Повышение эффективности процесса решётного сепарирования сыпучих продуктов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Повышение эффективности процесса решётного сепарирования сыпучих продуктов

А.Н. Холодилин, к.т.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; Е.И. Панов, к.т.н., А.Н. Попов, к.п.н., Оренбургский ИПС - филиал ФГБОУ ВО Самарский ГУПС

Сепарирование сыпучих продуктов — один из наиболее распространённых технологических процессов на предприятиях АПК, поэтому совершенствование технологического оборудования для этих целей является первоочередной задачей.

Цель исследования — определить рациональные конструктивные и кинематические параметры конструкции сепаратора, способные обеспечить максимальную эффективность процесса сепарирования сыпучих продуктов.

Материал, методы и результаты исследования. Решётное сепарирование сыпучих продуктов на зерноперерабатывающих предприятиях является одним из наиболее сложных и распространённых технологических процессов [1, 2].

Основным параметром, влияющим на качество получаемых фракций и производительность сепаратора, является скорость относительного движения сыпучего материала [2—4].

Скорость относительного движения зависит от такого количества различных факторов, что все их невозможно учесть при математическом модели -ровании данного процесса. Поэтому, как правило, модель процесса сепарирования составляют для отдельной частицы простейшей формы [4—6], у которой принимают физико-механические свойства как у частиц реального продукта.

Условия просеивания отдельной частицы через отверстия решета, а также влияние кинематических и установочных параметров на относительную скорость движения частицы рассмотрены в ранее опубликованных работах [3, 4, 7].

В первом приближении можно считать, что на частицу, находящуюся в пределах отверстия решета, действуют сила тяжести О и сила инерции ¥и. Предположим, что просеивание частицы происходит под действием равнодействующей образующей с силой инерции ¥и угол р, влияющий на вероятность прохождения частицы сквозь отверстие решета (рис. 1). Естественно, что с увеличением угла р вероятность просеивания частиц возрастает, однако при этом скорость относительного движения продукта и производительность сепаратора снижаются.

Очевидно, что существует рациональное значение угла р, определяющее оптимальное соотношение между производительностью сепаратора и качеством получаемых фракций.

Если в сепараторах с плоскими рабочими органами предельное значение ускорения частицы при гармонических возвратно-поступательных колебаниях ситовой поверхности приблизительно

Рис. 1 - Схема сил, действующих на частицу находящуюся в пределах отверстия решета

=Лю2=13,6 м/с2, а величина критического ускорения частицы при круговых колебаниях = А(й1= 12,0 м/с2, то при возвратно-поступательных колебаниях равно:

9 8

р = аг^ —— « 40°, 13,6

а при круговых колебаниях:

98

Р = аШя^- « 43°, 12,0

Следовательно, сила тяжести является основным фактором, ограничивающим скорость просеивания частиц, возможность повышения производительности и эффективности работы гравитационных решётных сепараторов.

Выдвинутая гипотеза позволяет сузить диапазон экспериментальных исследований для определения рациональных кинематических параметров процесса сепарирования.

В центробежных сепараторах просеивание частиц осуществляется за счёт центробежных сил, величина которых может регулироваться в большом диапазоне, что позволяет повысить не только эффективность разделения частиц сыпучего продукта, но и производительность сепаратора.

Предлагаемые конструкции центробежных сепараторов отличаются друг от друга не только формой рабочего органа и расположением его оси вращения, но и конструкциями приводных устройств [1, 2, 4]. В центробежных сепараторах с горизонтальной или наклонной осями вращения эффективность просеивания частиц сыпучего продукта в различных частях рабочего органа различна за счёт изменения взаимодействия центробежной силы и силы тяжести. В центробежных сепараторах с конической рабочей поверхностью скорость относительного движения и толщина продукта в различных местах рабочего пространства различна, что также отражается на эффективности просеивания частиц сыпучего материала.

