EXPERIMENTAL STUDIES OF PARAMETERS OF FRICTION FISHING MECHANISMS IN COMMERCIAL FISHERY
Authors:
1.
Kaliningrad State Technical University
2.
Kaliningrad State Technical University
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Industrial Fishery)
Type:
Article
Pages:
from 51
to 59
Status:
Published
Received:
05.12.2014
Accepted:
25.12.2014
Published:
25.12.2014
Subject area:
UDK 639.2.081.117.4
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
frictional mechanism, experimental research, coefficient of friction
Abstract (English):
The need to study the frictional interaction of cordage, of which fishing gear is manufactured, and the traction drum with wedging profile, as well as with the use of the pressure roller determined the relevance of the study. The purpose of the work is to study the static friction coefficient μ for «cordage - friction drum». The previously unknown dependencies µ = f ( S 1max/ S 2, W ф), S 1/ S 2 = f (β), µ = f ( S 1max/ S 2, β), S 1/ S 2 = f ( S 1, S 2, P , α, αп) where S 1 и S 2 - the efforts of tight and slack strands of flexible rope; β - the wedge angle of the drum; W ф - actual humidity of cordage, α - angle of cordage wrap on the drum; αп - contact angle of the pressure roller; P - the weight of the pressure roller, are established. The experiments were carried out in 2012-2014. In the experiments, the twisted ropes (twist Z ) from polyamide and polypropylene and wedge-like drums of friction type: wedge and trapezoidal, steel, aluminum and wood (aspen) with the wedge angle 30o ≤ β ≤ 40o were used. The dependencies for the wedge profile μ = f ( S 1max/ S 2, W ф) and µ = f ( S 1/ S 2, β) show that the static friction coefficient μ increases with the ratio S 1/ S 2 and decreases with the absolute difference S 1 - S 2, which in its turn is a thrust of the of the frictional mechanism. The dependences of the friction coefficient μ and the ratio S 1/ S 2 = f ( S 1, S 2, P , α) from the angle of pressing of the pressure roller are fixed. It was revealed that the coefficient of friction is the highest at the angle α = 150°.
The need to study the frictional interaction of cordage, of which fishing gear is manufactured, and the traction drum with wedging profile, as well as with the use of the pressure roller determined the relevance of the study. The purpose of the work is to study the static friction coefficient μ for «cordage - friction drum». The previously unknown dependencies µ = f ( S 1max/ S 2, W ф), S 1/ S 2 = f (β), µ = f ( S 1max/ S 2, β), S 1/ S 2 = f ( S 1, S 2, P , α, αп) where S 1 и S 2 - the efforts of tight and slack strands of flexible rope; β - the wedge angle of the drum; W ф - actual humidity of cordage, α - angle of cordage wrap on the drum; αп - contact angle of the pressure roller; P - the weight of the pressure roller, are established. The experiments were carried out in 2012-2014. In the experiments, the twisted ropes (twist Z ) from polyamide and polypropylene and wedge-like drums of friction type: wedge and trapezoidal, steel, aluminum and wood (aspen) with the wedge angle 30o ≤ β ≤ 40o were used. The dependencies for the wedge profile μ = f ( S 1max/ S 2, W ф) and µ = f ( S 1/ S 2, β) show that the static friction coefficient μ increases with the ratio S 1/ S 2 and decreases with the absolute difference S 1 - S 2, which in its turn is a thrust of the of the frictional mechanism. The dependences of the friction coefficient μ and the ratio S 1/ S 2 = f ( S 1, S 2, P , α) from the angle of pressing of the pressure roller are fixed. It was revealed that the coefficient of friction is the highest at the angle α = 150°.
