автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Исследование новых сортов конопли и разработка технологии получения однотипной пеньки

На правах рукописи УДК 677.021.15

ЖУКОВА СВЕТЛАНА ВЛАДИМИРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СОРТОВ КОНОПЛИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОТИПНОЙ ПЕНЬКИ

Специальность 05.19.02 «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья»

Специальность 05.19.01 «Материаловедение производств текстильной легкой промышленности»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Кострома, 2012

005044415

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Костромском государственном технологическом университете» на кафедре технологии производства льняного волокна (ТПЛВ).

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Пашин Евгений Львович,

доктор технических наук, профессор,

Разин Сергей Николаевич,

доктор технических наук, профессор.

Гусев Борис Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия», заведующий кафедрой текстильного материаловедения,

Коновалов Владимир Викторович,

кандидат технических наук, заместитель генерального директора, НПО ОАО «Костромской лен».

ОАО «Костромской научно-исследовательский институт льняной промышленности».

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д212.093.01 в Костромском государственном техно логическом университете (ФГБОУ ВПО «КГТУ») по адресу: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, ауд.214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ. Текст автореферата размещён на сайте ВАК России: http://vak.ed.gov.ru/dissertation.

Автореферат разослан 25 апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор С ~}/У^/^ Г.К. Букалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, связанной с изучением ценности стеблей и волокна новых отечественных сортов конопли и созданием ресурсосберегающих технологий их переработки, обусловлена повышенным вниманием к использованию натуральных волокон в связи с экологической безопасностью жизнедеятельности человека.

По мнению директора Государственного антинаркотического комитета, высказанному в открытой печати в конце 2011 года, существующие культурные сорта конопли, не содержащие наркотических веществ и включенные в государственный реестр селекционных достижений, являются природными возобновляемыми источниками целлюлозы, содержание которой в стеблях этой культуры как минимум в 5-7 раз больше, чем в древесине. Причем цикл её воспроизводства сокращается в 2030 раз. По этой причине усилился интерес к производству конопли за рубежом. По мнению иностранных специалистов, из конопли можно изготовить до 25 тысяч видов продукции. Это уникальный, исключительно высокорентабельный источник целлюлозы. Лидерами по производству конопли сегодня являются Китай, Канада, Франция, Германия, Италия, США. Отмечено, что Украина увеличила в 2010 году посевы конопли многократно.

Между тем, предшествующий 15-20 леший период запрета на производство конопли затормозил научное обеспечение этой традиционной для России отрасли народного хозяйства. Практически прекращены разработки новых технологий переработки стеблей, остановлен выпуск уборочной техники. Однако, после возобновления интереса к данной культуре как источнику целлюлозы и текстильного сырья, необходимость интенсификации НИОКР и создания новых энергосберегающих технологий переработай конопли приобрели практическую значимость.

В августе 2011 года в Министерстве сельского хозяйства РФ при участии заинтересовашгых министерств и ведомств (протокол № 19/2600 от 05.08.2011 г.) были рассмотрены проблемы развития коноплеводства и переработки конопли. Указано на принятие мер по возрождению этой отрасли и определены направления работ по решению наиболее важных проблем.

В этой связи тема исследования является актуальной и направлена на укрепление сырьевой базы отечественной текс-шльной промышленности, а также других областей, в которых используются целлюлозосодержащие материалы, полученные с применением лубяных волокон.

ЦЕЛЬ И ЗАДАТШ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью исследований являлась разработка малозатратной технологии получения пеньки на основе изучения особенностей строения стеблей и свойств лубоволокгшстых комплексов новых селекционных сортов конопли.

В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи.

1. Анализ результатов известных работ, посвященных изучению свойств конопли и технологий переработки лубоволокнистых материалов.

2. Исследование морфологических свойств современных отечественных селекционных сортов конопли.

3. Изучение показателей технологической ценности лубоволокпистого покрова конопли и установление особенностей переработки с учётом её свойств.

4. Обоснование параметров технологического процесса и конструкции машин для получения однотипной пеньки.

5. Проверка технологической и экономической эффективности попой машинной технологии получения однотипной пеньки.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При проведении исследований использовались стандартные и оригинальные методы анализа морфологических, анатомических, физико-механических и декортикациошшх свойств стеблей и волокна конопли; общепризнанные алгоритмы теоретического исследования кинематики рабочих органов устройства для сепарации костро-волокнистой смеси; методы теоретической механики и экспериментального исследования технологических процессов первичной обработки конопли; алгоритмы статистической обработки полученных опытных данных. Использовались программные средства: MathCAD 14, MS Excel 2007, STATISTICA 6.0, CorelDRAW 12.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в установлении особенностей строения и свойств стеблей и волокна новых отечественных сортов конопли, а также в разработке новой системы технологических операций и их параметров для получения однотипной пеньки. По результатам диссертационного исследования впервые:

по специальности 05.19.02:

- получено обоснование в необходимости перед обескостриванием стеблей разделят!, их на две части (соцветие и техническая часть длины); установлена рациональная длина отрезков стеблей конопли (55-60 см), которые должны формироваться из каждой части для последующего обескостривания с использованием дезинтегратора;

- получены математические модели поведения волокна и костры при взаимодействии с активными рабочими органами в результате сепарации костро-волокнистой смеси, обеспечившие выявление рациональных условий отделения волокнистой фракции и удаления из её часта насыпной костры;

- предложено при обосновании способов выделения луба или волокна из целых стеблей семенной конопли учитывать разнодшпгаость первичного и вторичного волокна, снижающую эффективность использования сквозных видов воздействий (например, при трепании), а также различия физико-механических свойств волокна и стеблей по их длине;

по специальности 05.19.01:

- установлено, что особенностью новых сортов конопли (Ингреда и Юлиана), убранных в техническую и биологическую фазы спелости, является увеличенная длина соцветия, доля которого в общей длине стеблей достигает 50%;

- выявлена причина снижения разрывных характеристик лубоволокнистого покрова в соцветии, связанная с повышенным количеством в этой зоне листовых и веточных следов; обнаруженные различия декортикационных характеристик в соцветии и технической частях стебля могут приводить к различным результатам их обескостривания.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Установленные различия морфологических, физико-механических и технологических свойств по длине стеблей использованы при обосновании новых технологических операций получения пеньки с пониженной вариацией свойств. Результаты исследований могут использоваться в качестве справочных данных о строении и структуре стеблей и волокна новых селекционных сортов конопли.

Обоснованы, определены параметры и даны рекомендации для проектирования нового разгрузочного устройства с активными рабочими органами.

Предложена новая технологическая схема и экспериментально проверена её эффективность при получении однотипной пеньки. Актуальность этой разработай подтверждена государственным аншнаркошческим комитетом, а ей конкретные параметры приняты к использованию ФГБУ «Агентство по производству и переработке льна и конопли» (г. Москва) при создании опытного образца линии в рамках программ НИОКР Минсельхоза РФ.

