Вибрационный сепаратор для трудносыпучих продуктов зерноперерабатывающей промышленности

В данной статье приводятся конструктивные особенности вибрационного сепаратора для трудносыпучих продуктов пищевой и зерноперерабатывающей промышленности.

Многообразие видов сырья и готовой продукции как объектов сепарирования определяет разнообразие типов сепарирующих машин, применяемых в пищевой и зерноперерабатывающей промышленности. Это обстоятельство в значительной степени объясняет отсутствие общего подхода к научно обоснованному выбору наиболее эффективных типов сепарирующих машин и оптимальных параметров их работы.

На основании проведенного анализа существующих сепараторов установлено, что наибольшей эффективности сепарирования трудносыпучих продуктов можно достичь воздействием на него вибрационных пространственных колебаний рабочего органа.

Положительная роль вибрационного воздействия определяется тем, что оно позволяет создать и поддерживать в течение процесса регулируемое динамическое состояние объектов переработки, на фоне которого осуществляется технологическая операция сепарирования. Главной отличительной особенностью вибрации, как одного из видов механических воздействий, является возможность передачи энергии дисперсной системе большой удельной мощности при малой амплитуде её смещения за период колебаний. Под удельной мощностью понимается мощность, подводимая к единице массы перерабатываемого материала.

С увеличением частоты колебаний рабочего органа динамическое воздействие на сыпучую систему увеличивается, при этом уменьшаются коэффициенты внутреннего и внешнего трения, в результате чего уменьшается сопротивление частиц относительному смещению, сыпучая система приобретает свойства вязких жидкостей, лучше протекают процессы сегрегации и стратификации частиц, эффективнее осуществляется самоочистка сит, что обеспечивает эффективное сепарирование сыпучих материалов. Поэтому для сепарирования трудносыпучих продуктов целесообразно применить сложное пространственное движение рабочего органа, как наиболее эффективное для связных материалов, в сочетании с высокочастотными колебаниями, интенсифицирующими процесс.

Разработка высокоэффективных сепарирующих машин во многом зависит от обоснованного выбора формы (геометрии) их рабочих органов. Геометрия рабочих органов при прочих равных условиях обусловливает технологическую эффективность работы машины. Установлено, что конструктивные схемы вибрационных сепараторов, осуществляемых разделение по геометрическим признакам, базируются, главным образом, на использовании плоских сит. В этом случае не используются в полной мере гравита­ционные свойства сыпучей смеси, в результате эти устройства обладают низкой транспортирующей способностью и, как следствие, невысокой производительностью.

Низкая производительность машин с плоскими ситами объясняется малой относительной скоростью частиц по ситу.

В отличие от плоского, на коническом сите на скорость перемещения частицы в большей мере оказывает влияние сила тяжести, что повышает кинетическую энергию частицы, дает возможности сочетать лучшую динамику процесса с большей просеивающей поверхностью при сохранении тех же габаритов машины. Исходя из этих соображений, нами выбрана конусная форма рабочего органа (коническое си­то). При этом следует отметить, что существуют два варианта установки конического сита: с нижним и верхним расположением вершины конуса (рис. 1).

Рис. 1. Распределение продукта на сите конусной формы с нижним (а) и верхним (б) расположением вершины конуса

При установке конического сита с нижним расположением вершины конуса площадь просеивающей поверхности по мере прохождения по ней продукта уменьшается, и в результате этого увеличивается толщина слоя продукта (рис. 1 а), что снижает вероятность контактного взаимодействия проходовых частиц с ситом и отрицательно влияет на процесс самосортирования. Следует также отметить, что интенсивность просеивания в нижней части сита уменьшается, так как уменьшается концентрация проходовых частиц и в конце процесса остаются более крупные проходовые частицы, размеры которых при­ближаются к размерам отверстий сита. Эти частицы не могут войти в контакт с ситом из-за постоянно увеличивающейся толщины слоя продукта, что ведет к увеличению недосевов, в результате чего снижается технологический эффект сепарирования.

При установке конического сита с верхним расположением вершины конуса продукт, перемещаясь от центра к периферии, перераспределяется, попадая на все большую просеивающую поверхность, в результате чего толщина слоя в нижней части сита уменьшается (см. рис. 1 б), что создает благоприятные условия для протекания процесса самосортирования и увеличивает вероятность контактного взаимодействия проходовых частиц с ситом.

С учетом изложенного для трудносыпучих продуктов пищевой и зерноперерабатывающей промышлен­ности разработан вибрационный сепаратор, который содержит рабочий орган конусной формы с верхним расположением вершины конуса. На рис. 2 представлена конструктивная схема вибрационного сепаратора.

Рис. 2. Конструктивная схема вибрационного сепаратора

Машина состоит из следующих основных узлов: сварной рамы 3, на которую установлен конусный сборник сходовой фракции 1, ситовой рамы 7, конусного сборника проходовой фракции 11, механизма вибратора 10 и крышки 4.

