Процесс мятья. Условия разрушения стеблей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процесс мятья. Условия разрушения стеблей



На мяльных машинах (рис.1) подготавливают стебли к выделению из них волокна или луба при обработке на трепальной машине: излом на мелкие участки и нарушение связи между волокном и древесиной.

Рис. 1. Технологическая схема мяльной машины: 1- сырец; 2 - плющильные вальцы; 3- мяльные вальцы

Материал, получаемый на мяльной машине, называют сырцом. Сырец является полуфабрикатом производства.

Процесс мятья должен обеспечивать нарушение связи волокнистого (лубяного) слоя с древесиной при изломе стеблей; целостность волокна при разрушении стеблей, наиболее полное освобождение волокна от древесины.

Эти требования легко выполнимы при обработке на мяльной машине нормально вымоченной и подсушенной тресты. Процесс мятья менее эффективен при переработке недомоченной, с повышенной влажностью тонкостебельной тресты, а также стеблей при выделении из них луба. В этих случаях велика сила связи между коровой и древесинной частью стеблей и нарушить эту связь значительно труднее.

Знание закономерностей процесса мятья дает возможность правильно его регулировать и получать при обработке сырья наилучшие результаты.

Технологическая схема современной мяльной машины изображена на рис. 1. Она имеет 1 - 2 пары гладких плющильных вальцов 2 и 10 - 20 пар рифленых мяльных вальцов 8. Перед машиной установлен механизм, формирующий непрерывный слой стеблей, или ленточный транспортер. При вращении вальцов слой стеблей 1, расположенных под углом к вальцам (иногда перпендикулярно), движется вдоль машины от одной мяльной пары к другой и подвергается многократному промину.

Характеристика мяльных вальцов

Конфигурацию и размеры рабочих органов мяльной машины -- рифленых вальцов -- характеризуют наружный диаметр вальца Dн (рис. 2), внутренний диаметр вальца Dв высота рифли h = (Dн - Dв)/2 , число рифлей Zр, шаг рифлей, измеренный по наружному цилиндру tg, радиус закругления вершины rв радиус закругления впадины между рифлями rвп, длина вальца (рабочая) Lp.

Рис. 2. Конфигурация мяльных вальцов

Расположение вальцов в паре характеризуется расстоянием S между осями вращения верхнего и нижнего вальцов, которое определяет глубину захождения; рифлей одного вальца между рифлями смежного вальца:

i=Dн-S.

Во время работы машины рифли одного вальца поочередно заходят в находящиеся против них впадины между рифлями другого вальца. Глубина захождения рифлей сначала возрастает от нуля до наибольшей величины, а затем уменьшается до нуля. Таким образом, i - это максимальная глубина захождения.

Расстояние между вершиной рифли и дном впадины противоположного вальца называют зазором.

Форма рифлей при одном и том же шаге может быть различной. Все разнообразие имеющихся профилей рифленых вальцов можно свести к следующим типам:

вальцы крутого рифления, отличающиеся малым радиусом очертаниями профиля и относительно малой высотой рифлей по сравнению с их шагом (рис. 3а);

вальцы крутою рифления, отличающиеся малым радиусом закругления кромки рифли и относительно большой высотой рифлей по сравнению с их шагом (рис. 3 б);

вальцы острогранного профиля (рис. 3 в);

вальцы ножевые, планчатые (рис. 3 г).

Выбор того или иного профиля вальцов зависит от условий рационального разрушения стеблей.

Рис. 3. Профили мяльных вальцов

При промине на вальцах отлогого рифления нет резких перегибов стеблей; стебли воспринимают значительные силы поперечного сжатия, имеющего характер плющения. Поэтому отлогорифленые вальцы применяют для подготовки стеблей к промину на вальцах более крутого рифления или для промина стеблей грубостебельных растений, при обработке которых резкие перегибы стебля опасны для волокна.

При обработке на круторифленых вальцах стебли подвергаются резким воздействиям изгиба; технологический эффект получается более полным, чем при обработке стеблей на отлого-рифленых вальцах. На современных мяльных машинах такие вальцы, как правило, являются основными.

Ножевые вальцы применяют редко из-за сложности изготовления. Вальцы острогранного профиля также применяют редко, так как они, проминая стебли, повреждают волокна.

