Оптимизация процессов одновременной транспортировки, сушки и очистки хлопкового сырья в шнековых сушилках-очистителях

DOI:

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ определения импульсных сил, возникающих при взаимодействии куска хлопка с кольями винта и решетчатой сеткой, а также в предложении оптимальных режимных и конструктивных параметров технологического процесса. Предложенная конструкция устройства позволяет достичь высоких результатов в повышении эффективности производства, обеспечении энергоэффективности и улучшении качества готовой продукции.

На этапе развития мирового машиностроения, среди всех направлений, большое значение имеет скорейшее внедрение в производство высокопроизводительного оборудования и технологий, обеспечение ресурсосбережения при транспортировке и очистке продукции, а также дальнейшее повышение её качества и конкурентоспособности.

В мире проводятся масштабные целевые научно-исследовательские работы, направленные на повышение производительности технологических машин и достижение высокого качества продукции путем разработки усовершенствованных конструкций ресурсосберегающих винтовых конвейеров, осуществляющих одновременно процесс очистки и транспортировки продукции. В этом направлении актуальным является проведение исследований, направленных на повышение эффективности работы технологических машин, обеспечение длительного срока службы рабочих органов машин, высокой производительности, предотвращения износа запасных частей от соударений с различными предметами и трения, а также обоснование параметров рабочих органов, в результате чего создаются новые конструкции винтовых конвейеров, используемых для очистки продукции на производственных предприятиях. В частности, разработка новых поколений высокоэффективного и ресурсосберегающего шнекового сушильного оборудования для переработки хлопка и другой сельскохозяйственной продукции представляет собой актуальную научно-техническую задачу, подтверждающую значимость и востребованность проводимых исследований.

Современные требования к технологиям, применяемым в машиностроении хлопковой промышленности, предполагают разработку новых конструкций компактных, технологически совершенных, надёжных и конкурентоспособных машин и оборудования, а также обеспечение их широкого внедрения в производственные процессы. В последние годы быстрыми темпами проводятся работы по техническому и технологическому обновлению и современной модернизации во всех отраслях машиностроения хлопковой промышленности [1].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Известно, что винтовые конвейеры составляют 60-70% машин, используемых во всех производственных отраслях и на складах мира для транспортировки и погрузки готовой продукции и сырья.

Следует отметить, что при транспортировке хлопкового сырья винтовые конвейеры являются преимущественно одними из машин, обеспечивающих непрерывную и равномерную транспортировку на короткие, иногда большие расстояния. По своему назначению они подразделяются на транспортные (для перевозки груза) и технологические (соединяющие технологические операции), которые представлены в табл. 1. В настоящее время широкое распространение получили механические конвейеры с электроприводом, тяговыми элементами которых являются ленты, цепи и канаты, используемые для перемещения предметов или грузов [2].

Т аблица 1. Т ехнические характеристики конвейеров .

T able 1. T echnical characteristics of conveyors .

Вид	Длина перевозки, м	Производительность, т/час	Потребляемая мощность, кВт	Угол наклона, °
Ленточный	2-100	5-125	30-125	45°
Ковшевой	20-100	20-200	22-110	40°
Винтовой	0.5-30	2-100	1.5-24	30°

В Республике Узбекистан, как и во многих других зарубежных странах, регулярно проводятся научные исследования в сфере винтовых конвейеров. Ряд известных ученых, таких как Джуманиёзов К.Ж., Султонов А., Жамалова М.М., Джураев А., Абдугаффоров Х.Ж., Юлдашев К.К., Овчинникова Т.В., Часов Д.П., Смехунов Е.А., Байбара С.Н., Морин И.В., Анакин И.А., Гутьяр Э.М., Григорьев А.М., Черкасов Р.И., Павлов Е.И., Jigar N, Sumant P, Snehal S, Jianming Yuan, Mingzhi Li, Sun Xiaoxia, Wenjun Meng и др. проводили исследования по теоретическим, фундаментальным, практическим вопросам и методическим основам транспортировки и погрузки сырья

В настоящее время ведущими зарубежными странами в хлопкоочистительной промышленности являются США и Китай [3-5]. В частности, в технологическом процессе переработки хлопкового сырья широко используются созданные в США шестибарабанные хлопкоочистительные машины моделей Cleaner-«96» и «120» и Jmpakt Cleaner-«96» и «120», которые предназначены для удаления мелких примесей из хлопка. Технологическое отличие оборудования Cleaner-«96» и «120» от узбекских машин заключается в том, что в них очистка хлопка производится преимущественно аэромеханическим способом, и отдельный питатель не устанавливается, хлопок подается на очистные машины с помощью воздуха. Очистительная машина выполнена из цельного металла и выпускается в двух исполнениях — шириной «96» (2438 мм) и 120 (3045 мм). Она состоит из шести кольчатых барабанов, расположенных под углом 30-45º к горизонтали, а под ними установлены прутковые колосники с щелями 5-7 мм [4].

