Совершенствование теории и технологии подготовки хлопка-сырца к процессу джинирования для сохранения природных свойств волокна и семян

Размещено на http://www.allbest.ru/

Костромской государственный технологический университет (КГТУ)

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Совершенствование теории и технологии подготовки хлопка-сырца к процессу джинирования для сохранения природных свойств волокна и семян

Специальности: 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

Иброгимов Холназар Исломович

Кострома 2009

Работа выполнена в Костромском государственном технологическом университете (КГТУ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Корабельников Ростислав Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Павлов Ювеналий Васильевич Ивановская государственная текстильная академия,

доктор технических наук, профессор Капитанов Анатолий Федорович Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина,

доктор технических наук, профессор Дьячков Владимир Александрович Костромской государственный технологический университет.

Ведущая организация: ФГУП «Центральный научно- исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности» (ЦНИХБИ)

Защита диссертации состоится 2009 г. на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 в Костромском государственном технологическом университете по адресу: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, ауд.214. Е-mail: info@kstu.edu.ru, факс: (4942) 31-70-08.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Костромского государственного технологического университета

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор П.Н. Рудовский.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В современных условиях для развития техники и технологии первичной переработки хлопка первостепенное значение приобретают вопросы, связанные со снижением производственных затрат на выработку продукции, повышением ее качества и конкурентоспособности на мировом рынке. Для достижения нормативных показателей на волокно на хлопкозаводах необходимо совершенствовать технологию подготовки хлопка-сырца к джинированию, с учетом специфических свойств селекционных разновидностей хлопка. Качественные и количественные показатели вырабатываемого хлопкового волокна и другой побочной продукции во многом зависят от уровня развития техники и технологии первичной переработки хлопка-сырца, включающей процессы подготовки материала (сушка и очистка) к операции джинирования и пакетирования.

В последние годы в хлопкоочистительной промышленности из-за нарушений технологии переработки хлопка-сырца на хлопкозаводах, неисправного состояния сушильных и топочных агрегатов, очистителей хлопка и другого основного и вспомогательного оборудования вырабатывается волокно невысокого качества. Наблюдается переход волокна в низшие классы, и оно реализуется по сниженным классам и соответственно по низким ценам. Во многих случаях хлопкозаводы поставляют потребителю хлопковое волокно с повышенной зажгученностью и содержанием мелкого сора.

В настоящее время влияние сушки и очистки на кинетику засоренности, на структуру хлопка-сырца, на механизм порокообразования волокна по технологическим процессам и кинетику изменения цвета волокна мало изучены. Не раскрыт механизм образования мягких пороков волокна в процессе сушки хлопка-сырца. Недостаточно исследованы процессы образования зажгученности, удлинения волокон в связях летучек в хлопкоочистительных машинах. Отсутствует научное обоснование методики выбора мест установки очистителей хлопка-сырца в технологической цепочке. Не разработано теоретическое модели, описывающие изменение плотности потока обрабатываемого материала, образования процесса зажгученности хлопка при его подготовки к джинированию. Не разработан комплексный показатель воздействия очистителя на хлопок-сырец в процессе очистки, имеющий корреляцию с качественные показатели волокна и семян. Необходимы модели, прогнозирующие изменение структурного показателя волокнистого материала, что могло бы служить основой при выборе рациональных режимов сушки и технологии очистки хлопка-сырца. Необходима гибкая технология подготовки хлопка-сырца к процессу джинирования, пригодная для перерабатываемых различных селекционных сортов хлопка.

Необходимость решения этих задач обуславливает актуальность настоящей работы.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованной, эффективной технологии подготовки хлопка-сырца к основному этапу переработки - джинированию на основе комплексного анализа существующих технологических процессов переработки хлопка-сырца, с учетом специфических свойств новых и перспективных сортов хлопка, при сохранении природных качеств волокна и семян.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

– проведен анализ современного состояния технологического процесса переработки хлопка-сырца и в частности этапов подготовки материала к процессу джинирования;

– разработан метод расчета и выбора технологической линии переработки новых и перспективных сортов хлопка, обеспечивающей более рациональное размещение оборудования в линии;

– разработаны новые режимы сушки с учетом термодинамических и теплофизических свойств хлопка-сырца;

– теоретически обоснованы и созданы более совершенные конструктивные схемы внутренних устройств сушилок барабанного типа для сушки хлопка-сырца с целью повышения их эффективности;

– разработаны требования, условия и способы, обеспечивающие интенсивную очистку новых и перспективных сортов хлопка от сорных примесей;

– разработаны модели, описывающие процессы разукрупнения (разрежения) хлопка-сырца в очистительных машинах, динамическое нагружение волокнистых связей, захват и удержание частиц хлопка рабочими органами, условия движения частиц материала по поверхности колков рабочего органа очистителя хлопка, основы образования зажгученности волокнистых связей летучек хлопка-сырца в очистителях мелкого сора;

– разработаны модели динамики взаимодействия колкового барабана с частицами хлопка-сырца, имеющими волокнистые связи, при центральном и нецентральном ударе по ним колков;

– развиты теоретические основы отделения сорных примесей от волокна в очистителях хлопка от мелкого сора, смоделирован процесс взаимодействия частиц хлопка с колком в зоне колосниковой решетки;

– разработаны модели комплексных показателей взаимодействия рабочих органов хлопкоочистительных машин с хлопком-сырцом в процессах очистки, имеющих корреляцию с качественными показателями волокна и семян;

– разработан способ определения структурного показателя, прогнозирования кинетики структуры хлопка-сырца по технологическим процессам переработки, установлена связь между структурным показателем и очистительным эффектом;

– разработаны научно обоснованные рекомендации и конструкции рабочих органов позволяющие устранить образование мягких пороков волокна в процессе подготовки хлопка-сырца к джинированию;

– разработаны практические варианты компоновки оборудования, обеспечивающие качественную переработку новых и перспективных разновидностей хлопка-сырца;

– проведен анализ прядильно-технологических свойств волокна новых сортов хлопка обеспечивающих более качественный прочес и относительно высокие физико-механические свойства пряжи.