У мяльных вальцов рифли расположены параллельно оси вращения или по винтовой линии.

Анализ явлений в мяльной паре

На рис. 4 изображена схема взаимодействия рифлей вальцов и стебля. Площадь, образованную пересечением двух окружностей диаметром Dн (на рисунке она заштрихована), называют полем мятья. Мяльный процесс осуществляется в пределах этого поля. На рисунке показано взаимодействие рифли одного вальца с двумя рифлями смежного вальца.

Рис. 4. Схема взаимодействия рифлей и стебля

Стебли, попадая во вращающуюся мяльную пару, каким-то участком ложатся на две соседние рифли А и С одного вальца. Длина этого участка приблизительно равна шагу рифлей ( tд ? АС). При дальнейшем вращении вальцов в промежуток между этими двумя рифлями начинает входить рифля верхнего вальца. Она надавливает на стебель и изгибает его. В тот момент, когда угол изгиба будет равен углу излома, стебель сломается. Если величина участков стебля АЕ и ЕС будет меньше критической длины при изгибе-изломе Lкр, то на этих участках стебля произойдет отделение волокна от древесины.

Чтобы процесс мятья был рационален, шаг рифлей должен обеспечивать такой излом стебля, при котором величина получающихся костринок будет меньше критической длины. Одновременно при максимальном вхождении рифли одного вальца во впадину другого угол изгиба стебля должен быть больше, чем угол излома. Способность мяльной пары изгибать стебли характеризуют углом промина. Угол промина определяется глубиной захождения рифли (при одинаковом их шаге): чем больше глубина захождения, тем больше угол промина. Следовательно, способность мяльной пары рационально разрушать стебли зависит от шага рифлей и глубины их захождения. При конструировании мяльных машин необходимо подбирать размеры вальцов и рифлей, а также глубину их захождения так, чтобы обеспечить достаточно большой угол промина и достаточно малую величину участков, на которые будет изламываться стебель.

Длину участка стебля АЕС, касающегося трех взаимодействующих рифлей мяльной пары при наибольшем их захождении, называют шагом тресты tтр. Из рис. 4 видно, что шаг тресты tтр больше шага рифлей tд. Это означает, что изгиб-излом стеблей в мяльной паре сопровождается протаскиванием стеблей по кромкам рифлей. Указанное явление вызывает дополнительное механическое воздействие на обрабатываемый материал -- скоблящее воздействие или скользящий изгиб. При скользящем изгибе возникают сдвигающий силы, способствующие нарушению связи волокна с древесиной. При этом более острые кромки рифлей обеспечивают больший эффект.

При обработке стеблей на мяльной машине слой их часто имеет значительно большую толщину, чем величина рабочего зазора.

Это вызывает поперечное сжатие стеблей и их сплющивание при одновременном смещении относительно рифлей. Такое дополнительное воздействие способствует разрушению стебля и ослаблению связи между волокном и древесиной, но оно имеет и отрицательное значение. Если слой обрабатываемого материала в пространстве между соседними парами вальцов натянут, то зажим его в рабочем зазоре может повлечь за собой разрыв волокна.

Таким образом, мятье стеблей на вальцовых мяльных машинах складывается из следующих механических воздействий: поперечного сжатия (наблюдается как в гладкой, так и в рифленых парах), изгиба-излома и скользящего изгиба. В зависимости от условий обработки воздействие того или иного вида может усиливаться или ослабляться. Основным видом воздействий на типовых мяльных машинах является изгиб-излом.

Интенсивность мятья повышается при уменьшении шага рифлей и увеличении глубины их захождения.

Условия рационального излома при промине тресты в круто-рифленых вальцах типовых мяльных машин достаточно легко выполняются для комлевой и срединной частей стеблей, а вершинки проминаются хуже. При обработке недомоченной и тонкостебельной тресты и особенно льняной соломы также необходима повышенная интенсивность промина. С этой целью используют вальцы с небольшим шагом рифлей -- мелкорифленые.

При анализе явлений в зоне мятья предполагалось, что рифли направлены вдоль вальца (рис. 5 а), а стебли расположены перпендикулярно рифлям.

Обычно стебли подают в мяльную машину под углом 45° и меньше к оси вальцов. Условия процесса мятья изменяются: стебли изламываются на большие участки, чем при подаче их перпендикулярно вальцам ( t1 > t0 ).