Для обеспечения относительного движения продукта в центробежных сепараторах применяют различные конструкции приводных устройств [8], сообщающие рабочим органам планетарное движение или различного вида колебания, способные создать значительные динамические нагрузки на узлы и отдельные детали сепаратора.

Анализ рассмотренных вариантов позволяет сделать вывод, что наиболее перспективными для повышения эффективности процесса сепарирования являются центробежные сепараторы с цилиндрическими рабочими органами, вращающимися вокруг вертикальной оси, с колебаниями, создающими минимальные динамические нагрузки.

Нами предложена конструкция привода [8], позволяющая при планетарном движении вертикального цилиндра сообщать ему гармонические вращательные колебания, обеспечивающие возможность регулирования траектории и относительной скорости движения продукта, что в целом повышает эффективность процесса сепарирования сыпучих продуктов.

В соответствии с рисунком 2, привод работает следующим образом. От электродвигателя 1 через клиноременную передачу 2 вращение передаётся приводному валу 3, жёстко соединённому с платформой 4, на которой по окружности, в подшипниковых узлах, установлены ситовые цилиндры 5. В результате вращения платформы 4 ситовые цилиндры совершают планетарное движение. Приводной вал 3 через клиноремённую передачу 9 передаёт вращение эксцентриковому колебателю 8, который через водило 7 сообщает вращательные колебания ситовым барабанам 5. Таким образом, происходит наложение гармонических вращательных колебаний на равномерное вращение ситовых цилиндров.

При планетарном движении в соответствии с рисунком 3 ситовой барабан радиусом г вращается вокруг вертикальной оси О—Ос постоянной угловой скоростью 6, и вокруг своей оси п — п — по закону:

Ф = О? + у ю?,

(1)

где О — постоянный компонент угловой скорости цилиндра, с-1;

у — угловая амплитуда колебаний, рад; ю — частота колебаний, с-1.

Рис. 3 - Схема сил, действующих на частицу

Расстояние между осями вращения цилиндра п — п и О—О обозначим через К. В соответствии с установленным законом вращения угловая скорость и ускорение цилиндра соответственно равны:

ф = О + уюео8ю?, Ф = -ую2 ю?,

(2) (3)

• 2

Рис. 2 - Схема привода виброцентробежного сепаратора:

1 - электродвигатель; 2, 6, 9 - клиноремённая передача; 3 - приводной вал; 4 - платформа; 5 -ситовые цилиндры; 7 - водило; 8 - эксцентриковый колебатель

Составим схему сил, действующих на частицу, находящуюся на внутренней поверхности вращающегося цилиндра.

При этом на частицу, находящуюся на внутренней поверхности цилиндра, действуют:

— центробежная сила инерции ¥ц = тгф2

— переносная сила инерции = тгф ;

— кориолисова сила инерции ^ = 2тфх ;

— нормальная реакция опоры N;

— сила трения ГТ = /Ы;

— сила тяжести О = mg,

где g — ускорение свободного падения;

/ — коэффициент трения, характеризующий сопротивление относительному движению частицы.

Сила трения Вт, направлена противоположно вектору относительной скорости у = V х2 + 22 и образует с осью х угол 5, причём:

2 X

sin 8 =

Vx2+z2

cos8 =

Vx2+z2

(4)

F° = mL62,

И

(5)

где 6 — угловая скорость вращения цилиндра, с-1; L — расстояние от оси вращения до частицы, м.

L = д/(Л + r cosip)2 + (r sin ф)2, (6)

где R — расстояние между осями вращения цилиндра, м;

r — радиус цилиндра, м, или:

L =

[/? + r cos(Qt + у sin ю t)]2

у + [r sin(Qt + у sin at] Подставляя выражение (7) в (5), получим:

(7)

F" = m.

[R + r cos(Qt + у sin at)]2 + y[r sin(Qt + у sin at]2 •б2.