Объектами исследования являются новые селекционные сорта хлопка 9326-В, 750-В, НС-60, Мехргон, Гулистан, Хисор, технологические процессы их переработки и оборудование для их осуществления.

Предметом исследования являются анализ базового технологического процесса переработки хлопка-сырца и разработка научно обоснованной технологии его подготовки к процессу джинирования и рекомендаций по совершенствованию конструкции сушилок и очистителей хлопка.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Разработанные математические модели базируются на законах теоретической механики, теории механических колебаний, теории математического моделирования, методах математического планирования эксперимента.

Для определения основных ступеней процесса дегидратации хлопка-сырца использованы метод тензометрии, а для установления связей теплофизических параметров метод теории подобия, закон соответствующих состояний и метод наименьших квадратов. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований проводилась на основе общепринятых методов оценки и интерпретации при доверительной вероятности не ниже 0,95. Обработка экспериментальных данных проводились с применением ПЭВМ, прикладных программ MathCad, AutoCad и Microsoft Excel.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием полученных теоретических результатов с данными экспериментов, в том числе выполненных ранее другими исследователями.

Научная новизна работы

Новыми являются следующие результаты:

1. На основе термодинамических исследований определены основные периоды процесса дегидратации хлопка-сырца, что является основой процесса его сушки;

2. Определены эмпирические зависимости, связывающих теплофизические параметры хлопка-сырца, что позволяет при известном значений одного из параметров конкретного сорта определить значение других параметров другого сорта хлопка;

3. Рассмотрена механика взаимодействия хлопка-сырца с внутренними устройствами барабанных сушилок, впервые введено понятие образования кольцевого слоя хлопка внутри барабанной сушилки, при взаимодействии с которым излишков хлопка приводит к образованию жгутов.

4. Разработаны теоретические основы, раскрывающие механизм зажгучивания хлопка внутри барабанных сушилок;

5. Разработана методика расчета параметров процесса разрежения потока хлопка-сырца при взаимодействии с колковыми барабанами очистителей хлопка от мелкого сора, определены основные кинематические и геометрические параметры колкового органа, обеспечивающего условия захвата и удержания частицы хлопка-сырца в процессе его очистки;

6. Разработаны теоретические модели, описывающие динамическое нагружение волокнистых связей между частицами хлопка-сырца, что позволяет совершенствовать конструкции очистителей хлопка от мелкого сора;

7. Разработан комплексный показатель воздействия очистителя на хлопок-сырец, имеющей корреляцию с качественными показателями волокна и семян. Новый комплексный показатель позволяет анализировать и рекомендовать наиболее рациональные схемы технологии очистки хлопка-сырца на стадии проектирования технологических процессов и при разработке новых конструкций очистителей;

8. Разработана математическая модель, описывающая изменения структурного показателя хлопка-сырца с учетом взаимовлияющих коэффициентов определяющих состояние и характеристики перерабатываемого материала;

9. Разработаны математические модели, описывающие изменение цвета волокна и определены основные параметры, влияющие на их градацию.

На защиту выносятся:

результаты комплексного анализа базового регламентированного технологического процесса переработки хлопка-сырца, проведенные исследования по выбору режимов сушки и вариантов очистки, теоретические положения и результаты практической реализации перспективной технологии подготовки хлопка-сырца к джинированию:

1) термодинамические исследования, эмпирические зависимости теплофизических параметров хлопка-сырца, рациональные режимы и технологии сушки хлопка-сырца;

2) теоретические основы, зажгучивания хлопка внутри барабанных сушилок, математические модели процессов очистки хлопка-сырца, разрежения, зажгучивания волокон;

3) метод оценки воздействия рабочих органов очистителя на хлопок-сырец, способ оценки структурного показателя хлопка-сырца;

4) математические модели, описывающие изменение цвета волокна и основные параметры взаимовлияющие на его градацию;

5) практические варианты компоновки оборудования, операции подготовки хлопка-сырца, результаты сравнительных анализов прядильно-технологических свойств волокна новых сортов хлопка.

Практическая значимость и реализация результатов работы

В результате проведенных исследований:

– разработаны температурные режимы сушки новых сортов хлопка-сырца с учетом термодинамических, теплофизических и специфических их свойств;

– разработаны новые конструкции внутренних устройств для повышения эффективности работы барабанных сушилок;

– созданы математические модели, описывающие изменение плотности потока хлопка в процессе его очистки и их зависимость от конструктивных параметров питателя;

– созданы математические модели, описывающие степень повреждаемости семян и образования зажгученности волокна в процессах переработки хлопка-сырца;

– разработана эффективная установка теплообразователя вырабатывающая чистый теплоноситель, не влияющий на цвет волокна;

– разработаны практические рекомендации по режимам сушки и вариантам очистки перспективных сортов хлопка;

– разработаны рекомендации по устранению образования жгутов при переработке хлопка-сырца в сушилках;

– разработаны практические рекомендации по технологии очистки перспективных сортов хлопка. Установлена кратность очистки и выбрана схема технологического процесса очистки перспективных сортов хлопка-сырца, для повышения качества волокна и снижения потерь хлопковой продукции.

