Розробка голкофрезових подрібнювачів для переробки текстильних відходів легкої промисловості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державна академія легкої промисловості України

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.05.10 - Машини легкої промисловості

Розробка голкофрезових подрібнювачів для переробки текстильних відходів легкої промисловості

Михайловський Юрій Броніславович

Київ - 1999

Дисертацєю є рукопис

Робота виконана на кафедрі Машин та апаратів легкої промисловості Технологічного університету Поділля Міністерства освіти України, м. Хмельницький

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент, Іщук Володимир Іванович, доцент кафедри машин та апаратів легкої промисловості ТУП

Офіційні опоненти:

Петко Ігор Валентинович - доктор технічних наук, професор кафедри електромеханічних систем ДАЛПУ, м. Київ;

Верхоярний Олександр Васильович - кандидат технічних наук, заступник директора науково-виробничої фірми “Удача-Діамант”, м. Київ

Провідна установа Чернігівський технологічний інститут Міністерства освіти України, м. Чернігів.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Тарасенко А.І.

Анотація

текстильний промисловість подрібнення

Михайловський Ю.Б. Розробка голкофрезових подрібнювачів для переробки текстильних відходів легкої промисловості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.05.10 - машини легкої промисловості. - Державна академія легкої промисловості України, Київ, 1999.

Дисертацію присвячено дослідженню процесу переробки текстильних матеріалів в голкофрезових подрібнювачах. На основі проведених досліджень розроблені методики проектування обладнання для переробки відходів текстильних матеріалів, що забезпечують при реалізації в промисловості високоефективну переробку текстильних відходів (зменшення забруднення навколишнього середовища та отримання додаткового джерела сировини). При виконанні дисертаційної роботи отримані аналітично і перевірені експериментально моделі процесу транспортування текстильного матеріалу в каналі та його подрібнення голкофрезовим робочим органом, які дозволяють розраховувати конструктивно - кінематичні параметри голкофрезового подрібнювального пристрою та властивості матеріалу, що переробляється. Розроблені конструкція, алгоритми та програми для ЕОМ, що дозволяють отримувати раціональні конструктивні і технологічні параметри голкофрезового подрібнювача, враховуючи властивості матеріалу, що переробляється.

Сформульовані рекомендації по конструктивному оформленню і режимах роботи голкофрезового подрібнювача. На базі проведених досліджень розроблено, спроектовано і виготовлено промислово-дослідний пристрій для подрібнення відходів на Хмельницькому комбінаті будівельних матеріалів.

Ключові слова: відходи, подрібнення, переробка.

Annotation

Mikhaylovskiy Y.B. Development of needle-mill of the drinding for processing textile scraps of a light industry. - Manuscript.

Dissertation to receive the degree of the candidate of science (technical) for the speciality: 05.05.10 - machine of a light industry. - State academy of a light industry of Ukraine, Kiev, 1999.

The thesis is devoted to a research of process of processing of textile materials in needle-mill of the drinding. Because of conducted researches the scientific approach to designing to the equipment for processing scraps of textile materials is developed which ensures for want of realizations in an industry highly effective processing of textile scraps (diminution of contamination of anenvironment and deriving of an additional source of raw material). For want of fulfillment the dissertation of work the models of process of transportation of a textile material in the channel and its refinement of needle-mill are obtained analytically and checked experimentally which allow to expect structurally - kinematic parameters of needle-mill of the drinding with allowance for of properties of a material, which is processed. Developed a construction, algorithms and computer programs in an outcome analytical and experimental researches, which allow to receive rational design and technological parameters of needle-mill of the drinding taking into account properties of a material.

The formulated recommendations for design registration and operational modes of needle-mill of the drinding . On basis of conducted researches is developed, is designed and is made the sample for a refinement of scraps is industrial - research.

Key words: textiles, waste, fibre, milling, processing.