(8)

mx = F sina - FT - FT cos 5

my = F + F°cosa - Fk - N mz = G - FT sin5

(9)

где a — угол между осью У и вектором F¡0 центро-

бежной силы инерции:

a = ф - Р,

где р = arctg

r sin(Qt + у sin at) R + r cos(Qt + у sin at)'

(10)

(11)

mx = mLQ sin^-P) - шг'ф - fN

x

J.

x2

my = m^2 + mL92 cos^-P) - 2mфX - N

mz = mg - fN

í

x2

(12)

N = 2тфх - тгф2 - т£92со8(ф-Р). (13) Подставляя полученное выражение (13) в систему уравнений (12) и сокращая на массу, получим:

В результате равномерного вращения вокруг оси О—О на плоскую материальную частицу массой т, находящуюся на внутренней поверхности цилиндра, действует центробежная сила инерции:

x = L62 sin(ф - Р) - гФ - f [2фX - гФ2 - L62 cos(ф - Р)]-

vx

x2 + z2

55 = g - f

2фX - гФ2 -- L62cos(ф-р)

Vx2+z2

(14)

Учитывая, что коэффициент трения равен тангенсу угла трения р:

sin р

f = tgp = -

Получим:

cosp

5: = L62^in(i-P±P) -гф-

cosp

sin p cosp

[2фX - гф2]

vx

x2 + z2

Рассмотрим (точка 1) случай относительного движения частицы в положительном направлении оси Х. Составим системудифференциаль-ных уравнений в проекциях на оси координат Х, У, ^

z = g

или

sin p

cosp

2фX - гф -- L62cos^-p)

Vx2+z2

, (15)

x = + г cos(Qt + у sin ш/]2 + [r sin(Qí + у sin at )]2 62 •

г sin(Qt + у sin ш/) R + г cos(Qt + у sin ш/)

cosp

(Qt + у sin ш/) - arctg

+ p

2 . sin p

+ гуш sin ш/--

cosp

2(Q + ушcosш/)X -- r(Q + ушcosш/)2

Vx2

z = g - sU1 p + ую^юОx - r(Q + ушcosш/)2 -

cosp

[[ + г cos(Qt + у sil ю/)]2 + [г sin(Q/ + у sin ra/)]2 (Qt + у sin ш/) -

г sin(Qí + у sUi ш/)

•62cos

- arctg

R + г cos(Qt + у sin ш/)

Vx2

(16)

угол, определяющий местоположение частицы.

Подставляя в систему уравнений (9) значения сил, получим:

При безотрывном движении частицы перемещение вдоль оси У отсутствует, следовательно у=0; у = 0; у =0, что позволяет определить нормальную реакцию N из второго уравнения системы (12):

При изменении угла ф от 0 до 180° угол р в уравнении (10) принимаем со знаком «+», при изменении угла ф от 180 до 360° угол р (точка 2, рис. 3) принимаем со знаком «—», в связи с чем знаки в первом уравнении системы (12) перед центробежной силой инерции F0 и силой трения FT изменяются на противоположные. Кроме того, во втором уравнении знак изменяется перед силой Fк инерции Кориолиса.

В соответствии с вышеизложенным знаки изменятся перед соответствующими силами и в системе уравнений (16).

При отсутствии гармонических колебаний цилиндра неподвижная частица может начать относительное движение, если выполнено условие:

+

+1 >

f

Э2л](Я + rcosQt)2 + (r sin Qt)2 •

• sin(Qt - arctg —r SinQt—

R+rcosQt

rQ2 +e^(R + rcosQt)2 + (r sin Qt)2 •

_ r sin Qt

• cos(Qlt - arctg-

. (17)

Л + г

Это неравенство может использоваться для определения коэффициента трения:

f <-

e^(R + r cosQt)2 + (r sin Qt)2 •

• sin(Qt - arctg

r sin Qt R + r cosQt

+g

. (18)

rQ2 +е2д/(R + r cosQt)2 + (r sin Qt)2 •

Q r sin Qt

• cos(Qt - arctg-)

