеціально спроектовані та виготовлені: пристрої для визначення коефіцієнта тертя копитцевого рогу по різних матеріалах та визначення напружень зсуву у зразках копитцевого рогу (рис. 6), а також пристрій для контролю геометричних параметрів копитець.

У четвертому розділі „Результати експериментальних досліджень” для перевірки теоретичних положень наведено експериментальні дані визначення механічних властивостей копитцевого рогу, впливу його механічних властивостей та технологічних параметрів процесу різання на величину сили різання та шорсткість обробленої поверхні.

За даними експериментів побудовані графіки залежностей твердості біологічного матеріалу від його густини с (рис. 7, а), коефіцієнта тертя ковзання f₀ від коефіцієнта вмісту вологи (рис. 7, б), межі пружності ф_пр.зс. при зсуві та межі пружності у_пр.с. при стиску від густини сухого рогу с_сух біологічного матеріалу та ін.

Аналіз зміни коефіцієнта тертя ковзання копитцевого рогу по сталі (рис.7, б) показує, що збільшення кількості вологи у розі зменшує величину коефіцієнта ; на зміну коефіцієнта тертя рогу впливає його густина. Для рогу з нормальним вмістом вологи та густиною =1400 кг/м³ коефіцієнт тертя f₀=0,24, а для рогу з таким же вмістом вологи, але густиною =1200 кг/м³ коефіцієнт тертя f₀=0,19.

Для копитцевого рогу із різними показниками фізико-механічних властивостей, за даними експериментальних досліджень складено рівняння регресії, які дозволяють визначити коефіцієнт тертя ковзання рогу залежно від вмісту у ньому вологи:

З експериментальних досліджень з'ясовано, що механічні властивості взагалі та межа пружності ф_пр.зс. при зсуві у тому числі, залежать від густини сґ оброблюваного матеріалу та від вмісту у ньому вологи.

Найменші значення межі пружності при зсуві ф_пр.зс.= 5,1 мПа має крихкий ріг, густина якого с_сух=800 кг/м³, (коефіцієнт вмісту вологи =0,1). Із збільшенням вмісту вологи у розі межа пружності зменшується. Так, наприклад, ф_пр.зс.=1,2мПа, =0,45. Найбільші значення межі пружності має сухий ріг із густиною _х=1000 кг/м³, ф_пр.зс.=7,5 мПа, якщо =0,1 та ф_пр.зс.=4,0 мПа, якщо =0,35 - максимальний вміст вологи у такому розі.

Густина рогу сґ відповідає його структурі: кількості трубочок на одиницю площі та їхнім розмірам. Найкращий за якістю ріг із густиною сґ=1400 кг/м³, для якого кількість трубочок на 1мм² п = 64, трубочки мають товсту стінку, з коефіцієнтом максимального насичення = 0,35 - найменший, порівняно із іншими структурними утвореннями копитцевого рогу. Для такого рогу межа міцності при стику у_в.с.= 9,0 МПа. Межа пружності при зсуві ф_пр.зс.=4,7 МПа, коефіцієнт тертя рогу по сталі f₀ = 0,230...0,235, при оптимальному вмісті вологи =0,30.

Дослідним шляхом встановлено, що із збільшенням глибини різання сила F_z різання збільшується. В інтервалі зміни глибини різання h = 1,0…2,0 мм, сила різання зростає на 14,2 %, в інтервалі h = 2,0…3,0 мм величина сили різання зросла на 3,9 %.

Дослідами встановлено, що шорсткість обробленої поверхні копитець зменшується (R_a = 8,0…5,0 мкм) при зміні глибини різання у межах h = 0,5…1,5 мм. Із збільшенням глибини різання h = 1,5…2,5 мм шорсткість поверхні повільно зростає - = 5,2…6,3 мкм. Досліджено вплив параметрів різання на силу різання F_z (рис.8).

Досліджено вплив швидкості різання н на величину сили різання F_z та якість обробленої поверхні. Різання здійснювали стандартною циліндричною фрезою: діаметр фрези D = 63 мм, кількість зубів z = 10, кут різання = 50є (б=10є - задній кут), матеріал фрези - сплав Р18. Зразки копитцевого рогу брали із умовною густиною с_сух=1300 кг/м³ та с_сух=1100 кг/м³, що відповідає стану здорового копитцевого рогу. Вміст вологи у розі: =0,10 (сухий) та = 0,30 (нормальний). Глибина різання h = 1,5 мм, подача на зуб S_z = 0,083 мм/зуб, швидкість різання н змінювалася у межах н = 1,0...4,0 м/с.