Как известно, сложное распределение мелкого сора в хлопковом сырье значительно затрудняет создание теории их разделения. Поэтому для изучения процесса разделения примесей вдоль поверхности решетчатых сеток целесообразно использовать максимально простые технологические методы. Кроме того, отделение мелких примесей зависит от времени протаскивания частиц хлопкового волокна по длине поверхности решетчатых сеток. Научные исследования показали, что в процессе очистки встречаются случаи, когда примеси, содержащиеся в частицах хлопковых волокон, распадаются на очень мелкие частицы и остаются в хлопковом сырье. Это не только затрудняет джинирование хлопкового сырья, но и приводит к снижению качества волокна. В частности, исследования, проведенные зарубежными учеными Байлером и Хардином, показали, что увеличение скорости воздушного потока и снижение частоты вращения барабана повышают интенсивность отделения примесей из хлопкового сырья, обработанного под воздействием горячего воздуха. Экспериментальные исследования, проведенные на очистительных машинах, показали, что эффективность разделения примесей возрастает на 4-5% при изменении расхода воздуха от 14,1 м3/с до 30 м3/с. Известно, что примеси располагаются сверху и внутри хлопкового сырья, особенно мелкие примеси находятся внутри кусков хлопка, для отделения которых одного только воздушного потока недостаточно. Результаты наблюдения работы очистительных машин показали, что количество мелких примесей в составе кусков хлопка увеличивается в процессе очистки [5]. Это связано с тем, что крупные примеси в результате механического воздействия дробятся на мелкие части и попадают в кусок хлопка. Это затрудняет получение высококачественного волокна в процессе джинирования и требует дополнительной очистки перед джинированием. Для этой цели предложена новая конструкция шнековой сушилки и очистителя, предназначенная для отделения мелких примесей, находящихся внутри кусков хлопка (рис. 1). Такая конструкция позволяет в определенной степени улучшить сушку хлопка за счет уменьшения шага винта и выравнивания давления и скорости сушильного агента, подаваемого по каналам горячего воздуха, расположенным в верхней части вала шнека, что приводит к повышению эффективности очистки по всей длине шнека при транспортировке хлопка.

Колья, установленные на лопастях по внешнему периметру шнеков, подобраны таким образом, что способствуют эффективному захвату, трепанию и транспортировке хлопка. Лопасть шнека и установленные на ней колья способствуют эффективному перемещению хлопкового сырья в зоне транспортирования с одновременной частичной очисткой хлопка от посторонних примесей и сора [6].

В процессе транспортирования хлопка в шнековом очистителе повышается эффективность сушки за счет увеличения интенсивности воздействия сушильного агента на хлопковое сырье, а также эффективного перемещения хлопка в трепанном состоянии. В зоне интенсивной температуры хлопковое сырье одновременно частично очищается от мелких посторонних примесей и сора.

1- ЖЕЛОБ ТРУБОПРОВОДА , 2- КОЛЬЯ , 3- ЛОПАСТИ ВИНТОВОГО ШНЕКА , 4- ВОЗДУХОВОД ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕПЛА , 5- ПЕРФОРИРОВАННАЯ СЕТКА

Рисунок 1. Конструктивная схема устройства для очистки хлопка от мелких примесей.

• Figure 1.    Design diagram of a device for cleaning cotton from small impurities.

Такая планировка установки позволяет получать смесь хлопкового сырья с теплоносителем и обеспечивает эффективную сушку хлопкового сырья и очистку от мелких посторонних примесей и сора при его транспортировке.