Keywords:
frictional mechanism, experimental research, coefficient of friction
frictional mechanism, experimental research, coefficient of friction
Введение Комплексная механизация процессов промышленного рыболовства включает в себя применение широкого спектра промысловых механизмов фрикционного типа (МФТ). Орудие рыболовства удерживается на поверхности тягового барабана фрикционного механизма при помощи силы трения и перемещается вместе с вращающимся барабаном без проскальзывания (буксования). В этом случае осуществляется их фрикционное взаимодействие в условиях предварительного смещения, которое является начальной фазой трения скольжения. Оно характеризуется неполной силой трения, превосходящей сдвигающую силу (окружную силу), создаваемую на поверхности тягового барабана приводом промыслового механизма [1, 2]. Необходимость изучения фрикционного взаимодействия канатно-веревочных изделий (КВИ), из которых изготавливаются орудия рыболовства, и тягового барабана с заклинивающим профилем, а также с применением прижимного ролика, для его последующего применения в промысловых механизмах при модернизации промысловых схем определила актуальность наших исследований. Цель работы заключалась в исследовании статического коэффициента трения μ для трибопар «КВИ - фрикционный барабан». Эксперименты проводились в 2012-2014 гг. Отметим, что заклинивающий профиль и барабаны с прижимным роликом используются в таких промысловых механизмах, как: - машина конструкции Старовойтова; - поводцевыборочный механизм конструкции Научно-исследовательского и конструкторского института Министерства рыбной промышленности СССР (НИКИМРП); - лебедки; - сетевыборочный механизм при дрифтерном лове и ярусоподъемник. Эксперименты с заклинивающим профилем Для экспериментов с заклинивающим профилем основным условием было, чтобы непосредственно контакт КВИ происходил только с боковыми стенками шкива (рис. 1). Рис. 1. Условие проведения экспериментов для барабана с заклинивающим профилем В экспериментах использовались крученые канаты (крутка Z) из полиамида (ПА) и полипропилена со следующими характеристиками: линейная плотность - 45 ≤ T ≤ 146 ктекс; диаметр каната - 8,0 ≤ d ≤ 18,0 мм; длина каната - 2,0 ≤ L ≤ 4,08 м (табл. 1). В ходе исследования использовались следующие барабаны фрикционного типа: клиновидные и трапециевидные, стальные, алюминиевые и деревянные (осина) с углом клина 30° ≤ β ≤ 40° (табл. 2). Таблица 1 Характеристики сетематериалов Материал № Вид Линейная плотность, T, ктекс Диаметр d, мм Разрывная нагрузка, Тр, H Длина L, м Направление крутки Полиамид (капрон) 1 Канат кручёный 45 8 11 587 3,34 Z 2 Канат кручёный 56 10 15 712 4,08 Z 3 Канат кручёный 77 11 20 425 3 Z 4 Канат крученый 95 18 54 010-66 776 1,9 Z Полипропилен 5 Канат крученый 146 18 46 000-52 000 2 Z Таблица 2 Характеристики барабанов № барабана Профиль Материал барабана Угол клина барабана β, град 1 Клиновой Сталь 36 2 Клиновой Алюминий 32 3 Клиновой Алюминий 38 4 Клиновой Алюминий 37 5 Клиновой Дерево, осина 30 6 Клиновой Дерево, осина 40 7 Клиновой Дерево, осина 50 8 Трапециевидный Дерево, осина 30 Для детального изучения коэффициента трения была создана экспериментальная установка. Приводом установки является мотор-редуктор, состоящий из асинхронного электродвигателя мощностью Nм = 0,12 кВт с частотой оборотов n = 1380 об/мин и червячного редуктора с передаточным отношением i = 53 и частотой оборотов тихоходного вала nт.в =26 об/мин (рис. 2). Рис. 2. Экспериментальная установка: 1 - мотор-редуктор; 2 - съёмный барабан; 3 - тензостанция MIC-200; 4 - тензодатчик; 5 - разновесы; 6 - преобразователь частоты Натяжение набегающей ветви КВИ S1 измеряется тензометрическим датчиком, имеющим диапазон измерений от 0 до 491,0 Н. Угловая скорость барабана ω может плавно регулироваться в диапазоне 0 £ ω £ 0,43 с-1 за счёт управления электродвигателем при помощи преобразователя частоты ACS350-01E-02A4-2, 0,37 кВт, 220 В с базовой панелью ACS-CP-C J404 (рис. 3). Рис. 3. Преобразователь ACS350-01E-02A4-2 и тензодатчик Методика проведения эксперимента по исследованию статического коэффициента трения. Образцы КВИ исследовались на четырёх шкивах D0 = 96; 99; 114; 269 мм. Угол обхвата барабана МФТ составлял 180°. Угловая скорость барабана составляла ω = 0,43 