Полученные в работе математические модели могут использоваться для расчета и проектирования сушильных устройств, очистителей волокнистых материалов. Полученные технические решения и разработки новых устройств прошли апробацию на многих хлопкозаводах Таджикистана. Разработанная сушилка с утилизацией тепла, сушильный барабан с разделительным насадкам, электрический теплообразователь и сушилка с применением специальных криволинейных лопастей используются на АООТ «Бохам», АООТ «Умед -1», АОЗТ «Бахтиёр» и других хлопкоперерабатывающих предприятий. Метод оценки воздействия рабочих органов очистителя на хлопок-сырец, способ оценки структурного показателя хлопка-сырца используется для выбора количества и места установки очистительных машин и определения качественных показателей хлопка. Результаты исследований используются в учебном процессе ТТУ им. акад. М.С. Осими для специальностей «Технология и оборудование первичной обработки хлопка» и «Технология текстильных изделий».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на расширенном заседании кафедры механической технологии волокнистых материалов и профессорских семинарах КГТУ. Доклады по материалам работы были заслушаны на: международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI Веке », ТТУ им. академика М.С. Осими, Душанбе (2005-2008г.г.); республиканской научно-практической конференции молодых ученых ТТУ им. акад. М.С. Осими, Душанбе (2005-2009г.г.); республиканской научно-практической конференции «Инновация - эффективный фактор связи науки с производством», Министерство промышленности и энергетики РТ. Душанбе, 2008 г.; II международной научно-практической конференции «Проблемы социально-экономической устойчивости региона», Пенза, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона». ЛЁН-2008. КГТУ, Кострома, 2008 г; всероссийской научно-техническая конференции студентов и молодых ученых «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфических отраслях промышленности» (ДНИ НАУКИ - 2009), Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, СПб, 2009 г.; межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2009). ИГТА, Иваново, 2009 г. и др.

Публикации. Положения диссертации отражены в 41 публикациях, в том числе 1 монографии, 11 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 8 статьях в сборниках научных трудов, 4 патентах и 1 свидетельстве о регистрации интеллектуального продукта, 16 материалах научно-практических конференций и выставок.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов и рекомендаций, библиографического списка включающего 244 наименования и приложений. Общий объем работы 340 страницы, содержит 89 рисунка, 84 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований и решаемые задачи, изложены научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.

В первой главе проведен аналитический обзор, состояния вопроса технологии переработки новых и перспективных сортов хлопка, результаты исследований агрохозяйственных характеристик хлопка, состояния современного сушильного и очистительного оборудования, результаты анализа качественных показателей волокна и семян на хлопкозаводах, основные показатели производства хлопка-сырца и др.

Анализ состояния вопроса технологии переработки хлопка-сырца на современном этапе развития хлопковой промышленности опирается на исследования, проведенные учеными и специалистами Узбекской государственно-акционерной ассоциации по переработке хлопка-сырца и сбыту хлопковой продукции «Узгосхлопкопромсбыт» НПО «Хлопкопром», ТГСКБ по хлопко-очистке, учеными ТИТЛП, ТАШПИ, ТИИМСХ, Департамента по переработке хлопка Министерства сельского хозяйства Республики Таджикистан, а также учеными ТТУ им. акад. М.С. Осими и др.

Практика переработки хлопка-сырца показывает, что технологический регламент не полностью обеспечивает учет особенностей переработки новых селекционных сортов хлопка и поэтому приходится с их появлением его корректировать. хлопок сырец джинирование технологический

Совершенствованием и созданием конструкции барабанных сушилок для хлопка-сырца занимались Г.В. Банников, А.И. Ульдяков, К.М. Сальмин, А.В. Корсукова и др.

Развитием теории тепломассообмена, исследованием новых режимов сушки хлопка-сырца, оптимизацией температурных режимов сушки, процессов предварительного подогрева хлопка-сырца, разработкой способов подготовки влажного материала к сушке, созданием новых конструкций сушилок занимались учеными ТИТЛП Г.А. Гамбург, А.П. Парпиев, А.З. Маматов, М.Р. Садыков, Р.Д. Артыков, М. Ахматов, А.М. Каюмов, М.А. Гаппарова и др.

Созданием теории, конструкции и совершенствованием различных видов сушилок для сушки зерна и волокнистых материалов занимались и занимаются учеными различных ВУЗов и научных учреждений РФ Б.С. Сажин, И.П. Карнюхин, Т.А. Карнюхина, Г.Н. Морозов, В.М. Каравайков, Ю.В. Солодов, Н.В. Киселёв и др.

В настоящее время на хлопкозаводах хлопок-сырец высушивается только в барабанных сушилках марки 2СБ-10, СБО, СБТ и МС.

Основными недостатками барабанных сушилок типа 2СБ-10 и СБО, СБТ являются: низкий влагоотбор, жесткий температурный режим сушки (до 280 ⁰С), появление зажгученности хлопка, повреждения волокон и семян, неравномерное распределение хлопка-сырца по объему камеры барабана, малая удельная площадь тепловоспринимающей поверхности хлопка-сырца при его падении с лопастей и др.

Практика работы барабанных хлопковых сушилок показывает, что при существующих конструкциях внутренних устройств и в случае переработки влажных и, особенно, низких сортов хлопка-сырца возможно образование огромных жгутов из волокна, иногда похожих на веревки и канаты.

В этой связи возникла существенная необходимость подробно изучить работу барабанных сушилок с целью установления влияния факторов на происходящий в них процесс и на основе этого определить дальнейшие пути повышения эффективности сушки, с помощью:

- разделения объема падающего с лопастей комка хлопка-сырца;

- увеличения удельной площади тепловоспринимающей поверхности хлопка-сырца;

- повышения эффективности использования объема камеры барабана и теплоносителя.

