The investigation of thinning of a layer of the long-fibred flax stems in a channel with adjustable cross-section

Full Text

Введение Низкая доля длинного волокна в товарной продукции предприятий первичной переработки тресты льна-долгунца, несмотря на повышенный спрос в данном виде сырья, существенно снижает экономические показатели льняной подотрасли агропромышленного комплекса [1-4]. Из-за чего льноводство до настоящего времени, несмотря на государственные дотации, имеет низкую инвестиционную привлекательность. Как известно, более половины потерь длинного волокна при переработке льнотресты обусловлено низким качеством подготовки слоя по существующей технологии [5], технологические процессы которой не могут быть адаптированы к изменившимся параметрам сырья при рулонной уборке льна. В связи с этим возросла актуальность разработки отдельных процессов и в целом новой технологии подготовки слоя, подаваемого в мяльную машину поточной линии. Один из основных технологических процессов подготовки слоя льнотресты - его утонение. Он служит для приведения линейной плотности исходного слоя q1 к технологически рациональному значению q2, которое определяется параметрами сырья и используемого оборудования. Трансформацию q1 → q2, которая функционально выражается в виде q2 = q1 / kу, целесообразно проводить с применением утоняющих машин, основанных на канале утонения со свободной «фиксацией» стеблей в межзубных впадинах утоняющих дисков [6]. На практике значение q1 изменяется в широком диапазоне, поэтому для обеспечения необходимого значения q2, машины должны быть выполнены по схеме, обеспечивающей плавное регулирование коэффициента утонения kу. Известны два варианта исполнения утоняющей машины, отвечающей данному критерию [7, 8]. Исходя из эксплуатационно-технологической целесообразности можно утверждать, что наиболее рациональным вариантом исполнения канала утонения с плавным регулированием kу является его исполнение с изменяемым сечением. Изменение сечения обеспечивается за счет перемещения в вертикальной плоскости верхнего ряда зубчатых дисков. За счет регулирования расстояния между верхними и нижними рядами зубчатых дисков - высоты канала утонения на входе h1 и выходе h2 из него происходит изменение уплотнения (плотности q) материала в зоне его взаимодействия с утоняющими дисками - зонах утонения и соответствующее изменение значения коэффициента утонения kу, который связан с q стохастической связью. На текущий период для канала утонения с регулируемым сечением отсутствуют данные о влиянии на kу его основных конструктивно-технологических факторов, что не позволяет обоснованно подойти к разработке утоняющей машины, основанной на данном канале утонения. Цель исследований Определить влияние конструктивно-технологических факторов на коэффициент утонения слоя льнотресты в канале утонения с регулируемым сечением. Материалы и методы исследований. Исследования выполнялись на макетном образце утоняющего адаптера (рис. 1), который был разработан и изготовлен в ФГБНУ ВНИИМЛ. Основными узлами адаптера являются два блока редукторов: верхний подвижный блок 1 и нижний неподвижный 2, которые установлены на общей раме 3. Каждый блок состоит из двух однотипных многоступенчатых редукторов и имеет независимый электропривод. Электрооборудование 4 обеспечивает в ручном режиме регулирование частоты вращения электродвигателей и, соответственно, зубчатых дисков 5, которые образуют канал утонения слоя. Для изменения сечения канала утонения на входе и выходе из него установлен винтовой механизм 6. Контроль положения верхнего блока редукторов при опускании и подъеме обеспечивается нониусом с ценой деления 1 мм, установленном на винтовом механизме. За высоту канала утонения h1, h2 принято расстояние между траекториями движения вершин зубьев утоняющих дисков верхнего и нижнего рядов. Если эти траектории пересекались в вертикальной плоскости, то высоту канала принимали