Аннотация

Михайловский Ю.Б. Разработка иглофрезерных измельчителей для переработки текстильных отходов легкой промышленности. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности: 05.05.10 - машины легкой промышленности. - Государственная академия легкой промышленности Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена исследованию процесса переработки текстильных материалов в иглофрезерных измельчителях. Процесс измельчения текстильных материалов может быть использован во многих областях промышленности.

Существующие измельчающие устройства в большинстве своем используют механические способы измельчения, такие как резание, стирание, раздавливание материала. При этом эти устройства не учитывают физико-механических свойств измельчаемых материалов и конкретных условий переработки, что ведет к увеличению энергоемкости процесса измельчения.

Создание высокоэффективных механических измельчающих устройств, которые максимально учитывают особенности физико-механических свойств измельчаемых материалов, является актуальной задачей, и представляет интерес для многих областей промышленности, так как максимальное использование отходов производства в современных условиях есть важным дополнительным источником сырья.

В диссертации разработаны методики проектирования оборудования для переработки отходов текстильных материалов, что должно обеспечить при реализации в промышленности высокоэффективную переработку текстильных отходов (уменьшение загрязнения окружающей среды и получение дополнительного источника сырья).

Полученная аналитически и проверенная экспериментально модель процесса измельчения текстильных материалов иглофрезовым рабочим органом, разрешает производить расчет конструктивно - кинематических параметров иглофрезового измельчающего устройства. Полученная модель процесса измельчения и транспортирования разрешает учитывать свойства перерабатываемого материала. Разработаны конструкция, алгоритмы и программы для ЭВМ, позволяющие получать рациональные конструктивные и технологические параметры иглофрезерного измельчителя, учитывая свойства перерабатываемого материала.

Сформулированы рекомендации по конструктивному оформлению и режимам работы иглофрезерного измельчителя. На базе проведенных исследований разработан, спроектирован и изготовлен промышленно-исследовательский образец для измельчения отходов на Хмельницком комбинате строительных материалов.

Ключевые слова: отходы, измельчение, переработка.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Процес подрібнення різноманітних матеріалів використовується у багатьох галузях промисловості, де є відходи текстилю, полімерів, гуми, шкіри, хутра.

Існуючі подрібнювальні пристрої здебільшого базуються на механічних засобах подрібнення, таких як різання, стирання, плющення матеріалу. Ці пристрої універсальні і використовуються для всіх видів відходів матеріалів, але не враховують фізико-механічних властивостей подрібнювальних матеріалів і конкретних умов переробки, що приводить до збільшення енергоємності процесу подрібнення.

Створення високоефективних механічних подрібнювальних пристроїв з врахуванням фізико-механічних властивостей матеріалів, що подрібнюються, є актуальним завданням для багатьох галузей промисловості, так як максимальне використання відходів виробництва в сучасних умовах є важливим додатковим джерелом сировини і дозволяє зменшити екологічне навантаження на оточуюче середовище.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Результати дисертаційного дослідження були використані при виконанні держбюджетних тем, що виконувались на кафедрі “Машини та апарати легкої промисловості” Технологічного університету Поділля:

- “Створення нових композиційних матеріалів, клеїв з використанням полімерів, металічних порошків та вторинних ресурсів”, 1994-1995 рр.;

- “Дослідження та розробка технології переробки та використання відходів текстильних матеріалів легкої промисловості”, 1997-1999 рр.

Мета роботи і задачі дослідження - розробка принципово нового обладнання для переробки відходів текстильних матеріалів, що повинно забезпечити реалізацію в промисловості високоефективних технологічних процесів подрібнення (зменшення забруднення навколишнього середовища та отримання додаткового джерела сировини).