При зміні швидкості різання в межах н = 1,0...2,5 м/с величина сили різання F_z змінювалася у незначних межах: на 6,6 % для сухого рогу = 0,10) та на 6,1 % для нормального рогу (= 0,30). Якість обробленої поверхні із збільшенням швидкості н поліпшується: = 8,0 мкм при н = 1,0...1,5 м/с та R_a= 6,3 мкм при н = 2,5 м/с - для сухого рогу (=0,15). Із збільшенням вмісту вологи у розі (= 0,30) якість обробленої поверхні поліпшується: = 6,0 мкм при н = 1,0..1,5 м/с до = 4,2...4,0 мкм при швидкості різання н = 2,5 м/с. При зміні швидкості різання н = 2,5...3,2 м/с сила різання зростає відповідно на 6,9 % для сухого рогу (= 0,10) та 6,4 % для нормального рогу (= 0,30). При цьому якість обробленої поверхні відмінна для будь-якого рогу R_a= 3,2...2,5 мкм.

Раціональною швидкістю різання із густиною (умовною) = 900...1000 кг/м³ та вмістом вологи = 0,15...0,30 є н_опт= 3,0...3,2 м/с або п_опт= 950 об/хв - раціональна частота обертання вала стандартної циліндричної фрези.

За даними експериментальних досліджень побудовані рівняння регресії залежності сили різання F_z від глибини різання h та швидкості різання н, із урахуванням кута різання = 40…55^о та шорсткості поверхні R_a = 5,0…6,3 мкм.

На рис.9,а показано поверхню відгуку цих рівнянь.

На основі цих досліджень сформульована і розв'язана задача з визначення раціональної сили різання F_z(h, v) із урахуванням обмежень швидкості різання (1,0 ? v ? 4,0 м/с), глибини різання (0,5 ? h ? 3,0 мм) та шорсткості поверхні (R_{a max} = 6,3 мкм, рис.9,б). Задача розв'язана двома способами: аналітично (метод Куна-Таккера) та чисельно (методом додаткових множників), який реалізується функцією fmincon програмного пакета MatLAB. У результаті розв'язання задачі визначені раціональні значення параметрів процесу різання копитцевого рогу, що відповідають, залежно від його фізико-механічних властивостей, мінімальним значенням сили різання F_z та мінімальній шорсткості R_a. Удосконалений пристрій повинен мати механізм регулювання глибини різання в межах h = 0,5…3,0 мм. Механізм регулювання швидкості повинен забезпечувати плавне регулювання швидкості в межах v = 0,8…3,2 м/с.

У п'ятому розділі „Результати польових випробувань пристрою для обрізки копитець ВРХ та його економічна ефективність” викладено результати випробувань удосконаленого пристрою для обрізки копитець свійських тварин (кератофрези) (рис. 10), які проводилися на кафедрі хірургії НАУ та ряді господарств Київської і Миколаївської областей (Агропромислове підприємство «Квінт ЛТД» Києво-Святошинського району та у науково-виробничому товаристві «Агро-Інтер» Вознесенського району Миколаївської області).

Випробування показали, що шорсткість обробки копитець розробленим пристроєм відповідає ветеринарним вимогам з догляду за кінцівками тварин.

Використання у конструкції пристрою механізмів регулювання глибини різання та зміни швидкості різання дозволили виключити ряд операцій: ручне чистове різання, фіксацію-розфіксацію кінцівки та проміжний контроль геометричних параметрів копитець. Це дозволило зменшити витрати часу на 4,5 хвилини та підвищити продуктивність процесу різання на 22,5 %.

Розрахунковий річний економічний ефект від використання пристрою для обрізки копитець за продуктивності Q = 100 гол/рік становить 3682 грн. Наведені дані вказують про доцільність використання удосконаленого пристрою для обрізки копитець на молочних фермах, племінних і фермерських господарствах.

Висновки

1. З аналізу проведених досліджень встановлено, що сучасні механічні засоби для обрізки копитець мають суттєві недоліки: велика маса ручних кератофрез (3 - 5 кг); відсутність регулювання режимів різання залежно від фізико-механічних властивостей рогу, що є причиною низької якості обробки копитець. Існуючі механізми для обрізки та розчистки копитець мають низьку продуктивність через недосконалість технологічного процесу обробки копитець тварин, який складається із ряду допоміжних операцій, що вимагають ручної праці, тому необхідно розробити досконалий пристрій для обрізки копитець, адаптований до копитець різної форми та різними фізико-механічними властивостями рогу.

2. У результаті аналізу структури ланок кінцівок під час руху обґрунтовані раціональні геометричні параметри копитець ВРХ, після їхньої обрізки.

3. Результати дослідження процесу різання копитцевого рогу циліндричними фрезами підтвердили доцільність використання теоретичних положень відомої теорії різання деревени для визначення основних параметрів та умов цього процесу: F_д - сила деформації стружки; F_z - сила різання (горизонтальна складова); д - кут різання та ін.