В создание и развитие теории и технологии очистки хлопка-сырца проведены фундаментальные исследования такими учеными как В.С. Федоров, Б.А. Левкович, С.Д. Болтабаев, Г.И. Мирошниченко, Е.Ф. Будин, Г.И. Болдинский, Р.Г. Махкамов, Р.З. Бурнашев, Р.В. Корабельников, Х.К. Турсунов и др. Созданием очистителей хлопка и исследованием технологии очистки хлопка-сырца занимались учеными ЦНИИХПрома А.А. Муратов, С.А. Самандаров, Ю.С. Сосновский, Г.П. Нестеров, П.Н. Бородин, Р.Ф. Беляков, учеными ТИТЛП А.Е. Лугачев, А. Сафаев, С. Фазылов и др. Однако, вопросы порокообразования волокна при очистке хлопка-сырца остались нерешенными.

В завершении главы сформулированы основные задачи исследования связанные с совершенствованием технологии подготовки хлопка-сырца к процессу джинирования.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей технологических свойств хлопка-сырца в процессе сушки.

Особое внимание заслуживает технология процесса сушки новых перспективных разновидностей хлопка. Новые перспективные средневолокнистые сорта имеют свою специфику. Нами проведены теоретические и экспериментальные исследования распределения тепла в компонентах хлопка-сырца. В процессе термообработки хлопок-сырец являющийся объектом сушки рассматривается как трехкомпонентный материал и состоит из волокна, воздуха, заполняющего межволокнистое пространство и семян (рис. 1).

Рис. 1. Условная схема летучки хлопка-сырца

На основе теории А.В. Лыкова в работе рассмотрены уравнения теплопроводности для каждой из сред (воздуха, волокна и семян). Рассмотрены особенности подвода тепла и отвода влаги.

В лабораторных условиях была исследована кинетика изменения влажности хлопка-сырца и его компонентов селекционной разновидности 9326-В, II сорта, 1 класса с влажностью 13,8 и 29,6 %.

Для примера на рис. 2 а и б представлены зависимости температуры нагрева хлопка-сырца от продолжительности сушки при следующих значениях: и 200⁰С, W_х/с = 13,8 % . Отсюда видно, что темп нагрева хлопка-сырца повышается при снижении количества влаги.

Исследование термодинамических характеристик процесса дегидратации хлопка-сырца проведено тензометрическим методом с мембранным нуль - манометром, который широко применяется в экспериментальной химии при ис-следовании процессов, протекающих с образованием парообразных продуктов. Применение тензометрии в качестве основного экспериментального метода обусловлено особенностями работы с таким высокогигроскопичным и легкоокисляющимся и многокомпонентным материалом как хлопок-сырец.

а б

;

Рис. 2. Зависимость температуры нагрева хлопка-сырца от продолжительности сушки

Результаты исследований показали, что с увеличением степени влажности хлопка-сырца интервал температур протекания процесса дегидратации смещается в область более низких температур. При влажности W_х/с >10,0 % первая стадия процесса дегидратации хлопка-сырца с разной влажностью начинается при одинаковой температуре Т =295-310⁰К.

Установлено, что процесс дегидратации хлопка-сырца носит ступенчатый характер. Определены уравнения барограмм и по ним рассчитаны термодинамические характеристики отдельных ступеней процесса дегидратации хлопка-сырца.

Теплофизические свойства хлопка-сырца характеризуются удельной теплоемкостью , теплопроводностью , температуропроводностью , и термическим сопротивлением Р.

Измерение теплофизических свойств хлопка-сырца и его компонентов проведены по известной методике на установке ИТ-С_р - 400 ИТ--401.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что наиболее существенными факторами, влияющими на процесс сушки являются:

– исходная влажность хлопка-сырца, подвергнутого сушке, W_исх. - X₁;

– температура теплоносителя первого сушильного барабана, Т_в - Х₂;

– температура теплоносителя второго сушильного барабана, Т_в - Х₃.

В производственных условиях были проведены экспериментальные исследования. Используя метод планирования эксперимента ПФЭ 2ⁿ , статистическую обработку экспериментальных данных на ЭВМ, получены следующие уравнения регрессии для средневолокнистых сортов хлопка при однократной сушке:

- для засоренности хлопка-сырца после очистительного цеха:

У₁ = 0,39 + 0,09 Х₁ - 0,35 Х₂ - 0,003 Х₁ Х₂ ;

- для влажности хлопка-сырца после сушки:

У₂ = 7,61 + 0,93 Х₁ - 0,93 Х₂ - 0,29 Х₁ Х₂ ;

- для влажности волокна после сушки:

У₃ = 5,5 + 0,6 Х₁ - 0,91 Х₂- 0,22 Х₁ Х₂ ;

- для влажности семени после сушки:

У₄ = 9,15 + 1,14 Х₁ - 0,71 Х₂ - 0,2 Х₁ Х₂ ;

- для содержания пороков и сорных примесей в волокне после сушки:

У₅ = 3,95 + 0,26 Х₁ - 0,52 Х₂ + 0,09 Х₁Х₂ ;

- для зажгученности волокна после сушки:

У₆ = 0,28 + 0,04 Х₁ - 0,34 Х₂ - 0,01 Х₁Х₂ ;

- для удельной разрывной нагрузки волокна после сушки:

У₇ = 23,63 - 0,06 Х₁ - 0,39 Х₂ - 0,008 Х₁ Х₂ ;

- для штапельной длины волокна после сушки:

У₈= 32,34 - 0,03 Х₁ - 0,43 Х₂ - 0,008 Х₁ Х₂ .

