ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЭФФЕКТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ СЕПАРАТОРА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ РУШАНКИ ХЛОПКОВЫХ СЕМЯН

АННОТАЦИЯ

В статье на основе анализа сушествуюших конструкций сепараторов для разделения рушанок хлопковых семян рекомендована схема эффективной конструктции и принцип работы сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян. На основе проведения теоретических исследований машинного агрегата с механизмом бильных валов сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян аналитическим методом решены задачи определения круговых деформаций ремня передачи, а также получена формула для расчета круговой жесткости ремня передачи машинного агрегата сепаратора. С помощью числовых задач получены законы движения бильного вала. Построены графические зависимости изменения коэффициента круговой жидкости упругого элемента привода машинного агрегата сепаратора от увеличения постоянной составляющей технологической нагрузки и максимальной угловой деформацииции. Анализами построенных зависимостей обоснованы основные параметры машинного агрегата сепаратора. Получена математическая модель устойчивого движения малых вибраций лопаток ударника в предлагаемом сепараторе. Аналитическим путем получены формулы для определения диапазона ротационной деформации, частоты и амплитуды вибрации, а также коэффициента равномерности приводного ремня в ременной передаче ударных лопаток.

ABSTRACT

In the article, based on an analysis of existing designs of separators for separating cotton seeds, an effective design scheme and operating principle of a separator for separating cotton seeds is recommended. Based on theoretical studies of a machine unit with a separator beating shaft mechanism for separating cotton seeds. Using the analytical method, the problems of determining the circular deformations of the transmission belt were solved, and a formula was obtained for calculating the circular stiffness of the transmission belt of the separator machine unit. The laws of motion of the beater shaft were obtained using a numerical problem. Graphic dependences of the change in the coefficient of the circular fluid of the elastic element of the drive of the separator machine unit on the increase in the constant component of the process load and the maximum angular deformation have been constructed. Analyzes of the constructed dependencies substantiate the main parameters of the separator machine unit. A mathematical model of the stable movement of small vibrations of the impactor blades in the proposed separator is obtained. Formulas were analytically obtained to determine the range of rotational deformation, frequency and amplitude of vibration, as well as the uniformity coefficient of the drive belt in the belt transmission of impact blades.

Ключевые слова: сепаратор, бильный, вал, барабан, сетка, рушанка, резиновые втулка, усеченный конус, машинный агрегат, угловая скорость, крутящий момент, жесткость, диссипации, нагрузка, колебальние, размах.

Keywords: separator, beater, shaft, drum, mesh, rushanka, rubber bushing, truncated cone, machine unit, angular velocity, torque, rigidity, dissipation, load, oscillatory, swing.

Введение. Семеновесная машина для разделения рушанки масличнқх семян, состоящая из аспирационного устройства, рассева с приемником, решетной частью и днищами, и многоканальной аспирационной вейки, снабженной вентилятором и устройством для выпуска продукта, при этом с целью повышения производительности и эффективности отбора ядра, уменьшения обмасливания лузги и лузжистости ядра, аспирационное устройство имеет наклонно расположенный пневмоканал с приспособлением для регулирования воздушного потока, а рассев снабжен вертикальной перегородкой, установленной под приемником и разделяющей решетную часть по длине корпуса на две секции, под одной из которых установленных дополнительные решетные полотна [4].

Основным недостатком данной конструкции является низкая четкость отделения лузги от ядра семян, низкая производительность машины. 

Рассматриваемое нами устройство имеет следующее строение: сепаратор для разделения рушанки хлопковых семян, содержащий два совершающих возвратно-поступательное движение ситовых корпуса, воздухораспределители для поддува воздуха под сита, расположенные над последними отсосы и осадочную камеру, при этом с целью повышения эффективности сепарирования, сепаратор снабжен вращающимися ворошителями, установленными внутри отсосов, и направляющими козырьками закрепленными в осадочной камере, а воздухораспределители выполнены коническими с регулируемой продольной щелью и установлены против входного сечения отсоса верхнего ситового корпуса с его нижней стороны, при этом нижняя часть указанного отсоса имеет телескопическую посадку [8].

Недостатком машины является сложность конструкции, а также низкая ее производительность. Кроме того, имеется значительное количество частиц ядра, семян в отходах, приводящие к снижению эффекта сепарирования.

