CC BY
12
УДК 631.561.2
Влияние кинематики и формы рабочей поверхности
на сепарирование зерна
А.М. Васильев, канд. техн. наук, доцент, С.А. Мачихин, д-р техн. наук, профессор, Э.В. Абрамов, канд. техн. наук, доцент, А.С. Волков, ассистент, Д.В. Киракосян, ассистент
Московский государственный университет пищевых производств
Один из аспектов продовольственной безопасности - повышение эффективности процессов сепарирования зерна, составляющего основу большинства продуктов питания [1].
В общем случае процесс наиболее распространенного на зерноперера-батывающих предприятиях вибрационного способа сепарирования может быть представлен состоящим из двух стадий: первая - самосортирование исходной смеси; вторая - вывод разделяемых компонентов зер-носмеси с рабочего органа или из рабочего пространства оборудования. Важным резервом повышения технологической эффективности процесса сепарирования служит повышение интенсивности процесса самосортирования.
Эффективность процесса самосортирования находится в прямой зависимости от послойного движения зерносмеси при ее транспортировании по рабочему органу, т. е. от степени различия скоростей верхнего и нижнего слоев зернового потока. Интенсивность послойного движения зависит от кинематических (амплитуда и частота) параметров колебаний и от условий взаимодействия частиц зернового потока с вибрирующей опорной поверхностью рабочего органа.
Действие вибраций на сыпучее тело проявляется в разрыхлении и самосортировании этого тела, с одной стороны, и в подаче, обеспечивающей непрерывность и равномерность протекания процесса, - с другой [2].
В.В. Гортинский [3, 4], изучая движение зерновой смеси при круговых поступательных колебаниях рабочего органа, установил, что послойное движение и разрыхление находятся в тесной взаимосвязи и в значительной мере определяют интенсивность самосортирования. Сыпучее тело рассматривается как совокупность бесконечно большого числа элементарных слоев, различие в скоростях которых определяет интенсивность послойного движения. Разность относительных скоростей верхнего и нижнего слоев обусловливается различием в коэффициентах сопротивления
сдвигу слоев и зависит от фрикционных свойств опорной поверхности.
При вибрационном перемещении зернового потока по асимметрично-шероховатой рифленой поверхности, совершающей прямолинейные возвратно-поступательные колебания, наблюдается различие средних скоростей верхнего и нижнего слоев как по величине, так и по направлению [5-7]. Кроме того, при применении такой поверхности по сравнению с гладкой в значительной степени интенсифицируется процесс самосортирования, т. е. всплывание крупных и легких частиц в верхние слои основного зернового потока и погружение тяжелых и мелких частиц в нижние [7]. Критерием эффективности процесса самосортирования служит скорость всплывания или погружения частиц.
Изучен процесс самосортирования на асимметрично-шероховатой поверхности при ее поступательных колебаниях [8]. Установлено, что максимальное значение скорости погружения более плотной частицы в слое зерносмеси достигается на границе существования режима движения сыпучего тела с двумя мгновенными остановками. При этом повышения скорости погружения частицы можно достичь путем увеличения шероховатости опорной поверхности.
При прямолинейных возвратно-поступательных колебаниях опорной поверхности относительная скорость нижнего слоя не может изменить своего направления, пока не прекратится относительное движение всех вышележащих слоев [5, 9]. Последним заканчивает относительное движение верхний слой и, в зависимости от величины ускорения опорной поверхности в это мгновение, начало относительного движения в противоположном направлении возможно либо всего сыпучего тела, либо его верхней части. Таким образом, при возвратно-поступательных колебаниях опорной поверхности в зерновом потоке движение верхнего слоя может происходить как по подвижному, так и по неподвижному нижнему слою.