4. Дослідами встановлено, що при зростанні густини копитцевого рогу у межах с = 1100..1300 кг/м³ сила різання F_z зростає на 35,2 %, а при зменшенні вологості рогу о = 30…10 % сила різання збільшується на 23,5 %.

5. Експериментально встановлено, що із збільшенням глибини різання в інтервалі h = 1,0...2,0 мм сила різання F_z зростає на 14,2 %, а в інтервалі h = 2,0...3,0 мм сила зростає на 3,9 %; шорсткість обробленої поверхні зменшується (R_a = 8,0…5,0 мкм) при зміні глибини різання в межах h = 0,5...1,5 мм. Із збільшенням глибини різання h = 1,5...2,5 мм шорсткість поверхні зростає: R_a = 5,2…6,3 мкм.

6. Встановлено, що при зміні швидкості різання в межах н = 1,0...2,5 м/с величина сили різання змінювалася у межах 6,6% для сухого рогу (о = 10 %) та 6,1 % для нормального рогу (о = 30 %). Якість обробленої поверхні із збільшенням швидкості різання н поліпшується: R_a = 8,0 мкм при н = 1,0...1,5 м/с та R_a = 6,3 мкм при н = 2,5 м/с для сухого рогу (о = 10 %). Із збільшенням вмісту вологи у копитцевому розі в межах о = 25…30 % якість обробленої поверхні поліпшується: R_a= 6,0 мкм при н = 1,0...1,5 м/с, та R_a= 4,2…4,0 при н = 2,5 м/с.

7. Дослідним шляхом встановлено вплив вмісту вологи у копитцевому розі на величину коефіцієнта тертя ковзання f₀. Залежно від густини рогу (с = 1400..1100 кг/м³) коефіцієнт тертя змінюється в межах f₀ = 0,28…0,25 (сухий ріг); із збільшенням вмісту вологи коефіцієнт тертя зменшується: f₀ = 0,20…0,17 (ріг вологий о = 35 %). Встановлено, що найбільшу твердість має сухий (о = 10 %) копитцевий ріг із густиною с = 1300 кг/м³ - HRB = 17,61, найменшу твердість HRB = 3.58 має копитцевий ріг із густиною с = 1100 кг/м³ та вологістю о = 40 %.

8. За результатами досліджень запропоновано удосконалений переносний інструмент та конструкцію стаціонарного пристрою для обрізки копитець, які забезпечують зміну режимів різання копитцевого рогу залежно від його фізико-механічних властивостей та форми копитець. Виробничі випробування підтвердили підвищення продуктивності на 22,5 % і якості обробки копитець, відповідність пристрою ветеринарним вимогам з догляду за кінцівками тварин. Розрахунковий економічний ефект від використання удосконаленого пристрою становить 3682 грн.

Список праць, опублікованих за темою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рудик С.К. Класифікація, визначення критеріїв та контроль якості копитець ВРХ / С.К. Рудик, В.Ф. Ярошенко, В.М. Рибалко // Механізація сільськогосподарського виробництва. Збірник наукових праць НАУ. 1998. Т. IV. C. 69-73. (Здобувач запропонував виділити з усієї множини характеристик копитцевого рогу основні: густина, вологість, твердість, що підлягають контролю відомими або спеціальними засобами контролю).

2. Рибалко В.М. Геометричні характеристики якості поверхні копитцевого рогу/ В.М. Рибалко, В.Ф. Ярошенко // Механізація сільськогосподарського виробництва: Збірник наукових праць НАУ. 1999. Т. V. С. 344 - 348. (Здобувач запропонував конструкцію засобу для контролю основних геометричних параметрів копитець ВРХ).

3. Ярошенко В.Ф. Конструювання машин та обладнання по догляду за кінцівками свійських тварин / В.Ф. Ярошенко, В.М. Рибалко // Конструювання, виробництво та експлуатація с.г. машин. Збірник наукових праць. Кіровоград, 2001. С. 18 - 22. (Здобувач запропонував використовувати значення фізико-механічних властивостей рогу при визначенні режимів його різання).

4. Рибалко В.М. Визначення режимів різання копитцевого рогу циліндричними фрезами / В.М. Рибалко, Б.Е. Мярковський // Науковий вісник НАУ. 2002. Вип. 49. С. 284 - 291. (Здобувач запропонував дослідним шляхом встановлено раціональні параметри різання копитцевого рогу залежно від його густини та вологості).

5. Рибалко В.М. Особливості механічної обробки біологічного матеріалу / В.М. Рибалко, В.Ф. Ярошенко // Агротехнічний науково-методичний збірник: Зб. наук. Праць. Ніжин, 2005. С. 91 - 97. (Здобувач запропонував використовувати залежності теорії різання деревини для визначення сили різання копитцевого рогу із урахуванням геометричної форми копитець тварин та механічних властивостей копитцевого рогу).

