Определение параметров процесса сепарации трудноразделимых зерновых смесей на вибрационных неперфорированных поверхностях

(31)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 13. Движение частицы в момент опрокидывания

 

Частица будет находиться в относительном покое в случае

при ,

где

Движение на участке ВЕА (рис. 12 с, рис. 13) в режиме качения со скольжением определяется системой уравнений

 

(32)

  где m, I – масса частицы и   момент   инерции   масс   частицы   относительно

 

центральной оси, перпендикулярной плоскости колебаний и проходящей через центр масс.

В режиме чистого качения (рис. 14) уравнение имеет вид

 

(33)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14. Качение частицы по наклонной плоскости

 

При получим нормальную реакцию N

 (34)

Качение частицы без скольжения будет при , где

Решение уравнений выполнено на ЭВМ численным методом. На рис. 15. приведены зависимости скорости виброперемещения улитки Паскаля с параметрами аппроксимации, полученные для ячменя и пшеницы, и экспериментальные зависимости скорости виброперемещения семян ячменя и пшеницы от параметров вибрации и угла наклона вибрационной поверхности. Будем в дальнейшем пользоваться терминами ячмень и пшеница, поясняя при этом расчетные это кривые или экспериментальные.

Как следует из рис. 15 а) и 15 б) с увеличением амплитуды колебаний А и частоты колебаний w скорость виброперемещения и ячменя, и пшеницы возрастает, при этом при увеличении w интенсивность возрастания скорости виброперемещения увеличивается. Расчетные и экспериментальные скорости виброперемещения ячменя при этом несколько выше, чем скорости пшеницы. С увеличением A и w возрастает различие между расчетными и экспериментальными данными, что вполне объяснимо некоторым несоответствием расчетной модели и реального тела.

 

 

 

 

Рис. 15. Зависимость скорости виброперемещения семян ячменя (1) и пшеницы (2) от параметров вибрации:

1,2        расчетные  кривые; 1/,2/        экспериментальные кривые

Необходимо еще отметить, что различие в расчетных значениях скоростей с увеличением A и w увеличивается, а в экспериментальных – уменьшается. Для расчетных значений это объясняется увеличением доли качения со скольжением для ячменя из-за меньшей бороздки. Сближение экспериментальных значений скорости ячменя и пшеницы с увеличением значений A и w, по-видимому, можно объяснить особенностью реальной формы ячменя. Дело в том, что в продольном сечении формы ячменя можно аппроксимировать удлиненным оживалом. При движении в реальных условиях (можно наблюдать визуально) оживал раскачивается, причем с увеличением A и w это раскачивание увеличивается (в том числе и из-за микронеровностей) и скорость ячменя снижается. Его движение происходит как бы с кантованием, иногда происходит даже его вращение в плоскости, перпендикулярной вибрационной. При достижении значений w = 95 с-1, A = 1 мм для ячменя, а для пшеницы А = 0,9 мм частица отрывается от плоскости.

С увеличением угла направленности колебаний скорости виброперемещения вначале увеличиваются до значения e1 = 30...35°, а затем снижаются.

Расхождение между экспериментальными и расчетными кривыми незначительно увеличивается с увеличением e1. Расчетные кривые при этом практически эквидистантны, а экспериментальные сближаются с увеличением e, что также можно объяснить снижением скорости виброперемещения ячменя из-за раскачивания.

Изменение угла наклона a вибрационной неперфорированной поверхности приводит не только к изменению величины скорости виброперемещения, но и к изменению направления движения ячменя, и пшеницы, а значит и к возможности их разделения на вибрационной поверхности. С увеличением угла a скорости виброперемещения и пшеницы, и ячменя снижаются, причем интенсивность снижения расчетных скоростей выше и они при меньших a изменяют направление, иначе говоря, скатываются вниз. Меньшее значение экспериментальных скоростей при движении вниз можно объяснить тем же несоответствием модели и реального тела, при движении вниз и ячмень, и пшеница иногда устанавливаются продольной осью вдоль направления движения из-за чего их скорость снижается, причем у пшеницы это выражено больше из-за формы продольного сечения, более приближенной к цилиндрической.

Из рис. 15 г) видно, что при a = 10,5°...11° пшеница и ячмень могут перемещаться по вибрационной поверхности в различных направлениях: ячмень скатывается вниз, а пшеница перемещается вверх, то есть разделяются.