При этом ухудшается промин стеблей.

Чтобы промин стеблей, подаваемых под острым углом к оси вальцов, не ухудшался, применяют вальцы с меньшим шагом рифлей. Однако этого недостаточно, так как стебли при подаче в машину могут располагаться параллельно вальцам. Поэтому на мяльных машинах применяют вальцы винтового рифления (рис. 5 б). При подаче стеблей под острым углом к винтовым вальцам условия процесса не ухудшаются по сравнению с подачей их перпендикулярно вальцам {t' ?t}.

Рис. 5. Схема взаимного расположения рифлей, вальцов и материала.

При обработке стеблей винтовыми вальцами на них действуют усилия, направленные по оси вальцов, и слой стеблей сдвигается в сторону, что недопустимо. Во избежание смещения слоя на мяльной машине устанавливают вальцы как левого, так и правого направления винтовой линии.

Из рис. 5 б можно видеть, что если стебель а'b' проминать в вальцах другого направления винтовой линии, то он будет изламываться на участки, размер которых даже больше, чем размер участков, получаемых в вальцах прямого рифления.

Вследствие этого эффект от применения винтовых вальцов значительно снижается.

Условия нарушения связей волокна с древесиной при изгибе-изломе.

Изгиб-излом протекает в три стадии. Первая - общий упругий изгиб, когда нагрузка воспринимается всем стеблем. Далее местная деформация быстро растет и сопровождается раскалыванием стебля на долевые части - секторы - вторая стадия. Жесткость поперечного сечения резко снижается. Раскалывание стебля на отдельные продольные секторы на участке местной деформации всегда проявляется резко для тонкостенных стеблей с большой внутренней полостью. У толстостенных стеблей с незначительной внутренней полостью местные деформации могут не привести к продольному раскалыванию.

Третья стадия -- местный изгиб, переходящий в излом, начинается после окончания продольного раскалывания стебля. Сечение стебля представляет собой форму, составленную из отдельных секторов, как правило, наложенных один на другой попарно. По поперечному сечению и в продольном направлении секторы удерживаются вместе весьма малопрочной связью. Поэтому каждый в данной стадии выступает как балка, деформирующаяся под нагрузкой самостоятельно. Для плющеных стеблей упругий изгиб протекает быстрее и при меньших нагрузках.

При пропуске стебля через вальцы крутого рифления изгиб с изломом протекает последовательно по длине на определенных участках. Место излома всегда находится на вершине рифля. Полагая, что волокно и древесина подчиняются закону Гука, рассмотрим условия нарушения связи волокна с древесиной при изгибе.

Выделим элементарный участок плющеного стебля, расколотого на отдельные секторы в месте изгиба, ограниченный углом dц (рис. 6).



Рис. 6 . Изгиб стебля на кромке рифли

В слоях стебля, лежащего выше нейтральной линии, возникают растягивающие напряжения. Они передаются на волокно прямолинейного участка и стремятся сдвинуть его с древесины. Величина суммарной сдвигающей силы зависит от величины напряжений по сечению волокна. Последние определяются геометрией излома и размерами элементов стебля в поперечном сечении. Длина прямолинейного участка стебля определяется шагом рифель.

Напряжения в растянутой зоне по закону Гука определяются зависимостью

у= z/r* E

где z -- расстояние от нейтрального до рассматриваемого слоя, мм; r -- радиус изгиба нейтрального слоя, мм; Е -- модуль упругости волокна при растяжении, Па.

Наибольшая длина участка стебля, на котором произойдет нарушение связи без повреждения волокна, определится зависимостью

Lk ? ув д/K * zc/zн,

где: ув - предел прочности волокна при разрыве, Па; в- толщина волокнистого слоя стебля, мм; К - удельная сила связи волокна с древесиной при сдвиге, Па; zс - расстояние от нейтрального слоя при изгибе до слоя, проходящего через центр тяжести сечения волокна, мм; zн - расстояние от нейтрального слоя до наружных волокон, мм.

Отношение Zc/Zн < 1. Для наиболее часто встречающихся размеров поперечного сечения элементов стебля по радиусу отношение zc/zh = 0.7-0.8.