Результаты исследований были одобрены и рекомендованы к использованию машиностроительной компанией «Техмашхолдинг». Этой организацией предусматривается создание техники для уборки и переработки конопли в Республике Чувашия, которая является коноплесеющим регионом РФ.

На технические решения, связанные с совокупностью операций по получению однотипной пеньки, а также с конструкцией для сепарации костро-волокиистой смеси, подготовлены заявки в Роспатент на признание их изобретениями. В настоящее время по ним получены положительные решения о выдаче патента. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований предложено использовать при освоении и совершенствовании учебного процесса при подготовке бакалавров по профилю «Технология и оборудование производства натуральных волокон».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были доложены и получили одобрение: на Учёном Совете Всероссийского ПИИ по переработке лубяных культур Россельхозакадемии (г. Кострома, 2007); на международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (г. Вологда, 2007); на международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие инновационные технологии развития промышленности региона (Лён-2008)» (г. Кострома, КГ'ТУ, 2008); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблем,! науки в развитии инновационных технологий для экономики региона (Лён-2010)» (г. Кострома, КГТУ, 2010); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в агропромышленном комплексе» (г. Кострома, КГСХА, 2008; 2009; 2010; 2011); па расширенном заседании кафедры технологии производства льняного волокна КГТУ (г. Кострома, ЮТУ, 2010; 2011, 2012); на Всероссийском научном семинаре «Научные проблемы агропромышленной переработки лубоволокнистих материалов» (г. Кострома, КГТУ,

2011); на профессорском семинаре КГТУ (г. Кострома, КГТУ, 2012); на расширенном заседании кафедры аграрного производства Чувашской ГСХА (г. Чебоксары, ЧГСХА,

2012); на паучном семинаре Чувашского НИИ Россельхозакадемии (Республика Чувашия, 2012); на совещании руководителей предприятия ООО «Техмашхолдинг» (г. Чебоксары, 2012).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ. Важнейшие положения диссертации изложены в 4 статьях в журналах, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий», 12 в научно-технических журналах и сборниках. Составлены и отравлены 2 заявки в Роспатент, по которым получены положительные решения о выдаче патента на изобретения.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ Диссертация изложена на 163 страницах; состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и списка литературы. В ней содержится 76 рисунков, 14 таблиц и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, обозначена научная новизна и практическая значимость работа.

В первой главе проведен обзор результатов исследований по вопросам производства и переработки конопли как лубоволокнистого сырья для текстильной промышленности. Установлено, что в основном изучение конопли проводилось во ВНИИ лубяных культур (г. Глухов) и ЦНИИЛВ. Исследованием свойств и процессов производства занимались Арно A.A., Лесик Б.В., Тимонин М.А., Сенченко Г.И., Ордина H.A., Бондарева А. Г., Пашин Е.Л. и др. Известны исследования по биологии лубяных волокон коноши Мигаля Н.Д. (Украина). Выявлено, что в период после распада СССР научные изыскания по данным направлениям существенно замедлились. Несмотря на это, селекционные работа по конопле не прекращались. Известные учёные-селекционеры Вировец В .Г., Степанов Г.С., Сухорада Т.И. и др. обеспечили создание и внедрение в производство новых сортов конопли с отсутствием наркотических веществ и обладающих ценными хозяйственными признаками. Однако детального изучения технологической ценности новых отечественных сортов не проводилось.

В условиях усиления требований экологических стандартов, дефицита целлюлозного сырья и расширения потребностей в натуральных волокнах при производстве широкого ассортимента товаров появились новые области использования пеньки: получение целлюлозы, модифицированных волокон, геотекстиля и других материалов.

Проведенный анализ применяемых машинных технологий дня переработки конопли показал, что известное отечественное оборудование является металлоёмким, энергозатратным. По мнению практиков, применяемые затратные технологии переработки стеблей оказались неприемлемыми для использования в новых экономических условиях. Установлено также, что в настоящее время отсутствуют предприятия, выпускающие оборудование для переработки конопли.

Поэтому появилась необходимость пересмотра традиционных технологий производства с целью сокращения затрат и повышения рентабельности. Требуются более упрощенные менее затратные технологические схемы.

Выявлено, чго в ИЛК УААН (Г'илязетдинов Р.Н. и др.) проводятся изыскания по созданию упрощенных технологий получения луба и волокна. Работы в этом направлении также интенсифицированы за рубежом (в Италии, Польше и других странах). В рамках диссертационного исследования был проведен обзор существующих технологических линий и агрегатов для получения однотипного лубяного волокна, как наименее затратных. Было установлено, что при их разработке не учитывали сведения о свойствах современных отечественных сортов конопли. Поэтому потребовалось комплексное изучение свойств новых, отечественных сортов конопли и обоснование технологических операций по получению лубоволокнистого материала, удовлетворяющего требованиям текстильной промышленности и других отраслей, где возможно использование однотипной пеньки.

В заключении главы указаны задачи, решение которых обеспечивает достижение цели исследований.

Вторая глава посвящена изучению свойств стеблей и волокна новых сортов среднерусской конопли Юлиана и Ингреда. Особенностью изучения являлось использование стеблей, убранных с поля в разные биологические фазы спелости: техническую и полную биологическую. Применительно к каждой фазе исследовали стебли соломы и стланцевой тресты. Исследовали морфологические характеристики, определяющие выход и качество волокна: длину стеблей, соотношение её составных элементов (соцветие и техническая часть), а также диаметр.

Установлена особенность новых сортов в сравнении с ранее используемыми. Они характеризуются повышенной длиной соцветия, достигающей в фазу биологической спелости половины высоты всего стебля. Исследование особенностей его морфологического строения в зоне соцветия и технической длины выявило существенные отличия по среднему диаметру стеблей (рис. 1) и величине междоузлий (см. табл.). Средний диаметр в соцветии в два и более раз меньше, чем в технической части, а величина междоузлий снижается в 3...4 раза. Указано на значительное количество веток в соцветиях, число которых может, например, в стеблях биологической спелости, достигать 30 и более шт.

междоузлий по длине стебля, см

Исследуемые сорта

Зона стебля Ингреда Юлиана Ингреда Юлиана

Фаза спелости

Техническая Биологическая

Середина

технической 7,2 + 0,20 9,2+1,25 8,8+0,15 11,8+1,16

длины

Середина соцветия 2,7 ±0,05 3,3 + 0,03 3,1 ±0,14 3,8 ±0,06

Соцвете Техническая цтннл

ВИнгреда г?еленц.-в,тя | шЮщганя (чекнцоваа) □ Ингреда (сшеншя) ■Юпнлна <с«меннпя|

Рис.1. Диаметр в разных зонах длины стебля, в зависимости от сорта и фазы спелости

оИнгрэззГадлейцс-оа* □ і Інгреза Cwweraísts'i

Рис.2. Отдвляемость волокна в зависимости от зоны стебля, сорта и фазы спелости

С учетом полученных экспериментальных данных и общепризнанных представлений о влиянии изученных характеристик на декортикационные свойства стеблей был проведен сравнительный анализ величины отделяемости волокна от древесины. Оказалось, что выявленные морфологические особенности вызывают существенное снижение способности к обескостриванию соцветий стеблей (рис. 2).