 

 

 

 

3. Разработка конструкций вибрационных сепараторов с фрикционными неперфорированными поверхностями

 

3.1. Компоновка рабочих органов вибрационных сепараторов

 

Удельная производительность виброфрикционной сепарирующей поверхности невысокая, поэтому для увеличения производительности виброфрикционных сепараторов сепарирующие поверхности устанавливают одну над другой скрепляя их в блоки. Чем больше устанавливается в одном блоке сепарирующих поверхностей, тем выше производительность сепаратора.

Количество сепарирующих поверхностей, устанавливаемых в одном блоке, определяется идентичностью колебаний всех точек сепарирующих поверхностей в блоке. Блоки компонуются в зависимости от производительности машины. Либо все блоки устанавливаются на один вибростол и приводятся в колебательное движение от одного вибровозбудителя, либо каждый из блоков устанавливается на отдельный вибростол и приводится в колебательное движение отдельным вибровозбудителем.

В первом варианте компановки на один вибростол устанавливается обычно не более двух блоков. Это связано с тем, что на вибростоле больших размеров трудно обеспечить идентичность колебаний всех точек сепарирующих поверхностей. Обеспечение идентичности достигается увеличением жесткости рамы вибростола, а это приводит к резкому увеличению его массы. Кроме того, с увеличением массы у таких сепараторов центр тяжести вибростола смещается выше линии действия возмущающих сил вибровозбудителя, из-за чего также нарушается идентичность поля колебаний сепарирующих поверхностей.

Во втором варианте компоновки блоков, предложенном автором, в зависимости от производительности машины, возможна установка двух, четырех или восьми блок-модулей, конструктивно выполненных зеркально отображенными друг другу и установленных на отдельных вибростолах: при двухмодульной компоновке левый - правый блоки, при четырехмодульной: левый – верхний и нижний, правый – верхний и нижний. Восьмимодульные машины можно скомпоновать из двух четырехмодульных, компонуя их на общей раме с общим загрузочным устройством. Из вышеизложенного понятно, что компоновка по второму варианту дает возможность унифицировать узлы и детали машины и обеспечить возможность производства машин различной производительности. Кроме этого. масса блочно-модульных вибрационных сепараторов, изготовленных по второму варианту, в 1,9 – 2,3 раза меньше массы сепараторов, изготовленных по первому варианту, с той же общей площадью рабочих поверхностей, а следовательно, с той же производительностью.

На рис. 16 приведена схема сепаратора, состоящего из четырех блок-модулей. Сепаратор состоит из верхних 1 и нижних 2 блоков сепарирующих поверхностей. Верхний и нижний блоки размещены на вибростолах 3, которые приводятся в колебательное движение от вибровозбудителей 4, закрепленных с помощью шарнирной подвески 5 к вибростолам. Вибростолы установлены на столике 6 с помощью упругих пружин сжатия 7. Вибровозбудители приводятся в движение от электродвигателя 8 через клиноременную передачу 9, промежуточную передачу 10 и упругие муфты 11. Продольный угол наклона сепарирующих поверхностей регулируется механизмом 12, поперечный – механизмом 13. Для подачи материала на сепарирующие поверхности предназначены питатели 14, соединенные с загрузочным бункером 15 гибкими патрубками 16. Для сбора продуктов разделения имеются приемники 17.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16. Конструктивная схема блочно-модульного виброфрикционного сепаратора

 

Сепаратор работает следующим образом. Зерновая смесь подается с помощью питателей на рабочие поверхности верхних и нижних блоков. Под действием направленных колебаний, создаваемых вибровозбудителями, компоненты смеси перемещаются по различным траекториям в зависимости от физико-механических свойств. Плоские, шероховатые, менее упругие частицы перемещаются в верхние приемники продуктов разделения, а округлые, гладкие, упругие частицы скатываются в нижние приемники.

Сепаратор, состоящий из двух блок-модулей, можно изготовить по второму варианту компоновки, либо без нижних блоков обоих вибростолов, либо без одного вибростола.

В сепараторе из одного блок - модуля устанавливается верхний блок сепарирующих поверхностей. Правда, конструктивная эволюция компоновки рабочих органов этих сепараторов проходила с точностью до наоборот, что можно проследить по датам изобретений.

3.2. Совершенствование привода рабочих органов вибрационных сепараторов

 

Привод рабочих органов виброфрикционных сепараторов осуществляется от вибровозбудителей направленного действия. Обычно применяются двухвальные дебалансные вибровозбудители. Привод каждого дебалансного вибровозбудителя осуществляется от электродвигателя через промежуточный вал и упругую муфту.