Анализ явлений при скользящем изгибе

При перемещении стебля по кромке происходит его продольное раскалывание, как правило, на четыре сектора под действием сил натяжения в пряди Т0 и Т (рис 7).

Рис. 7. Схемы отделения и излома костры на кромке

мяльный костра рифель валец

Древесина при этом может оказаться на наружной и внутренней стороне пряди или внутри волокна. В первом случае после излома древесины за счет различной жесткости будет происходить ее отрыв от волокна. Длина отрывающейся костринки может быть достаточно большой. Этот случай является предпочтительным для нарушения связи и удаления древесины.

Если древесина обращена к кромке и нет условий для ее свободного выхода из слоя, то при изгибе на кромке она ломается на определенные по длине участки - костринки. Длина таких костринок определяется толщиной древесины, радиусом кромки, углом обхвата и натяжением. Такой же характер излома будет иметь и древесина, находящаяся внутри волокна.

При переходе с одной кромки на другую наружный слой станет внутренним и наоборот. Такая смена положения будет происходить постоянно. При этом будут создаваться благоприятные условия дли выхода части костры из слоя.

Наличие костры, обладающей большей по сравнению с волокном жесткостью, вызывает увеличение натяжения в пряди. Рассмотрим условие перемещения пряди с кострой по кромке, принимая волокно абсолютно гибким телом, а костру - жестким. Полагаем, что костра предварительно изломана на определенные части и находится внутри слоя (рис. 8).

При перемещении такой пряди по кромке на костринку действуют силы натяжения в сбегающей и набегающей ветвях пряди (Т и Т0), реакция кромки N и сила трения F. Разложим силы натяжения на составляющие по направлению перемещения костринки и перпендикулярном к нему, назвав их условно горизонтальными и вертикальными составляющими. Горизонтальные составляющие создают необходимое условие для перемещения костринки, вертикальные изгибают ее.

Условие перемещения костринки по кромке запишется уравнением

Т cos г > Т0 cosг + м(То + Т) sinг .

Сравнение кривых на рис. 9 позволяет заключить, что при увеличении угла обхвата до 60° натяжение в сбегающей ветви изменяется в обоих случаях одинаково. При увеличении его свыше 60° наблюдается быстрый рост натяжения в пряди с жестким элементом. Действительная картина изменения натяжения находится, вероятно, между этими кривыми. Поэтому расчеты натяжений в пряди сырца по формуле Эйлера при углах обхвата на каждой кромке больше 60° дают заниженные результаты.

Угол обхвата рифли на линии центров вальцов через шаг и глубину захождения выражается уравнением

ц = 180 - 2 arctg 2i/tx .

При скользящем изгибе большое влияние на натяжение и нарушение связи между волокном и древесиной оказывают радиусы кромки R1 , R2 (рис. 10). Это влияние проявляется через изменение вертикальных составляющих натяжения T1, T2 действующих на костру. Так, при одинаковых углах обхвата и натяжении величина вертикальной составляющей» отрывающей волокно от древесины или изгибающей костру, определяется зависимостью

Ty = Tsin (2arctgl/R)

где l - длина изгибаемого участка древесины, мм; R - радиус кромки, мм.

Анализ уравнения показывает, что зависимость вертикальной составляющей Ту от радиуса кромки имеет примерно обратно пропорциональный характер: чем меньше радиус, тем эффективнее происходит нарушение связи.



В случае, когда древесина расположена на стороне пряди, обращенной к кромке, она воспринимает сдвигающее усилие.

При встрече кромки с костринкой (см. рис. 11) последняя испытывает действие реакции кромки N, направленной по радиусу в точке встречи, силы трения костринки о кромку F и силы трения костринки о прядь, если связь нарушена, или силы связи К. Острый угол, образованный направлением реакции кромки и направлением пряди, назовем углом встречи ш. Угол встречи не зависит от угла обхвата, его величина определяется радиусом кромки R и толщиной древесины h:

ш ? arctg 1/м2-м1.

Чем больше разность между коэффициентами трения костры о прядь и о кромку тем при меньшем угле встречи костринка без сдвига пройдет по кромке. Так, при м1 = 0,3 и м2 = 0,5 костринка пройдет по кромке только при углах встречи больше 78°. В противном случае кромка сдвинет костринку вдоль пряди.