Показатель отделяемое™ для этих зон в два и более раз ниже, чем для технической части. Изучение массовой дож волокна в стеблях тресты показало, что в соцветии его на 4...6% меньше, чем в технической части длины стебля.

Сравнивая массовые доли волокна и луба в этих же частях стебля, было сделано заключение, что в лубе из соцветий значительно больше находится неволокнистых фракций, чем в технической части дайны стебля. Такие различия свидетельствуют о худшем качестве волокна в соцветии и, вероятно, также связаны с морфологическими особенностями строения сравниваемых частей.

Было сделано предположение, что наличие пониженных значений величины междоузлий и повышенное содержание веток в соцветии стебля будет вызывать различия в технологическом качестве волокна в разных зонах стебля по его длине. Для подтверждения этого проведено изучение анатомического строения стеблей и физико-механических свойств волокна.

Изучение анатомических срезов с применением методики Т.Е. Черновой в разных зонах длины стеблей позволило получить оценки общего количества элементарных волокон (рис. 3), в том числе вторичного происхождения (рис. 4). Установлено, что сорт Юлиана является более волокнистым в сравнении с сортом Ишреда.

В стеблях, убранных, в фазу технической спелости, массовая доля волокна меньше, чем в фазу биологической спелости. Явно выражены различия по содержанию элементарных волокон в соцветии и технической часта длины стебля.

Исследуя соотношение первичных и вторичных волокон в стеблях., подтверждена известная закономерность по их расположению вдоль длины стеблей. Примечательным является и их расположение но длине вплоть до соцветия в стеблях, убранных в техническую фазу спелости. В основном вторичное волокно расположено в технической части длины стебля. Появление его в соцветии присуще стеблям биологической спелости.

Выявленные особенности расположения вторичного волокна в стеблях позволили сделать вывод о нецелесообразности применения сквозных воздействий трепанием при выделении волокна из стеблей.

Исследуя поперечные размеры элементарных волокон первичного и вторичного происхождений (рис. 5), косвенно характеризующие их длину и качество технического волокна, было отмечено следующее.

Соцветие Техническая дчцнз

иШтрадаАеиенцовзят аКЯшяшсдагенясмш! □ Пвгреда кшеннля) «Юлиана (.пшенная)

Соцветие Теямиескяя ДТИН.Ч

аПШ1>еДП(те!1еН]ДС'Бг1.Ч'] нК'лшгеизечащовая) о Ингреда (семенная) ЕЗЮлшнп (семенная)

Рис. 3. Число элементарных волокон в стеблях по их длине с учетом сорта и фазы спелости

Рис. 4. Доля вторичных волокон в общей численности волокон с учетом сорта и фазы спелости

Волокна первичного происхождения

Волокна • i

вторичного _

происхождения

Рис. 5. Анатомический срез стебля конопли

Рис. 6. Поперечный срез стебля в зоне .чистового следа

Как правило, все волокна имеют форму эллипса. Однако, в средней части стебля волокна первичного

происхождения более округлые. Волокна вторичного происхождения более мелкие, имеют меньшую толщину стенок. Но длине стебля размеры волокон изменяются. Наиболее выполненными являются волокна, расположенные в технической части стебля. В соцветии волокнистые пучки менее компактны, а волокна в них существенно варьируют по своим размерам. В целом полученные сведения хорошо согласуются с ранее известными закономерностями изменения изучаемых свойств по длине стебля.

Установлено, что волокна, расположенные в соцветии и в технической части длины имеют разную степень липшфикации, соответственно 6,59±1,5 и 13,79±2,4%. Эти данные свидетельствуют о худшей прочности волокна в соцветии.

Подтверждением пониженного качества волокна в соцветии явились результат изучения особенностей строения листовых следов, которых в этой части стебля имеется значительно больше, чем на участках технической длины. По результатам анатомического анализа в зоне листового следа выявлено нарушение целостности лубяных пучков и наличие их переориентация (рис. 6). Такие особенности строения снижают технологическую ценность технических волокон.

Изучение общепризнанных физико-механических свойств пеньки показало следующее. Разрывное усилие волокна в соцветии значительно ниже, чем средней части стебля (рис.7). В соцветии волокнистые комплексы имеют худшую гибкость (рис. 8) и линейную плотность (рис. 9). Эти результата хорошо согласуются с выводами, полученными при морфологическом и анатомическом анализах разных зон длины стебля.

Таким образом, комплексный анализ анатомических характеристик и физико-механических свойств волокна выявил особенности строения, требующие учёта в организации технологии переработки стеблей.

Техническая дпына

иИшреда (зелащоьля) июлшна (эеэенцйЕая) □ Пнтреда Iсеменная) «Юішана («менная»

Рис. 7. Разрывная нагрузка волокна в зависимости от зоны стебля и сорта конопли

ИЕнц>едя{з спенцовая) а Кіш инз (зеїенцовия) □Енгредаїсеменная) ■їаші?ікі(«меиная)

□ІІнтредя (іечмдавпЯі аюлнаня Сіечгнцовая'і апнгі>едя(«нїнндя) «РГитня («м<яняя)

Рис. 8. Гибкость волокна в зависимости от зоны стебля и сорта конопли

Рис. 9. Линейная плотность волокна в зависимости от зоны стебля и сорта конопли

Прежде всего, это касается установленных различий в свойствах стеблей и волокна конопли по длине стебля. Соцветия стеблей, в сравнении с технической их длиной, имеют худшую способность к обескостриванию, в них содержится волокно с пониженной технологической ценностью. Как правило, в соцветии отсутствует волокна вторичного происхождения.

Поэтому рационально при выделении волокна обработку соцветий и технической длины проводить раздельно. В этом случае получаемое волокно из разных частей длины стебля не должно смешиваться, а в последующем его необходимо перерабатывать при разных режимах работы оборудования. Это будет способствовать снижению уровня неровноты свойств пеньки и более рациональному её использованию.