со знаком минус, если нет, то со знаком плюс. Опыты проводили в пяти повторностях на обезличенном льносырье со следующими показателями качества по ГОСТ 24383-89 и ГОСТ Р 53143-2008 «Треста льняная. Требования при заготовках»: средний диаметр стеблей 1,5 мм; горстевая длина 79 см; отделяемость 5,6 ед. Единичные пробы при подаче в канал утонения расстилали перпендикулярно зубчатым дискам (параллельно валам зубчатых дисков) на длину 250 мм, обеспечивая заданное значение линейной плотности соответствующим изменением массы. Данная длина пробы объясняется, в основном, сложностью обеспечения однородности структуры исходного слоя, которая оказывает существенное влияние на процесс утонения. Линейную плотность определяли прямым методом. Исследования выполнялись путем последовательного проведения активных экспериментов. Выбор независимых факторов и диапазона их изменения проведен на основе анализа и предварительных опытов. В качестве независимых факторов приняты: высота канала на входе h1 и выходе h2; скорость движения слоя на выходе из канала утонения v2; исходная линейная плотность слоя q1. Кроме того, часть экспериментов различалась структурой канала утонения. В данном случае под структурой канала утонения понимается его формирование по длине из различного набора утоняющих дисков - одного типа и двух типов. Известно, что в каналах с постоянным сечением, для повышения эффективности утонения канал формируют из двух типоразмеров дисков [9], которые, как правило, отличаются числом зубьев. Диски с большим числом зубьев размещают на 1/2 длины канала со стороны выхода материала. Предполагается, что за счет большего числа воздействий и меньшей площади межзубных впадин удастся обеспечить не только повышение степени утонения слоя, но и снизить его вариацию по линейной плотности. Сначала с использованием 2-уровневого факторного эксперимента исследовано влияния на kу высоты канала h1 и h2, линейной плотности исходного слоя q1, и линейной скорости слоя на выходе из канала утонения v2. Исходные данные для планирования данного эксперимента представлены в таблице 1. Затем с использованием двухфакторного центрального композиционного плана в двух вариантах проводились исследования по определению влияния на kу регулируемых факторов h1 и h2. Варианты отличались структурой канала утонения. В 1-м варианте канал был сформирован из утоняющих дисков с числом зубьев z = 40 шт., а во 2-м варианте в первой половине канала были применены диски с z = 40 шт., а во второй с z = 48 шт. Исходные данные для планирования эксперимента представлены в таблице 2. Результаты и обсуждение Анализ данных 2-уровнего эксперимента показал, что статистически значимое влияние на kу оказывают: высота канала на входе h1; высота канала на выходе h2 и линейная плотность исходного слоя q1. Это подтверждает возможность регулирования коэффициента утонения слоя изменением сечения канала утонения. Зависимость kу от h1 и h2, в отличие от зависимости kу от q1, носит обратно пропорциональный характер. Линейная скорость слоя на выходе из канала утонения v2, как и взаимодействия факторов, оказались статистически незначимыми. Отсутствие значимого влияния на выходной параметр линейной скорости слоя v2 подтверждает рациональность параметров утоняющих дисков с z = 40 шт. и упрощает алгоритм управления kу, который в данном случае отражает следующая зависимость kу = 0,607 + 0,611 q1 - 0,136 h1 - 0,129 h2 . (1) Существенное прямо пропорциональное влияние на степень утонения слоя его исходной линейной плотности, показанное для h1 = -1 мм и h2 = -5 мм на рисунке 2, оказывает положительное влияние на процесс утонения. Рис. 2. Поверхность отклика - kу = f (q1, v2) Положительный эффект kу = f (q1) проявляется в снижении вариации линейной плотности утоненного слоя, которая является одной из важнейших характеристик качества подготовки слоя к обработке. В случае отклонения q1 по длине слоя участки слоя с