Исследования ударного процесса летучки о жесткую плоскость и методики использования экспериментальных данных для изучения движения летучки по сетчатой поверхности барабана

АННОТАЦИЯ

В результате теоретических исследований по совершенствованию элементов вертикальной технологии очистки хлопка-сырца улучшены технологические показатели работы узлов очистителя.

ABSTRACT

As a result of theoretical research of research to improve the elements of the vertical technology for cleaning raw cotton, the technological indicators of the work of the purifier units have been improved.

Ключевые слова: очистка хлопка, мелкие сорные примеси, очиститель мелкого сора, колковый барабан, сетчатая поверхность. 

Keywords: raw cleaning, small weed impurities, small weed impurities cleaner, spike drum. mesh surface.

Введение. В очистителях хлопка-сырца от мелких сорных примесей основной модуль очистки состоит из транспортного средства с различной конструкцией гарнитуры, обеспечивающей рыхление и дальнейшее транспортирование хлопкового потока по сетчатой поверхности, вдоль которой происходит процесс выделение сорных примесей из объема движущегося потока. На практике набор таких модулей в различных вариациях установки и формирует общий профиль очистителя. Выявлено, что ударное взаимодействие летучек хлопка [1], в значительной степени влияет на качественные показатели семян и волокнистой массы. Также в модулях присутствуют другие различные факторы, которые способствуют эффективному выделению мелких сорных примесей такие как, воздушные потоки и наличие планок, оказывающие определенное воздействие на процесс протекания очистки хлопка от мелких сорных примесей [2 – c.31 ]. Д.А.Усманов [3] разработал опытный (производственный) образец четырех барабанного очистителя для очистки хлопка-сырца от мелких сорных примесей. Его технологическая схема показана на рис. 1 а).

 а) Очиститель хлопка, автор Д.А.Усманов   б) Очиститель хлопка, автор Х.С.Усманов

Рисунок 1. Четырех барабанные очистители хлопка-сырца от мелких сорных примесей вертикального принципа действия

Модернизированный четырех барабанный вертикальный очиститель по патенту № FAP 01397 [4] и теоретические исследования по совершенствованию его элементов [5, с.4-11] выявили ряд его недостатков. Это хаотическое движение части потока хлопка после колкового барабана, который ударяясь о направляющий щиток возвращается к верхнему колковому барабану, что приводит к повреждению волокна и семян, а такде возникновению забойных ситуаций в процессе очистки хлопка (рис.1, б).

Для поиска технических решений этих проблем, в данной работе  экспериментальным путем определен коэффициент восстановления летучки (в виде отдельной не очищенной семени)  предложена методика определения коэффициента жесткости упругой связи летучки, при ударе о жесткую поверхность по известным значениям коэффициента восстановления потери энергии при ударах. Установлена закономерность движения летучки по сетчатой поверхности, дана оценка уровня ее загруженности. Представим хлопок сырец в виде потока отдельных, не взаимосвязанных между собой летучек. Ограничимся изучением движения  отдельной летучки вдоль поверхности сетки по круговой линии  под ударным действием со стороны колков. Полагая летучки в виде тела конечной массы, находящегося между двумя движущимися колками, и считаем, тело связано с колками через упругие элементы. На летучку действуют силы ее тяжести и трения Кулона на поверхности сетки. Для составления уравнения движения летучки по поверхности сетки. Коэффициент жесткости упругих элементов использовались экспериментальные данные, полученные на лабораторной установке, схематично представленной на рис.2. С помощью установки  определялась величина подъема летучки при различных скоростях удара с учетом высоты подачи летучки

Лабораторная установка (рис.3) состоит из пневмоустройства 1 установленной на штативе 2 которая ускоряет летучку хлопка 3, измерительной планки 4 для фиксации отскока летучки, установленную на боковине 5, металлической пластины 6 и фотокамеры для скоростной съемки 7 (5 кадров в секунду), которая крепиться на штативе 8.

1- пневмоустройство; 2,8- штатив 3- летучка хлопка;; 4 - измерительная планка; 5 – боковина; 6 - металлическая пластина; 7 – фотокамера.

Рисунок 2. Схема лабораторной установки для определения скорости полета летучки и величины отскока летучки от металлической поверхности

При проведении экспериментов из пневмоустройства 1 установленного на штативе 2 ускоряется летучка хлопка 3. При этом по данным скоростной съемки определяется расстояние пройденное летучкой и время полета. На основании этих показателей вычисляется скорость летучки. Величина отскока летучки хлопка 2 определяется путем замера на измерительной планке 4, установленного на боковине 5, после отскока летучки от металлической пластины 6, фиксируемой фотокамерой для скоростной съемки 7, которая закреплена на штативе 8 (рис. 3). Данные полученные в ходе экспериментов представлены в таблице №1.