R + r cosQt

При наличии гармонических вращательных колебаний, когда ю? =1, для обеспечения начала движения частицы по поверхности цилиндра должно выполняться условие:

е2^/[R + rcos(Qt + y)]2 + [rsin(Qt + y)]2 • r sin(Qt + y)

(Qt + y) - arctg -

f

R + r cos(Qt + y)

rQ2 + е2д/[[ + rcos(Qt + y)]2 + [rsin(Qt + y)]2 • r sin(Qt + y)

22 + r^ro ^ + g >

(Qt + y) - arctg

R + r cos(Qt + y)

. (19)

Выводы.

1. Наиболее эффективными при сепарировании сыпучих продуктов являются центробежные сепараторы с цилиндрическими рабочими органами и вертикальной осью вращения. Вращательные колебания минимизируют нагрузки на

отдельные узлы и детали привода центробежного сепаратора.

2. Выдвинутая гипотеза позволяет сузить диапазон экспериментальных исследований для определения основных параметров, обеспечивающих наиболее эффективное сепарирование.

3. Применение планетарного вращения цилиндрического решета с наложением вращательных колебаний способствует расширению диапазона конструктивных и кинематических параметров, позволяющих обеспечивать высокую эффективность процесса сепарирования.

4. Решение системы дифференциальных уравнений (16) численным методом позволяет при выбранных геометрических параметрах сепаратора определить рациональные значения кинематических параметров привода и расположение отверстий решета, способных обеспечить максимальную эффективность процесса сепарирования.

Литература

1. Тарасов В.П. Технологическое оборудование зерноперера-батывающих предприятий: учеб. пособие. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002. 229 с.

2. Федоренко И.Я., Пирожков Д.Н. Вибрируемый зернистый слой в сельскохозяйственной технологии: монография. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. 166 с.

3. Федоренко И.Я. Перемещение частицы по поперечно вибрирующей шероховатой плоскости // Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обслуживание сельскохозпроизводителей Сибири: матер. Междунар. науч.-практич. конф. / Россельхозакадемия; Сибирское отделение. ГНУ СибИМЭ. Новосибирск, 2008. С. 548-554.

4. Тищенко Л.Н., Ольшанский В.П., Ольшанский С.В. О гидродинамической модели движения зерновой смеси по наклонному плоскому решету. Полтава: Пол. НТУ, 2009. Вып. 3(25). Т. 1. С. 205-213.

5. Белов М.И., Романенко В.Н. Математическая модель сепарации зерна на решете очистки // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 5. С. 10-13.

6. Белов М.И., Романенко В.Н., Славкин В.И. Математическая модель движения частицы по решету очистки // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. № 8. С. 33-36.

7. Лапшин И.П., Косилов Н.И. Расчёт и конструирование зерноочистительных машин. Курган: ГИПП «Зауралье», 2002. 168 с.

8. Холодилин А.Н. Вибрационное решётное сепарирование зернопродуктов в поле центробежных сил: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1985.

2

Взаимопроникающие движения в воздушно-соломистой смеси при функционировании ИРС зерноуборочного комбайна

А.П.Ловчиков, д.т.н., Е.А. Поздеев, аспирант, О.С. Шагин,

аспирант, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ

Зерноуборочный комбайн можно рассматривать как сложную многопараметрическую преобразующую техническую систему [1-12], состоящую из различных технико-технологических подсистем, которые имеют своё технологическое назначение.

Исследование проводили с целью обоснования методического подхода моделирования технологи-

ческого подпроцесса измельчителя-разбрасывателя зерноуборочного комбайна. В процессе исследования решалась задача: обосновать методический подход к разработке модели взаимопроникающего движения в воздушно-соломистой смеси при функционировании измельчителя-разбрасывателя комбайна. Исследование базировалось на общелогическом методе и математическом анализе.

Результаты исследования. Взаимодействие рабочих органов измельчителя-разбрасывателя комбайна с объектом воздействия приводит к изменению