В третьей г лаве исследованы условия обработки стеблей и очистки полученной пеньки О'!' неволокнистых примесей. Были рассмотрены различные технологические схемы обескостривания. С учетом снижения затрат на обработку наиболее перспективными оказались варианты с использованием дезинтегратора (авторы: Павловский Е.И., Внуков В.Г.) и машины для обескостривания стеблей, основанного на принципе скоростного скользящего изгиба МПЛ (авторы: Разин СЛ., Пашин ЕЛ., Смирнова Т.Ю.). Сравнивая параметры производительности, для последующего исследования был выбран дезинтегратор, обеспечивающий получение однотипной закостренной волокнистой массы, смешанной с воздухом. Для её очистки необходимы сепарация фракций и разгрузка закостренного волокна на трясильную машину. С учетом негативного влияния на экологическую обстановку существующих средств для разгрузки - циклонов, была предложена новая схема разгрузителя с активными рабочими органами (рис. 10) - далее сепаратор.

Волокнистые угары и часи, костры пролетают сквозь систему пластин сепаратора и удаляются с помощью диффузора, расположенного внутри траектории движения пластин. Длинные волокна оседают на пластинах и после выхода из зоны поступления костро-волокнистой смеси сбрасываются с них на трясильную машину.

Для установления рациональных параметров конструкции сепаратора и его работы были проведены теоретические исследования.

Дешнтегратор

Вход

стеблевого материала

Предлагаемый "разгруіитель

Трясильная,

1 Трясильная ¡1, ^—^

Волокнистые отходы

Рис. 10. Схема разгрузителя с активными рабочими органами

''становлено, что основными параметрами сепаратора (рис. 11) являются: К, г. Дер, со- соответственно внешний и внутренний радиусы барабана, угловой шаг пластиг и угловая скорость вращения барабана. Внешний радиус барабана был выбразгаз конструктивных соображений и принят равным 500 мм.

Рис. 11. Схема перемещения кооо-волокнистой смеси, сепаратора и

элементы его конструкции (1 - -(сдающий патрубок, 2 — сепаратор, 5 — пластина, 4 — диффузор)

Рис. 12. Схема кинематического взаимодействия костры с пластиной сепаратора

Д выбора рациональной угловой скорости вращения барабана с учётом ряда допущай была решена задача о взаимодействии костры с пластиной сепаратора. Рассмоіно взаимодействие костры, двигающейся по направлению А (см. рис. 11), с одной итластин сепаратора (рис. 12.). В итоге было получено условие попадания костры ;ыходной диффузор:

К соз р — А ссн-р <-~ + Лзіпр5 (1)

где р=С5ш(л;/Л), л =2 4г-'1 -л2 -5 , б

угол между направлением скорости

костры їде удара и положением пластаны сепарирующего устройства, зависящий от безрамного параметра г - аЖЛ<\

Решение неравенства (1) позволило получить зависимости исследуемых параметров диффузора от параметра г (рис.13). Установлено, что при заданных параметрах устройства и установке выходного диффузора без смещения (Д= 0) окружная скорость точек лежащих на внешнем радиусе барабана, должна бшъ, по крайней мере, в б раз ниже скорости подачи костро-волокнистой смеси (2 < 0,18). Смещение выходного диффузора по направлению к месту подачи шстро-волокнистой смеси позволяет увеличить это отношение. Установлен), что выполнение условия (1) обеспечивает удаление костры при движении по иобому другому направлению.

п.- шт Лф, град

z; L, м

12,75

10,22

7,69

5,15 2,62

\ 1 2 \ / ✓

"*Ч < ч У

V.

___ „- - s

5 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Дм Рис.13. Зависимость параметра z =

и размера L от смещения Д: R = 50 см, г ~ 43 см, rl - 12 см, 8 = 5 см.

0,3

0,34

0,38

од;

0,6

Рис.14. Зависимость угяовогшага пластин (1) и количества пласта (2) от внутреннего радиуса сепарора

На следующем этапе теоретических изысканий был выбран уппой шаг

пластин Дф из условия невозможности проникновения волокна, двигаонгося со

скоростью V по напрвлению А во внутрь сепаратора без сопршсосновем с его

пластинами (см. рис. 11).

Была рассчитана максимальная величина углового шага пластин:

. к .г.

arc sin ~ + arc sm — г R

Параметрическое исследование влияния внутреннего радиуса сепатора на ширину пластин, их количество и угловой шаг проводили в системе MaUAD при следующих данных: R = 0,5 м, п = 0,12 м, со= 4 с"1, v = 16 м/с, в этом случае=0,125.

Полученные результаты представлены на рисунке 14. Задаваясь утренним радиусом сепаратора, они позволяют определить угловой шаг и количеств пластин. Например, при ширине пластин равной 0,07м (г = 0,43м) следует ыполюпъ сепаратор с числом пластин = 100 штук.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных иссдований по проверке основных теоретических положений и определению рациональньшраметров работы дезинтегратора и сепаратора.

Для этого был изготовлен экспериментальный стенд со следующим режимно-конструкгавными параметрами: R = 50 см, г = 43 см, b = 7см, = 20 см, L = 33 см, со = 4 с"1... 8 с"1, А <р = 3°15', п = 114 штук. Расстояние между плитами на внешнем радиусе барабана с учётом их толщины ~ 25 мм (шаг пластин).

Перед проверкой теоретических положений исследовали условия обескостриваиия стеблей. Предварительные опыты показали невозможность обработки участков стеблей, с длиной превышающей ~ 1 м. При обработки отрезков длиной 60... 100 см, наблюдались забивка дезинтегратора и его работа с повышенной вибрацией. Поэтому появилась необходимость в установлении возможной длины отрезков стеблей. Используя отрезки разной длины из соцветий и технической часта, и оценивая массовую долю костры и выход лубоволокнистой фракции после обработки на дезинтеграторе (рис. 15) было установлено, что обработку следует производить отрезками длиной 55.. .60 см.

Рис . 15. Зависимость массовой доли костры (а) и выхода лубоволокнистого продукта (б) от длины отрезков стеблей и количества пропусков через дезинтегратор

С учетом этого результата последующую проверку теоретических положений проводили поэтапно. На первом этапе оценили влияние частоты вращения сепарирующего устройства, а также плаха пластин сепаратора на выход волокна и массовую долю костры, % в однотипной пеньке (рис. 16).

Рис. 16. Зависимость выхода волокна (а) и содержания костры (б) от частоты вращения сепаратора и шага пластин

Результаты подтвердили теоретические выводы о влиянии параметра (г) на процесс эффекшвносш очистки при заданных геометрических параметрах устройства 0,18 < г <0,33.

Увеличение шага пластин ведет к уменьшению выхода волокна и снижению массовой доли костры. С увеличением частоты вращения сепаратора, снижения массовой доли костры в волокне не наблюдается. Однако, это приводит к уменьшению выхода волокна, что нежелательно. Поэтому в качестве рационального шага пластан выбрано значение 25 мм.

На втором этапе экспериментальных исследований была исследована эффективность очистки с использованием сепаратора, имеющего выбранные рациональные параметры. Исследуя сырец конопли, полученный из стеблей (соцветие, техническая длина) стланцевой тресты различной фазы спелости конопли (техническая — зеленец, биологическая — семенная), была установлена возможность удаления в среднем 35% костры через внутренний диффузор сепаратора. Такой результат позволит повысить эффективность последующей очистки костро-волокнистой смеси путем её трясения.