с-1. Условия проведения опытов: шкив МФТ абсолютно жесткий; поверхность шкива МФТ - обработанный алюминий, сталь, дерево; пренебрегаем деформациями капроновых КВИ, вызванными их весом; форма сечения КВИ в пределах дуги контакта со шкивом МФТ не изменяется (рис. 4). Рис. 4. Методика проведения эксперимента Экспериментальные работы проводились с образцами канатных изделий в состоянии нормальной влажности Wф = 4 %. Устанавливались поочередно шкивы. Испытуемый образец укладывался на барабан так, чтобы длина сбегающей ветви равнялась 0,5 м, а угол обхвата составлял α = 180°. Набегающая ветвь крепилась к тензодатчику, подключённому к тензостанции. Сбегающая ветвь нагружалась мерным грузом для создания натяжения S2. Шкив приводился во вращение с частотой оборотов 6,3 об/мин. При этом в пределах дуги контакта возникала сила трения между барабаном и исследуемым образцом КВИ. По результатам экспериментов с КВИ строились зависимости вида S1 = f(t) (рис. 5). С графика снималось значение S1max. Это предельное значение S1, при котором барабан МФТ и КВИ работают без проскальзывания. По полученным данным производился расчет статического коэффициента трения, после чего эксперимент повторялся. Сетематериалы № 1-3 испытывались на барабанах № 1-4, сетематериалы № 4-5 - на барабанах № 5-8. Рис. 5. Зависимость S1 = f(t) в эксперименте с сухим канатом d = 10 мм при S2 = 24,726 Н По окончании экспериментов составляли сводную таблицу, в которой указывали все полученные значения. Для образца материала № 1 эти значения приведены табл. 3 и 4. Таблица 3 Сводная таблица для образца материала № 1 Образец КВИ Барабан № dн, мм № барабана α, град D0, мм m, г S2, H S1, H S1/S2 1 8 1 36 96 500 4,91 25,721 5,238 1 000 9,82 48,320 4,921 1 500 14,73 67,647 4,592 2 004 19,679 82,723 4,204 2 518 24,726 105,023 4,247 2 32 99 500 4,91 48,780 9,935 1 000 9,82 79,924 8,139 1 500 14,73 108,891 7,392 2 004 19,679 112,083 5,696 2 518 24,726 129,961 5,256 3 38 128 500 4,91 39,379 8,020 1 000 9,82 65,589 6,679 1 500 14,73 85,741 5,821 2 004 19,679 100,661 5,115 4 37 269 200 1,964 22,334 11,372 300 2,946 29,742 10,096 400 3,928 40,847 10,399 Таблица 4 Сводная таблица коэффициента трения для образца материала № 1 Образец КВИ Шкив m, г µ № dн, мм № α, град D0, мм 1 8 1 36 96 500 0,68 1 000 0,662 1 500 0,636 2 004 0,602 2 518 0,607 2 31 99 500 0,989 1 000 0,894 1 500 0,849 2 004 0,729 2 518 0,695 3 38 128 500 0,876 1 000 0,797 1 500 0,737 2 004 0,682 4 37 269 200 1,032 300 1,009 400 0,984 Далее производился расчет статического коэффициента трения по формуле [3]: (1) где S1 и S2 - усилия на набегающей и сбегающей ветвях гибкой нити, Н; μ - коэффициент трения; α - угол обхвата нитью барабана, рад. Эксперименты с применением прижимного ролика В ходе экспериментов исследовалось влияние прижимного ролика на тягу фрикционных механизмов. Статический коэффициент трения трибопар, образованных КВИ на поверхности стального барабана, рассчитывался при условии, что КВИ прижаты к барабану прижимным роликом. Задачей являлось исследование зависимости силы натяжения набегающей ветви от угла прижима и силы прижатия для трибопар КВИ - стальной барабан. Методика проведения экспериментов. Методика, описывающая сам процесс проведения экспериментов, полностью совпадает с методикой проведения эксперимента по исследованию статического коэффициента трения. Образцы КВИ исследовались на трех сменных втулках барабана цилиндрического профиля диаметром D0 = 104; 129 и 152 мм (табл. 5). Таблица 5 Характеристики экспериментальных образцов КВИ для экспериментов с прижимным роликом Материал Вид Линейная плотность, ктекс Диаметр d, мм Разрывная нагрузка Tр, H Длина L, м Масса m, г Крутка Полиамид (капрон) ПА Нитка кручёная 420 ктекс 2,2 972,2 3,52 6,7 Z Верёвка кручёная 9,3 ктекс 4,0 3 387,9 3,24 26,1 S Угол обхвата барабана составлял 180°. Для различных углов каждого барабана исследуемого образца КВИ использовалось 3 веса: S2 = 1,964; 3,928 и 5,892 Н. Для каждого S2 на трех точках прижима использовалось три веса прижатия P = 1,964; 2,946 и 3,928 Н. Эксперименты проводились на трех различных углах прижатия: α1 = 120°, α2=135°, α3 = 150°. Точками прижатия являлись точки А1, А2, А3 соответственно (рис. 6, 7). Рис. 6. Точки прижатия ролика на барабане Рис. 7. Экспериментальная