различной плотностью будут иметь различную степень утонения. При увеличении исходной линейной плотности коэффициент утонения данного участка будет возрастать, а при уменьшении плотности - снижаться. В конечном итоге это приводит к снижению вариации линейной плотности утоненного слоя и к повышению эффективности первичной переработки - повышению выхода длинного волокна. Уравнение регрессии (1) объясняет 69,7 % дисперсии (R2 = 69,7 %), что можно считать приемлемым в данном случае. В последующих опытах для повышения точности описания процесса эксперименты были проведены с использованием двухфакторного центрального композиционного плана. Их основной целью была оценка влияния на утонение слоя структуры канала в канале с регулируемым сечением. В результате обработки данных оказалось, что для обоих вариантов статистически значимое влияние на отклик оказывает высота канала на входе h1 и выходе h2. Другими значимыми факторами являются: в 1-м варианте взаимодействие факторов h1 и h2; а во 2-м варианте - h12 и h22. В результате расчетов получены уравнения регрессии (2) - для 1-го варианта и (3) - для второго, соответственно, с коэффициентами детерминации R2 = 84,97 % и R2 = 72,84 %: kу = 2,117 + 0,043 h1 - 0,0439 h2; (2) kу = 2,036 + 0,009 h1 + 0,077 h2 + + 0,018 h12 + 0,015 h22. (3) Полученные уравнения регрессии показаны графически на рис. 3. Из графиков следует, что в 1-м варианте, по сравнению со 2-м, зависимость регулируемого показателя kу от регулирующих h1 и h2 имеет более линейный характер. Диапазон регулирования kу при формировании канала утонения из однотипных утоняющих дисков с z = 40 шт. шире, чем во 2-м варианте почти в 1,9 раза. Это говорит о том, что число зубьев на утоняющих дисках и структура канала утонения, т.е. комбинирование из дисков с различным числом, зубьев, оказывает существенное влияние не процесс утонения слоя в каналах со свободной фиксацией стеблей. Заключение Получены закономерности, отражающие процесс утонения слоя тресты льна-долгунца при свободной «фиксации» стеблей в межзубных впадинах утоняющих дисков канала с регулируемым сечением. Подтверждено, что регулирование степени утонения слоя может быть обеспечено регулированием высоты сечения канала утонения за счет перемещения верхнего ряда зубчатых утоняющих дисков в вертикальной плоскости. Обоснована целесообразность применения одного типоразмера зубчатых утоняющих дисков для формирования канала утонения с регулируемым сечением. а б Рис. 1. Макетный образец адаптера для утонения слоя сырья льна-долгунца с регулируемым сечением канала утонения: а) общий вид; б) вид на канал утонения Таблица ١ Исходные данные для ٢-х уровневого эксперимента Характеристика плана Переменные факторы линейная плотность q1, кг/м линейная скорость слоя v2, м/мин высота канала* на входе h1, мм высота канала на выходе h2, мм Верхний уровень 2,0 90,0 +2,0 -2,0 Нижний уровень 1,0 50,0 -4,0 -8,0 * канал выполнен из одного типоразмера утоняющих дисков с числом зубьев z = 40 шт. Таблица ٢ Исходные данные для центрального композиционного плана Характеристика плана Переменные факторы Примечание h1, мм h2, мм Верхний уровень +2,0 -2,0 *Линейная плотность q1 = 1,5 кг/м; **Линейная скорость v2 = 60 м/мин. Нижний уровень -4,0 -8,0 * Значение q1 соответствует максимальной рекомендованной плотности слоя в рулоне ** Значение v2 соответсвует средней скорости слоя на практике а б Рис. 3. Поверхности отклика при двух вариантах структуры канала: а) 1-й вариант (z = 40); б) 2-й вариант (z = 40 + z = 48)

About the authors

V. A Romanov

All-Russian Research Institute of Flax Growing Mechanization (VNIIML)

Email: romanoff_va@bk.ru

E. H.V Novikov

All-Russian Research Institute of Flax Growing Mechanization (VNIIML)

Email: romanoff_va@bk.ru
PhD in Engineering

A. V Bezbabchenko

All-Russian Research Institute of Flax Growing Mechanization (VNIIML)

Email: romanoff_va@bk.ru

References

Supplementary files