В работе приведены регрессионные уравнения также для режима двукратной сушки хлопка-сырца средне и длинноволокнистых сортов хлопка. Анализ регрессионных уравнений показывает, что практически все исследуемые факторы самостоятельно или во взаимодействии с другими влияют на выходные параметры количественных и качественных показателей перерабатываемого хлопка-сырца. Полученные системы адекватных уравнений позволяют выбрать наиболее рациональные режимы сушки для новых сортов хлопка-сырца и являются основой для совершенствования конструкции барабанных сушилок.

Третья глава посвящена, совершенствованию теории взаимодействия хлопка-сырца с внутренними конструктивными элементами барабанных сушилок. Наиболее совершенными по конструкции являются сушилки марок СБО, СБТ и МС, предназначенные для сушки как средневолокнистых, так и длинно-волокнистых сортов хлопка-сырца.

На рис. 3 показаны: а - схема поперечного и б - продольного разреза барабанных сушилок. Здесь: 1 - корпус сушилки, 2 - обечайка барабана, 3 - лопасти, 4 - слой хлопка-сырца на обечайке и на лопастях, 5 - траектория падения комков хлопка-сырца с лопастей, 6 - траектории движения хлопка-сырца вдоль оси барабана, 7 - устройство для подачи влажного хлопка-сырца во внутрь камеры сушилки, 8 - выводное устройство.

Рассмотрены наиболее характерные участки траектории движения хлопка-сырца в камере барабана. На рис. 3 а показан примерный веер траекторий падения комков хлопка-сырца с лопастей. Хлопок-сырец начинает падать, когда угол наклона лопастей достигнет своего критического значения - угла трения. При вертикальном положении лопасти весь сырец будет сброшен вниз, т.е. подъем хлопка лопастями длится не более половины оборота барабана. На рис. 3 б обозначено: АВ - участок траектории при загрузки хлопка-сырца, ВС - подъем хлопка-сырца на лопастях и обечайке барабана, СД - участок траектории падения комков хлопка-сырца. Далее цикла повторяется.

а б

Рис. 3. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы сушилки

Определена взаимосвязь кинематических параметров вращения барабана и времени цикла движения хлопка-сырца внутри сушилки.

С учетом времени цикла, времени пребывания хлопка-сырца внутри сушилки при известной технологической длине барабана величина перемещения за один цикл может быть определена

.(1)

где время пребывания хлопка-сырца внутри сушилки; длина сушильного барабана; время цикла; высота падения хлопка-сырца с лопастей; число циклов; число оборотов сушильного барабана.

Анализ показывает, что в существующих барабанных сушилках неэффективно используется как технологический объем (около 50%), так и теплоноситель (половина горячего теплоносителя проходит, минуя поток хлопка-сырца). Это один из главных недостатков существующих барабанных сушилок хлопка-сырца.

Для повышения эффективности хлопковых сушилок нами разработаны ряд технических решений, наиболее важным из которых является сушильный барабан с разделительными насадками (рис.4).

Рис. 4. Сушильный барабан с разделительными насадками

Новизна конструкции заключается в том, что на неподвижной стальной оси 1, закреплены наклонные сетчатые насадки 2, посредством соединительных планок 3. Концы насадок прихвачены металлическими уголками 4. Для придания жесткости в системе предусмотрена поперечные приспособления 5.

Установка сетчатых насадок позволяет равномерно распределять хлопок-сырец по объему сушильной камеры.

Другой разработкой является сушилка с сетчатым разделительным барабаном (рис. 5). Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, цилиндрического барабана 2, лопастей 3. Внутри основного сушильного барабана установлен малый сетчатый барабан 4 с прикрепленными в наружной части лопастями 5. Остальные узлы и механизмы предлагаемого устройства аналогичны другим сушильным агрегатам для хлопка-сырца. Основная часть горячего воздуха (теплоноситель) проходит в кольцевом зазоре между барабанами, а часть его (примерно 30 - 40 %) подается через малый сетчатый барабан.

Применение предлагаемого устройства в сушильных барабанах устраняет известные недостатки сушилок, увеличивается эффективно-используемый объем камеры основного барабана и более эффективно используется теплоноситель.

Наиболее эффективной и малозатратной нашей разработкой является применение специальных лопастей на основном сушильном барабане.

Рис. 5. Сушилка для хлопка-сырца с сетчатым разделительным барабаном

Рис. 6. Сушильный агрегат с криволинейными лопастями

Поперечное сечение барабана с новыми лопастями представлено на рис. 6. В корпусе 1 размещается барабан 2, на обечайке которого закреплены обычные прямые лопасти 3 и чередующиеся с ними специальные криволинейные лопасти 4. Угол наклона рабочих поверхностей лопастей 4 достигает своего критического значения при условии , где угол трения хлопка о лопасти близко к вертикальной оси барабана.

Такая конструкция барабана обеспечивает широкий веер траекторий полета частиц хлопка-сырца после сброса с лопастей (величина может достигать всей ширины сечения барабана). Прямые лопасти будут сбрасывать хлопок-сырец в левой части объема камеры барабана, а криволинейные ближе к середине и в правой части.

Для обоснования основных параметров новых разработок в диссертации решены следующие задачи, а именно:

– рассмотрены вопросы движения хлопка-сырца по рабочей поверхности лопастей и определена относительная скорость схода частиц с лопастей;

– найдены параметры траектории полета частиц после схода с лопастей;

– определено условия движения частиц по поверхности дополнительных сетчатых насадок.

Предложенные новые технические решения и разработанная методика расчета основных параметров новых устройств для совершенствования конструкции барабанных сушилок позволят уменьшить объем падающего комка хлопка-сырца, увеличить удельную площадь тепловоспринимающей поверхности материала, максимально использовать объем камеры барабана и сушильного агента, повысить влагоотбор сушилки и сохранить природные свойства волокон и семян.

