Теоретические исследования повышения эффективности очистки хлопка

АННОТАЦИЯ

В результате комплексных исследований разработан инновационный вариант очистителя с расположением колково-планчатых барабанов по схеме “зиш-заг”, который позволяет хлопку осуществлять безударное движение, исключая встречные ударные воздействия. Однонаправленная скорость вращения колковых барабанов позволяет устранить забойные ситуации в машине. При этом угол обхвата колкового  барабана сетчатой поверхностью составляет более 180^о. и осуществляется безударная траектория движения хлопка при его очистке.

ABSTRACT

As a result of complex research, an innovative version of the cleaner with the arrangement of spike-slatted drums according to the “Z” scheme has been developed, which allows the cotton to carry out an unstressed movement, excluding the counter impact effects. The unidirectional rotational speed of the spike drums allows to eliminate bottomhole situations in the machine. In this case, the circumference angle of the spike drum with the mesh surface is more than 180 ° and unstressed trajectory of the movement of raw cotton is carried out during its cleaning.

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. Технологические процессы очистки хлопка от сорных примесей исседованы в работах отечественных ученых Е.Ф.Будина, Б.В.Логинова, Г.И.Мирошниченко, Г.И.Болдинского, П.Н.Тютина, А.Е.Лугачева, А.Джураева, Ф.И.Саади, Р.З.Бурнашева, Б.Я.Якубова, Ю.С.Сосновского, Х.Сидикова,  М.Агзамова, В.Н.Аркадакского и П.Н.Бородина [1].

Из анализа проведенных исследований в Соединенных Штатах Америки [2-12]. видно, что зарубежные исследователи изучали вопросы совершенствования конструкций очистителей, их рабочих органов, скорости вращения рабочих органов и так далее.

Помимо этого, в технологии очистки хлопка от сорных примесей проведены исследования по созданию очистителей и поточной линии очистки, однако вопросы вертикальной компоновки очистительных секций достаточно не рассматривались.

Результаты исследований. Изучим отдельно движение потока в каждой секции барабана. Первая секция определяется значением угла  в интервале  (рис.1.а).  Среду считаем сжимаемой, выделим из этой секции элемент из потока хлопка (рис.1.б) и составим уравнение движения по формуле Эйлера. Движение потока считаем стационарным. Тогда уравнения Эйлера для этого элемента записываем в виде (1): 

а)                                                               б)

Рисунок 1. Схема движения потока хлопка вдоль барабана при действии трех колков

  .                                            (1)

где    - длина дуги контакта хлопка с сеткой,отсчитываемой из точки А, v – текущая скорость частиц хлопка,   ,  - давление и плотность, R- радиус барабана,     N- нормальная удельная сила,  f- коэффициент трения между поверхности сетки и хлопком-сырцом. После  исключения силы N из (1) получим уравнение относительно давления     и скорости :

                                                  (2)

Уравнения (2) содержит три неизвестных:,  и . Для замыкания его используем уравнение состояния сжимаемой среды, устанавливающее связь между давлением и плотностью :

                                                                           (3)

и условие сохранения массы для стационарного движения потока  

                                                                                      (4)

Здесь  – площадь поперечного сечения слоя потока, h- толщина слоя, L- длина барабана, - коэффициент, характеризующий уменьшения площади контакта сырья с поверхностями колков. Q₀ – производительность очистителя,   - плотность и давления при поступлении сырья на поверхности контакта его с колком, А- постоянная сжимаемости сырца. При (4) определим скорость 

                                                                           (5)

При ударном воздействии колка на сырье при контакте частицы потока приобретают скорость , где - линейная скорость колка,   -коэффициент снижения скорости, определяемый опытным путем, в работе [1] средняя скорость  потока в зоне очистки принимается .