Для досягнення поставленої мети у процесі досліджень вирішувалися наступні взаємопов'язані задачі:

- структуризація пристроїв по конструкції робочих органів;

- розробка математичної моделі процесу транспортування та подрібнення текстильних відходів легкої промисловості з використанням голкофрезового дезінтегратора;

- експериментальне дослідження процесу транспортування та подрібнення для визначення адекватності математичної моделі реальним процесам;

- розробка методичних основ розрахунку основних конструктивних параметрів голкофрезових пристроїв з використанням САПР.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримані аналітично і перевірені експериментально моделі процесу транспортування текстильного матеріалу в каналі та його подрібнення голкофрезовим робочим органом, які дозволяють розраховувати конструктивно-кінематичні параметри голкофрезового подрібнювального пристрою, враховуючи властивості матеріалу, що переробляється.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені конструкція, алгоритми та програми для ЕОМ, що дозволяють отримувати раціональні конструктивні і технологічні параметри голкофрезового подрібнювача з урахуванням властивостей матеріалів, які переробляється.

Сформульовані рекомендації по основному конструктивному оформленню і режимах роботи голкофрезового подрібнювача. На базі проведених досліджень розроблено, спроектовано і виготовлено промислово-дослідний пристрій для подрібнення відходів на Хмельницькому комбінаті будівельних матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи були представлені і отримали позитивну оцінку на:

- науковій конференції молодих вчених та студентів, 11-14 квітня 1995 року, м. Київ, ДАЛПУ;

- науково-практичній конференції “Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону”, Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, 1995р.;

- науково-практичній конференції молодих вчених та студентів, Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, 1995р.;

- XXIV науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу за підсумками науково - дослідної роботи за 1995 рік, Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, 1996 р.;

- XXV науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу за підсумками науково - дослідної роботи за 1996 рік, Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, 1997;

- XXVI науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу за підсумками науково-дослідної роботи за 1997 рік, присвяченій 30-й річниці утворення Технологічного університету Поділля, м. Хмельницький, 1998;

- XXVII Науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу, присвяченій 85-річчю з дня народження заслуженого діяча науки і техніки України професора Піскорського Г.А. та 30-річчю кафедри “Машини і апарати легкої промисловості та сервісу”, Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, 1998 рік.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих праць, в тому числі отримано 3 патенти України.

Декларація конкретного особистого внеску дисертанта в розробку наукових результатів, що виносяться на захист. Дисертація має тільки ті наукові результати, які отримані дисертантом особисто. Особистий внесок здобувача полягає в постановці та вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач. За безпосередньою участю автора розроблено методики досліджень, наукові положення, планування й проведення експерименту, комп'ютерна обробка отриманих даних та розробка програм адаптації методик конструювання. Автору належать основні ідеї, узагальнення та висновки. Конкретний персональний внесок здобувача в опублікованих наукових працях у співавторстві з науковим керівником полягає у вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків по роботі, списку використаних літературних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи - 149 сторінок, у тому числі 42 рисунки, 12 таблиць, список літератури з 106 найменувань, 4 додатки.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульована мета і визначені основні задачі дослідження, наведено відомості про наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено огляд обладнання та досліджень в галузі подрібнення відходів. Дана класифікація пристроїв для подрібнення. Встановлено, що найбільше розповсюдження отримали механічні способи подрібнення текстильних матеріалів, які базуються на різанні, стиранні, плющенні, ударі, роздиранні.

На основі аналізу існуючих способів та пристроїв для подрібнення встановлено, що отримання окремих волокон з текстильних відходів найбільш ефективне на обладнанні, яке дозволяє виконувати тріпально-чесальні операції, удар, роздирання. Дані вимоги з різним ступенем виконуються в молоткових, роторних, відцентрових машинах, дезінтеграторах та дисмембраторах.

Проведений аналіз показав, що подрібнення текстильних відходів в голкофрезових подрібнювачах є найбільш ефективним як з точки зору енергомісткості процесу, так і до продуктів подрібнення. Також в результаті аналізу було встановлено, що промислове використання цього способу обмежене відсутністю глибоких аналітичних і експериментальних досліджень процесу взаємодії робочих органів пристроїв і матеріалу.

У другому розділі проведено аналіз процесів транспортування матеріалу в зону руйнування та його подрібнення голкофрезою.