В пятой главе дано обоснование технологической схемы переработки конопли для получения однотипной пеньки и проведён анализ её технологической и экономической эффективности.

Основой предложенной схемы являлось обескостривание предварительно промятых стеблей в виде отрезков с применением дезинтегратора и последующая очистка сырца с использованием нового устройства дая разгрузки костро-волокнистой смеси на трясильную машину. Для проверки эффективности новых технологических и технических решений на кафедре ТОЛВ КТТУ был создан экспериментальшлй образец агрегата дая получения однотипной пеньки, включающий мяльную машину с узлом резки стеблей на отрезки в процессе промина, дезинтегратор с узлами ввода отрезков сырца и вывода из зоны обескостривания смеси (воздух - волокно - костра), разгрузитель-сепаратор костроволокнистой массы и трясильную машину.

Для оценки технологической эффективности новой схемы переработки конопли в однотипное волокно с применением планирования эксперимента были проведены специальные опыты. Схема опытов предусматривала изменение режимов обработки (частота вращения ротора дезтггегратора (\¥), частота вращения сепаратора (со), шаг пластин (I) и оценку результатов: выход лубоволокнистого материала и его закострённосгь. В качестве интегрального показателя предложен коэффициент эффективности, зависящий от выхода пеньки и её закострённости. Максимальное значение данного коэффициента позволило выбрать рациональные режимы обработки. Эксперименты проводили применительно к разным зонам стеблей (соцветие и техническая часть), имеющих разную биологическую спелость.

Оказалось, что для реализации новой технологии следует использовать при обработке соцветия, следующие режимы: частота вращения дезинтехратора - 1100 мин частота вращения сепаратора 80 мин шаг пластин - 25 мм. Рациональные режимы обработай технической длины стебля: частота вращения дезинтегратора 800 минчастота вращения сепаратора -40мин шаг пластин 25мм. Установлено, что такие режимы обеспечивают общий выход волокна из стланцевой тресты 30...34%, а закоетренность полученной однотипной пеньки в зависимости от степени её вылежки составляет 4... 14%. Разрывна;! нагрузка скрученной ленточки 300... 385Н.

Для параметров работы мапши, обеспечивающих лучшие условия обработки, дополнительно был исследован штапельный состав волокна. Оказалось, что средняя штапельная длина составляет 10... 30 см (при обработке соцветий) и 20... 50 см - при обработке технической длины стеблей. С учетом закостренности волокна был сделан вывод о соответствии получаемого волокнистого продукта требованиям ГОСТ 9993-74 «Пенька короткая. ТУ».

При проведении экспериментальных исследований было отмечено, все процессы, составляющие новую технологию переработки конопли протекают стабильно, отсутствовали намоты и потери. Было сделано заключение о подготовке рекомендаций для практического использования новой машинной технологии переработки конопли.

На заключительных этапах работа был проведен расчет ожидаемой экономической эффективности от применения новой машинной технологии переработай стеблей конопли для получения однотипной пеньки. Используя опытные данные, установлено, что применение новой линии позволит' получить прибыль в размере 1,2. ..2,0 тыс. рублей с каждой тонны перерабатываемой тресты. Указано, что возможен дополнительный эффект от снижения неоднородности волокна в результате исключения смешивания волокнистых фракций, содержащихся в разных зонах длины стеблей. Конкретная величина этого эффекта может быть определена в условиях текстильного производства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа результатов опубликованных исследований в области материаловедения и агропромышленной переработки конопли следует, что для увеличения объёмов производства современных отечественных селекционных сортов конопли требуется дополнительное изучения их свойств, а существующие машинные технологии получения пеньки требуют совершенствования.

2. Новые селекционные сорта Юлиана и Ингреда, убранные с поля в фазы технической и биологической спелости, по совокупности свойств стеблей и волокна в основном схожи с ранее возделываемыми сортам. Основным их отличием является увеличенная длина соцветия, доля которого в общей длине стеблей может достигать 50%. Причиной этого, вероятно, является повышенная семенная продуктивность новых сортов.

3. Сравнительный анализ декортикационных, морфологических и физико-механических свойств стеблей и волокна в соцветиях и технической части стеблей конопли выявил их существенные отличия. Пониженное качество волокна, выделенного из соцветия объясняется повышенным количеством в этой зоне стебля листовых следов и веток. В технической части длины стеблей на их технологическую ценность негативно влияют волокна вторичного происхождения.

4. Разнодлинностъ расположения в стеблях первичного и вторичного волокон не позволяет считать эффективными для обескостривании стеблей сквозные виды механических воздействий (например, трепание, применяемое в настоящее время на практике).

5. Выявленные различия свойств объясняют целесообразность раздельной переработай соцветий и технической части длины стеблей при получении из них волокна. Это обеспечит повышение эффективности обескостривания и снижение

неровноты свойств пеньки в случае исключения смеппгоания волокон, выделенных из указанных частей стебля.

6. При использовании дезинтегратора для обескостривания стеблей, обладающих в отличие от льна повышенной длиной, необходимо перед обработкой на нём производить в процессе промина предварительную резку стеблей для получения отрезков длиной 50...60 см, а после обработки на дезинтеграторе следует осуществлять разгрузку перемещающейся в воздушном потоке костро-волокнистой смеси на трясильную машину. Данную операцию следует совмещать с сепарацией костро-волокнистой массы для удаления из неё части насыпной костры с целью более эффективной последующей очистки пеньки путем трясения.

7. По результатам теоретических исследований установлено, что в качестве параметра эффективности отделения волокнистой фракции от части насыпной костры с последующим попаданием её в выходной диффузор следует использовать отношение линейных скоростей перемещения рабочих пластин сепаратора и скорости подачи отходов обработки на дезинтеграторе. При установке выходного диффузора без смещения и радиусе барабана сепаратора, равном 0,5 м данное отношение не должно превышать 0,18.

8. Из условия сохранения волокна с необходимой длиной получена математическая зависимость, определяющая угловой шаг пластин (их количество) в зависимости от радиуса барабана сепаратора и ширины пластин. Для сепаратора с шириной пластан 0,07 м и шагом 0,025 м их количество должно бьпъ более 100 штук. Экспериментально подтвержден теорепиеский вывод, что увеличение шага пластин с 25 до 50 мм приводит к снижению выхода волокна. Величина такого снижения при обработке соцветий может достигать 13%, а технической части длины 9%.

9. Экспериментальная проверка определенного расчётным путем числа пластин подтвердила, что при принятых параметрах сепаратора, возможно обеспечить выход волокна из соцветия 28%, а из технической длины стебля 34%.