Известная конструкция Биттер-сепаратора состоит из двух частей: в первой части в двух параллельных медленно вращающихся перфорированных цилиндрических барабанах соответственно расположенными в барабанах быстровращающимися валами с билами происходит выбивание ядра из разрезанных семян и шелухи, а во второй части на сотрясательном сите осуществляется разделение ядра и шелухи. Обе основные части машины смонтированы на обшей раме [7].

Основным недостатком данной конструкции сепаратора также является низкий  эффект сепарации и низкая производительность машины.

В другой конструкции диэлектрического сепаратора содержится загрузочный бункер с питателем, скатная доска и направитель, установленные с возможностью подачи обрабатываемого материала на диэлектрический барабан, на поверхности которого выполнены канавки, вдоль которых с возможностью контактирования с очистной щеткой размещены электроды в виде чередующихся проводов противоположной полярности, под которыми установлен приёмник продуктов разделения. При этом очистная щетка выполнена составной в виде насаженных на приводной вал резиновой внутренней втулки и надетой на нее внешней втулки, снабженной щетками. Каждая канавка между электродами разделена на ячейки, выполненными в форме дуги в сечении вдоль канавки.

Основным недостатком данного устройства является низкая производительность сепарации семян хлопка, а также известная конструкция не позволяет его использование для разделения рушанки хлопковых семян.

Следует отметить, что при обосновании параметров и режимов работы рабочих органов недостаточно проведены исследования. Важным является анализ изучения динамики машинных агрегатов и взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым материалом ряда технологических машин [1].

Эффективная конструктивная схема сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян. Сущность конструкции заключается в том, что в конструкции сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян (Биттер сепаратор) содержащий горизонтально установленные два вращающиеся сетчатых барабанов, внутри которых проходят бильные валы с укрепленными на них билами. Бильные валы установлены эксцентрично и оси барабанов вращаются в противоположном направлении. Под барабанами находится сито, под которым имеется наклонный сплошной поддон для вывода из машины прохода через сито, который движется возвратно-поступательно в направлении движения рушанки. При этом бильные валы выполнены в виде трубы со сквозным отверстием, а билы установлены на валу посредством резиновых втулок закреплены резьбовым соединением. При этом описанные выше элементы были установлены на валу рядами с чередованием бильных пластин по горизонтали и вертикали. Кроме того, отверстия сеток барабанов разделены на три участка, различающимися размерами отверстий сеток. Данные размеры отверстий уменьшаются от начала к концу барабана, причем отверстия выполнены в виде усеченного конуса. При этом наибольший диаметр конических отверстий ситок находится в наружной поверхности барабанов. Конусность отверстий выполнена уменьшающимися от начала к концу барабана. Следует отметить, что привод сепаратора включает один электродвигатель, и все рабочие органы получают соответствующие движения от общего электродвигателя.

Конструкция сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян состоит и корпуса 1, установленные горизонтально два вращающихся сетчатых барабана 2, внутри которых проходят бильные валы 3 с укрепленными на них билами 4. (Рис.1). При этом бильные пластинчатые лопатки 9 установлены продольно и поперечно с чередованием рядов на бильных валах 3 посредством резиновых втулок 5 и резьбового соединения 6. Отверстия 7 сеток барабанов 2 выполнены в виде усеченного конуса. При этом по длине барабана 2 отверстия выделены тремя участками, которые различаются размерами отверстий, уменьшаются от начала к концу барабанов 2, причем отверстия 7 выполнены в виде усеченных конусов и соответственно конусности также выполнены уменьшающимися по указанным трем участкам (длина участков составляет 1/3 части длины барабанов 2), имеет соотношение

                                     (1)

Где, d₁,d₂- диаметры оснований усеченного конусного отверстия 7 сетки барабане 2, h- толщина сетки барабана 2.

При этом для первой части выбран, k₁=0,7; для второй части k₂=0,45; для третьей – k₃=0,25. Под барабанами 2 установлено вытряхивающее сито 8, совершающее возвратно-поступательное движение. Все рабочие органы сепаратора получают движение от одного электродвигателя.