Рисунок 3. Фрагменты фиксации отскока летучка от металлической поверхности при скоростной съемке

Таблица 1

Показатели отскока летучки хлопка-сырца при вертикальном ударе от металлической поверхности при различных показателях скорости полета 

Полная скорость удара равна , Коэффициент восстановления вычисляется по формуле

,                                               (1)

где и - соответственно высота подачи и подъема летучки,  - скорость вылета, - ускорение свободного падения.

 Результаты измерений величины по трем повторным опытам при различных скоростях удара представлены в таблице 1 . Из анализа табличных данные следует, что коэффициент восстановления принимает низкие значения и в зависимости от скорости удара меняется в небольшом интервале . Это обстоятельство указывает на значительное потери начальной скорости удара летучки о жесткую поверхность и связи с этим можно предполагать что, кривые описывающие зависимости между перемещением поверхности летучки и силой контакта будут различные в процессе сжатия и разгрузки. Для простаты  зависимости представим в виде двух прямых

 при ,  при ,                   (2)

где и - соответственно коэффициенты жесткости упругой силы при сжатии и разгрузки, - значение перемещения летучки в месте контакта ее с контактной поверхностью колка при переходе от стадии нагружения к разгрузке. Схематичное представление зависимости (1) показано на рис.4

Рисунок 4. Схематичное представление зависимости нагрузки (линия ОА) и разгрузки ( линия АВ) ,  

Для экспериментального определения величин  и  рассмотрим задачу движения летучки после удара ее о жесткую поверхность с начальной скоростью  при наличии контактных сил (2)

  при                                        (4)

 при                                  (5)

Обозначим через  и  решения соответствующих уравнений (4) и введем частоты собственных колебаний  и  . Решение уравнения (4), удовлетворяющее условиям , , представим в виде            

   при                                         (6)

При этом в момент перехода контактной силы от нагружения к разгрузке выполняются условия

 ,                                             (7)

  Из условий (7) следует

,

В момент времени  летучка находится в сжатом состоянии, где сила сжатия (пружины) будет равна . Далее при  начинается процесс разгрузки и происходит отход летучки от контактной поверхности. Рассмотрим движение летучки для моментов времени  , полагая, что в момент времени  , летучка находилась в состоянии  покоя. Тогда решение уравнения  (6) при начальных условий ,  имеет вид

В момент времени  скорость летучки обращается в нуль и она отходит от поверхности на расстояние

                                          (8)

Полагая  формулу (8), записываем в виде

                                                      (9)

Используем формулу (9) для экспериментального определения величин  и  . С этой целью требуем выполнения условий совпадения величины отхода  летучки от поверхности  с экспериментальными данными при различных значениях скорости удара В качестве условия принимаем равенства осредненного по скоростям удара коэффициента восстановления с отношением коэффициентов жесткостей при нагрузки и разгрузки , т.е

                                                       (10)

 Значение этого отношения связано с потерю энергии удара за счет появления остаточного смещения на поверхности летучки после ее разгрузки, линия которой не совпадает с линией нагрузки . Можно показать величина  буде равно отношению площадей  (работа внешней силы, связанная с ударом)и  (работа сжатой пружины для подъема летучки после удара)

Таким образом, из (9) с учетом (10), получим формулу для определения коэффициентов жесткостей  и  по экспериментальным данным величин подъема , коэффициента восстановления  , частоты колебания и максимальное сжатия летучки

 , .  .  

Пользуясь табличными данными находим , , ,  

Используем экспериментальное данное коэффициента жесткости для изучения движения летучки по сетчатой поверхности в процессе очистки ее от сорных примесей. Летучки с приведенной массой m совершает одномерное движение вдоль дуги окружности сетчатой поверхности, между двумя движущимися колками (Рис.5) .Пусть в момент времени t=0 в зоне очистки находится два колка, между которыми расположена летучка с тремя семенами одинаковой массы .При этом первый колок совпадает с радиусом барабана . Семена летучки взаимодействуют как между собой так с колками через упругие элементы с коэффициентом жесткости  . Положение семян вдоль дуги сетчатой поверхности определяем расстояниями соответственно длинами дуг , , Точки  , .и  находятся в точках контакта семян с сетчатой поверхности. Уравнения движений семян моделируемых твердыми телами с сосредоточенными массами  с учетом сил веса и трения по закону Кулона запишем в виде:                                    

   (11)

    (12)

  (13)

где , , где принято , где  - длина дуги сетчатой поверхности, - длина дуги окружности, определяемой с точки начала расположения сетки по цилиндрической поверхности,  - линейна скорость колка,  - коэффициент трения между сеткой и летучки, - радиус колка.