10. При выборе рациональных скоростных режимов работа дезинтегратора с учетом последующей сепарации костро-волокнистой массы для получения из неё однотипной пеньки, необходимо учитывать фазу биологической спелости стеблей, а также обрабатываемую зону длины стеблей (соцветие или техническая длина).

11. Предложена новая технологическая схема обработки конопли для получения однотипной пеньки, основанная на использовании процесса мятья, с последующим применением дезинтегратора, безциклонного разгрузителя-сеператора костро-волокнистой смеси и трясильной машины. Особенностью новой машинной технологии является раздельная обработка соцветий стеблей и их технической длины, а также использование резки указанных участков стеблей в процессе промина на отрезки. При выявленных рациональных режимах обработки получаемое однотипное волокно соответствует по своим параметрам требованиям на короткую пеньку по ГОСТ 9993-74 «Пенька короткая. ТУ». По расчётам применение новой технологии позволит получить прибыль в размере 1,2...2,0 тыс. руб. с каждой тонны перерабатываемой тресты.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Журналы, входящие в «Перечень ведущих рецензируемых мсурналов и изданий»

1. Жукова C.B. Определение рациональной формы и положения рабочих лопаток устройства для сепарации костро-волокнистой смеси / C.B. Жукова, С.II. Разин // Известие вузов. Технология текстильной промышленности. - 2008. - № 4С - С. 45 -47.

2. Жукова C.B. Получение лубоволокнистого сырья из стеблей конопли семенных посевов / C.B. Жукова, IÏ.JI. Пашин // Известие вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. - № б - С. 25 - 27.

3. Пашин Е.Л. Исследование морфологических и технологических свойств стеблей новых сортов конопли / Е.Л. Пашин, C.B. Жукова, Л.В. Пашииа, Г.С. Степанов // Известие вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010. -№ 4 - С. 21 -23.

4. Пашин Е.Л. Взаимосвязь свойств конопли с особенностями строения её стеблей / Е.Л. Пашин, C.B. Жукова // Известие вузов. Технология текстильной промышленности. - 2012. - №2 - С. 25 - 28

Научно-технические журналы и сборники научных трудов

5. Жукова C.B. Определения параметров устройства для сепарации льняной костро-волокнистой смеси / C.B. Жукова, С.Н. Разин, Е.Л. Пашин, П.В. Беляев // Вестник ВНИИЛК. - Кострома: Изд-во Всероссийский НИИ по переработке лубяных культур Россельхозакадемии, 2007. - № 3 - С. 101 - 104.

6. Разин С.Н. Определение некоторых параметров устройства для сепарации костро-волоюшетон смеси / С.Н. Разин, C.B. Жукова // Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышлешюсти региона («Лён - 2008»): материалы международной научно-техническая конференции. - Кострома: КГТУ, 2008. - С. 29 - ЗТ

7. Жукова С. В. Особенности строетшя стеблей селекционных сортов конопли различной степени созревания / C.B. Жукова, Е.Л. Пашин // Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона («Лён - 2010»): материалы международной научно-техническая конференции. - Кострома: КГТУ, 2010.-С. 29-33.

Сборники материалов и тезисы докладов на Международных, всероссийских и межвузовских конференциях

8. Жукова C.B. Определение некоторых параметров сепарирующего устройства модификатора / C.B. Жукова, С.Н. Разин, Е.Л. Папин // Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России: десятая юбилейная международная научно-практическая конференция. - Вологда, 2007. - С. 136-137.

9. Жукова C.B. Определите параметра шага устройства для сепарации льняной костро-волокнистой смеси / C.B. Жукова, С.Н. Разин, Е.Л. Пашин // Материалы 59-й

Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 5 т. Т.4.- Кострома: КГСХА, 2008. - С. 92 - 95.

10. Жукова C.B. Исследования возможности сепарации костро-волокнистой смеси с помощыо пластинчатого барабана / C.B. Жукова, С.Н. Pavm, E.JI. Пашин // Материалы 60-й Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т. Т.З. - Кострома: КГСХА, 2009. - С. 29 - 31.

11. Жукова С. В. Сравнительный анализ стеблей новых сортов среднерусской конопли / C.B. Жукова, E.JI. Пашина, Г.С. Степанов // Материалы 60-й Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т. Т.З.- Кострома: КГСХА, 2009. - С. 31 - 33.

12. Жукова C.B. Исследования некоторых параметров устройства для сепарации костро-волокнистой смеси / C.B. Жукова, С.Н. Разин // Материалы 61-й Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т. Т.2. - Кострома: КГСХА, 2010. - С. 78 - 80.

13. Жукова C.B. Исследование технологических свойств стеблей новых сортов конопли / C.B. Жукова, Е.Л. Пашин // Материалы 61-й Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т.Т.2-Кострома: КГСХА, 2010. - С. 80 - 82.

14. Жукова С. В. Экспериментальные исследования устройства для сепарации костро-волокнистой смеси / C.B. Жукова, С.Н. Разин // Материалы 62-й Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т. Т.2.- Кострома: Изд-во КГСХА, 2011. - С* 52 - 55.

15. Жукова С. В. Различие свойств элементарных волокон по дайне стеблей новых сортов конопли / C.B. Жукова, Е.Л. Пашин И Материалы 62-й Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т. Т.2.- Кострома: КГСХА, 2011. - С. 55 - 59.

16. Жукова C.B. Новая технологическая схема переработки стеблей конопли / C.B. Жукова, Е.Л. Пашин, С.Н. Разин // Материалы 62-й Международной науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе»: в 3 т.Т.2,- Кострома: КГСХА, 2012. - С. 79 - 81.

Техническая повита важнейших решений признана изобретениями:

17. Положительное решение о выдаче патента на изобретения от 10.04.2012: C.B. Жукова, Е.Л. Пашин, С.Н. Разин. Устройство для сепарации льняной костро-волокничстой смеси. Заявка № 2011108883.

18. Положительное решение о выдаче патента на изобретения от 17.04.2012 Е.Л. Пашин, C.B. Жукова. Способ получения лубяного волокна. Заявка № 2011110418

Автор диссертации выражает благодарность руководству Чувашского НИИСХ Роесельхозакадемии и лично icc.-x.h-, профессору Степанову Г.С. за предоставленный исходный материал для изучения - стебли соломы и тресты конопли новых сортов Юлиана н Ингреда.

Жукова Светлана Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СОРТОВ КОНОПЛИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОТИПНОЙ ПЕНЬКИ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

О Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образовании "Костромская государственная сельскохозяйственная академия" 156530, Костромская обл., Костромской район, пос. Караваево, уч. городок, д. 34, КГСХА

Компьютерный набор. Подписано в печать 20/04/2012. Заказ №059. Формат 84x60/16. Тираж 100 эга. Усл. печ. л. 1,2. Бумага офсетная. Отпечатано 23/04/2012.

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в академической типографии на цифровом дубликаторе. Качество соответствует предоставленным оригиналам.

