Повышение разрешающей способности щелевых сепараторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Смесь, подвергаемая экстракции, содержит частицы различного фракционного состава, имеющие различные резонансные частоты, и при полигармониче-ском воздействии в смеси возникают резонансные эффекты, способствующие более полному извлечению пектиновых веществ из растительного сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2201938 РФ. Способ получения пектина / С.Ф. Яцун, М.Б. Коновалов, В.Я. Мищенко, И.И. Селютина. - Опубл. в

2. Коновалов М.Б., Селютина И.И., Яцун С.Ф., Мищенко В.Я. Извлечение пектиновых веществ из свекловичного жома с использованием вибрационного воздействия // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - № 2. - С. 34-36.

3. Блехман И.И. Вибрационная механика. - М.: Физмат-лит, 1994. - 400 с.

4. Пат. 43869 РФ. Мехатронное устройство для виброэкс -тракции пектиновых веществ / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, А.В. Сухо -чев. - Опубл. в БИ. - 2005. - № 4.

Кафедра теоретической механики и мехатроники

Поступила 03.06.05 г.

664.72:631.362

ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЩЕЛЕВЫХ СЕПАРАТОРОВ

Н.Е. АВДЕЕВ, Ю.В. ЧЕРНУХИН, А.В. НЕКРАСОВ

Воронежская государственная технологическая академия

Современная концепция развития техники и технологии пищевых производств, в том числе для послеуборочной обработки зерна, основывается на всестороннем анализе и учете самых различных факторов изготовления и эксплуатации оборудования и выдвигает весьма жесткие требования к новой технике [1 -6].

Этим требованиям в полной мере отвечают гравитационные сепараторы, осуществляющие разделение в гравитационном силовом поле только за счет потенциальной энергии продукта. В силу отсутствия движущихся деталей и узлов они имеют простую конструкцию, малую материалоемкость и низкую себестоимость. Г равитационные сепараторы наилучшим образом удовлетворяют модульному принципу построения гибких перенастраиваемых технологических линий.

В основе достоинств гравитационных сепараторов лежит использование принципиально новых разделяющих поверхностей, получивших обоснование на базе модели идеального сепаратора. Одним из таких решений является выполнение просеивающих отверстий в форме щели, ширина которой значительно превышает максимальный размер частиц смеси [7]. Разделяющая поверхность с щелевыми просеивающими отверстиями технологична в изготовлении и не требует

применения сложного дорогостоящего оборудования. Ремонт и восстановление рабочих органов сепаратора могут производить своими силами даже малые фермерские хозяйства.

В щелевом гравитационном сепараторе [8], в отличие от традиционных плоскорешетных ситовых поверхностей, размер просеивающих отверстий значительно превышает границу разделения. Исход процесса сепарирования для каждой отдельной частицы носит вероятностный характер, обусловленный стохастической природой признаков различия компонентов смеси и характера ее взаимодействия с разделяющей поверхностью. В таких условиях важным является поиск благоприятных сочетаний конструктивных и режимных параметров, стабилизирующих процесс щелевого сепарирования.

Пусть разделяющая поверхность образована установленными под углом а к горизонту плоскими прямоугольными пластинами АВ и БЕ (рис. 1). Соседние пластины (разгонные участки) образуют между собой щелевое просеивающее отверстие, характеризующееся шириной между противоположными кромками Ь и высотой в направлении нормали к поверхности Н.

Предположим, что частица в форме шара радиуса Я, перемещаясь вдоль геодезической линии наклонной поверхности разгонного участка, достигает щели и, в зависимости от соотношения ее размеров, скорости и параметров просеивающего отверстия, либо выделяется, либо поступает на следующий разгонный участок

В декартовой системе координат Аху, ось Ах которой направлена вдоль геодезической линии наклонной поверхности, а осьАу - перпендикулярно вниз, движение центра масс частицы над щелевым отверстием описывается уравнением (без учета сопротивления воздуха)

У = -

ооб а

дБ1П2 а

а

+ Vc

-V x + У V02x + 2g( x - x 0 )sina gsin a

+ У о, (1)

где g - ускорение силы тяжести; xo, у0 - начальные координаты центра масс частицы (для шара x = 0, у0 = —R); Vx, Voy - проекции на -чальной скорости V0 центра масс частицы на координатные оси.

Снизить роль стохастической стороны процесса и повысить разрешающую способность сепаратора можно, обеспечив большую дифференциацию координат у центров масс в зависимости от размера частиц. Это можно сделать, как следует из уравнения траектории (1), за счет усиления различия начальных координат (x0, y0) и начальной скорости V0 частиц различных геометрических размеров.