Конусный сборник 1 снабжен выпускными патрубками 2 и 12, соответственно, для сходовой и проходовой фракций.

Разгрузочный патрубок конусного сборника проходовой фракции входит в патрубок 12 с гарантированным зазором, предотвращающим соударения указанных элементов конструкции при движении колеблющейся части машины, в состав которой входят ситовая рама, механизм вибратора и конусный сборник проходовой фракции, жестко соединенные друг с другом. Колеблющаяся часть машины уста­новлена на упругих элементах (пружинах) 13.

Конструкция ситовой рамы предусматривает установку капроновых, металлотканых и металлических штампованных сит. С помощью узла натяжки 8 обеспечивается необходимая степень натяжения сита 9.

Вал 14 механизма вибратора соединен с гибким валом 19, снабженным соединительной муфтой 20, которая с помощью двух диаметрально расположенных шпоночных канавок входит в зацепление с валом 17

нижнего подшипникового узла 18. В конструкции соединительной муфты предусмотрена возмож­ность ее вертикального перемещения. На валу механизма вибратора установлены два дебаланса: верхний 15 и нижний 16. Проекции осей верхнего и нижнего дебалансов на горизонтальную плоскость образуют угол, изменяющийся в пределах 0…360У и называемый углом взаимного расположения дебалансов. Изменением угла взаимного расположения дебалансов в указанных пределах достигается изменение как величины, так и направленности амплитуд пространственных колебаний рабочего органа.

Крышка содержит центральный загрузочный патрубок 5, внутри которого установлен патрубок 6, имеющий возможность вертикального перемещения для регулировки нагрузки на рабочий орган.

С помощью электродвигателя 21 через клиноременную передачу 22 осуществляется привод машины. Для изменения частоты вращения вала механизма вибратора, а следовательно, и частоты колебаний ра­бочего органа предусмотрена установка многоступенчатых шкивов на валах электродвигателя и нижнего подшипникового узла.

Вибрационный сепаратор работает следующим образом. Вал 17 нижнего подшипникового узла 18 приводится во вращение от электродвигателя 21. Посредством гибкого вала 19 вращение передается валу 14 механизма вибратора 10. При вращении вала механизма вибратора инерционные силы дебалансов 15 и 16 выводят колеблющуюся часть машины из положения равновесия, и рабочий орган 7 совершает сложное пространственное движение. Продукт, поступающий на рабочий орган через центральный загрузочный патрубок 5, в результате вибрационного воздействия равномерно распределяется по ситу 9. Частицы, размеры которых больше размеров отверстий сита, идут сходом и выводятся из машины через патрубок 2. Частицы, прошедшие через сито, собираются конусным сборником проходовой фракции 11 и выводятся из машины через патрубок 12.

Одной из важных задач при использовании машин вибрационного принципа действия является поддержание заданных параметров вибрации во всех точках сепарирующей поверхности.

Сложность поддержания заданных параметров вибраций сепарирующей поверхности заключается в необходимости учета упругих и диссипативных свойств связей колеблющейся части машины и самой сепарирующей поверхности. В месте соединения механизма вибратора с ситовой рамой заданный закон колебаний обеспечивается сравнительно просто. Что касается ситовой поверхности, то здесь следует отметить, что слабое натяжение сита приводит к вынужденным колебаниям его поверхности относительно ситовой рамы, что отрицательно влияет не только на технологический эффект, но и на прочность сита. Поэтому очень важным является обеспечение необходимой степени натяжения сита, предотвращающей указанные отрицательные эффекты.

Для обеспечения заданной степени натяжения сита рабочий орган вибрационного сепаратора, как отмечалось выше, снабжен узлом натяжки. На рис. 3 представлена конструктивная схема конусного сита с узлом натяжки сита.

Рис. 3 — Конструктивная схема конусного сита с узлом натяжки

Узел натяжки сита содержит опорную гайку 1, приваренную к несущему каркасу ситовой рамы 2, подъемный палец 3, имеющий возможность вертикального перемещения с помощью резьбового соединения с опорной гайкой 1, две конусные шайбы — нижнюю 4 и верхнюю 5, между которыми установле­но сито 6, контргайки 7 и 8.

Узел работает следующим образом. На нижнюю конусную шайбу 4 устанавливается сито 6, сверху устанавливается верхняя конусная шайба 5. Шайбы обжимаются болтами с помощью резьбового соединения с нижней конусной шайбой. После чего путем вращения подъемного пальца 3 осуществляют на­тяжение сита 6. Обеспечив необходимую степень натяжения последнего, зажимаются контргайки 7 и 8.

Конструктивное решение узла натяжки позволяет сохранять в течение длительного времени фиксированную степень натяжения сита. Дополнительное натяжение сита в период эксплуа­тации можно производить, не разбирая вибрационный сепаратор. Для этого через смотровой люк, предусмотренный в крышке сепаратора, поднимают путем вращения подъемный палец 3.