Ограничимся общим выводом, что усилие сдвига увеличивается примерно прямо пропорционально натяжению и толщине костры и обратно пропорционально радиусу кромки.

В том случае, когда большая толщина костры обеспечивает встречу ее с плоскостью, несущей кромку, сдвигающее усилие не зависит от радиуса и не обеспечивает, как правило, условий сдвига.

Дифференциация процесса мятья.

Сырье, поступающее для переработки на мяльные машины, неоднородно по физическим свойствам. Оно состоит из стеблей различной толщины, степени вымочки и влажности. Отдельные стебли имеют разную критическую длину изламываемого участка, а также различный угол излома. Кроме того, эти показатели неодинаковы и в каждом стебле. Они различны для комлевой и вершинной частей.

Процесс мятья необходимо построить так, чтобы были достигнуты полная проработка, достаточный промин всех частей сырья. Для этого мяльные машины снабжают вальцами с различным шагом рифлей и с кромками различных размеров.

Необходима дифференциация процесса, постепенное изменение его интенсивности, так как обрабатываемый материал изменяет свои свойства на пути движения в мяльной машине -- постепенно уменьшается его жесткость.

Рифли вальцов взаимодействуют со стеблями только в поле мятья. Число рифлей, расположенных в этом поле, увеличивается при увеличении диаметра вальцов, глубины захождения рифлей и уменьшении их шага. Чем это число больше, тем интенсивнее обрабатывается материал и тем выше вредные растягивающие напряжения, возникающие в нем вследствие трения о кромки.

Использование большого числа рифлей в поле мятья наиболее опасно при обработке стеблей, еще не потерявших жесткости и сохранивших прочную связь древесины с волокном. Поэтому в начале мяльной машины, после плющильных вальцов, целесообразно устанавливать вальцы с большим шагом рифлей.

В конце мяльной машины, где проходит уже предварительно подготовленный материал, шаг рифлей целесообразно уменьшить, т. е. необходимо устанавливать мелкорифленые вальцы.

Давление на обрабатываемый материал. Значительные напряжения в волокне или лубе появляются при зажиме (заклинивании) слоя обрабатываемого материала во впадине между рифлями. Это бывает при обработке толстого слоя материала. Чтобы избежать перенапряжений волокна, верхние вальцы делают подвижными. Подшипники их могут перемещаться в вертикальном направлении по специальным направляющим.

На подшипники верхних вальцов давят пружины. Они не дают возможности верхним вальцам приподниматься при обработке слоя стеблей нормальной толщины и жесткости. С другой стороны, эти пружины рассчитаны так, что при возникновении вредных напряжений в волокне валец приподнимается, преодолевая давление пружин (сжимая их). При подъеме вальца увеличивается рабочий зазор и вредные напряжения в волокне устраняются.

Наибольшая работа по разрушению стеблей совершается обычно в первых парах вальцов. В соответствии с этим в них создают большее давление, чем в последующих парах. В некоторых случаях достаточно давления, создаваемого самими вальцами. При увеличении давления обеспечивается более высокая интенсивность промина. На мяльных машинах обычно предусматривают возможность регулирования этого фактора.

Давление вальцов на 1 см ширины слоя материала, проходящего через мяльную машину, Н:

Pуд = (2P+9.8G)/b

где Р - давление, создаваемое сжатой пружиной, Н;

G - масса вальца, кг;

b - ширина слоя материала, см.

Давление пружины



Р= дК,

где д--- усадка пружины, мм;

К --давление пружины на 1 мм усадки, Н.

Необходимо учесть, что величина давления определяется установленной усадкой пружины при холостом ходе машины и дополнительной усадкой, которая получается при пропуске слоя материала. При пропуске тонкого слоя верхние вальцы обычно не поднимаются, а при пропуске толстого слоя подъем может быть значительным.

Взаимодействие нижних и верхних вальцов. На мяльных машинах верхние вальцы получают движение от нижних вальцов с помощью шестерен (рис. 12 а) или за счет непосредственного сцепления рифлей нижнего вальца с рифлями верхнего (рис 12 б).

Рис. 12. Схема взаимодействия нижних и верхних вальцов

Интенсивность промина сырья при втором способе передачи движения более высокая. Это объясняется тем, что при непосредственном зацеплении рифлями, кроме изгиба, происходит дополнительное сильное сплющивание стеблей и более интенсивное протаскивание их по кромкам. Поэтому одновременно с повышением интенсивности промина наблюдается более интенсивное воздействие на волокно с опасностью повреждения волокон.