Принцип работы установки заключается в следующем. Хлопковое сырье подается равномерным непрерывным потоком по всей длине шнека сушильно-очистительным устройством 1. При включении электропривода шнек 3 приводится во вращение ременной передачей. Колья 2, установленные на лопастях шнека 3, вращаясь, захватывают хлопок-сырец, протаскивают его по перфорированной поверхности 5 и выносят к месту выгрузки трубы. Хлопковое сырье в трубе перемещается по сетчатой поверхности по желобу шнека в результате вращения шнека 3 и кольев 2. Колья 2 на лопасти 3 обеспечивают необходимое встряхивание и перемешивание хлопка с горячим воздухом. Мелкий сор и посторонние примеси, содержащиеся в хлопке, и отработанный горячий воздух отделяются от сетчатой поверхности, установленной под лопастями 3. В нижней части поверхности перфорированной сетки находятся поперечные поворотные клапаны 7 для удаления посторонних примесей и сора. К трубе закреплен клапан сбросного трубопровода. В случае накопления посторонних примесей и сора под действием силы тяжести задвижка сбросного трубопровода поворачивается на 90° и опускается вниз. Сушильный агент подается к хлопковому сырью по воздухопроводу 4, при этом процесс сушки осуществляется одновременно с его транспортировкой. Это обеспечивает эффективную сушку хлопка по всей длине шнека. Для обоснования возможности осуществления процесса сушки с использованием вторичного тепла одной из основных задач научно-исследовательской работы был определен теоретический анализ современного состояния процесса сушки и очистки хлопка-сырца с семенами на хлопкоочистительных предприятиях.

Как было отмечено ранее, эффективность отделения мелких примесей зависит от силы удара и амплитуды встряхивания при движении хлопкового волокна по поверхности сетки. Расчет ударных импульсов и установление закономерностей их возникновения имеют большое значение. В настоящее время применяются различные методы для расчета импульсных сил, действующих на хлопок в процессе очистки.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Приведенный выше анализ показывает, что в разработке технологий сушки и очистки хлопка до сих пор существуют нерешенные теоретические и практические вопросы. Это свидетельствует о необходимости выяснения этих вопросов и разработки теоретических основ повышения эффективности очистки хлопкоочистительных машин. Эффективность очистки зависит не только от степени сушки хлопка, но и от внешних и внутренних сил, действующих на хлопковое семя, поскольку отделение мелких примесей от хлопковых волокон зависит также от силы удара хлопка о поверхность сетки, то есть от ударных импульсов. Поэтому большое значение имеет разработка теоретической базы для определения ударных импульсов хлопка при его попадании на решетчатую сетку.

Анализ закономерностей движения хлопкового сырья по сетчатой поверхности под воздействием кольев позволяет объективно оценить эффективность процессов очистки, а также степень повреждения семян. При движении куска хлопка по сетчатой поверхности на него воздействуют ударно-вибрационные импульсы, способствующие отделению примесей. Однако чрезмерное увеличение ударно-вибрационных импульсов приводит к повреждению семян. Поэтому определение оптимальных параметров шнековой сушилки и очистителя имеет большое значение при расчете пороговых значений ударно-колебательных импульсов [7]. Известно, что из исследований, проведенных на рабочих органах очистного оборудования [8], установлено, что при изменении скорости вращения от 4,71 до 19 м/с наибольшая эффективность очистки достигается в диапазоне скоростей вращения 7,85-11,5 м/с. Снижение эффективности очистки наблюдается при скорости менее 7,85 м/с. Случаи разрушения семян наблюдались при скоростях, превышающих 11,5 м/с. Однако высокая скорость вращения кольчатого винта в нашем исследовании требует дополнительных исследований предлагаемой новой конструкции. На рис. 2 (а) и (б) представлена эпюра сил, действующих на перемещение хлопкового сырья вдоль кольев и вдоль сетчатой поверхности.

a)

b)

Рисунок 2. Процесс движения куска хлопка по винтовому конвейеру: а) Схема столкновения куска хлопка с КОЛЬЕМ ВИНТА; b) СХЕМА СТОЛКНОВЕНИЯ КУСКА ХЛОПКА С СЕТЧАТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

• Figure 2.    Process of movement of a piece of cotton along a screw conveyor: a) diagram of collision of a piece of cotton with a screw stick; b) diagram of collision of a piece of cotton with a mesh surface.

  При движении куска хлопка по сетчатой поверхности он получает ударные импульсы от кольев и сетки, что приводит к отделению мелких примесей. Для нахождения ударных импульсов сначала определим скорость движения куска хлопка по поверхности кольчатого барабана и его направление. В начальный момент кусок хлопка имеет скорость вращения V_B . При движении по сетчатой поверхности (AB) ватный шарик прижимается к сетке силой G. При этом, если

  
  

  учесть, что кусок хлопка перемещается по сетчатой поверхности кольем, то скорость куска хлопка определяется следующим образом [9].