Рисунок 5. Схема движения летучки по сетчатой дуге

Уравнение (11) имеет место в зоне сжатия летучки к поверхностям колков. Время начала  разгрузки в законе силового контакта летучки с колком  определяется из условий  , . Для промежутке времени  уравнение (11) интегрируется числено с начальными условиями ,  при . Расчеты проведены для очистительной зоны с 4 колками  и следующими параметрами , , ,, , , ,,  При этом принято, что отчет времени начинается с  момента полного нахождения первые два колка в зоне очистки, причем второй колок располагается вдоль линии  (рис.6). рассматривается движение летучки, находящейся между первым вторым колком до момента выхода первого колка из дуги очистки  (- угловая скорость барабана,  - угол между колками). Ограничимся изучением движения летучек между другими парами колков за промежуток времени , поскольку из постоянного поступления сырья за единицу времени в зону очистки для  моментов времени   процесс повторяется. Таким образом в течение времени , достаточно рассмотреть движение летучки находящейся между третьем и вторым колком, за время , четвертым и третьем колками - за время . На рис. 6а представлены зависимости перемещения первой и второй семян   относительно вращающихся  колков. Из- за симметричного расположения семян летучки между двумя колками законы движения первого и третьего семян будут аналогичными. Из анализа кривых следует, что семена летучки, расположенные между колками совершают высокочастотные колебания , что связано появлением их упругих свойств при ударах. При этом упругие свойства семян при контакте с колками и между собой по разному влияют на частотный состав колебательного процесса . Ослабление коэффициента жесткости между  семян соответственно увеличивает и уменьшает частоты колебаний первой и второй семян

Рисунок 6. Перемещения первой и второй семян и летучки по в времени для двух значения коэффициента жесткости

На рис.7 представлены кривые изменения контактной силы  между колком и семени и силы упругой связи  между семян для двух значений коэффициента жесткости упругой силы взаимодействия между семян. Видно, что ослабление этой силы приводит к существенному изменению частотного состава колебаний и росту контактной силы с колком и уменьшению значения силы взаимодействия 

Рисунок 7. Изменение по времени  контактных сил  между первой семени и  между первой и второй семян по времени

Выводы. Для устранения вышеперечисленных недостатков и на основании теоретических исследований узел очистки направляющего щитка, выполнен ступенчато по направлению движения потока хлопка, что позволило повысить очистительный эффект и достичь равномерности протекания процесса очистки хлопка от мелких сорных примесей.

Модернизированный узел очистки хлопка от мелких сорных примесей состоит из колкового барабана 1, сетчатой поверхности 2 и направляющего щита ступенчатой конструкции 3. В работе, хлопок очищается от мелких сорных примесей на колковых барабанах 1 с сетчатыми поверхностями 2. Наличие ступенчатой конструкции направляющего щитка 3 позволяет упорядочить движение части потока хлопка после колкового барабана и предотвратить возврат его на верхний колковый барабан.

Рисунок 8. Поперечный разрез узла очистки хлопкоочистительного агрегата для очистки хлопка от мелких сорных примесей

Экономическая эффективность предложения образуется за счет повышения очистительного эффекта узла очистки и достижения равномерности процесса очистки хлопка-сырца от мелких сорных примесей.

Список литературы:

1. Лугачев А.Е. Исследование основных элементов очистителей хлопка-сырца с целью повышения качественных показателей процесса: Дисс...канд.техн.наук: - Кострома, 1981. – с.31-32.
2. Г.И. Мирошниченко Основы проектирования машин первичной обработки хлопка. М.: Машиностроение, 1972. – 143 б.],
3. Д.А.Усманов, Р.Х.Каримов, К.К.Полотов Технологическая оценка работы четырехбарабанного очистителя. Проблемы современной науки и образования, Иваново, 2019 г., http://www.ipi1.ru.
4. Х.С.Усманов и другие Хлопкоочистительный агрегат Патент на полезную модель № FAP 01397 Агентства интеллектуальной собственности Республики Узбекистан от 26.06.2019.
5. Б.М.Мардонов, Х.С.Усманов, Ф.Н.Сирожиддинов Теоретическое исследование процесса выделения мелких сорных примесей из летучки хлопка. “Проблемы текстиля” научно-технический журнал 2019 г., №4, с.4-11.