Для обеспечения идентичности колебаний всех точек рабочих поверхностей вибросепараторов  используют несколько предложенных автором схем компоновки вибровозбудителя в системе колеблющейся части. В сепараторах, изготовленных по первому варианту компоновки рабочих органов, возможно использование схемы, в которой на колеблющейся части размещают электродвигатель, установленный на определенном расстоянии от вибровозбудителя, или схема, в которой вибровозбудитель устанавливают на салазках, имеющих форму дуги окружности, центр которой совмещен с центром тяжести колеблющейся части, либо салазках, выполненных в виде кривой, определяемой зависимостью.

    (35)

где х, у – координаты кривой, м;

h1 – расстояние от оси х до центра масс колеблющейся части, м;

L* – расстояние между нижней точкой крепления вибровозбудителя и направлением действия возбуждающей силы, м;

rg – радиус делительных окружностей шестерен вибровозбудителя, м.

В сепараторах, изготовленных по второму варианту компоновки рабочих органов, компоновку вибровозбудителей в системе рабочего органа осуществляют следующим образом. Верхний и нижний блоки возбудителей устанавливают на равном расстоянии от центра тяжести вибростола, при этом  общий центр тяжести вибростола (вместе с вибровозбудителем и блоками поверхностей) размещается на пересечении делительных окружностей шестерен вибровозбудителя. Для уменьшения металлоемкости самих вибровозбудителей при такой схеме их компоновки целесообразно использовать вариант синхронизации вращения валов вибровозбудителей с помощью промежуточной передачи, установленной между вибростолами сепаратора. Конструктивная схема сепаратора с таким вариантом синхронизации валов вибровозбудителей представлена на рис. 17 а. Схема синхронизации валов вибровозбудителей – на рис.17 б.

Сепаратор состоит из вибростола 1, на котором размещены блоки сепарирующих поверхностей 2, упругих подвесок 3, с помощью которых вибростолы установлены на несущей раме 4, вибровозбудителей 5, которые

 

а)

 

 

 

 

б)

Рис. 17. Блочно-модульный виброфрикционный сепаратор

размещают в центре тяжести вибростолов так, что линия действия возбуждающей силы каждого вибровозбудителя проходит через центр тяжести соответствующего вибростола. Каждый из валов 6 вибровозбудителя 5 с установленными на них дебалансами 7 получает синхронное вращение от общего механизма синхронизации 8, выполненного в виде упругих муфт 9 и передачи 10, например цилиндрической, от электродвигателя 17 через клиноременную передачу 11. Кроме того, сепаратор имеет питающее устройство 12 для подачи исходного материала на каждую сепарирующую поверхность, соединенное с загрузочным бункером 13 эластичным патрубком 14, механизмы регулировки продольного 15 и поперечного 16 углов наклона рабочего органа и приемники продуктов сепарации 18.

Сепаратор работает следующим образом. Исходная смесь из бункера 13 через эластичные патрубки 14 и питающее устройство 12 поступает на сепарирующие поверхности вибростолов 1. В колебательное движение вибростолы 1 приводятся вибровозбудителями 5, на каждом из валов 6 которых закрепляются дебалансы 7. Крутящее усилие электродвигателя 17 передается через клиноременную передачу 11 на шестеренчатую передачу 10 и через упругие муфты 9 на валы 6 вибровозбудителей 5. Упругие муфты 9 и передача 10 обеспечивают синхронизацию вращения всех валов каждого вибровозбудителя. Под действием вибрационных колебаний смесь сыпучих материалов в зависимости физико-механических свойств разделяется и продукты разделения поступают в приемники 18. Общая масса колеблющейся части при этом снижается с 450 кг до 195 кг, тоесть в 2,3 раза. Энергия колебаний колеблющейся части сепаратора при этом состоит

 

      (36)

при А=10-3м, ω=100 с-1.

Учитывая, что . для сепаратора прототипа, для разработанного сепаратора, то есть энергоемкость процесса сепарации в разработанном блочно-модульном сепараторе снижается в 2,3 раза. Практически она пропорциональна снижению массы колеблющейся части сепаратора. Энергия, затрачиваемая на колебания самого зерна на деке, определим по формуле:

 Дж.     (37)

 

При подъеме зерна над деками на 1 мм и массе зерна на деках 23,15 кг энергия составит 0,23 Дж или 0,063∙10-6 кВт∙ч.

То есть энергия, затрачиваемая на привод колеблющейся части в 4,76…10 раз больше энергии, затрачиваемой на колебания самого зерна на деке. Следовательно основным путем снижения энергоемкости является снижение  колеблющейся части сепаратора.

 

3.3. Совершенствование питающих устройств вибрационных сепараторов