установка с углом прижатия α = 120° После серии из 5-ти экспериментов изменялись массы загрузки на сбегающей ветви и массы прижима и эксперимент повторялся. Обработка данных из предыдущих таблиц представляла собой составление сводной таблицы входных данных с рассчитанным отношением S1/S2. В качестве примера приведена табл. 6 для образца материала № 1 на барабане D0 = 104 мм на трех углах прижима с тремя различными S2. Таблица 6 Сводная таблица данных для образца материала № 1 на барабане D0 = 104 мм Образец барабана dн , мм D0, мм αп, град m, г S2, Н mп, г Pп, Н S1max, Н S1max/S2 μ 1 2,2 104 120 200 1,964 200 1,964 3,561 1,813 0,3 300 2,946 3,725 1,897 0,321 400 3,928 3,909 1,990 0,337 400 3,928 200 1,964 6,420 1,634 0,27 300 2,946 6,467 1,646 0,272 400 3,928 6,682 1,701 0,283 600 5,892 200 1,964 9,877 1,676 0,278 300 2,946 10,004 1,698 0,283 400 3,928 10,315 1,751 0,293 135 200 1,964 200 1,964 3,532 1,798 0,302 300 2,946 3,871 1,971 0,334 400 3,928 4,179 2,128 0,36 400 3,928 200 1,964 7,184 1,829 0,308 300 2,946 7,201 1,833 0,309 400 3,928 7,611 1,938 0,328 600 5,892 200 1,964 10,395 1,764 0,296 300 2,946 10,581 1,796 0,302 400 3,928 10,684 1,813 0,305 150 200 1,964 200 1,964 3,506 1,785 0,3 300 2,946 4,257 2,168 0,366 400 3,928 4,761 2,424 0,404 400 3,928 200 1,964 8,163 2,078 0,351 300 2,946 8,240 2,098 0,355 400 3,928 8,571 2,182 0,368 600 5,892 200 1,964 11,494 1,951 0,33 300 2,946 11,623 1,973 0,334 400 3,928 11,815 2,005 0,339 Расчет коэффициента трения производился также по формуле (1). Таким образом, для заклинивающего профиля нами получены зависимости μ = f(S1max/S2, Wф), µ = f(S1/S2, β), позволяющие видеть, что статический коэффициент трения μ растёт с увеличением отношения S1/S2 и уменьшением абсолютной разницы S1 - S2, которая, в свою очередь, представляет собой тягу МТФ (рис. 8). Рис. 8. График зависимости μ = f(S1max/S2) для сухого каната ПА d = 8 мм (Wф = 4 %), находящегося в заклинивающем профиле (β = 31º, 37º, 38º) алюминиевого барабана и (β = 36º) стального барабана: µ - β = 36º, µ2 - β = 31º, µ3 - β = 38º, µ4 - β = 37º При определении зависимости коэффициента трения μ и отношения S1/S2 = f(S1, S2, P, α) от угла прижатия прижимного ролика установлено, что самое большое значение коэффициент трения имеет при α = 150° (рис. 9). Рис. 9. График зависимости S1/S2 от угла α при P = 1,964; 2,946 и 3,928 Н: S2 = 1,964 Н = const. Барабан D = 129 мм, образец материала № 1 Поскольку современная наука о трении исходит из того, что коэффициент трения [4] зависит от многих факторов - природы контактирующих тел, их шероховатости, давления, скорости взаимного перемещения, размера поверхности, продолжительности контакта и др., необходимо продолжить исследования в данной области. Выводы Таким образом, нами получены ранее неизвестные зависимости: - зависимости μ = f(S1max/S2, Wф), µ = f(S1/S2, β) для заклинивающего профиля, позволяющие видеть, что статический коэффициент трения μ растёт с увеличением отношения S1/S2 и уменьшением абсолютной разницы S1 - S2, которая, в свою очередь, представляет собой тягу МТФ; - зависимости коэффициента трения μ и отношения S1/S2 = f(S1, S2, P, α) от угла прижатия прижимного ролика; выявлено, что самое большое значение коэффициент трения имеет при α = 150°. Результаты исследований будут способствовать усовершенствованию промысловых механизмов, в которых используются заклинивающий профиль и барабаны с прижимным роликом.
1. Chichinadze A. V. Osnovy tribologii (trenie, iznos, smazka): ucheb. dlya tehn. vuzov / A. V. Chichinadze, E. D. Braun, N. A. Bushe, I. A. Buyanovskiy; pod obsch. red. A. V. Chichinadze. M.: Mashinostroenie, 2001. 664 s.
2. Nedostup A. A. Issledovanie staticheskogo koefficienta treniya rybolovnyh kanatno-verevochnyh izdeliy na barabane mehanizma frikcionnogo tipa / A. A. Nedostup, E. K. Orlov // Trenie i iznos. 2010. T. 31, № 4. C. 403-411.
3. Orlov E. K. Rezul'taty eksperimental'nogo issledovaniya normal'noy nagruzki pri frikcionnom vzaimodeystvii orudiya rybolovstva s tyagovym barabanom promyslovogo mehanizma / E. K. Orlov, A. A. Nedostup // Rybnoe hozyaystvo. 2012. № 5. S. 97-101.
4. Kragel'skiy I. V. Osnovy raschetov na trenie i iznos / I. V. Kragel'skiy, M. N. Dobychin, V. S. Kombalov. M.: Mashinostroenie, 1977. S. 444-445.