Полагая в формуле (5) , находим плотность сырья на поверхности контакта с колком

Для определения давления, полагаем, что известны давление плотность сырья в зоне подачи . Тогда полагая, что и   формуле (3), находим

                                                                     (6)

Из требования отсутствия отрыва сырья от поверхности колка следует , что означает . С другой стороны должна выполняться условие разряжения сырья в зоне очистки , которое дает . Для реализации процесса разряжения сырья без нарушения контакта с колком надо, чтобы отношение плотностей удовлетворяло неравенству 

Ограничение на величину давления (или скорости колка) из условия отсутствия повреждения семян при ударном взаимодействии колка с сырьем. Если обозначить через  предельной силы удара, при которой происходит повреждение семян, то полагая в формуле (7) , получаем

Вводим новую переменную по формуле (6) (- центральный угол, - радиус барабана). С учетом (4) и (6) записываем уравнение (2) относительно давления .

где , 

Последнее уравнение приведем к виду:

                                                                      (7)

где 

,

Решение уравнения (7), удовлетворяющее условию  представляется в квадратурах

                                                               (8)

где 

Плотность и скорость потока вычисляются по формулам (5) и (6).

Формулу (8) используем для определения давления  в каждой секции.

Контакт потока хлопка с сетчатой поверхностью происходит в участках  (i=1..6). Далее построены графики плотности и скорости в зоне очистки. 

Рисунок 2. Изменение давление (а) и плотности (в) вдоль дуги зоны очистки

Для расчета использованы следующие данные:  

Q0:=3000/3600; A:=0.001; v0:=2; p0:=2000; g:=10; r0:=40; f0:=0.3; k:=0.6; S0:=0.01008*2*k; α1:=2* α0; vc:=9; 

Q01:=Q0/S0; R:=0.4; a:=1-v0*Q01*A.

В продолжение ранее проведенных практических и на основании представленных теоретических исследований нами разработана схема вертикального очистителя хлопка от мелкого сора, которая позволяет устранить вышеуказанные недостатки путем последовательного движения колковых барабанов, где появляется возможность увеличения угла охвата сетчатой поверхности барабана.

Рисунок 3. Конструкции колковых барабанов и сетчатой поверхности для очистительной хлопка от мелкого сора

а) Расположение рабочих органов в серийном очистителя 1ХК; б) Расположение рабочих органов в модернизированном очистителе хлопка-сырца

Однонаправленная скорость вращения колковых барабанов позволяет устранить забойные ситуации в машине. При этом угол  обхвата  колкового  барабана сетчатой поверхностью составляет более 180^о. и осуществляется безударная траектория движения хлопка при его очистке.

Приведенная схема компоновки очистительных секций (рис.3) позволяет значительно увеличить очистительный эффект, а также сохраняя природные качественные показатели хлопка и его компонентов, что является основой разработки технологии вертикальной очистки хлопка на хлопкозаводах.

В исследованиях профессора А.Е.Лугачева [13] приводится классификационная схема очистителей мелкого сора, где очистительный модуль классифицирутся по принципу передачи, очистки и движения потока хлопка.

В признаке “направление движения хлопка” с разработкой вертикальной схемы очистки хлопка нами вводятся  новые квалификационные признаки “горизонтальный, наклонный, ступенчатый и вертикальный”, которые в свою очередь  подразделяются на угол обхвата колкового барабана сетчатой поверхностью, который составляет в горизонтальной схема компановки очистительной секции менее 90^о и при вертикальной схеме компановки очистительной секции более 90^о  (рис.4).

КЛАССИФИКАЦИОННАЯ СХЕМА ОЧИСТКИ ХЛОПКА ОТ МЕЛКИХ СОРНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Рисунок 4 Классификационная схема очистителей хлопка от сорных примесей

Выводы. Исходя из результатов анализа работ по совершенствованию процесса очистки хлопка от мелких сорных примесей и проведенных теоретических исследований в этом направлении можно сделать следующие выводы:

1.  Выявлено, что давление скорости после удара колком меняется скачкообразно, при этом после удара уменьшается плотность, то есть происходит разрыхление, а скорость частицы хлопка сырца увеличивается. Такая закономерность позволяет установить скорость колкового барабана при котором можно выбрать необходимую степень разрыхления, когда эффективно выделяются сорные примеси.

