Мазяр И. П. - Текстильный институт ИВГПУ

УДК 677.021.178.001.5
УПЛОТНЕНИЕ ВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ В БУНКЕРАХ БЧМ
И. П. МАЗЯР, В. Д. ФРОЛОВ, В. А МЕШКОВ
(Ивановский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт
хлопчатобумажной промышленности, Ивановский ордена Трудового Красного
Знамени текстильный институт им. М. В. Фрунзе)
Одним из факторов, влияющих на эффективность работы бункеров, является степень
однородности волокнистой массы и распределение ее по высоте. Неоднородности возникают в
процессе загрузки волокном при кратковременных или длительных остановах питания, а также под
действием силы тяжести деформируемого волокнистого столба и динамического напора воздуха в
сочетании со скоростью движения аэросмеси.
Определим условия, обеспечивающие минимальное уплотнение волокнистого слоя по высоте
бункера. При движении материала в бункере имеются несколько зон с различными условиями
деформирования [1, 2].
Для первой зоны характерно низкое давление волокна на стенки бункера, создающее малое
трение материала о стенки. Давление вышерасположенных слоев передается на нижеследующие,
обусловливая линейный характер зависимости давления от высоты сформированного слоя в бункере:
где ρ −плотность волокна, г/см3;
g − ускорение силы тяжести, см/с2;
h −текущая высота слоя, см.
Для второй зоны трение слоев волокна о стенки становится существенным, и часть давления
передается на стенки бункера, что приводит к нарушению зависимости (1).
Третья
зона
характеризуется
давлением
на
волокнистый
слой,
полностью
перераспределяющимся на стенки. В пределах этой зоны давление на стенки не зависит от высоты.
Для четвертой зоны становится существенным влияние захватывающей способности выводных
валиков бункера, степени уплотнения волокна в бункере, разводки между валиками и расстояния, на
котором начинается разрушение сформированного слоя.
Различные условия деформирования слоев волокна в бункере требуют рассмотрения каждой
зоны отдельно. Границы между первой, второй и третьей зонами могут быть определены с помощью
формул Янсена [3] для вычисления давления Pz материала в осевом направлении, то есть по ходу
движения:
где b − глубина бункера, см;
f1 − коэффициент трения волокнистого слоя о стенки;
K − коэффициент уплотнения материала [4];
Здесь β − угол внутреннего трения при неизменной влажности волокна.
Формула (2) получена из рассмотрения баланса сил, действующих на слои материала. В
бункере действует одна объемная сила: сила тяжести и силовое взаимодействие между воздухом и
волокном, поэтому в (2) вместо силы тяжести ρg должна входить сумма объемных сил, действующих
на материал. Такая замена влияет на величину осевого давления и на протяжении выделенной зоны
не изменяется. Эти силы оцениваются по величине безразмерного комплекса, входящего в формулу
Янсена [2],
Подставляя (4) в (2) и преобразуя уравнение Янсена в безразмерный вид, получаем
При Ja << 1 давление волокнистого столба внутри бункера в осевом направлении можно
№ 6 (204) ТЕХНОЛОГИЯ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1991
определить по формуле (1). Этот результат получается после разложения ехр (−Ja) в ряд Тейлора с
сохранением первых двух членов ряда. Если 4f1K < bh при замене ехр (−Ja) тремя первыми членами
1
ряда Тейлора с оценкой ε < ( )  Ja 3, получаем:
3!
При Ja = 1 реализуется вторая зона деформирования столба, а при Ja >> 1 экспонента в правой
части (5) становится несущественной по сравнению с единицей и (2) принимает вид
где b = const (глубина бункера).
Давление столба в осевом направлении не зависит от высоты и определяется по этой формуле.