Об'єкт дослідження (рис. 1) розглядається в загальному вигляді і складається з: 1-бункера завантаження; 2-верхнього рухомого валка; 3-нижнього нерухомого валка; 4-каналу транспортування; 5-голкофрези.

При розгляді процесу транспортування матеріалу необхідно зазначити, що в голкофрезових подрібнювачах поряд з валковими механізмами можуть використовуватись і інші. Всі ці механізми транспортування є достатньо вивченими і для повного опису процесу транспортування матеріалу необхідно проаналізувати лише процеси, які відбуваються в каналі транспортування.

Для отримання основних залежностей, що визначають процес руху матеріалу, були прийняті наступні припущення:

- потік матеріалу в каналі ламінарний;

- матеріал ізотропний;

- рух матеріалу - сталий;

- масові та інерційні сили внаслідок їх малої величини і сталого характеру руху не враховуємо;

- зміну швидкості руху матеріалу при транспортуванні не враховуємо, внаслідок малої довжини каналу.

Для аналітичного дослідження процесу транспортування матеріалу розглянуто процес руху матеріалу в каналі.

Було визначено, що приріст відносної деформації відбувається тільки в напрямку руху матеріалу.

Це дозволило аналітично описати процес руху матеріалу в каналі транспортування і визначити величину мінімального напірного тиску, що потрібен для забезпечення сталого руху матеріалу:

З метою визначення факторів, що суттєво впливають на процес транспортування, проведено дослідження математичної моделі (2), в ході якого отримано показники процесу в залежності від зміни конструктивних параметрів та властивостей матеріалу. В результаті дослідження визначено характер залежностей зміни напірного тиску від конструктивних параметрів. Дослідження дозволило встановити, що найбільше деформування матеріалу відбувається в напрямку осі Y, яке обумовлено зменшенням поперечного перерізу (залежить від кута звуження ). Тобто основним фактором, що впливає на інтенсивність напруженого і деформаційного стану, є деформація .

Для повного аналітичного опису процесу подрібнення прийняті наступні припущення:

- окремі голки при взаємодії з волокнистим матеріалом руйнують волокна (руйнування відбувається за рахунок розтягу волокна), у яких обидва кінці защемлені або звільняють один кінець від зв'язків з іншими волокнами. Руйнування матеріалу за рахунок подачі, напірної сили та ущільнення матеріалу в каналі не відбувається тому, що інтенсивність напруженого стану, який виникає, значно менша, ніж потрібна для руйнування різноманітних волокон при стисканні від 5 до 300 МПа. Внаслідок цього в зоні контакту матеріалу з голкофрезою залишається велика кількість волокон, які закріплені з одного кінця. Ці волокна взаємодіють з голкофрезою (їх взаємодію можна розглядати як процес тріпання), і за рахунок сил, які перевищують граничні значення міцності матеріалу, вони руйнуються;

- деформування голки не враховується, внаслідок щільного притискання їх одна до одної в голкофрезі;

- напружений стан матеріалу розглядаємо, не враховуючи деформування у часі;

- процес подрібнення волокнистих матеріалів в сталому режимі рахуємо ізотермічним.

При аналітичному дослідженні процесу руйнування волокон використано міцностний підхід для одновісного напруженого стану.

Натяг волокна складається з двох складових: натягу на кромці та натягу від взаємодії вільного кінця з голкою. Сила натягу волокна визначається за допомогою видозміненого рівняння Ейлера:

В результаті аналітичного дослідження поведінки матеріалу в зоні подрібнення отримано систему рівнянь, що являє собою математичну модель процесу подрібнення текстильних матеріалів в голкофрезовому подрібнювачі:

Розв'язок отриманої системи рівнянь можливий тільки при наступних початкових та граничних умовах:

Проведення досліджень математичної моделі з метою визначення факторів, що суттєво впливають на процес подрібнення, дозволило визначити характер впливу конструктивних та технологічних факторів на довжину волокна після подрібнення. Встановлено, що вплив конструктивно-технологічних параметрів голкофрезового робочого органу на процес подрібнення матеріалу можливо охарактеризувати лише одним його параметром - окружною швидкістю обертання поверхні голкофрези.