Положительный эффект может быть достигнут, например, при выполнении на сходовом конце разгонных участков клиновидных каналов малой длины lk £ L с начальной и конечной шириной h0 и hk соответственно (рис. 2). Их функция заключается лишь в дифференциации условий движения частиц различных размеров над щелью, а не в выводе проходовой фракции.

В зависимости от соотношения размеров частиц и каналов начальные условия претерпевают следующие изменения:

x о = 0У о = - R -

Jr2 -(hk/R)\

R) , •ри R >hk,

x 0 =$ k

h $2 R

-k—— ,Уо =0, •ри R <hk.

hk -h0

(2)

hk = 2^2 Rr-r2.

(3)

ветствуют высоким значениям угла клиновидности каналов, гарантирующим отсутствие застревания в них частиц [9], с одной стороны, и относительную простоту изготовления, с другой. При ширине щели Ь = 15 мм эти варианты каналов обеспечивают по (1) увеличение различия координат центра масс с Ау = 0,5 мм до Ау1 = = 1,31 мм и Ау2= 1,04 мм, т. е. более чем в 2 раза.

Кроме того, анализ дифференциального уравнения движения частицы по клиновидному каналу показал [9], что при ее приближении к теоретическому месту выделения наблюдается эффект торможения. Это обстоятельство приводит к дополнительной дифференциации скорости сходовых и проходовых частиц. В результате их траектории (1) еще более удаляются друг от друга. Тормозящий эффект, ввиду малой длины каналов, имеет место только для узкого диапазона частиц

h0 <R <-

05 hk

cos

arc sin

f cos t-sin t

tg a

(4)

где х - половина угла клиновидности канала;/ - коэффициент трения при скольжении частицы вдоль канала.

Таким образом, использование технологичных в изготовлении, надежных в работе клиновидных каналов малой длины может стать эффективным способом повышения разрешающей способности щелевого гравитационного сепаратора.

Для изучения технологического эффекта от использования клиновидных дифференцирующих каналов были изготовлены экспериментальные образцы разделяющих элементов, рассчитанных по (2) и (3). В табл. 1 представлены параметры каналов.

Таблица 1

Параметр канала

Значения, мм

Вариант 1

Вариант 2

h0

hk

Ik

Шаг

1,5

2,8

10

4

1.5

3.5 15 5

Оценим эффект от использования каналов на конкретном примере. Пусть требуется повысить качество разделения частиц R = 1,5 мм и г = 1 мм. Возможны два варианта исполнения канала. В первом варианте % подбирается так, чтобы сохранить неизменной величину Ау0 = R - г. Это возможно при

По второму варианту подбирается более универсальный канал с hk > R, обеспечивающий различие в х0 при у0^) = У0(г) = 0.

Приняв Ь = 1,5 мм, получаем для первого варианта при 4 = 10 мм: х0^) = 0, у0^) = -0,5 мм и х0(г) = -6 мм, у0(г) = 0 мм, а для второго при 4 = 15 мм: х0{К) = -3,7 мм и хэ(г) = -11,2 мм, у>^) = у0(г) = 0. Оба варианта соот-

Экспериментальные исследования проводили в два этапа. На первом - для подтверждения дифференцирующего эффекта и выявления общих закономерностей процесса использовали модельный продукт с заданными свойствами. На втором - реальные сыпучие продукты.

Модельное исследование проводилось на сыпучем теле, представляющем собой полидисперсную смесь кварцевого песка. Выбор объекта исследования обусловлен равенством коэффициентов трения у всех его частиц независимо от размера. Таким образом, разделение осуществлялось по основному признаку - крупности частиц. Гранулометрический состав экспериментального сыпучего материала был подобран так, что охватывал диапазоны изменения размеров у реаль-

Таблица 2

№ опыта Параметры Эффективность извлечения компонентов, %

Ь, мм Н, мм Вариант исполнения канала I дно II 01,5/ 01 мм III 02,5/02 мм IV 03,5/03 мм V 04,5/04 мм

1 18 2 Без каналов 40 31,7 12,6 3,6 0,5

2 12 2 1 23,8 14,0 3,3 0,3 -

3 16 3 1 22,5 12,5 2,3 0,1 -

4 12 2 2 37,5 26,2 11,0 1,7 -

5 12 3 2 26,9 18,3 4,3 0,3 -

ных зерновых материалов и их примесей, его компоненты имели равные объемные доли.

Показатели извлечения при использовании дифференцирующих каналов приведены в табл. 2 (нумерация каналов соответствует обозначению в табл. 1).

