СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СЕПАРАТОРА ДЛЯ ХЛОПКА

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены теоретические исследования по усовершенствованию сепараторной машины, отделяющей хлопок от воздуха, являющегося основным элементом пневмотранспорта. Были определены траектории движения хлопкового волокна по поверхности сетки, и, в результате научных исследований, была разработана поверхность сетки хлопкового сепаратора с новой конструкцией. Такая конструкция позволяет уменьшать потери волокна и повреждение семян, устранять забои сепаратора хлопком, которые приводят к излишним простоям технологии переработки хлопка.

ABSTRACT

This article theoretical studies were carried out to improve the separator machine that separates cotton from air, which is the main element of pneumatic transport. The trajectories of the cotton fiber movement along the mesh surface were determined, and a result of scientific research, was developed a mesh surface with a new construction of the cotton separator. This construction allows you to reduce fiber loss and damage to seeds, eliminate the cotton separator clogs, which lead to unnecessary downtime of the cotton processing technology.

Ключевые слова: хлопок-сырец, воздушный поток, аэросмесь, трубопровод, пневмотранспортная установка.

Keywords: raw cotton, airflow, aerosols, pipeline, pneumatic transport installation.

Введение. На мировом рынке, в связи с мировым ростом спроса на природные сырья, в том числе, в хлопковую продукцию, получаемую в текстильной и легкой промышленности, спрос на натуральное сырье, в частности, на хлопковое волокно с каждым годом растет. Однако из-за различных экономических и экологических проблем, площади под хлопком и водные ресурсы постепенно сокращаются. В таких трудных условиях для производителей хлопкового волокна особую важность обретают вопросы интенсивного повышения урожайности хлопка, сокращение его потерь на каждом этапе производства, улучшение потребительских свойств и снижения себестоимости готовой продукции.

В мире ежегодно производится 23-24 млн тонн хлопкового волокна, его годовое потребление составляет 24,5-25,0 млн тонн, а дефицит волокна покрывается за счет запасов сырья [1]. В связи с этим, выращивание хлопка стало одним из самых перспективных секторов мирового сельского хозяйства. При этом, вопросы сохранения первоначальных качественных показателей не только при основном производстве, но и вторичных, вспомогательных процессах, таких как пневматическая транспортировка хлопка и его компонентов, а также его отделения от транспортирующего воздуха, поднялись до уровня вопросов, определяющих состояние и будущее хлопковой отрасли.

В нашей стране, проводятся в широкомасштабные реформы по производству широкого ассортимента высококачественной и низкой себестоимости продукции текстильной и легкой промышленности путем создания хлопково-текстильных кластеров и централизации производства продукции на основе глубокой переработки хлопка и выпуска в мировой рынок не сырья, а готовой к употреблению продукции. В этой связи, Президентом страны поставлены перед производственниками всех видов продукции задачи, имеющие особую важность «…повышение конкурентоспособности национальной экономики, снижение энерго- и ресурсоемкости экономики, повсеместное внедрение в производство энергосберегающих технологий» [2]. При выполнении этих задач, важное значение приобретают вопросы изыскания путей сохранения первоначальных качественных показателей хлопка-сырца и снижения себестоимости хлопковой продукции на каждом этапе производства, в том числе, при пневматической транспортировке хлопка и его отделения от транспортирующего воздуха путем разработки высокоэффективной конструкции и обоснования параметров основных рабочих органов - сетчатой перегородки и скребка сепаратора хлопка.

Результаты исследований. На основе результатов теоретических и прикладных исследований, проведенных до настоящего времени теория и технология процессов пневмотранспортирования хлопка и его отделения от потока воздуха в определенной степени получили развитие. Тем не менее, причины таких проблем, как снижение исходных показателей качества волокна и семян при отделении хлопка от воздуха-носителя и при очистке поверхности сетки, снижения выхода волокна и увеличения поврежденности семян, а также увеличение энергетических затрат из-за высокого аэродинамического сопротивления сепаратора хлопка, досконально не выявлены. Кроме того, в результате неспособности скребка полностью отделить хлопок от сетчатой поверхности, в производстве часто возникают забои сепаратора хлопком, что является причиной снижения производительности процесса переработки хлопка в целом. В соответствии с вышеизложенным, в настоящее время актуальными являются вопросы дальнейшего изучения процесса сепарации хлопка с точки зрения сохранения исходных показателей качества хлопка и снижения энергозатрат процесса за счет разработки и внедрения новых конструкций перфорированной поверхности и скребка сепаратора.