  
  

  V_B

  
  

  -1

  
  

  -А^²

  (C i V- f +Gsina^e ^т А -G*sina

  C i

  
  

  y 2 – длина сечения AB, примем y 2 = 55.

  
  
  
  

Если принять, что время движения куска хлопка на участке АВ равно T 1 = ^ в , то импульс, развиваемый кольчатым барабаном, будет следующим.

m i V - mV₂ = £ Pdt - £ Fdt .      (2)

Используя теорию удара, shit=s = ^2Fdt =f; t,           (3)

^L 1

S freeiy = frv dt= p ;; T, ^t 1

где T - продолжительность процесса удара.

Учитывая, что S freely очень мала по сравнению с силой удара S_h [ _t, формулу (4) можно записать следующим образом

S = mV - mV .                 (4)

В большинстве шнековых очистителей частота вращения шнека переменная и в большей степени зависит от производительности. Исследования, проведенные на предлагаемом шнековом очистителе, показали, что изменение скорости вращения шнека при пределе изменения производительности 6^ 8 тонн находится в диапазоне ш=12^ 24.6 рад/с. В нем начальная скорость хлопкового волокна может изменяться в диапазоне d= 2.8^4.8 м/с. В данном случае диаметр шнека составляет d = 400 мм. Из уравнения (4), если известны скорости, можно найти импульсные силы, действующие на семена хлопка со стороны кольев винта и при ударе о поверхность сетки. Для этого воспользуемся вторым законом Ньютона.

На основании второго закона Ньютона запишем уравнение изменения импульса системы для начального и конечного состояний в следующем виде [10].

UX + m p й ; = m v у_в + m p V ; ,        (5)

где U B и U p – скорости кола винта и куска хлопка в состоянии начального воздействия, V B и V P – скорости кола винта и куска хлопка в состоянии конечного воздействия. Проецируя обе части векторного уравнения (5) относительно оси N, получаем:

mv^_N + mpU ; _N = m v V_BW + m p V ; _N , (6) откуда находим коэффициент восстановления при столкновении двух схем:

.

^bN -^ PW    ^vbN^-VPN

Если V_bN >  V_;N , то

^U ;N - ^UbN = ^KT^{( b-V};n ).            ⁽⁸⁾

Решая уравнения (5) и (8) совместно, получаем следующее выражение:

U bn = V b _N -(1 + K_T} -Щ- (V b_N -W

^Ш- в ^г^Ш- p

^u;n = ^v;n ^{+ (1} + ^ T ) ——^(Vbn ^-V;n )■ ш, р +ш, в

Используя уравнение изменения количества движения, импульс воздействия можно выразить следующим образом:

S bn = me(UB_N-VB_W);

S PN = - S BN .                    (9)

стороны найти из записать

Заменяя значение U_bN в уравнении на значение из уравнения (9), получаем следующее выражение:

Sbn = - Spn =mBNVBN -(1+Kb)—B_^ *(Vbn - Vpn) -Шв + Шр mPN VPN .(10)

Учитывая, что Щ ^ является очень малой величиной, выражение (10) можно переписать следующим образом:

Sbn = - Spn =- W (1+Кв)( Vbn-VX .(11)

Учитывая, что из рис. 2 V_bN = V_B va V_pN =

VB*sinai, уравнение (11) можно записать следующим образом:

SpN=mp (1+KB)(VB+Ve*sin«i) .(12)

Среднюю силу, действующую со кольев винта на кусок хлопка, можно следующего уравнения [11].

Тогда уравнение (13) можно следующим образом.

F =

¹ ave _T .

В этом случае:

F ave T = m ; ⁽ 1 + K b⁾⁽ V b + V b * sinaj. (14)

Решая это уравнение по следующим значениям, получаем график зависимости силы импульса удара кольев винта о кусок хлопка от частоты вращения (рис. 3).

Здесь: m = 0,65г; V b = 2,8 ^ 4,8 м/с; K b = 0,3; a_i = 8⁰.

1 -n = 360 —, 2 -n = 270 —, 3 -n = 180 —. мин мин              мин

Рисунок 3. Сила воздействия кола винта о кусок хлопка.

• Figure 3.    The force of the impact of a screw on a piece of cotton.