Одними из вредных пороков, образующихся при производстве хлопкового волокна, являются мягкие пороки (жгутики, узелки, непсы), а также такие как кожица с волокном (результат повреждения семян при очистке и джинировании) и содержание сора в волокне.

В работе рассмотрены теоретические основы образования зажгученности частиц хлопка-сырца при его обработке в барабанных хлопковых сушилках, например в 2СБ-10. Опыт работы хлопкосушилок типа 2СБ-10 показывает, что при переработке на ней хлопка-сырца повышенной влажности (при W = 25% и более при первой сушке и при W ? 17 - 20% при второй cушке) при производительности по хлопку свыше рекомендуемой, на выходе из сушилок возможно появление хлопка повышенной зажгученности и целых жгутов в виде веревок.

Анализ взаимодействия рабочих органов сушилок с хлопком позволяет выделить два основных перехода, где комки или частицы хлопка могут быть

подвержены скручиванию, - это при движении их по поверхности лопастей и при движении излишков хлопка по внутренней поверхности кольцевого слоя хлопка-сырца, образующегося при вращении барабана.

В работе рассмотрена система уравнений равновесия комков хлопка-сырца на поверхности лопаток и на кольцевом слое, определены условия скольжения или качения комков. Определены условие, при котором может образовываться кольцевой слой хлопка-сырца внутри сушилки.

Рассмотрен механизм скручивания волокнистых связей при качении излишков хлопка-сырца по кольцевому слою внутри сушилки.

Для определения условий скручивания волокнистых связей, существующих между комками при их качении, рассмотрена схема, изображенная на рис. 7. Здесь смоделированы два комка 4 и 5, имеющие между собой волокнистую связь 6 и катящиеся по кольцевому слою 3 вниз. Кольцевой слой хлопка-сырца формируется при вращении барабана 1 между лопастями 2.

Для того чтобы показать, как будет скручиваться волокнистая связь между комками, имеющими разные радиусы и , найдена зависимость угла поворота произвольного комка, радиусом , перемещающегося вниз по кольцевому слою из верхнего положения в нижнее

,(2)

гдесуммарный угол поворота -го комка при перемещении его вниз;

критический угол поворота барабана при подъеме комка, при котором он начал двигаться вниз; угол поворота барабана за время движения комка,

,

где время перемещения.

Анализируя выражение (2), можно видеть, что в зависимости от возможен широкий разброс значений . Даже при незначительной разнице в радиусах комков возможно большое различие в углах их поворота, а значит и в закручивании волокнистой связи между ними.

На рис. 8 показан график зависимости угла поворота комка при скатывании вниз по вращающемуся барабану в зависимости от его радиуса. Расчеты проведен при м = 1500 мм. График построен без учета угла .

Как видно из графика, даже небольшие перепады в разнице могут привести к различным углам поворота комков и, как следствие, к зажгучиванию волокнистых связей.

Примеры расчета закручивания волокнистой связи между комками хлопка и разработанные рекомендации по устранению зажгученности в барабанных сушилках приведены в диссертационной работе.

Рис. 7. Схема моделирования двух комков, имеющих между собой волокнистую связь и катящихся по кольцевому слою вниз

Рис. 8. График зависимости угла поворота комка хлопка-сырца при скатывании вниз в зависимости от его радиуса

В четвертой главе рассмотрены теоретические исследования взаимодействия рабочих органов очистителя мелкого сора с хлопком сырцом.

При взаимодействии колкового барабана с холстом происходят следующие важнейшие процессы, во многом определяющие качества хлопка-сырца и хлопкового волокна как при очистке, так в дальнейшем при джинировании. К этим процессам относятся: разукрупнение (разрежение) холста на отдельные клочки или отдельные летучки; удлинение связей между летучками; зажгучивание волокнистых связей из-за нецентрального ударного воздействия колков по летучкам; выделение сора; повреждение семян.

Механизмы этих процессов характерны и для других очистителей и машин первичной обработки хлопка. Поэтому рассмотрение этих процессов, получение математических и других моделей позволит распространить их и на другие операции, связанные с очисткой хлопка-сырца.

Процессы разукрупнения хлопка-сырца в очистителях рассматривались в работах профессоров Р.Г. Махкамова, Р.З. Бурнашева, А.Е. Лугачева и Ф.Ш. Юсупова и др.

Для раскрытия влияния технологических параметров рабочих органов питающей секции были проведены теоретические исследования, за основу которых принята методика, изложенная в работе Ф.Ш. Юсупова.

В результате получена следующая зависимость растяжения бородки от конструктивных и технологических параметров очистителя

.(3)

где скорость подачи хлопка-сырца питающими валиками; скорость деформации бородки; - длина недеформированной бородки; - длина деформированной бородки; коэффициент, учитывающий упругую составляющую деформацию ().

На рис. 9 представлен график кинетики изменения структурного состава хлопка-сырца по переходам и показан характер изменения плотности потока хлопка-сырца. По оси ординат отложено: z - среднее число летучек в частицах хлопка-сырца; - плотность потока хлопка-сырца.

Кривые 1, 2 соответствуют хлопку-сырцу 1 класса, 1 сорта при . Кривые 3, 4 соответствуют хлопку-сырцу 2 класса, 1 сорта при . Кривая 5 соответствует теоретической кривой изменения плотности потока хлопка-сырца, подсчитанной при м / с; мм; мм.

Рис. 9. Кинетика изменения структурного состава хлопка-сырца по переходам

В работе составлены модели взаимодействия частиц хлопка с колками, определены основные условия захвата и удержания частиц.

Исследовано также динамическое нагружения волокнистых связей при разрежении слоя хлопка-сырца.