Конструкция работает следующим образом. Рушанку подают в оба барабана 2 параллельно. Внутри медленно вращающихся барабанов 2 (2 об./мин.) рушанки подвергается интенсивному воздействию пластинчатых лопаток 9 бил 4, при которых высвобождается ядро из разделенных на шелушащихся семян хлопка. Учитывая, что пластинчатые лопатки 9 развернуты на угол 40⁰ по отношению к оси вала 3, происходит транспортирование рущанки вдоль барабана 2. Следует отметить, что за счет деформации резиновых втулок 5, происходят некоторые угловые колебания бил 4 с лопатками 4 вокруг оси бильного вала 3, что приводит к воздействию пластинчатых лопаток 9 с дополнительной импульсивной силой на рушанки. Это также приводит к увеличению эффективности высвобождения ядра из разрезанных хлопковых семян. Отделенное ядро и мелкая шелуха идут проходом через конические отверстия 7 сетки барабанов 2 и попадают на вытряхивающее сито 8, а сходом из барабанов 2 идет крупная шелуха. Выполнение отверстий 7 сетки барабанов 2 в виде усеченных конусов ликвидирует их забой во всех трех зонах выделения ядер и мелкой шелухи через отверстия 7. То есть, в первой зоне выделяются более крупные ядра и шелуха, а в третий зоне более мелкие ядра и шелуха. Встряхивающее сито 8 (площадью 2,7 м²), расположенное под барабанами 2, получает возвратно-поступательное движение (250 колебаний в минуту) от двух эксцентриков, сидячих на главном валу (на рис. не показаны) машины.

Особенностью сепарирования ядра и шелухи на встряхивающемся сите 8 является то, что частички шелухи благодаря подпушку сцепляются в комочки и идут сходом с сита далее в шнек шелухи. Ядро следует проходом и попадает на поддон, далее в шнек ядра (на рисунке, не показаны).

Конструкция способствует увеличению эффективности высвобожденных ядер из разрезанных на шелушащиеся хлопковые семена, выделенные для дальнейшего их транспортирования в сепараторе.

Расчетная схема и математическая модель машинного агрегата сепаратора. В рекомендуемой конструкции основным рабочим органом являются бильные валы (барабаны) с пластинчатыми лопатками, установленные на барабане посредством резиновых втулок. Учитывая, что бильные лопатки выполнены симметрично, поэтому за счет дисбаланса массы происходят их крутильные колебания. Сам бильный барабан уравновешивается симметричной установкой бильных лопаток. При этом важным является теоретическое изучение крутильных колебаний бильного барабана, непосредственно влияющего на процесс разделения хлопковых рушанок. Вращательное движение бильный щековой барабан получает от электродвигателя, редуктора и зубчатой передачи. 

Рисунок 1. Схема сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян

При этом для амортизацииции крутильных колебаний валов редуктора и ротора двигателя на месте зубчатой передачи используется ременная передача. С учетом этого расчетная схема машинного агрегата с механизмом привода бильного барабана представлена в виде двух массовых систем, расчетная схема которой представлена на   рисунке 2.

Рисунок 2. Расчетная схема машинного агрегата с механизмом привода бильного барабана

Для составления математической модели машинного агрегата с механизмом привода бильного барабана сепаратора использован известный метод перемещения уравнений Лагранжа II-го рода [2]. При этом, рассматривая в основном установившийся режим работы сепаратора, механическая характеристика электродвигателя описывается посредством её основной рабочей части в виде: 

                                    (1)

где, М_др- движуший момент в приводном валу системы; М, М₀- постоянное и переменное составляющие движущего моменте, φ_др -угловое перемешение  приводного вала сепаратора.

При этом согласно расчетной схемы (см. рис 2.) получаем следующую систему дифференциальных уравнений описывающих движение машинного агрегата с механизмом привода бильного барабана  в виде:

     (2)

где, J_др – J_б – приведение моменты инерции двигателя, валов редуктора и бильного барабана, φ_др- угловое перемещение бильного барабана; с, в-коэффициенты жесткости и диссипaции ременной передачи, u_дб – передаточное отношение упругой передачи; М_р, М₀, ω-постоянное составляющие и амплитуда, частота переменной составляющей технологический нагрузки от разделения рушанок семени хлопка.