В опыте 2 щель подобрана так, чтобы сохранить неизменной, как в опыте 1 без каналов, ширину Ь = 18 мм для частиц компонента III, а опыт 3 соответствует параметрам щели, усиливающим требуемый эффект - отделения компонента III от компонента IV. Совместный анализ результатов показал, что наличие каналов способствует снижению эффективности выделения как сходовых, так и проходовых компонентов, близких к границе разделения 2,25 мм. При этом чистота каждой из разделенных фракций становится выше. Так, в опыте 1 различие в эффективности извлечения компонента III по отношению к компоненту IV составляет 3,5 раза, в опыте 2 уже 11 раз, а в опыте 3 - 23 раза.

Применение каналов большой длины улучшает ориентацию в них частиц, что способствует увеличению эффективности извлечения. Однако, дифференцирующий эффект в этом случае испытывает более широкий спектр частиц, вследствие чего граница разделения становится размытой.

По результатам модельных экспериментов можно заключить, что использование дифференцирующих клиновидных каналов повышает разрешающую способность щелевого просеивающего отверстия, при этом его параметры должны согласовываться с физико-механическими свойствами продукта. Чрезмерное завышение длины каналов (4 > Ь) и конечной ширины

>> ^граничного) снижает эффект от их использования.

Реальными объектами исследования служили различные зерновые продукты с целью расширения возможной области использования такого вида разделяющей поверхности и получения наиболее полной информации для выработки рекомендаций по расчету дифференцирующих каналов.

При сепарировании продуктов измельчения зернового сырья эффект от использования дифференцирующих каналов оценивался применительно к извлечению фракции 2-й группы крупности. Их наличие на разделяющих элементах, выполненных по варианту 1 (4 < Ь; hk < й) при Ь = 14 мм и Н = 0,5 мм, позволило уменьшить число просеивающих отверстий в экспериментальной установке с 9 до 6 без ухудшения качественных показателей разделения.

При выполнении каналов по варианту 2 (4 > Ь; Ь > й) положительные результаты получены только после снижения Ь до 12 мм. При Н = 1 мм на той же длине просеивающей поверхности, что и в случае без каналов (9 щелевых отверстий), получены аналогичные значения эффективности выделения целевого продукта. Однако содержание в нем фракции, идущей сходом с контрольного сита 02 мм, было значительно меньше регламентируемого значения, что позволило увеличить число просеивающих отверстий до 12 и поднять эффективность извлечения с 65 до 73%.

Наиболее целесообразным для данной технологической операции представляется совмещение достоинств двух рассмотренных вариантов исполнения разделяющих элементов, заключающееся в выполнении конечной ширины каналов близкой к границе разделения, а их длины близкой к ширине щели. Это позволит получить довольно высокие значения эффективности выделения на малой длине просеивающей поверхности.

На операции очистки зерна пшеницы от мелких примесей наблюдался эффект в применении коротких каналов (4 < Ь), выражавшийся в меньшем уносе зерна в проход. Использование на этой технологической операции дифференцирующих каналов длиной 4 ^ Ь и конечной шириной, сопоставимой с границей разделения, положительных результатов не дало. Это обусловлено тем, что зерновки имеют близкую к эллипсоиду вращения вытянутую форму, а следовательно, более чувствительны к изменению ширины щели в сравнении с частицами неправильной формы, что и объясняет у величение у носа зерна в проходовую фракцию.

Таким образом, использование дифференцирующих каналов в щелевом сепараторе при очистке зерна позволяет повысить качество разделения. Однако разделяющие элементы становятся менее универсальными, так как требуют определенной доводки параметров клиновидных отверстий под каждую конкретную технологическую операцию.

ВЫВОДЫ

1. Технологичные в изготовлении, надежные в работе клиновидные каналы малой длины являются эффективным средством увеличения разрешающей способности щелевого гравитационного сепаратора.

2. Параметры дифференцирующих каналов выби -раются исходя из физико-механических свойств продукта. Для смесей, частицы которых имеют форму

близкую к шару (продукты измельчения, горох, гречиха и т. п.), и в случае, если в смеси преобладает прохо-довая фракция, целесообразно применение каналов с длиной близкой к ширине щели и конечной шириной близкой к границе разделения. Если в смеси преобладает сходовая фракция и частицы имеют удлиненную форму (процессы очистки и разделения зернового материала на фракции), то лучший результат дает применение коротких каналов (4 < Ь).

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдеев Н.Е., Чернухин Ю.В. Проблемы энергосбережения и тенденции развития техники сепарирования // Вестн. РАСХН. - 1997. - № 5. - С. 76-78.