Все хлопковые сепараторы хотя имеют различные конструкции, основаны на принцип разделения хлопка от воздушного потока использованием силы инерции материала относительно частиц воздуха и отсасыванием воздуха через перфорированную поверхность, имеющей отверстии, меньшие относительно размеров частиц хлопка.

Например, широко внедряемый сепаратор марки СС-15А имеет рабочую камеру с входным патрубком, 2-х сетчатых дисков, установленных по бокам со скребками для очистки сеток от хлопка и вакуум-клапаном, расположенным внизу камеры, предназначенным выводу хлопка из сепаратора не пропуская через себя воздух.  Во время работы хлопок поступает в рабочую камеру сепаратора с потоком воздуха. Основная часть движется непосредственно в рабочей камере сепаратора и ударяется о его стенки, падает под действием собственного веса на вакуум-клапан. Остальное попадает в сетку и прилипает к ее поверхности. Хлопок отделяется от поверхности сетки с помощью эластичного скребка.

Принимаем частицу хлопка материальной точкой, которая вращается с той же угловой скоростью вдоль сетчатой поверхности сепаратора (рис. 1).

Отделение частиц хлопка от поверхности сетки происходит из-за радиального движения хлопка по поверхности сетки. Известно, что поток воздуха прижимает кусочки хлопка к поверхности сетки с силой Rx. В то же время скребок создает продольную силу Ns для отделения этих частиц от поверхности сетки [3-5].

Таким образом, кусочки хлопка подвергаются воздействию сил Ns и Rx на поверхности сетки. Величина силы Ns, создаваемой осевым усилием, уменьшается по мере приближения к валу. Он имеет минимальное значение в месте соединения с валом. Этого недостаточно, чтобы отделить хлопок от поверхности сетки. Во время работы сепаратора часто застревает хлопок на поверхности сетки. Это приводит к падению давления и забоям сепаратора хлопком. Когда хлопок отделяется от сетчатой поверхности сепаратора с помощью скребка, вокруг вала образуется сырье. Постепенно он разрастается и со временем покрывает всю поверхность. В результате поверхность сетки приходится чистить вручную. В результате теоретического анализа удалось определить причины образования забоев и выработать конкретные рекомендации по его устранению.

На рисунке 1- частица хлопка, 2-скребок, 3-сеточная поверхность, радиус вала R1, чистый радиус поверхности круга R₂, сила удара N_s-скребка, сила трения, F_m-центробежная сила, m - масса частицы хлопка, q - ускорение свободного падения,  - угловая скорость скребка, t - время, r - начальный радиус в точке расположения кусочка хлопка.

Уравнение движения скребка в полярной системе координат выглядит следующим образом:

                                                (1)

Из уравнения (2.31) определяем, что при 0 сила удара хлопка по хлопку равна N:

Рисунок 1. Схема сил, действующих на частицу хлопка на круглой сетчатой поверхности сепаратора

                                          (2)

(2) решить дифференциальное уравнение на компьютере по методу Рунге-Кутта, когда t = 0, r = r₀; Интегрируя в условиях, когда r = 0, получаем траектории, представляющие движение скребка по поверхности сетки вдоль поверхности сетки с одинаковой угловой скоростью.

                           (3)

На рис. 2 показана траектория движения скребка с хлопком-сырцом при различных значениях радиуса кривизны скребка r₀ и расположения хлопка, т.е., его координат на поверхности сетки при вращении скребка   с постоянной угловой скоростью.

Кроме того, анализ схемы показал, что на каждой кривой t = t0 сила, действующая на скребок, равна нулю. Геометрическое расположение этих точек образует V-образную кривую. По этой кривой частица хлопка движется как в радиальном, так и в фронтальном направлениях.