Аналитический метод решения задачи. Известно, что диссипативное свойство упругой передачи поглощая энергию, амортизируя колебания угловых перемещений и нагрузок бильного барабана снижает размах колебаний угловой скорости. Поэтому для оценки максимальных амплитудных значений φ̇_др и φ̇_б  коэффициентом диссипaции не принебрегаем.

При этом из второго уравнения системы (2), решив его относительно перемещения φ_б  и дважды продеффенцируя, получим:

                (3)

Из полученной системы (3), подставляя первой и третье уравнения во второе (2) можно получить следующее уравнение:

        (4)

С учетом рабочей зоны механической характеристики асинхронного электродвигателя [3] согласно (1) уравнение (4) перепишем в следующем виде:

  (5)

Из анализа полученного (3) можно отметить, что закон вращательного движения приводного вала сепаратора представляет из себя дифференциальное  уравнение третьего порядка. При этом важным является определение колебаний угловых скоростей φ̇_др и φ̇_б в установившемся режиме работы сепаратора.

Характеристическое уравнение соответствуюшего дифференциального уравнения (5) имеет вид [9]:

          (6)

При этом в уравнении (6) все коэффициенты положительны и соответственно определители первого порядка тоже положительны. Поэтому решение зависит от знака определителя второго порядка:

                                                  (7)

Тогда, имеем:

                  (8)

То есть вее определители первого и второго порядка положителны.

Анализ угловых деформаций упругой передачи машинного агрегата сепаратора. В рекомендуемом сепараторе для разделения рушанок хлопкового семени в процессе работы технологическое сопротивление изменяется по гармоническому закону. Поэтому эти нагрузки проводят к колебаниям угловой скорости бильного барабана. При этом происходят угловые деформации упругой передачи (ременной передачи). Поэтому важным является изучение этих деформaций согласно [5]:

или

                                (9)

Обычно в установившемся режиме, учитывая большой приведенный момент инерции приводного вала J_др , угловоя её скорость колебается незначительно, поэтому:

                             (10)

где, ∆φ - угловая деформaция в ременной передачи.

Тогда первое уравнение системы (2) примет следующий вид:

                                            (11)

Используя известный метод решения (11), и получим:

        (12)

где, с₁,с₂ – постоянные интегрирования.

С учетом следующих начальных условий, при t=0, ∆φ=0:

       c₂=0               (13)

При этом угловая деформaция ременной передачи привода бильного барабана сепаратора определяется из выражения:

              (14)

Согласно данного (14) решения задачи угловых колебаний ременной передачи привода бильнего барабана сепаратора можно отметить, что частота и амплитуда колебаний будут:

                                             (15)

Определение колебаний ремня передачи машинного агрегата с учетом диссипации. В полученной выше системе (2) уравнений диссипация упругого элемента является пропорциональным угловой скорости и с учетом (10) получим:

                      (16)

При этом корни характеристического уравнения согласно (16) по известной методике [9]:

                  (17)

Следует отметить, что в данном машинном агрегате переходной процесс в установившемся режиме будет апериодическим [11], а далее колебательным.

Тогда решение (16) получим в следующем виде: 

            (18)

С учетом начальных условий, определяются постоянные интегрирование с₁ и с₂ получим [11]:

           (19)

Анализ (19) показывает, что при учете коэффициента диспaции ремня передачи машинного агрегата сепаратора переходной процесс в установившемся режиме работы бильного барабана затухает с частотой β со сдвигом фазы α. Максимальная угловая деформaция будет равной:

Тогда рекомендуемыми значениями коэффициента круговой жесткости ремня передачи бильного барабана:

               (20)

Численное решение задачи определения параметров упругой передачи сепаратора. Численное решение задачи осуществляли при следующих исходных значениях параметров машинного агрегата:    

Особенностью решения задачи угловых деформаций упругого элемента машинного агрегата с механизмом привода сепаратора является то, что определяется при вариации значений коэффициентов угловых жёсткости и диссипации ремня (муфты), а затем уточняется максимальное значение деформации. Согласно (20) типы построены графические зависимости изменения круговой жесткости ремня (упругого элемента муфты) при изменении значений технологической нагрузки и размаха угловых колебаний бильного барабана, которые представлены не рис. 3. Анализ полученных графических зависимостей показывает, что с увеличением М₀ от 0,75·10 Нм до 2,0·10 Нм круговой коэффициент жидкости ремня увеличивается по линейной закономерности от  до  при  а при значение С увеличивается от  до  Соответственно с возрастанием от  до  при нагрузке 175 Нм коэффициент круговой жесткости снижается от  до  а при нагрузке 105 Нм, то значения С снижается по линейной закономерности от  до