61 12-5/2938

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 677.021.15

ЖУКОВА СВЕТЛАНА ВЛАДИМИРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СОРТОВ КОНОПЛИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОТИПНОЙ

ПЕНЬКИ

Специальность 05.19.02 "Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья"

Специальность 05.19.01 " Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., проф. Е.Л. Пашин д.т.н., проф. С.Н. Разин

Кострома, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

1 Состояние, проблемы производства и переработки конопли..............................10

1.1 Общие сведения о конопле и перспективах её использования... 10

1.2 Обзор результатов исследований технологических свойств конопли........................................................................................................................................................18

1.3 Обзор существующих технологий уборки конопли................................23

1.4 Обзор существующих технологий первичной переработки............31

1.5 Анализ известных способов и машин по подготовке отходов обработки (костро-волокнистой смеси) к очистке..............................................46

1.6 Выводы по главе........................................................................................................................51

2 Исследования технологических свойств стеблей и волокна новых

сортов среднерусской конопли..................................................................................................54

2.1 Выбор изучаемых характеристик стеблей и волокна................................54

2.2 Методики исследований....................................................................................................57

2.3 Результаты морфологического анализа стеблей..........................................66

2.4 Анализ декортикационных свойств стеблей конопли............................73

2.5 Анатомический анализ стеблей..................................................................................74

2.6 Исследования физико-механических свойств

луба и волокна....................................................................................................................................84

2.7 Выводы по главе..........................................................................................................................88

3 Обоснование эффективных приемов первичной переработки

конопли и рекомендации по их практическому применению................................90

3.1 Обоснование выбора новой технологической схемы переработки стеблей конопли................................................................................................90

3.2 Устройство для сепарации костро-волокнистой смеси........................91

3.3 Теоретическое обоснование параметров устройства..................................94

4 Экспериментальные исследования по проверке выбора дезинтегратора и теоретических положений, связанных с обоснованием параметров сепаратора............................................................................. 112

4.1 Экспериментальное исследование условия обескостривания стеблей конопли.................................................................. 112

4.2 Экспериментальное исследование влияния параметров устройства для сепарации костро-волокнистой смеси на эффективность его работы...................................................... 116

4.3 Оценка влияния режимно-конструктивных параметров устройства на эффективность очистки костро-волокнистой смеси.. 120

5 Анализ технологической и экономической эффективности новой

схемы переработки стеблей конопли в однотипное волокно................. 133

5.1 Новая технологическая схема переработки стеблей конопли

для получения однотипной пеньки.......................................... 133

5.2 Оценка технологической эффективности новой схемы обработки...................................................................... 136

5.3 Оценка экономической эффективности новой технологии переработки конопли для получения однотипной пеньки............. 144

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................... 150

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 153

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 164

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, связанной с изучением ценности стеблей и волокна новых отечественных сортов конопли и созданием ресурсосберегающих технологий их переработки, обусловлена повышенным вниманием к использованию натуральных волокон в связи с экологической

безопасностью жизнедеятельности человека.

По мнению директора Государственного антинаркотического комитета, высказанному в открытой печати в конце 2011 года/существующие культурные сорта конопли, не содержащие наркотических веществ и включенные в государственный реестр селекционных достижений, являются природными возобновляемыми источниками целлюлозы, содержание которой в стеблях этой культуры как минимум в 5-7 раз больше, чем в древесине. Причем цикл её воспроговодетва сокращается в 20-30 раз. По этой причине усилился интерес к производству конопли за рубежом. По мнению иностранных специалистов, из конопли можно изготовить до 25 тысяч видов продукции. Это уникальный, исключительно высокорентабельный источник целлюлозы. Лидерами по производству конопли сегодня являются Китай, Канада, Франция, Германия, Италия, США. Отмечено, что Украина

увеличила в 2010 году посевы конопли многократно.

Между тем, предшествующий 15-20 летний период запрета на производство конопли затормозил научное обеспечение этой традиционной для России отрасли народного хозяйства Практически прекращены разработки новых технологий переработки стеблей, остановлен выпуск уборочной техники. Однако, после возобновления интереса к данной культуре как источнику целлюлозы и текстильного сырья, необходимость интенсификации НИОКР и создания новых энергосберегающих технологий переработки конопли

приобрели практическую значимость.

В августе 2011 года в Министерстве сельского хозяйства РФ при участии заинтересованных министерств и ведомств (протокол № 19/2600 от

05.08.2011 г.) были рассмотрены проблемы развития коноплеводства и переработки конопли. Указано на принятие мер по возрождению этой отрасли и определены направления работ по решению наиболее важных

проблем.

В этой связи тема исследования является актуальной и направлена на укрепление сырьевой базы отечественной текстильной промышленности, а также других областей, в которых используются целлюлозосодержащие материалы, полученные с применением лубяных волокон.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью исследований являлась разработка малозатратной технологии получения пеньки на основе изучения особенностей строения стеблей и свойств лубоволокнистых комплексов новых

селекционных сортов конопли.

В соответствии с указанной целью в работе решались следующие

задачи.

1. Анализ результатов известных работ, посвященных изучению свойств конопли и технологий переработки лубоволокнистых материалов.

2. Исследование морфологических свойств современных

отечественных селекционных сортов конопли.

3. Изучение показателей технологической ценности лубоволокнистого покрова конопли и установление особенностей переработки с учётом её

свойств.

4. Обоснование параметров технологического процесса и конструкции

машин для получения однотипной пеньки.

5. Проверка технологической и экономической эффективности новой

машинной технологии получения однотипной пеньки.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При проведении исследований использовались стандартные и оригинальные методы анализа морфологических, анатомических, физико-механических

декортикационных свойств стеблей и волокна конопли; общепризнанные

алгоритмы теоретического исследования кинематики рабочих органов устройства для сепарации костро-волокнистой смеси; методы теоретической механики и экспериментального исследования технологических процессов первичной обработки конопли; алгоритмы статистической обработки полученных опытных данных. Использовались программные средства: MathCAD 14, MS Excel 2007, STATISTICA 6.0, CorelDRAW 12.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в установлении особенностей строения и свойств стеблей и волокна новых отечественных сортов конопли, а также в разработке новой системы технологических операций и их параметров для получения однотипной пеньки. По результатам диссертационного исследования впервые:

по специальности 05.19.02:

- получено обоснование в необходимости перед обескостриванием стеблей разделять их на две части (соцветие и техническая часть длины); установлена рациональная длина отрезков стеблей конопли (55-60 см), которые должны формироваться из каждой части для последующего обескостривания с использованием дезинтегратора;

- получены математические модели поведения волокна и костры при взаимодействии с активными рабочими органами в результате сепарации костро-волокнистой смеси, обеспечившие выявление рациональных условий отделения волокнистой фракции и удаления из её части насыпной костры;

- предложено при обосновании способов выделения луба или волокна из целых стеблей семенной конопли учитывать разнодлинность первичного и вторичного волокна, снижающую эффективность использования сквозных видов воздействий (например, при трепании), а также различия физико-механических свойств волокна и стеблей по их длине;

по специальности 05.19.01:

- установлено, что особенностью новых сортов конопли (Ингреда и Юлиана), убранных в техническую и биологическую фазы спелости,

является увеличенная длина соцветия, доля которого в общей длине стеблей достигает 50%;

- выявлена причина снижения разрывных характеристик лубоволокнистого покрова в соцветии, связанная с повышенным количеством в этой зоне листовых и веточных следов; обнаруженные различия декортикационных характеристик в соцветии и технической частях стебля могут приводить к различным результатам их обескостривания.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Установленные различия морфологических, физико-механических и технологических свойств по длине стеблей использованы при обосновании новых технологических операций получения пеньки с пониженной вариацией свойств. Результаты исследований могут использоваться в качестве справочных данных о строении и структуре стеблей и волокна новых селекционных сортов конопли.