На рис. 10. показана динамическая модель процесса нагружения волокнистых связей частиц хлопка-сырца рабочим органом при разрежении:

где 1 - рабочий орган (колок); 2 - частица (летучка) хлопка-сырца; 3 - волокнистая связь; - масса частицы; - сила сопротивления со стороны слоя при отделении частицы; - коэффициент жесткости волокнистой связи; - коэффициент демпфирования волокнистой связи; - координата движения рабочего органа; - координата движения центра тяжести частицы; - окружная скорость рабочего органа; - выборка слабины волокна при нагружении (выборка зазора).

При составлении модели были приняты следующие допущения:

- масса частицы считается сосредоточенной в центре тяжести ;

- движение частицы считается прямолинейным;

- сила сопротивления слоя считается постоянной.

Рис. 10. Динамическая модель процесса нагружения волокнистых связей частиц хлопка-сырца рабочим органом при разрежении

Дифференциальным уравнением движения частицы применительно к динамической модели (см. рис. 11) будет

.(4)

Деля на массу и, пренебрегая вторым членом, получили уравнения

,(5)

где - круговая частота собственных колебаний упругой системы.

Решая дифференциальное уравнение (5), получили выражение для определения нагрузки на связи от упругой деформации

.(6)

Максимальная нагрузка будет

.(7)

Так как скорость << , то можно записать, что

,(8)

а время нарастания нагрузки определится

.(9)

На рис. 11 изображен характер нагружения волокнистой связи при разрежении. В рассмотренном случае предполагается, что волокнистая связь подвержена только упругой деформации и отсутствует пластическая составляющая.

Рис. 11. Характер нагружения волокнистой связи при разрежении

Рис. 12. Образцы хлопка-сырца с образованием волокнистых связей между частицами

На рис. 12 представлены частицы (летучки) хлопка-сырца 1-го класса с образованием волокнистых связей между частицами после обработки на колковых очистителей хлопка от мелкого сора.

Фотографии подтверждают, что рассмотренные явления, описанные нами выше, происходят и поэтому следует разработать в дальнейшем мероприятия по устранению их негативного влияния на качество волокна и семян.

В процессе разрежения слоя хлопка-сырца после питающих валиков, а также после схода частиц с колков в зоне колосниковой решетки происходят удары очередными колками по частицам (летучкам), потерявшим скорость. При этом значительная часть летучек (частиц) испытывает внецентральные удары, что приводит к закручиванию волокнистых связей, появлению жгутов и, как следствие, к снижению качества волокна. Поэтому в работе рассмотрена процесс центрального и нецентрального удара колков о частицы хлопка (о летучку).

Пятая глава посвящена моделированием процессов взаимодействия рабочих органов очистителя с частицей хлопка-сырца, имеющей волокнистые связи. Проведены исследования причин образования зажгученности волокнистых связей летучек хлопка-сырца в очистителях мелкого сора.

Раскрытие причин образования жгутов и разработка мероприятий по их устранению являются важнейшими вопросами, связанными с повышением качества хлопкового волокна после очистки на очистителях мелкого сора.

Рассмотрено динамическое взаимодействие рабочих органов (колков) с частицами хлопка-сырца в зоне питающих валиков.

Рис. 13. Динамическая модель одномассовой системы с упругими и диссипативными связями

Раннее в работах Р.З. Бурнашева и Р.Г. Махкамова исследовался процесс удара колка о летучку хлопка-сырца как при центральном, так и при нецентральном ударе. Причем, летучка рассматривалась как тело в виде сферы с упруго-пластическими свойствами на сжатие. На наш взгляд, для изучения динамики процесса взаимодействия колка с частицами хлопка-сырца недостаточно учитывать лишь упруго-пластические свойства летучки. Следует рассматривать поведение связей частиц с холстом или другими частицами. Это позволит изучить вопросы нагружения связей при ударном приложении нагрузки. На рис. 14 представлена динамическая модель одномассовой системы с упругими и диссипативными связями. Аналогичная модель часто используется для исследования линейных упругих систем с одной степенью свободы, например в работах А.Р. Корабельникова. Модель, изображенная на рис. 14, включает:

- коэффициент жесткости волокнистой связи между летучками; - коэффициент демпфирования; - масса частицы (летучки); - периодическая сила, действующая со стороны колкового барабана; - координата движения холстика при его подаче питающими валиками; - координата движения центра массы частицы хлопка-сырца.

При составлении модели были приняты следующие допущения:

– т. к. скорость подачи хлопка-сырца питающими валиками мала по сравнению со скоростью колкового барабана, то изменением длины связи (прядки волокна) пренебрегаем, т. е. считаем, что 0;

– коэффициенты жесткости и демпфирования считаем постоянными;

– силой трения частицы о соседние летучки пренебрегаем;

– удар колков по частице будем считать неупругим.

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний системы будет (считая )

,(10)

где- коэффициент затухания, ;

- круговая частота собственных колебаний частицы, ;

- возмущающая сила со стороны колкового барабана, действующая с момента .

Предполагая, что колки воздействуют на хлопок-сырец в течение малого промежутка времени , поэтому их действия можно считать импульсами мгновенных сил. Мгновенными силами называются силы, действующие в течение малого времени , импульс которых имеет конечные значение.

.(11)

Далее в работе, считая удар неупругим, найдено решение уравнение (10) в виде

.(12)

(13)

импульс мгновенных сил; масса колкового барабана приведенная к точке удара; масса частицы (летучки) хлопка; скорость колка; начальная скорость частицы хлопка.