Поэтому была поставлена и экспериментально решена задача определения коэффициентов сопротивления сдвигу слоев с учетом остановки нижнего слоя [10]. Наибольшее различие коэффициентов сопротивления сдвигу слоев имеет место при движении зернового потока по неподвижному нижнему слою. Таким образом, повышения интенсивности послойного движения, а следовательно, и эффективности самосортирования можно достичь, создав условия движения зернового потока по неподвижному нижнему слою зерна. Однако на рабочих органах сепарирующих машин застойных зон зерна быть не должно, и, кроме того, перед остановкой оборудования рабочие органы машин должны быть очищены от находящегося на них в процессе сепарирования зерна. Поэтому при осуществлении процесса сепарирования целесообразно использовать опорные поверхности рабочих органов, обеспечивающие максимально возможное торможение нижнего слоя в направлении движения основного зернового потока. Добиться этого можно, обеспечивая движение частиц нижнего слоя со скоростью, образующей максимально возможный угол с направлением скорости вышележащего слоя.
На новой опорной поверхности (рис. 1) благодаря оригинальной конструкции созданы такие условия взаимодействия частиц сепарируемой смеси с поверхностью, при которых нижний слой зернового потока движется относительно поверхности со скоростью меньшей, чем верхний слой [11]. Это достигается путем уста-
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
новки на плоскости опорной поверхности рифлей в виде прямоугольных пластин. Пластины расположены так, что образуют с направлением колебаний угол у. При осуществлении процесса сепарирования толщина слоя продукта превышает высоту пластин более чем в три раза.
Подтверждением повышения эффективности процесса самосортирования на такой поверхности служат результаты экспериментальных исследований по определению времени всплывания наиболее характерных примесей в слое зерна пшеницы [1]. С целью выявления влияния опорной поверхности на эффективность самосортирования эксперименты проведены на трех различных поверхностях: на используемых в современном оборудовании гладкой и ситовой; на новой [11] опорной поверхности. Благодаря особым условиям взаимодействия частиц зерновой смеси с новой опорной поверх-
ч 1 /
2
Рис. 2. Зависимость времени всплывания легкой частицы в слое зерна пшеницы от частоты п при различных значениях амплитуды А колебаний опорной поверхности: 1 - А=6 мм; 2 - А=10 мм
ностью время всплывания примесей на ней меньше, чем на гладкой и ситовой опорных поверхностях. Заметим, что эксперименты были проведены для одного из реальных сочетаний амплитуды и частоты колебаний опорной поверхности. В экспериментах была использована одна и та же зерновая смесь. Это позволило сделать однозначный вывод о влиянии опорной поверхности на эффективность процесса самосортирования зерновой смеси при ее транспортировании по поверхности.
Дальнейшие экспериментальные исследования были посвящены изучению влияния частоты и амплитуды колебаний на эффективность процесса самосортирования на новой опорной поверхности. В экспериментах определяли время всплыва-ния легкой частицы в слое зерна пшеницы.
Результаты экспериментов при общей толщине слоя 30 мм представлены на рис. 2.
Как видно из графика, при постоянной амплитуде с увеличением частоты колебаний опорной поверхности время всплывания легкой частицы уменьшается. При меньшем значении амплитуды влияние частоты колебаний более существенно. С увеличением амплитуды колебаний время всплывания уменьшается. Сопоставление данных, представленных на рис. 2, свидетельствует, что при всех изученных частотах увеличение амплитуды с 6 мм до 10 мм повышает эффективность процесса самосортирования примерно в 4 раза. Последнее обстоятельство убедительно подтверждает значительную технологическую, процессную эффективность использования больших значений, порядка 6-10 мм, амплитуд колебаний в вибрационных сепарирующих машинах.
Рассмотрим машиностроительный аспект данного предложения. Одним из основных параметров, определяющих кинематику и динамику рассматриваемого типа машин, является амплитудное ускорение основного рабочего органа - ситовой поверхности с грузом зерна. Одинаковая интенсивность процесса самосортирования, т. е. одинаковое время всплывания легкой частицы, при большем значении амплитуды колебаний достигается при меньшем значении амплитудного ускорения Аю2 опорной поверхности. При амплитуде А=10 мм и частоте п = 310 мин-1 время всплывания легкой частицы составляет X = 19,0 с, а при А = 6 мм и п = 480 мин-1 - X = 20,0 с. В первом случае амплитудное ускорение опорной поверхности Аю2 =
10,53 м/с2, во втором - Аю2 = 15,14 м/с2. Следовательно, при увеличении амплитуды колебаний с А = 6 мм до А=10 мм примерно одинаковое время всплывания легкой частицы достигается при амплитудном ускорении опорой поверхности в 1,44 раза меньшем.