6. Рудик С.К. Комплекс для проведення заходів з профілактики захворювань кінцівок ВРХ / С.К. Рудик, В.Ф. Ярошенко, В.М. Рибалко // Здоров'я тварин і ліки. 2002. № 11 - 12. С. 12. (Здобувач запропонував на моціонних майданчиках встановлювати засоби для механічної обробки копитець ВРХ).

7. Рудик С.К. Заходи з профілактики захворювань кінцівок ВРХ / С.К. Рудик, В.Ф. Ярошенко, В.М. Рибалко // Пропозиція. 2005. № 8 - 9. С. 18 - 20. (Здобувач запропонував перед механічною обробкою копитець ВРХ використовувати копитцеві ванни).

8. Рудик С.К. Критерії та контроль якості проведення операцій по відновленню оптимальної форми копитець ВРХ / С.К. Рудик, В.Ф. Ярошенко, В.М. Рибалко: тези доповідей ювілейної наукової конференції викладачів, наукових співробітників, присвячена 65-річчю факультету МСГ НАУ. (Київ, 22 - 25 грудня 1994 р.). К., НАУ, 1994. С. 73.

9. А.с. 1388022 СССР, МКИ А 61 D 3/00. Устройство для обрезки копытец / В.Ф. Ярошенко, В.Н. Рыбалко, М.А. Терес, В.Н. Ткаченко (СССР). №4098879/30-15; заявл. 20.05.86; опубл. 15.04.88, Бюл. №14.

10. А.с. 1576159 СССР, МКИ А 61 D 3/00. Устройство для расчистки копыт / В.Ф. Ярошенко, В.Н. Рыбалко, М.А. Терес, В.С. Диденко (СССР). №4396209/30-15; заявл. 23.03.88; опубл. 07.07.90, Бюл. №25.

11. А.с. 1613073 СССР, МКИ А 01 К 13/00. Устройство для обрезки копытец животных / В.Ф. Ярошенко, В.Н. Рыбалко, А.Е. Семеновский, М.А. Терес (СССР) - №4447481/30-15; заявл. 24.06.88; опубл. 15.12.90, Бюл. №46.

12. А.с. 1759413 СССР, МКИ А 61 D 3/00/ Устройство для обработки копытец / В.Ф. Ярошенко, В.Н. Рыбалко, М.А. Терес (СССР). №478871/15; заявл. 01.02.90; опубл. 07.09.92, Бюл. №33.

13. Пат. 23489 Україна, МКВ А 61 D 3/00. Пристрій для обрізки копитець / Рудик С.К., Ярошенко В.Ф., Рибалко В.М., Артюшенко Л.В.; заявник та патентотримач Національний аграрний університет. № 96124776; заявл. 23.12.96; опубл. 31.08.98, Бюл. №4.

14. Пат. 23490 Україна, МКВ А 61 D 3/00. Пристрій для обрізки копит і копитець домашніх тварин / Рудик С.К., Ярошенко В.Ф., Рибалко В.М.; заявник та патентотримач Національний аграрний університет. №96124777; заявл. 23.12.96; опубл. 31.08.98, Бюл. №4.

15. Пат. 49549 Україна, МКВ А 01 D 3/00. Пристрій для розчистки копитець / Рудик С.К., Ярошенко В.Ф., Рибалко В.М., Артюшенко Л.В.; заявник та патентотримач Національний аграрний університет. №2001129033; заявл. 25.12.01; опубл. 16.09.02, Бюл. №9.

16. Пат. 69095 Україна, МКВ А 01 L 11/00. Пристрій для обрізання копитець свійських тварин / Ярошенко В.Ф., Рибалко В.М., Білоножко В.М.; заявник та патентотримач Національний аграрний університет. №20031210959; заявл. 03.12.03; опубл. 16.08.04, Бюл. № 8.

17. Пат. 66944 Україна, МКВ А 01 К 29/00; А 01 L15/00. Пристрій для контролю геометричних характеристик копитець та копит свійських тварин / Рудик С.К., Ярошенко В.Ф., Рибалко В.М., Рибалко Д.В.; заявник та патентотримач Національний аграрний університет. № 2002042891; заявл. 10.04.02; опубл. 15.06.04, Бюл. №6.

18. Пат. на корисну модель 6043, Україна, МКВ А 01 К 13/00. Пристрій для обрізання копитець та копит / Бойко А.І., Ярошенко В.Ф., Рибалко В.М., Білоножко В.М.; заявник та патентотримач Національний аграрний університет. № 20040705989; заявл. 20.07.04; опубл. 15.04.05, Бюл. № 4.

Размещено на Allbest.ru