Из графика видно, что увеличение числа оборотов винта приводит к увеличению силы импульса, действующей на хлопок с семенами. В литературе рекомендуется, чтобы величина силы импульса, действующей на хлопковую ленту, не превышала 3-4 Н. Утверждается, что увеличение силы воздействия приводит к увеличению степени дробления семян [12]. Из графика видно, что минимальное значение силы импульса соответствует n = 180 об/мин. Аналогично, высокие силы импульса при ударе куска хлопка о решетчатую сетку могут привести к дроблению семян и повреждению волокна. Поэтому, учитывая, что теоретическое исследование процесса удара куска хлопка о решетчатую сетку имеет большое значение для определения конструкции и рабочих параметров предлагаемого винтового очистителя, проведем теоретическое исследование процесса удара куска хлопка о поверхность решетчатой сетки. Известно, что сила удара куска хлопка о решетчатую сетку зависит от угла наклона кола и частоты вращения винта [13, 14].

Тогда скорость хлопка, приближающегося к решетчатой сетке, можно записать следующим образом.

Здесь u – расстояние между решетчатой сеткой и куском хлопка [15].

Импульс удара куска хлопка о решетчатую сетку

S_N^{= F} ave C = m p V 3 (1+K b ) cosa₂.     (16)

В данном случае, учитывая, что импульс удара зависит от скорости куска хлопка и угла а2, решаем уравнение (16) в рекомендуемых значениях и получаем следующие соотношения (рисунок 4).

а₂=8^24 град m l = 0,65 г, откуда по формуле (16) рассчитываем, что V 3 =3,9 м/с.

Из рисунка 4 видно, что сила удара куска хлопка о сетчатую поверхность зависит от угла наклона кола барабана. При минимальном угле наклона кола винта а₁=8 ° минимальное значение силы удара соответствует максимальному значению частоты вращения винта. В заключение можно сказать, что полученные теоретические исследования показывают, что при частоте вращения винта 180 об/мин и угле наклона кола а₁ = 8⁰ сила удара куска хлопка при воздействии равна минимальному значению.

'F

GzC l ^ ^ , ££iy

C i e m

1 — Яз — 24 , 1 — Й2 — 16 , 1 — ^31 — 8 ,

Рисунок 4. График зависимости силы импульса удара куска хлопка о сетчатую поверхность от угла наклона КОЛА.

• Figure 4.    Graph of the dependence of the force of the impulse of the impact of a piece of cotton on a mesh surface on the angle of inclination of the stake.

Можно заметить, что увеличение частоты вращения и угла наклона кола винта приводит к увеличению силы удара. Это, в свою очередь, приводит к увеличению количества битых семян в хлопке с семенами. В предлагаемом шнековом очистителе процесс сушки осуществляется одновременно с процессом очистки. Безусловно, это приводит к дальнейшему повышению эффективности очистки. Это, в свою очередь, происходит под воздействием потока горячего воздуха, воздействующего на рабочую зону.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные научно-исследовательские работы показывают, что совершенствование конструкции винтовых конвейеров, используемых в процессе транспортировки и очистки хлопкового сырья, особенно шнековых сушилок-очистителей, имеет большое значение для повышения эффективности очистки. Предложенная новая конструкция обеспечивает одновременную сушку хлопка в процессе транспортировки и эффективную очистку от мелких примесей за счет оптимизации шага винта, расположения и угла наклона кольев, а также равномерного распределения потока горячего воздуха. По результатам теоретических и экспериментальных исследований, оптимальный режим работы достигается при частоте вращения винта 180 об/мин и угле наклона ворсов 8°. При этом импульс удара куска хлопка сводится к минимуму, что резко снижает вероятность повреждения семян. Экспериментально установлено, что при частоте вращения винта более 180 об/мин и увеличении угла наклона кола силы импульса превышают рекомендуемый предел в 3–4 Н, что приводит к увеличению степени повреждения семян и снижению качества волокна. Организация процесса сушки и очистки хлопкового сырья параллельно с горячим воздухом в шнековой очистительной машине позволила повысить эффективность отделения мелких примесей до 4– 5%. Конструктивная схема установки позволяет оптимально распределить ударные и колебательные импульсы при движении куска хлопка по решетчатой сетке, что не только повышает эффективность очистки, но и увеличивает срок службы рабочих органов машины. Расчеты и анализ показывают, что предлагаемая установка совмещает два основных процесса – транспортировку хлопкового сырья в шнеке и технологическую очистку, снижает общие энергозатраты и обеспечивает ресурсосбережение.

В целом, конструкция предлагаемой установки позволяет не только качественно очищать хлопок от мелких и крупных примесей, но и оптимально провести его осушку. Это способствует повышению эффективности производства, экономии энергоресурсов и улучшению качества готовой продукции.