Определение параметров процесса сепарации трудноразделимых зерновых смесей на вибрационных неперфорированных поверхностях

 

Равномерная подача смеси на каждую сепарирующую поверхность обеспечивает стабильную производительность сепаратора при устойчивом качестве сепарации. Поскольку удельная нагрузка на каждую сепарирующую поверхность виброфрикционных сепараторов невысокая, то невысокой должна быть и подача смеси. При небольшой подаче часто случается забивание выходных отверстий питающих устройств, поэтому забивание необходимо исключить. Кроме этого, уже при подаче смеси желательно обеспечить предварительное разделение смеси с целью уменьшения взаимного увлечения разноименных частиц смеси в противоположные фракции. Начнем рассмотрение этих задач со второй. Предварительное разделение смесей осуществляют в зависимости от того, по каким признакам они преимущественно различаются.

Обычно это отличие существенно по нескольким признакам, и, как правило, ни по одному из них, невозможно полное разделение смеси. В связи с тем, что виброфрикционные сепараторы предназначены преимущественно для доочистки сыпучих смесей, то есть смесей, которые, как правило, уже очищались на воздушно-решетно-триерных очистительных машинах, площадки предварительного разделения с использованием решетных, триерных или воздушных рабочих органов практически не применяются, за редким исключением.

Обычно используют площадки предварительного разделения, разделяющие смеси преимущественно по одному из признаков разделения, используемых в виброфрикционных сепараторах: шероховатости, упругости или форме.

Если смесь существенно различается по шероховатости, то важно подать ее на сепарирующую поверхность с определенной скоростью. Для этого в качестве площадок предварительного разделения используют направляющие пластины питателей.

Если смесь более существенно различается упругими свойствами, используют площадки предварительного разделения по упругим свойствам,, либо отражательные планки, жестко закрепленные на сепарирующей поверхности под острым углом к её продольной оси, при этом патрубки подачи смеси ориентируют под острым углом к отражательной пластине.

Для случая, когда сепарируемые частицы смеси более существенно различаются по форме разработано питающее устройство с площадкой предварительного разделения, выполненной в виде расширяющейся винтовой поверхности (рис. 3.13), край схода семян которой расположен наклонно к поверхности фрикционной деки в сторону меньшего радиуса винтовой поверхности.

Принципиальная схема устройства представлена на рис. 18 а. На рис. 18 представлены также схемы движения семян по площадке предварительного разделения и деке: б – наименее округлой формы; в – усредненной формы; г – наиболее округлой формы.

Питающее устройство состоит из бункера 1, фрикционной деки 2, площадки предварительного рассредоточения 3, ограничителя 4 площадки предварительного рассредоточения малого радиуса, ограничителя 5 этой площадки большого радиуса. На рис. 18 также обозначен край 6 схода площадки предварительного разделения, край 7 деки, на который осуществляется подача семян.

Работа этого питающего устройства связана с режимами движения семян по деке.

Движение семян по деке состоит из двух этапов или двух режимов. Первый режим – неустановившееся движение; второй режим – установившееся движение. В установившемся режиме движения семена движутся под действием только возмущающей периодической силы вибрации. В данном режиме движения семена совершают «истинное» движение, т.е. такое движение, которое соответствует их совокупности физико-механических свойств. При этом семена наиболее округлой формы скатываются, совершая вращательное движение вниз по деке. Семена, имеющие наименее округлую форму, совершают скольжения вверх. Семена, имеющие усредненную между указанными семенами форму, движутся по средним траекториям по поверхности деки и при этом совершают сложное движение, которое состоит из одновременного скольжения семян и вращения их, или же незначительного покачивания относительного центра масс семени. В неустановившемся режиме движения семена совершают «неистинное» движение, так как в данном режиме присутствуют свободные колебания семени, которые складываются с движением семени, вызванным возмущающей силой вибрации. Свободные колебания семени зависят от начального положения семени, которое оно имеет при поступлении на деку 2. Чем начальное положение семени больше отличается от положения семени, которое оно занимает в установившемся режиме движения, тем больше время неустановившегося режима движения. Для достижения высокого качества процесса сепарации необходимо, чтобы время неустановившегося режима движения семян было бы минимальным. Это объясняется тем, что свободные колебания не связаны с вынужденным движением и только два данных вида движения накладываются друг на друга. Это приводит к движению семян в направлении, которое противоречит истинному направлению движения семян, т.е. тому направлению движения, куда движутся семена в установившемся режиме движения. Таким образом, для повышения качества процесса сепарации семена подают на деку с начальным положением, наиболее близким к положению семян в установившемся режиме движения. Это сведет к минимуму время неустановившегося режима или же полному его отсутствию и повышению качества процесса.