2.  Разработанная схема вертикального очистителя хлопка от мелкого сора позволяет снизить металлоемкость конструкции, энергоемкость агрегата, при этом обеспечивается высокая надежность в работе, а также возможность максимального сохранения природных качественных показателей перерабатываемого хлопка.

Список литературы:
1. Хакимов Ш.Ш. Создание эффективной технологии очистки хлопка-сырца от сорных примесей и рациональной конструкции рабочих органов очистителей.// Автореферат докторской диссертации., Ташкент, 2017 г., С.4.
2. Code of Federal Regulations (CFR). 2010. Method 201A—Determination of PM10and PM2.5emissions from stationary sources (Constant sampling rate procedure). 40 CFR 51, Appendix M. Available at http://www.epa.gov/ttn/emc/promgate/m-201a.pdf (verified 19 Aug. 2013).
3. Environmental Protection Agency (EPA). 1989. Particulate sampling in cyclonic flow. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC. Available online at http://www.epa.gov/ttn/emc/guidlnd/gd-008.pdf (verified 19 Aug. 2013).
4. Environmental Protection Agency (EPA). 2010. Frequently asked questions (FAQS) for Method 201A [Online]. Available at http://www.epa.gov/ttn/emc/methods/method201a. html (verified 19 Aug. 2013).
5. National Agricultural Statistics Service (NASS).1993-2012. Cotton Ginnings Annual Summary [Online]. USDA National Agricultural Statistics Service, Washington, DCAvailable at http://usda.mannlib.cornell.edu/MannUsda/ viewDocumentInfo.do?documentID=1042 (verified 19 Aug. 2013).
6. Valco, T.D., H. Ashley, J.K. Green, D.S. Findley, T.L. Price,J.M. Fannin, and R.A. Isom. 2012. The cost of ginningcotton—2010 survey results. p. 616–619 In Proc. Beltwide Cotton Conf., Orlando, FL. 3-6 Jan. 2012. Natl. Cotton Counc. Am., Memphis, TN.
7. Valco, T.D., J.K. Green, R.A. Isom, D.S. Findley, T.L. Price,and H. Ashley. 2009. The cost of ginning cotton—2007 survey results. p. 540–545 In Proc. Beltwide Cotton Conf., San Antonio, TX. 5-8 Jan. 2009. Natl. Cotton Counc. Am., Memphis, TN.
8. Whitelock, D.P., C.B. Armijo, M.D. Buser, and S.E. Hughs.2009 Using cyclones effectively at cotton gins. Appl. Eng. Ag. 25:563–576.
9. Armijo, C.B., and M.N. Gillum. 2010. Conventional and highspeed roller ginning of upland cotton in commercial gins.Appl. Eng. Agric. 26:5–10.
10. 10. Boykin, J.C. 2007. Cultivar differences in gin stand energy utilization. Trans. ASABE 50(3):733–743.
11. Boykin, J.C., E. Bechere, and W.R. Meredith Jr. 2012. Cotton genotype differences in fiber-seed attachment force. J. Cotton Sci. 16:170–178.
12. Cherokee Fabrication. 2011. Hot air cleaner [Online]. Available at http://www.cherokeefab.com/hotaircleaner.html (verified 7 Jun. 2013).
13. Лугачев А.Е. Разработка теоретических основ питания и очистки хлопка применительно к поточной технологии его переработки. Дисс.на соискание ученой степени доктора технических наук., Ташкент, 1998 г., С.111
14. Carlos B. Armijo, Kevin D. Baker, Sidney E. Hughs, Edward M. Barnes, and Marvis N. Gillum Harvesting and Seed Cotton Cleaning of a Cotton Cultivar with a Fragile Seed Coat The Journal of Cotton Science 2009. №13:рр.158–165
15. Усманов Х.С., Лугачев А.Е., Гуляев Р.А.FAP 20170134 Хлопкоочистительный агрегат. Регистрационный номер заявки FAP 20170134 от 27 ноябрь 2017 года Агентство по интеллектуальной собственности Республики Узбекистан.