2. Бородин И.Ф. Проблемы электроэнергетики // Энерго -сбережение в сельском хозяйстве: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. - М.: ВИЭСХ, 1998. - С. 11-13.

3. Кормановский Л.П. Энергосбережение - первостепен -ная задача в предстоящем столетии // Техника в сельском хозяйстве. - 1999. - № 3. - С. 6.

4. Липкович Э.И. Технологическое энергосбережение и агроэкомеханика // Вестн. РАСХН. - 1999. - № 5. - С. 9-11.

5. Панфилов В .А. Системология пищевых производств -новое направление в научном обеспечении АПК // Тез. докл. 2-й Ме -ждунар. науч. конф. «Управление свойствами зерна, в технологии муки, крупы и комбикормов» / МГУПП - М., 2000. - С. 132-133.

6. Пивень В.В., Уманская О.Л. Основные направления совершенствования технологии и техники для послеуборочной обработки зерна // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. -№ 8. - С. 205-208.

7. Авдеев Н.Е., Чернухин Ю.В. Разработка новых принципов сепарирования на основе концепции идеального моделирования // Вестн. РАСХН. - 1999. - № 2. - С. 18-19.

8. Пат. 2147472 РФ, МКИ С1, 7 В 07 В 1/04. Классификатор сыпучих материалов / Н.Е. Авдеев, Ю.В. Чернухин, А.В. Некрасов. - Опубл. в БИ. - 2000. - № 11.

9. Авдеев Н.Е., Чернухин Ю.В. Элементы теории гравитационных классификаторов сыпучих материалов // Тр. / ВНИИКП ВНПО «Комбикорм». - 1988. - Вып. 32. - С. 4-11.

Кафедра теоретической механики

Поступила 26.05.04 г.

664.72.002.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ СЕМЯНКИ В ЦЕНТРОБЕЖНОЙРУШКЕ

В.В. ДЕРЕВЕНКО, А.С. ШАБАНОВ, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет

Одной из базовых технологических операций в подготовке подсолнечных семян к извлечению масла является обрушивание. Метод однократного удара, реализованный в центробежной рушке, по сравнению с многократным способом, осуществляемым в биче-вых семенорушках, обеспечивает более высокую эффективность обрушивания подсолнечных семян при минимальном обмасливании лузги. Совершенствование процесса центробежного обрушивания и оборудования для его реализации целесообразно осуществлять с привлечением аппарата математического и физического моделирования.

В работе [1] показано, что общепринятый подход описания движения семянки в центробежной рушке, в основе которого лежит представление о скольжении частицы вдоль лопатки под действием центробежной, кориолисовой сил, сил трения о лопатку и сопротивления воздуха, противоречит опытным данным по характеру износа рабочей поверхности лопатки. Предложено учитывать изменения скорости семянки в результате ударов лопаткой и в ее полете между ударами [1].

В представленной ниже модели динамики движения частицы в роторе дополнительно учтено сопротивление воздуха во время полета и зависимость коэффициентов восстановления к, и торможения 1 от величины нормальной составляющей скорости удара

(V_д. = ).

При движении частицы в полярной системе координат и с учетом теории неупругого косого удара [2],

когда масса ротора во много раз больше массы частицы, имеем

Vт (/ #1) = + V _д,А; (1)

/#1) = VR( /) (1 — 1/ ) , (2)

где v_д - скорость удара, м/с; ю - окружная скорость лопатки, с-1; R-д/

текущий радиус местоположения частицы, м; ^ - коэффициент восстановления; 1 - коэффициент торможения; индексы: /' - значения величин до удара; /+1 - значение величин после удара; Т,R - тангенциальная и радиальная составляющие.

Скорость воздуха в точке нахождения частицы имеет две составляющие. Радиальная относительно лопатки скорость воздуха уб постоянна. Тангенциальная составляющая скорости воздуха перпендикулярна лопатке и равна юЛ При разложении скорости воздуха по осям координат частицы учтено, что после соударения семянка удаляется от лопатки, одновременно двигаясь в направлении R. Затем лопатка догоняет семянку, так как текущая скорость лопатки юК с ростом R увеличивается. В некоторый момент времени лопатка догонит семянку и произойдет следующее соударение.

Таким образом, в течение времени от соударения до соударения угол поворота семянки в полярной системе координат у больше, чем угол поворота лопатки ф. В этой связи вычислены проекции составляющих УБ и юК на R и у направления. Для составляющей скорости юК

v'BR = юRэт(у - ф) ; (3)

v'Bт = юRсоэ(у - ф) . (4)