Последний вывод особенно важен для практики, так как амплитудное ускорение опорной поверхности, т. е. рабочего органа машины, определяет динамические нагрузки на узлы и детали машины и на перекрытия зданий. Уменьшение динамических нагрузок повышает надежность оборудования и создает более комфортные условия для обслуживающего персонала.
В современном оборудовании для сообщения рабочему органу колебательного движения широкое применение нашел центробежный возбудитель направленного действия [12]. Такой привод достаточно прост по конструкции: он представляет собой два мотор-вибратора, установленных на ситовом корпусе. Двигатели мотор-вибраторов с расположенными на их валах дебалансами вращаются в противоположных направлениях.
Амплитуда колебаний сепарирующих корпусов в машинах с таким приводом зависит от соотношения частот вынужденных и собственных колебаний, массы сепарирующих корпусов и технологической нагрузки. При работе машины в зарезо-нансном режиме обеспечивается устойчивое движение системы, малочувствительное к изменению загрузки рабочего органа обрабатываемым продуктом.
Однако такой привод имеет ограниченные возможности. Он способен сообщать рабочему органу колебания с высокой частотой (порядка 750-940 мин-1) и малой амплитудой (порядка 1,5-3 мм) [13]. Он не может быть использован для колебаний сита с большими амплитудами.
Для сообщения рабочему органу колебательного движения с большими амплитудами целесообразно применять так называемый кинематически жесткий привод [12]. В этом случае рабочий орган приводится в колебательное движение кривошипным механизмом. Примером такого механизма может служить синусный механизм, схема которого представлена на рис. 3.
Синусный механизм содержит следующие звенья: стойка (неподвижное звено) - звено 0; кривошип -звено 1; ползун - звено 2; кулиса -звено 3. Рабочий орган жестко связан с кулисой (звено 3). Известно,
что зависимости перемещения 5 = 5(Х), скорости V = и ускорения а = а(Х) звена подчиняются гармоническим законам. В соответствии с принятыми на рис. 2 обозначениями перемещение 5 кулисы может быть определено по формуле 5 = АВбшф = /зшф, где АВ = г- длина кривошипа. Тогда скорость и ускорение кулисы определяются соответственно по формулам V = с15/с1Х = гюсоБф и а = dV/dt = -гю2БШф. Из формул следует, что амплитуда колебаний равна длине кривошипа АВ = г, частота колебаний равна частоте ю вращения кривошипа, амплитудное значение скорости определяется произведением юг, а амплитудное ускорение -ю2г.
В машинах с таким приводом можно обеспечить заданную амплитуду колебаний рабочего органа при изменении частоты колебаний, колеблющейся массы и технологической нагрузки. В этом заключается достоинство привода данного типа.
При разработке рассматриваемого типа привода конструкторы столкнутся с проблемой необходимости уравновешивания значительной по величине инерционной нагрузки поступательно движущихся масс. Эта проблема может быть, в частности, решена использованием дополнительных упругих элементов, например, пружин.
Подводя итоги, отметим, что уже сейчас могут быть реализованы первые этапы работы, направленной на повышение эффективности процессов сепарирования зерновых продуктов, обеспечивающей создание условий для реализации программы продовольственной безопасности.
Первый этап - достаточно быстро
реализуемый и мало затратный -применение предлагаемой нами опорной поверхности [11] в существующем сепарирующем оборудовании.
Второй этап - разработка и создание нового высокоэффективного оборудования, в котором для сообщения рабочему органу колебательного движения должен быть применен кинематический привод, так как только такой привод, из применяемых в настоящее время приводов, способен обеспечить требуемые параметры колебаний (амплитуда и частота) рабочего органа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Еделев, Д.А. Качество семян -один из аспектов продовольственной безопасности/Д.А. Еделев, А.М. Васильев, С.А. Мачихин//Хранение и переработка сельхозсырья.-2009. - № 12. - С. 11-13.
2. Гортинский, В.В. Процессы сепарирования на зерноперерабатываю-щих предприятиях/В.В. Гортинский, А.Б. Демский, М.А. Борискин. - М.: Колос, 1980. - 304 с.