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

б)                                                                            в)

 

 

 

 

                            г)

Рис. 18. Питающее устройство с площадкой предварительного разделения в виде расширяющейся винтовой поверхности

Для обеспечения соответствующего положения семян в установившемся режиме движения необходимо по-разному осуществлять подачу семян с площадки 3 предварительного рассредоточения на деку в зависимости от формы семян.

Семена наименее округлой формы совершают скольжение вверх по поверхности деки, при этом они имеют постоянные точки контакта с поверхностью деки. В связи с этим их необходимо подавать на деку без углового наклона к поверхности, т.е. плоско без поворота. На рис. 18 б, показано движение таких семян сначала по поверхности площадки 3, а затем по поверхности деки 2. Такое положение семян на деке возможно лишь при непосредственном контакте нижнего края площадки 3 и края деки 7.

При любом другом контактировании начальное положение семян на деке будет с начальным угловым смещением центра масс семени относительно точки контакта его с поверхностью деки.

В установившемся режиме движения (рис. 18 в) семена движутся по средним траекториям и при этом совершают скольжение по поверхности деки с одновременным покачиванием. Таким образом, семена имеют постоянно одну точку контакта с декой и центр масс семян совершает вращение относительно точки контакта. Семена не вращаются относительно центра масс, а лишь покачиваются, изменяя угол наклона грани формы семени к поверхности деки в пределах 10°…80°. Таким образом, в целях минимизации времени неустановившегося режима движения семена необходимо подавать на деку с указанным угловым наклоном к деке. Это возможно в том случае, если край деки 7 и нижний край площадки 3 находятся на различных уровнях. Это позволит (рис. 18 в) одной точке семени спуститься с площадки 3 и коснуться поверхности деки, при этом грань семени еще касается нижнего края 6, что и приводит к угловому наклону семени к деке. В дальнейшем своем движении семя сохраняет такую ориентацию, при этом скользит на одной точке и одновременно на этой же точке покачивается, изменяя угол наклона грани к деке.

Установившееся движение семян (рис. 18 г) заключается в постоянном вращении и скатывании вниз по деке. В связи с этим семена необходимо подавать на деку таким образом, чтобы они имели одну точку контакта с декой, угловой поворот относительно данной точки и начальный вращающий импульс. Это возможно, если край деки 7 и нижний край площадки 3 располагаются на еще более разных уровнях, чем для предыдущих семян (рис. 18 в, г). Это приведет к тому, что в момент схода семян с площадки 3 они вообще не имеют общей точки контактирования с краем 7 деки, а лишь контактируют с краем 6. После этого семена получают вращающий момент, который возникает из-за того, что центр масс семени уже вышел за пределы площадки ориентирования, но семя еще имеет с площадкой точку контактирования. После этого семя начинает вращаться и с незначительным ударом контактирует с поверхностью деки, тем самым, усиливая вращение из-за возникающего вращающего момента от ударных сил. В итоге, при поступлении семян наиболее округлой формы на деку, они имеют начальный вращающий момент и угол наклона грани к поверхности деки, что и соответствует положению семени и его движению в установившемся режиме движения.