Как известно, в зависимости от соотношения частоты возмущающей силы, величины массы и коэффициентов жесткости упругой подвески механи­ческая колебательная система может находиться в дорезонансном, резонансном и зарезонансном режимах. Основными эксплуатационными тре­бованиями, которые необходимо учи­тывать при конструировании вибрационной машины и установлении оптимального режима ее работы, являются стабильность закона движения рабочего органа при различных условиях загрузки машины обрабатываемым материалом и уменьшение динамических нагрузок, переда­ваемых на раму машины. Этим требованиям полнее других удовлетворяет зарезонансный режим работы машины, при котором обеспечивается устойчивое движение колебательной системы, малочувствительное к изменению неупругих сопротивлений (в том числе и к изменению нагрузки). Кроме того, установкой пружин малой жесткости удается значительно снизить динамические нагрузки, передаваемые на фундамент через раму машины. Поэтому нами выбран зарезонансный режим работы вибрационного сепаратора. В связи с этим собственные частоты колебаний системы выбирались настолько малыми, насколько позволяла динамическая прочность пружин. Это позволило сузить резонансную область, что обеспечило более быстрое прохождение колебательной системы через резонанс.

Известно, что амплитуда колебаний обратно пропорциональна массе колеблющейся части машины и прямо пропорциональна статическому моменту дебаланса. Снижение массы колеблющейся части машины позволяет уменьшить массы дебалансов, благодаря чему снижаются динамические нагрузки на раму машины и на подшипниковые опоры механизма вибратора. Решающим в определении минимального веса колеблющейся части машины является не загрузка ее обрабатываемым материалом, а динамическая прочность деталей. Поэтому при разработке сепаратора стремились обеспечить достаточную прочность и жесткость его конструктивных элементов, в частности колеблющейся части машины.

Важным параметром вибрационной машины является расположение центра тяжести колеблющейся части. В известных вибрационных машинах с вертикальной осью вращения дебалансов центр тяжести располагается в плоскости верхнего дебаланса. В этом случае верхний дебаланс при вращении вала вибратора вызывает преимущественно горизонтальное колебательное движение системы. Нижний дебаланс, находясь значительно ниже центра тяжести колеблющейся части, возбуждает, в основном, поворотные колебания системы вокруг центра тяжести, т.е. преимущественно вертикальные составляющие колебания. При этом вертикальные составляющие амплитуд колебаний незначительно изменяются при изменении угла взаимного расположения дебалансов, так как верхний дебаланс располагается в плоскости цен­тра тяжести колеблющейся части машины.

Для трудносыпучих продуктов пищевой и зерноперерабатывающей промышленности, обладающих плохой сыпучестью, в наибольшей степени эффективно воздействие вертикальных составляющих амплитуд колебаний. Для режимов с подбрасыванием характерно пребывание частицы в течение некоторой части или всего цикла колебаний в состоянии полета над колеблющейся поверхностью. Слой сыпучего материала в этом случае находится в состоянии псевдосжижения и приобретает свойства вязких жидко­стей.

Учитывая существенное влияние на сыпучую смесь вертикальной составляющей амплитуды колебаний, центр тяжести колеблющейся части вибрационного сепаратора расположили между дебалансами. Это заметно повлияло на соотношение и направленность возмущающих моментов верхнего и нижнего дебалансов, что количественно и качественно изменило картину составляющих амплитуд, так как при положении центра тяжести между дебалансами возмущающие моменты могут быть разных знаков (при угле взаимного расположения дебалансов, равным 0Y) или одного знака (при угле взаимного расположения дебалансов, равным 180Y).

Выводы

Расположение центра тяжести между дебалансами позволило значительно расширить область варьирования амплитуды вертикальных колебаний, так как ее изменение достигается изменением возмущающих моментов от обоих дебалансов, а не от одного — нижнего, как это осуществляется при расположе­нии центра тяжести в плоскости верхнего дебаланса. Благодаря этому снижены массы дебалансов, что уменьшило динамические нагрузки на подшипники механизма вибратора. Снижение масс дебалансов, в свою очередь, позволило уменьшить габариты и массу механизма вибратора и, как следствие, массу ко­леблющейся части в целом.

Литература

1. Гончаревич И.Ф. Вибрационная техника в пищевой промышленности / И.Ф. Гончаревич, Н.Б. Урьев, М.А. Талейсник. — М.: Пищ. пром-сть, 1977. — 280 с.
2. Гортинский В.В. Процессы сепарировании на зерноперерабатывающих предприятиях / В.В. Гортинский, А.Б. Демский, М.А. Борискин. — М.: Колос, 1980. — 304 с.
3. Заика И.М. Вибрационные зерноочистительные машины. — М.: Машиностроение, 1967. — 144 с.
4. Петрусов А.И. Зерноперерабатывающие высокочастотные вибрационные машины. — М.: Машиностроение, 1975. — 40 с.