Часто мяльные машины конструируют с вальцами одинакового диаметра и одинаковой частотой вращения. Равенства скоростей в этом случае достигают только при условии равенства периметра излома в различных парах. Если на такой машине необходимо изменить глубину захождения рифлей в одной из мяльных пар, то следует изменить ее и для других пар по зависимости, которая выводится следующим образом в общем виде

i1z1 = i2z2 = i3z3 = inzn

Эту зависимость используют для определения величины захождения рифлей в парах при одинаковой частоте вращения вальцов и их наружных диаметрах. Например, если в одной из пар мяльных вальцов установлена какая-то вполне определенная глубина захождения, то для другой пары эту величину определяют по формуле

Если стебли поступают на мяльную машину не перпендикулярно вальцам, а под острым углом к ним, а машина имеет вальцы как прямого, так и винтового рифления, то приведенные выше зависимости непригодны. В данном случае на скорость движения материала влияют, кроме известных уже величин, угол подъема винтовой линии и угол между стеблями и осью мяльных вальцов. Необходимо отметить, что при подаче стеблей под острым углом к вальцам разница в скоростях движения материала в различных парах приводит к изменению угла питания.

Регулирование процесса мятья

Основными регулируемыми параметрами процесса мятья являются глубина захождения рифлей, давление в мяльных парах. Кроме того, при переработке сырья различных видов одни вальцы заменяют другими.

Режим мяльной машины зависит от вида сырья и его состояния. К трудно обрабатываемому сырью, для которого устанавливают наиболее жесткий режим, относят тресту недомоченную (недолежалую), тонкостебельную, с повышенной влажностью.

К легко обрабатываемому, наоборот, относят тресту перемоченную, толстостебельную, хорошо подсушенную.

При мятье трудно обрабатываемого сырья на машине устанавливают больше мелкорифленых вальцов (с малым шагом рифлей), повышают давление на вальцы, увеличивают глубину захождения рифлей.

При мятье легко обрабатываемой тресты применяют более мягкий режим, заменяя мелкорифленые вальцы крупнорифлеными, снижая давление и глубину захождения во всех мяльных парах.

Правильность установки глубины захождения рифлей проверяют следующими приемами: 1) пропускают через мяльную пару мягкую проволоку и, измеряя высоту полученной волны, определяют i; 2) набивают канавки вальца пластичной массой (пластилином, глиной) и провертывают его; замеряя углубление, оставшееся после удаления излишков глины, получают глубину захождения рифлей.

На современных мяльных машинах можно также изменять скорость движения материала. Необходимо отметить, что на результаты процесса мятья скорость вальцов влияния не оказывает. Однако скорость вальцов изменяют, так как от нее зависит пропускная способность мяльно-трепального агрегата.

Пропускная способность мяльно-трепального агрегата, кг в смену:

A = qvTKпв/1000

q -- плотность загрузки (масса 1 пог. м непрерывного слоя стеблей, поступающего в мяльную машину), г/м;

v -- скорость движения материала на мяльной машине, м/мин;

Т -- продолжительность смены, мин;

Кп.в.--коэффициент полезного времени (0,9--0,95).

Пропускная способность мяльно-трепального агрегата определяется в основном производительностью трепальной машины. Ее конструкция и размеры позволяют обрабатывать сырье с определенными скоростью движения материала и толщиной слоя. На мяльной машине материал можно обрабатывать при любой скорости движения его. Но при пропуске слишком толстого слоя сырья условия процесса мятья заметно изменяются, проработка его ухудшается.

Для оценки степени проработки тресты или соломы в мяльной машине используют процент умина:

У = (G' - G'')100/G'

где G' -- масса сырья перед его обработкой, кг;

G"--масса промятого сырья (сырца), кг.

Данная величина характеризует, с одной стороны, интенсивность процесса мятья, а с другой -- состояние обрабатываемого материала. В частности, умин получается большим при обработке сухого материала, чем перемоченной тресты.

Процент умина стремятся увеличить, поскольку достаточно обескостренный материал легче обрабатывать в трепальной машине.

Размещено на Allbest.ru

...