Таким образом, для обеспечения минимума неустановившегося режима движения без исключения всех семян исходной смеси, необходимо подавать семена на деку с различной высоты. При этом данная высота зависит от размеров семян. Семена наиболее округлой формы необходимо подавать с максимальной высоты, а семена наименее округлой формы – с минимальной высоты, или вообще осуществлять подачу при расположении края 6 площадки 3 и края 7 деки на одном уровне. Семена, имеющие усредненную форму, необходимо подавать с высоты, имеющей усредненное значение между двумя указанными экстремумами. При этом семена, которые в силу вида площадки двигались по ней по траекториям большого радиуса, сходят на поверхность деки с большей высоты, чем семена, которые двигались по усредненным траекториям. Соответственно семена, которые двигались по усредненным траекториям, сходят на поверхность деки также с большей высоты по сравнению с семенами, которые двигались по траекториям малого радиуса. Обеспечение такого схода семян, т.е. ориентирование семян, возможно лишь при расположении нижнего края площадки 6 под углом к краю 7 деки. При выполнении площадки 3 в виде расширяющейся к деке винтовой поверхности и расположении нижнего края площадки под углом к краю деки, возможно повышение качества процесса сепарации за счет рассредоточения потока семян, в зависимости от формы семян на площадке ориентирования, и за счет подачи семян на деку в строго определенном положении относительно поверхности деки.

И, наконец, если преимущественное различие в признаках делимости (шероховатости, упругости и форме) установить трудно, можно использовать площадки предварительного разделения, являющиеся частью сепарирующих поверхностей, то есть площадок, на которых предварительное разделение осуществляется по тем же признакам, что и на основных сепарирующих поверхностях, но конструктивное их выполнение без увеличения габаритных размеров сепараторов позволяет улучшить качество сепарации. При сепарации мелкосеменных смесей конструктивно такие площадки можно выполнить внутри сепарирующих поверхностей, а для сепарации крупносеменных смесей часть сепарирующей поверхности поместить внутрь питающего устройства.

Следует обратить внимание на питатель, в котором неразделенная фракция попросту удаляется в отдельный приемник, однако его устройство конструктивно сложновыполнимо.

Для решения первой задачи, упомянутой вначале этого параграфа, заключающейся в исключении забивания выходных отверстий питающих устройств нами пока предложено единственное устройство, в котором полностью исключено их забивание. В этом устройстве выходных отверстий нет, так как смесь пересыпается через заслонку питающего устройства под действием вибрации, а не проходит между заслонкой и корпусом питателя, как у остальных питающих устройств.

 

4. Оптимизация параметров процесса сепарации зерновых смесей на вибрационных сепараторах

 

Важнейшей задачей при создании новых и модернизации серийно выпускаемых зерноочистительных машин является разработка оптимизация их конструктивных и режимных параметров.

При решении оптимизационных задач возможны два принципиально различных подхода. Первый из них связан с параллельным решением двух задач: основной и сопряженной. В результате решения основной задачи получаем значение функционалов качества при заданном сочетании оптимизируемых параметров. Например, при оптимизации параметров вибрационной зерноочистительной машины с фрикционными неперфорированными поверхностями функционалами качества могут быть: эффективность очистки, производительность, травмируемость основных компонентов при заданных линейных размерах виброповерхности, ее шероховатости, углов продольного и поперечного наклонов, амплитуды и частоты колебаний, направленности возбуждающей силы и т.д. Решение сопряженной задачи должно давать возможность получать численные значения частных производных функционала качества по каждому из оптимизируемых параметров. Это позволяет одновременно с определением функционала качества определять направление его градиента, и при исследовании последующего варианта продвигаться в направлении оптимума. Основными преимуществами этого метода является возможность, в первую очередь, при расчетных исследованиях включать в число оптимизируемых любое количество параметров. Однако разработка сопряженных задач по каждому из параметров и алгоритмов их решения является самостоятельной сложной проблемой даже при оптимизации по одному функционалу качества без ограничений.

Второй подход – метод прямой оптимизации. Этот метод требует наличия явных функциональных связей между функционалами качества и оптимизируемыми параметрами. Такие связи принято называть упрощенными математическими моделями, т.к. они не отражают физических процессов и, по своей сути, являются регрессионными зависимостями, обобщающими результаты натурных или расчетных экспериментов. Поэтому сокращение затрат времени и средств на их получение можно достичь за счет методически правильного использования методов математического планирования экспериментов (МПЭ).

Несмотря на обилие работ с привлечением аппарата МПЭ, их анализ показывает, что планирование экспериментов носит, как правило, формальный характер. Это приводит в некоторых случаях к неоправданному увеличению объема экспериментальных работ, а полученные функции отклика не позволяют с достаточной степенью достоверности решать поставленные задачи.