Рисунок 2. Траектория движения хлопка по поверхности сетки (в разных точках, на разных градиусах)

Это представлено уравнением (2). Когда эти ударные силы равны нулю, уравнение (3) также интегрируется при условии 180 и Px=0 для всех значений r. Траектория  куска хлопка обозначены пунктирными линиями.

Сравнительный анализ кривых показывает, что при нулевом давлении на поверхность сетки можно обеспечить полное отделение хлопка и предотвратить торможение хлопка на поверхности сетки. Кроме того, эти траектории показывают, что если на поверхности сетки образуются бороздки, соответствующие этим траекториям, сопротивление их движению резко уменьшается. В связи с этим родилась идея сформировать поверхность разделительной сетки в виде спирали, идущей радиально от центра стальной проволоки или ленты, и на основе этого было разработано техническое решение. На рис. 3 представлена схема сепаратора со спиральной сетчатой поверхностью, разработанного на основе этого технического решения [6-11].

Хлопок поступает в сепаратор через входной патрубок 1. По обеим сторонам цилиндрической разделительной камеры 2 расположены сетчатые поверхности 4, прикрепленные к траверсе 3, которые образованы из спирально намотанной стальной проволоки или ленты и установлены по касательной на 5 валу. за сеткой расположена воздушная камера, к которой подсоединяется всасывающий патрубок 7. Скребок соединен с валом 6 через втулку и может вращаться при вращении вала. Он спирально изогнут в направлении вращения по своей длине и поперечному сечению с радиусом кривизны, увеличивающимся по радиусу сетки.

Рисунок 3. Сепаратор со спиральной перфорированной поверхностью

1- входной патрубок, 2- рабочие камеры, 3- распятия, 4- поверхности сетки, 5- вал, 6- скребок, 7- воздушная патрубок, 8- вакуумный клапан.

Также на нижней стороне сепаратора находится барабан 8 (вакуумный клапан), который служит для выгрузки хлопка из рабочей камеры. Изготовление скребка  6 осуществляется штамповкой или литьем, после чего на его дугообразную криволинейную поверхность можно закрепить эластичный материал. Поверхность сетки может быть выполнена из проволоки круглого диаметра d = 3-4 мм или ленты с полированной рабочей стороной.

Это упрощает изготовление сетчатого диска, но его прочность не обеспечивается, и для обеспечения прочности к задней части диска необходимо приварить дополнительные радиальные стержни. Таким образом достигается надежная работа диска. Также, возможно сделать сетчатую поверхность из проволоки большого диаметра, но при этом уменьшается ее полезная площадь поверхности.

При использовании стальной ленты полезная часть диска может быть дополнительно увеличена, так как в этом случае ширина пластины может быть уменьшена, в то время как полезная часть увеличивается из-за сохранения зазора, на поверхности радиальных стержней (крестовин) делаются канавки и пластинки для обеспечения прочности участка вставляется в паз и приваривается не нарушая гладкости поверхности. Канавки помогают крепко закрепить проволоку или ленту на крестовины 3. Острые края ленты затупляются или закругляются в радиусе половины ширины ленты, чтобы рабочая сторона ленты не заострялась.

Сепаратор работает следующим образом: Хлопок-сырец попадает в камеру 2 через входной патрубок 1, и часть его падает вниз из-за силы тяжести. Основная часть хлопка по инерции ударяется о заднюю стенку камеры, теряет равновесие и падает в вакуумный клапан. Вакуумный клапан вращается, и хлопок между его крыльями вращается вместе с ним и перемещается вниз и выходит из сепаратора под действием силы тяжести. Материал с поверхности сетки очищается вращающимся скребком 6 и под действием центробежных сил направляется в разгрузочное устройство, к вакуумному клапану 8, вместе с основной частью хлопка-сырца выходит из рабочей камеры.