Обоснованы, определены параметры и даны рекомендации для проектирования нового разгрузочного устройства с активными рабочими органами.

Предложена новая технологическая схема и экспериментально проверена её эффективность при получении однотипной пеньки. Актуальность этой разработки подтверждена государственным антинаркотическим комитетом, а её конкретные параметры приняты к использованию ФГБУ «Агентство по производству и переработке льна и конопли» (г. Москва) при создании опытного образца линии в рамках программ НИОКР Минсельхоза РФ.

Результаты исследований были одобрены и рекомендованы к использованию машиностроительной компанией «Техмашхолдинг». Этой организацией предусматривается создание техники для уборки и переработки конопли в Республике Чувашия, которая является коноплесеющим регионом Российской Федерации.

На технические решения, связанные с совокупностью операций по получению однотипной пеньки, а также с конструкцией для сепарации костро-волокнистой смеси, подготовлены заявки в Роспатент на признание их изобретениями. В настоящее время по ним получены положительные решения о выдаче патента. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований предложено использовать при освоении и совершенствовании учебного процесса при подготовке бакалавров по профилю «Технология и оборудование производства натуральных волокон».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были доложены и получили одобрение: на Учёном Совете Всероссийского НИИ по переработке лубяных культур Россельхозакадемии (г. Кострома, 2007); на международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (г. Вологда, 2007); на международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие инновационные технологии развития промышленности региона (Лён-2008)» (г. Кострома, КГТУ, 2008); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона (Лён-2010)» (г. Кострома, КГТУ, 2010); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в агропромышленном комплексе» (г. Кострома, КГСХА, 2008; 2009; 2010; 2011); на расширенном заседании кафедры технологии производства льняного волокна КГТУ (г. Кострома, КГТУ, 2010; 2011, 2012); на Всероссийском научном семинаре «Научные проблемы агропромышленной переработки лубоволокнистых материалов» (г. Кострома, КГТУ, 2011); на профессорском семинаре КГТУ (г. Кострома, КГТУ, 2012); на расширенном заседании кафедры аграрного производства Чувашской ГСХА (г. Чебоксары, ЧГСХА, 2012); на научном семинаре Чувашского НИИ Россельхозакадемии (Республика Чувашия, 2012);

на совещании руководителей предприятия ООО «Техмашходдинг» (г. Чебоксары, 2012).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ. Важнейшие положения диссертации изложены в 4 статьях в журналах, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий», 12 в научно-технических журналах и сборниках. Составлены и отправлены 2 заявки в Роспатент, по которым получены положительные решения о выдаче патента на изобретения.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация изложена на 183 страницах; состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. В ней содержится 79 рисунков, 14 таблиц и 5 приложений.

1 СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ

КОНОПЛИ

1.1 Общие сведения о конопле и перспективах её использования

Конопля — однолетнее лубоволокнистое растение. Стебель у конопли прямой, высотой от 1,5 м у северного экотипа, до 3 и более метров — у южного, простой, гораздо реже ветвистый, у основания округлый, к верхушке ребристый. Корень стержневой, глубокий. Растения конопли ветроопыляемые, цветки мелкие и невзрачные. Растения обычной поскони развиваются гораздо быстрее, чем растения матерки, и к моменту уборки двудомных сортов посконь высыхает. Раньше посконь выбирали вручную, но именно эти растения давали волокно наивысшего качества. Неодновременность созревания женских и мужских растений двудомных сортов заставила селекционеров работать над созданием однодомных. Поэтому у современных двудомных сортов конопли созревание половых типов максимально сближено. В начале вегетации конопля растет медленно. Наиболее интенсивный рост наблюдается после фазы бутонизации. Культура очень требовательна к наличию легкодоступных питательных веществ. На тяжелых глинистых и песчаных почвах коноплю не возделывают. Переувлажнение почвы гибельно для растений [55 - 57, 98, 130].

По данным академика Н.И. Вавилова, крупноплодная конопля происходит из Китая, а так называемая индийская конопля — из Индии. Все формы культурной конопли произошли от дикорастущей. Конопля является древнейшей культурой. Полагают, что в Индии, Китае, Монголии она появилась раньше льна и хлопчатника.

Народы, населявшие прежнюю территорию СССР, издавна выращивают коноплю. Археологические раскопки и исторические документы показывают, что возделыванием этого растения занимались в южных, западных, восточных и даже северных областях Древней Руси.

Пенька (волокно из стеблей конопли) была одним из главных товаров русского экспорта.

Возделывание конопли и товарное производство пеньки в нашей стране вначале было сосредоточено в средней зоне европейской части (среднерусское коноплеводство). По размеру площадей под посевамиконопли дореволюционная Россия занимала первое место [1, 35, 54, 140, 141]. Впоследствии коноплю начали сеять и на юге. В настоящее время производство ее сконцентрировано в пяти основных регионах, дающих около 90% пеньки (Орловская, Курская, Пензенская области, Республика Чувашия и ряд южных регионов России). Благодаря усилиям селекционеров для практического использования созданы сорта, в которых не содержатся наркотические вещества. Такие сорта включены в Государственный реестр селекционных достижений Минсельхоза РФ и разрешены для возделывания, как сырьё для текстильной промышленности.

В настоящее время многие европейские страны проявляют интерес к этой целлюлозосодержащей культуре. Государствам-членам Евросоюза рекомендуется увеличивать посевы безнаркотической конопли, волокна и семена которой могут успешно использоваться в текстильной, химической, пищевой, строительной и других видах промышленности, а также при производстве биотоплива. За снятие запрета на выращивание этой важной промышленной культуры высказались правительства Прибалтийских стран. В начале 1998 года запрет на возделывание конопли снят в Канаде. Следует отметить, что и в настоящее время в мире работает более 200 фирм, компаний, научных учреждений и ассоциаций, занимающихся исследованием, возделыванием и перераб