Формула (2) не охватывает четвертую зону и не может быть использована для выделения
границы между третьей и четвертой зонами. Высота бункера 220 см позволяет произвести
разграничение на четыре зоны деформирования материала, однако, уплотнение его в каждой зоне
неравномерное. Для первой зоны влияние стенок на напряженное состояние материала
незначительно и может не учитываться при определении деформации. В данном случае
уплотненность слоя измеряется не шириной бункера, а высотой. Предельно допустимое отношение
h / b = 10...15, при котором отсутствует неравномерная усадка слоя На отношение h / b влияют вес,
разрыхленность клочков, пучков и скоплений волокон, состав смеси и т. д. Чем мельче и легче
клочки и пучки волокон, тем меньше угол внутреннего трения р=3...5°:
Величина f1 изменяется от нуля до величины коэффициента внутреннего трения, так как при
отсутствии скольжения по поверхности стенки начинается скольжение (сдвиг) клочков и пучков
волокон относительно друг друга. При β = 0 и f1 = 0,254 (трение хлопок о хлопок) величина
(h / b) ≤ 10. Следовательно, на высоте 10...15 см (верхний слой − первая стадия) усадка продукта
равномерная Снижение f1 позволяет уменьшить неравномерность уплотнения слоя и увеличить
предельное значение отклонения в 15…20 раз.
Для второй зоны характерно изменение объемной деформации слоя по высоте, что связано с
трением между частицами слоя и стенкой, увеличением сцепления и контактов внутри массы волокна
и ликвидацией воздушных пространств. Давление вышележащих слоев больше передается на
нижележащие и меньше на стенки, что вызывает неравномерность уплотнения.
В третьей зоне деформации малы и необратимые изменения волокнистого столба подчиняются
закону Гука. Перемещение материала характеризуется уравнением [5]:
где U − вектор малых перемещений материала при отсутствии внешних сил;
δ − коэффициент Пуассона;
Е − модуль Юнга;
f − вектор массовых сил, действующих на столб волокна.
В четвертой зоне (25...30 см), то есть ближе к выводным валикам, наблюдается нарушение
однородности уплотнения ввиду действия захватывающих валиков. Пульсирующий захват материала
из ранее сформированного слоя сопровождается неустойчивым движением и статически
неопределим. Кроме того, захват волокна валиками зависит от диаметра, коэффициента рифления,
разводки, усилия прижатия и привода их в движение. Наличие подвижной стенки в этой части
бункера для регулирования линейной плотности слоя волокна, поступающего на питающий столик
чесальных машин, влияет на уплотнение продукта и появление сдвигающих сил, направленных под
разным углом трения о стенку бункера, что отсутствует при неподвижной стенке. За короткие
промежутки времени происходит перераспределение усилий и лишь, затем устанавливается
равномерное движение.
На рис. 1 показано распределение хлопковой массы 1 и кварцевого песка 2 по высоте бункера.
Под действием нарастающей нагрузки в верхней части бункера (прямоточного) объемный вес слоя
хлопка линейно возрастает, а потом приближается к кривой насыщения [6]. В случае применения
кварцевого песка процесс насыщения его в бункере приближается к кривой для хлопка, но при более
высоких давлениях. По характеру кривые насыщения идентичны и разница между ними объясняется
№ 6 (204) ТЕХНОЛОГИЯ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1991
отличием в удельном весе транспортируемого материала, его состоянии, крупности частиц, формы и
т. д.
ВЫВОДЫ
Наличие различных зон деформирования волокнистого столба в бункере, в которых
отсутствуют неоднородности по плотности уплотнения, можно принять за основу разработки
конструкции прямоточных бункеров типа БЧМ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Севостьянов А. Г., Корастышевский А. М. Бункерный питатель с повышенной выравнивающей
способностью / Текстильная промышленность. − 1983, № 10.
2. Хавкин В. П. Автоматический контроль и регулирование развеса текстильных материалов. − М.:
Легкая индустрия, 1975.
3. Мива С. Принудительное течение сыпучих тел // Фунтай То Кочё. − 1979. Т. 11, п. 12.
4. Дженике Э. В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. − М.: Мир, 1968.
5. Пипер К. Исследование силовых нагрузок на моделях/ Тр. америк. об-ва. инж.-мех. Сер.
В // Конструирование и технология машиностроения. − l969. Т. 91, № 2. С. 80.
6. Севостьянов А. Г., Аникин В. С., Сперанский В. И. Бункерный питатель для волокнистого материала −
объект автоматического управления / Текстильная промышленность. −1968, № 11.
Рекомендована кафедрой механической технологии текстильных материалов. ИвТИ. Поступила 07.06.91.
___________
№ 6 (204) ТЕХНОЛОГИЯ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1991