Розрахунок параметрів процесу подрібнення дозволив визначити раціональні межі зміни окружної швидкості поверхні голкофрези (=6...18м/с), що забезпечує довжину волокон після подрібненні від 4 до 40 мм.

Аналіз моделі процесу подрібнення (4) дозволив встановити, що максимальний натяг волокна відбувається після контакту, коли голка обертається на кут 0,6..0,8 градусів.

Аналітичне дослідження впливу процесу подрібнення на процес транспортування матеріалу в каналі дозволило отримати умову мінімального напірного тиску, що потрібен для забезпечення сталої роботи подрібнювача.

Обчислювальний експеримент показав, що протидія транспортуванню від голкофрези незначна і становить 0,000479...0,00169 МПа.

У третьому розділі викладені результати експериментальних досліджень, що підтверджують адекватність аналітичних моделей реальним процесам подрібнення та транспортування в голкофрезових подрібнювачах.

Для експериментальних досліджень було спроектовано та виготовлено експериментальне устаткування, яке дозволяє реалізувати процес подрібнення і транспортування з можливістю зміни факторів, що вивчаються, та реєструвати параметри, що досліджуються.

Аналітичні дослідження показали, що лінійного наближення для опису цих процесів в голкофрезових подрібнювачах недостатньо. В зв'язку з цим було прийняте рішення використовувати некомпозиційне планування другого порядку.

Експериментальні дослідження процесу подрібнення довели, що довжина волокна після подрібнення залежить лише від окружної швидкості поверхні голкофрези. Також встановлено, що величина впливу окружної швидкості поверхні голкофрези на питомі енерговитрати не перевищує 4% при зміні окружної швидкості в межах від 10 до 18 м/с, а зміна подачі від 3,6 до 17,6 кг/год приводить до збільшення енерговитрат на 0,8%.

Проведені експериментальні дослідження дозволили отримати регресійні залежності для визначення довжини волокна для таких волокон:

- вовняні волокна

При дослідженні процесу транспортування відходів в каналі отримана регресійна залежність зміни напірного тиску від конструктивних параметрів каналу:

Проведені експериментальні дослідження показали, що аналітичні моделі з достатньою точністю описують процеси подрібнення та транспортування текстильних відходів в голкофрезових подрібнювачах. Розбіжність аналітичних і експериментальних даних не перевищує 15%, це дозволяє використовувати ці моделі для розрахунків конструктивних та технологічних параметрів голкофрезових подрібнювачів.

У четвертому розділі розроблено принципово нові методики розрахунків основних конструктивних та технологічних параметрів голкофрезових подрібнювачів, які можуть бути використані при розробці САПР.

На основі проведених експериментальних та аналітичних досліджень розроблено та виготовлено дослідно-промисловий зразок голкофрезового подрібнювача на Хмельницькому комбінаті будівельних матеріалів, який використовувався для отримання волокнистого наповнювача при виготовленні бетонних розчинів. Бетонний розчин з волокнистим наповнювачем використовувався для виготовлення виробів, в яких неможливо було використовувати металеву арматуру для підвищення міцності (плитка оздоблювальна, плити тротуарні, грати).

Висновки

1. Проведений аналіз стану переробки текстильних відходів легкої промисловості дозволив встановити доцільність проведення науково-дослідної роботи в області розробки голкофрезових подрібнювачів і необхідність створення пристроїв для переробки текстильних відходів.

2. Аналітичні дослідження процесу подрібнення та транспортування текстильних відходів дозволили математично описати ці процеси з врахуванням фізико-механічних властивостей матеріалу, що переробляється. Математичні моделі, отримані при аналітичному дослідженні процесу подрібнення та транспортування, визначають якісно-кількісні показники процесу, що залежать від конструктивно-технологічних параметрів обладнання та властивостей матеріалу.