Рисунок 3. Зависимости изменения коэффициента круговой жидкости упругого элемента приводи машинного агрегата сепаратора от увеличения постоянной составляющей технологической нагрузки и максимальной угловой деформацииции

При этом важным является значение ∆φ_мах непосредственно обеспечивающие необходимые изменения угловой скорости бильного барабана, то есть возникновение условного ускорения, обеспечивающие разделение семян хлопковых рушанок за счет дополнительного импульсивного, ударного воздействия на них пластинчатых лопаток биль барабана. Поэтому рекомендуемые значения.  

Выводы. Разработана эффективная конструктивная схема сепаратора для разделения рушанок хлопковых семян. Теоретическими исследованиями обоснованы параметры привода бильного барабана. Выявлено, для увеличения технологической нагрузки от разделения рушанок хлопковых семян целесообразным считается увеличение круговой жесткости ременной передачи машинного агрегата.

Список литературы:

1. Джураев А.Дж., Жураев Д.Д. Эффективная конструкция сепаратора для разделения рушанки хлопковых семян // Fan va texnologiyalar taraqqiyoti ilmiy – texnikaviy jurnal. Технологии текстильной и легкой промышленности. № 6. Buxoro–2022.
2. Bakhronov Kh.Sh., Akhmatov A., Juraev D.D. Study of the influence of construction and mode parameters on the hydrodynamics of a hollow vortex apparatus // Chemistry and chemical engineering. 2020. Vol. 4 (8).
3. Djuraev A., Beknazarov J.K., Kenjaboev S.S. Development of an effective resource-saving design and methods for calculation the parameters of gears with compound wheels // International Journal of Emerging Trends in Engineering  Research Vol. 9 (1). Pp. 2385–2388.
4. Djurayev A.D., Joʻrayev D.D. oʻg‘li (2022). Paxta chigitini diskli pichoq mashinasida chaqish va separator orqali ajratilgan tarkibiy (mag’iz va sheluxa) qismlarini kimyoviy tarkibini oʻrganish // Механика и технология. Vol. 3 (8). Pp. 12–17.
5. Dzhuraev A., Zukhriddinov A., Mukhammedjanova S., Mavlonova I., Tursunova G. Dynamics of machine aggregates with mechanisms of working bodies for cleaning cotton from fine impurities // Solid State technology. Blind Peer Review Referred Journal. 2020. Vol. 63 (6). Pp. 169–181.
6. Dzuraev A., Saidkulov S., Bozorov B. Investigation of working bodies of cotton cleaning machine // Modern Innovations, Systems and Technologies. 2021. Vol. 1(14). 
7. Juraev A.Dj., Juraev D.D. Efficient design of conical double drum separator for separating cotton seed rushanka // Novateur Publication JournalNX A Multidisciplinary Peer Reviewed Journal. Vol. 8. Iss. 8. 2022. India. URL: https://repo.journalnx.com/index.php/nx/article/download/4157/3963/8029
8. Juraev A.Dj., Juraev D.D., Akhmedov Kh.I. Efficiency of the design of a double-drum prismatic separator separating cotton seed husk into parts (core and shell) // Farg‘ona politexnika instituti. Ilmiy-texnika jurnali. 2023. T. 27. № 6.
9. Mansurova M.A. Madrakhimov Sh and Umarova Z.M. Analysis of the influence of the lengths of the coupler and rocker arm links on the position of the flat four-link mechanism // Theory of mechanisms and machines. 2016. Vol. 14. № 1 (2) Pp. 21–29.
10. Mardonov B., Oripov Z., Muminov R., Ravshanov J., Jo’rayev N. Effect of dispersed particles of aluminum oxide on the degree of defects of the crystalline structure of the chromium coating / E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 417. P. 06001. GEOTECH-2023.
11. Muminov R.O., Rayhanova G.E., Kuziev D.A. Experimental research and analysis of a quarry drilling rig // Ugol’. 2021. Vol. (5). Pp. 32–36. DOI: 10.18796/0041-5790-2021-5-32-36.