Рис. 14. Модель взаимодействия колка с частицей хлопка-сырца, имеющей волокнистую связь с холстом, сформированным питающими валиками

При ,

так, как

>> то (14)

Тогда уравнение колебаний примет вид

.(15)

Частица отделяется от холстика при условии, когда упругая сила достигает значения, равного силе сцепления её с холстиком, т. е.

(16)

или ? . (17)

Зная среднее значение силы сцепления частиц с холстиком, а также среднее значение и , можно выбрать рациональные значения скорости колкового барабана.

В отличие от работ Р.З. Бурнашева и Р.Г. Махкамова, где моделируется нецентральный удар колка по частице хлопка-сырца как удар рабочего органа о сферу, обладающую упруго-пластическим свойствам на сжатие, проведена исследование процесса взаимодействия колка с частицей, имеющей связь с холстом или с другими частицами.

Рассмотрена модель взаимодействия колка с частицей хлопка-сырца, имеющей волокнистую связь с холстом, сформированным питающими валиками. Эта связь представлена в виде равнодействующей силы , приложенной в точке . Такая модель показана на рис. 15. На частицу (летучку) 1 действует движущийся со скоростью колок 2. Допустим, что частица хлопка-сырца имеет форму шара радиусом , со стороны волокнистых связей с холстом на частицу действует сила . Колок движется относительно частицы с дезаксиалом ?. Начальный контакт колка с частицей происходит в точке . Поместим в точке начало координат система . Согласно правилам силу перенесем в точку . Тогда на частицу дополнительно будет действовать момент

,

где - угол встречи колка с частицей.

Этот момент приведет к скручиванию волокнистых связей.

В точке будут также действовать силы и , проекции которых на ось противодействуют силе , приложенной в точке . Нормальная реакция старается оттолкнуть частицу от колка влево, а сила трения стремится ее удержать. Кроме того, сила трения создает дополнительный момент, который старается повернуть летучку (частицу). Найдена ширина зоны (см. рис. 15), в которой частица будет удерживаться на колке и транспортироваться в направление скорости колка.

Рис. 15. Сечение частицы хлопка-сырца

Частицы хлопка, которые будут взаимодействовать с колками за пределом зоны (по оси вдоль оси колкового барабана) будут подвержены более высоким крутильным воздействиям, благодаря чему связи частиц будут перекручиваться и образуются жгуты. Определены зависимость величины зоны по длине колкового барабана, в которой волокнистые связи будут подвержены скручиванию. Рассмотрено сечение частицы хлопка-сырца (рис. 15). Ширина зоны (заштрихована) определяет зону, где захват колками частицы будет, надежным и она будет, транспортироваться по колосниковой решетке. Зоны вдоль дуг и определяют участки, где при взаимодействии частицы с колком она будет подвержена активному скручиванию. Обозначены эти зоны через , тогда

?? . (18)

Зная рабочую длину колкового барабана, шаг расстановки колков, можно определить вероятность того, что частицы хлопка-сырца будут скручиваться, проходя обработку колковым барабаном на одной секции.

Далее в работе определены условия транспортирования летучки колками и условия её закручивания. Найдена вероятность того, что определенное количество частиц (летучка) будет подвержено скручиванию

.(19)

где радиус летучки; радиус колка; угол трения колка о хлопок.

Выражение (19) имеет большое значение и может быть использовано при создании новых очистительных машин, поскольку оно учитывает как размеры частиц, так и размеры колков, а также их фрикционные свойства.

Рассмотрим пример. Пусть мм, мм, тогда

.

Это означает, что при таких параметрах хлопковых частиц и размерах колков до 34% частиц будет подвержено воздействию на скручивание.

Далее в работе рассмотрен процесс ударного воздействия на частицу с волокнистыми связями с учетом момента скручивания.

Вопросы образования технологических пороков в волокне следует рассматривать не только при джинировании и очистке волокна, но и при очистке хлопка-сырца на очистителях от мелкого и крупного сора.

На рис. 16 а показана схема взаимодействия колка 2 с частицей 1, имеющей волокнистые связи 3 с холстиком или другой частицей при нецентральном ударе. На рис. 16 б представлена динамическая модель в виде одномассовой системы - частицы с волокнистыми связями. Здесь показаны:

коэффициент жесткости волокнистых связей на скручивание;

скручивающий момент от силы трения при ударе колка о частицу; угловая координата вращения частицы; момент инерции частицы относительно оси , проходящей через центр частицы.

В работах Р.З. Бурнашева и Р.Г. Махкамова, также рассматривалась одномассовая система применительно к летучке. Дифференциальным уравнением, описывающим вынужденные крутильные колебания, будет

.(20)

а б

Рис. 16. Схема взаимодействия колка с частицей, имеющей волокнистые связи с холстиком (а), и динамическая модель в виде одномассовой системы -частицы с волокнистыми связями (б)

В уравнении (20) возмущающий момент действует в течение короткого времени, и потому его можно считать импульсным. По завершении действия момента (времени ) уравнение (20) можно рассматривать как однородное, а начальные параметры и определяются также по этому уравнению ко времени завершения действия момента . Выведенная из положения равновесия импульсным моментом система начнет колебаться (рис. 17) с частотой и периодом .

Рис. 17. Вынужденные колебания упругой системы

Колебания будут гармоническими по закону

,(21)

. (22)

Рассмотрено движение частицы хлопка-сырца под действием импульсного момента с учетом момента сопротивления со стороны окружающей среды . На рис. 18 показаны динамические модели, которые в зависимости от величины упругих свойств волокнистых связей на кручение могут быть двух видов: при коэффициенте угловой жесткости и . На динамических моделях также показаны:

импульсный момент со стороны колкового барабана; момент сопротивления со стороны волокнистой среды или со стороны колосниковой решетки для случая взаимодействия в зоне колосниковой решетки.