3. Визначена можливість і доцільність подрібнення текстильних відходів легкої промисловості при окружній швидкості поверхні голкофрези від 6 до 18 м/с. Така швидкість дозволяє отримувати середню довжину волокон від 4 до 40 мм.

4. Раціональні параметри каналу транспортування визначаються на стадії проектування, виходячи з умов, що для подрібнення відходів їх необхідно ущільнити. Величину відносної деформації матеріалу на виході з каналу транспортування доцільно вибирати в межах від 10 до 30%.

5. Виявлено, що величина впливу окружної швидкості поверхні голкофрези на питомі енерговитрати не перевищує 4% при зміні окружної швидкості в межах від 10 до 18 м/с, а зміна подачі від 3,6 до 17,6 кг/год приводить до збільшення енерговитрат на 0,8%.

6. На основі результатів досліджень, за замовленням Хмельницького комбінату будівельних матеріалів, спроектований та виготовлений дослідно-промисловий зразок голкофрезового подрібнювача для волокнистих відходів легкої промисловості.

7. Розроблені принципово нові методики розрахунків основних конструктивних та технологічних параметрів голкофрезових подрібнювачів, які можуть бути використані при розробці САПР.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Іщук В.І., Михайловський Ю.Б. Математична модель руйнування комбінованих відходів легкої промисловості // Проблеми сучасного машинобудування: Збірник наукових праць.-Хмельницький: ТУП, 1996. C. 150-151.

2. Михайловський Ю.Б., Іщук В.І. Дослідження процесу транспортування відходів легкої промисловості в каналі голкофрезового дезінтегратора // "Вісник Технологічного університету Поділля". - 1997. - № 1. C. 127-130.

3. Михайловський Ю.Б. Аналітичне відображення процесу руйнування текстильних матеріалів під дією голкофрезового робочого органу // "Вісник Технологічного університету Поділля".- 1998. - № 1. C. 53-54.

4. Іщук В.І., Михайловський Ю.Б. Дослідження процесу взаємодії голкофрези з текстильним матеріалом при його подрібненні // Придніпровський науковий вісник.- 1998р.- № 52. C. 39-48.

5. Іщук В.І., Михайловський Ю.Б. Оцінка можливостей використання обладнання для переробки відходів легкої промисловості. Частина 2-га. "Вісник Технологічного університету Поділля".- 1998.- № 4. C. 72-74.

6. Іщук В.І., Михайловський Ю.Б. Дезінтеграція відходів легкої промисловості та отримання на їх базі нових композиційних матеріалів // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених та студентів, частина перша,11-14 квітня 1995 року. - К.: ДЛПУ, 1995.- C. 74.

7. Іщук В.І., Михайловський Ю.Б. Фізико-математична модель дезинтеграції полімерних відходів легкої промисловості // Тези доповідей науково-практичний конференції. “Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону”. Ч 1,2.-Хмельницький.: ТУП 1995.- С. 368.

8. Іщук В.І., Михайловський Ю.Б. Вторинна переробка відходів легкої промисловості. Тези доповідей на науково-практичний конференції молодих вчених та студентів. 1995 р.- С. 15.

9. Патент (України) № 96041560. МКИ В 29 Н 19/00 Пристрій для переробки зношених автомобільних покришок/ Іщук В.І., Михайловський Ю.Б.// Опубл. 05.05.98. Бюл. № 1.

10. Патент (України) № 96083189. МКИ В 02 C 13/02 Пристрій для обдирання та подрібнення зерна/ Іщук В.І., Михайловський Ю.Б., Липко В.А., Човча С.В.// Опубл. 31.08.98, Бюл № 4.

11. Патент (України) №. 96083192 МКИ В 02 C 13/02 Пристрій для подрібнення кормів/ Іщук В.І., Михайловський Ю.Б., Липко В.А., Човча С.В.// Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4.

Размещено на Allbest.ru