Выводы

Создание поверхности сетки путем обертывания проволоки или ленты спиральной формы позволяет увеличить полезную площадь поверхности в 1,5–2 раза по сравнению с существующим перфорированным диском (сетки), причем обеспечивается гладкость поверхности сетки, имеющей низкий коэффициент трения. Скребок, служащий для очистки поверхности, также изгибается в продольном и поперечном сечениях, поперечный размер которого увеличивается по ширине и радиусу сетки для повышения эффективности процесса очистки поверхности. В результате уменьшаются потери волокна и повреждение семян, устраняются забои сепаратора хлопком, которые приводят к излишним простоям технологии переработки хлопка.

Список литературы:

1. И.Турсунов, Р.Мурадов, А.Каримов, О.Маматқулов, М.Саломова //Пахта хомашёси учун сепаратор// ЎР Интелектуал мулк агентлигининг 29.06.2020 й.даги №FAP 20200151 талабнома бўйича патент бериш тўғрисида 16.07.2021й. даги қарори.
2. I.Tursunov, N.Rajapova, B.Mardonov, O.Sarimsakov//The Study of the Movement of the Aero Mixture through the Pipeline During Pneumatic Transportation of Cotton// Jour of Adv Research in Dynamical & Control Systems// Vol.12,04-special issue, 2020.  P. 1287-1297. (Scopus) (01.00.00.№3)
3. I.Tursunov, N. Rajapova, B. Mardonov, O. Sarimsakov// The Movement of a Mixture of Cotton with an Air Stream during Pneumatic Transport by Pipeline of Variable Cross Section// Engineering, 2019, 11, P. 531-540, (05.00.00.№8)
4. И.Турсунов, Н.Каримов, О.Саримсаков, К.Абдурахимов// Исследование движения хлопковоздушной смеси по трубопроводам пневмотранспортной установки // Universum: технические науки: научный журнал. – № 1(82). Часть 2. М., Изд. «МЦНО», 2021. – С. 24-31– Электрон. версия печ. публ. (02.00.00.№1)
5. И.Турсунов, Мурадов Р., Янгибаев Ю.// Пути повышения эффективности работы сепаратора СС-15А //Ж. Хлопковая промышленность. 1986, № 1, С.12-13. (05.00.00 №17)
6. И.Турсунов, Н.Режапова, О.Ш.Саримсақов Пахта пневмотранспорти қувурининг ўтказиш қобилияти//НамМТИ илмий-техника журнали, махсус сон, 2020, 2-7 Б. (05.00.00 №33)
7. И.Турсунов, Н. Режапова, Г.Исламова, О.Ш.Саримсақов //Пахта тозалаш заводларида пахта хомашёсини пневматик ташиш жараёнини такомиллаштириш//ФарПИ Илмий Техника Журнали, 2020, T.24, №6, 52-56 Б. (05.00.00 №20).
8. И.Турсунов, Р.Мурадов, О.Маматқулов//Чигит шикастланишини камайтириш мақсадида сепаратор конструкциясини такомиллаштириш//“Илм фан, таълим ва ишлаб чиқаришнинг инновацион ривожланишдаги замонавий муаммолари” мавзудаги халқаро илмий амалий конференция материаллари//НамМТИ, Наманган, 2020. C. 46-49.
9. И.Турсунов, Р.Мурадов, О.Маматқулов//СС15М маркали пахта сепараторнинг самарадорлигини ошириш йўллари//“Инновацион ғоялар, ишланмалар амалиёти: Муаммолар ечимлар” Халқаро илмий амалий онлайин анжуман илмий мақолалар тўплами. Андижон 2020. C. 91-94.
10. И.Турсунов, О.Ш.Саримсақов, Х.Йулдошев, Б.Мирзаев Исследование процесса механической разборки хлопка-сырца, хранимого в открытых плошадках и его транспортировка на переработку// Материалы республиканской НПК «Конкурентные преимушества национальной экономики на пути к новой м..». Душанбе, 2020, част 1, С.22-30
11. И.Турсунов, Р.Мурадов, О.Маматқулов//Сепаратор тўрли юзаси самарадорлигини ошириш//“Тўқимачилик ва тикув тирикотаж саноатини янада ривожлантириш ва кадрлар тайёрлашга инновацион ёндашув” республика онлайн илмий амалий анжумани материаллари// НамМТИ, Наманган, 2020. C. 121-125.