3. Гортинский, В.В. Разрыхление и послойное движение зерновой смеси при выделении из нее минеральных примесей/В.В. Гортинс-кий, Г.Е. Птушкина//Сообщения и рефераты ВНИИЗ. - 1962. - № 2. -С. 16-23.
4. Гортинский, В.В. Теоретические основы послойного движения продуктов измельчения на сите рассе-ва/В.В. Гортинский//Труды ВНИ-ИЗ. - 1960. - Вып. 39. - С. 65-82.
5. Васильев, А.М. Вибрационное перемещение слоя зерновых материалов в сепарирующих машинах:
дис. ... канд. техн. наук/А.М. Васильев. - М., 1984. - 210 с.
6. Исследование основных параметров процесса самосортирования на вибролотке/В.В. Гортинский [и др.]//Труды ВНИИЗ. - 1977. - Вып. 86. - С. 27-42.
7. Исследование процесса самосортирования зерновой смеси на вибролотке/В.В. Гортинский [и др.]/ /Труды ВНИИЗ. - 1977. - Вып. 85. -С. 51-55.
8. Буцко, В.А. Самосортирование в зерновом слое при вибросепарировании на рифленых поверхностях: дис. ... канд. техн. наук/В.А. Буцко. -М., 1984. - 173 с.
9. Гортинский, В.В. Послойное движение сыпучих материалов на сите с прямолинейными колебания-ми/В.В. Гортинский//Сообщения и рефераты ВНИИЗ. - 1962. - Вып. 1. -С. 26-30.
10. Васильев, А.М. Исследование фрикционных свойств слоя зерна пшеницы на асимметрично рифленой поверхности/А.М. Васильев, В.А. Буцко, Р.Н. Касимов//Труды ВНИ-ИЗ. - 1986. - Вып. 107. - С. 70-77.
11. Васильев А.М., Мачихин С.А., Мюштеба Б.А. Рабочий орган для разделения сыпучих смесей. Патент № 43797 на полезную модель от 06.10.2004 г.
12. Борискин, М.А. Сепарирующие машины зерноперерабатывающих предприятий (динамика, расчет и конструирование)/М.А. Борискин, В.В. Гортинский, А.Б. Демский. - М.: Машиностроение, 1979. - С. 109.
13. Технологическое оборудование и поточные линии предприятий по переработке зерна: учебник/Л.А. Глебов [и др.]. - М.: ДеЛи принт, 2010. - 696 с.
Влияние кинематики и формы рабочей поверхности на сепарирование зерна
Ключевые слова
кинематические параметры; рифли; синусный механизм. Реферат
В представленной статье рассмотрено влияние кинематических параметров, таких как амплитуда и частота, на вибросепарирование зерносмеси. Определены зависимости эффективности вибросепарирования от амплитуды и частоты колебания рабочего органа. А также предложено принципиальное решение механизма, позволяющего наиболее эффективно использовать полученные в ходе исследований результаты.
Авторы
Васильев Александр Михайлович, канд. техн. наук, доцент, Мачихин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, Абрамов Эдуард Владимирович, канд. техн. наук, доцент, Волков Александр Сергеевич, ассистент, Киракосян Дмитрий Валерьевич, ассистент Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, rkm@mgupp.ru
The Influence of Kinematics and Shape of the Working Surface at the Separation of the Grain
Keywords
kinematic parameters; riffles; sinus mechanism. Abstracts
In the present article programming the influence of kinematic parameters such as amplitude and frequency at vibroseparation grain mixture. Measured dependences of the efficiency vibroseparation on the amplitude and frequency of vibration of the working body. Also proposed principal decision of mechanism to allow the most efficient use, obtained in the course of research results.
Authors
Vassiliev Aleksandr Mihaylovich, Candidate of Technical Science, Docent, Machikhin Sergey Alexandrovich, Doctor of Technical Science, Professor, Abramov Eduard Vladimirovich, Candidate of Technical Science , Docent, Volkov Aleksandr Sergeevich, Assistant,Kirakosyan Dmitriy Valeryevich, Assistant Moscow State University of Food Production 11, Volokolamskoye Sh., Moscow, 125080, rkm@mgupp.ru
