Конструктивные особенности машин

14.07.2015

Инерционный грохот с круговым движением рабочего органа в вертикальной плоскости был изобретен в 1900 г. С тех пор эти грохоты сравнительно быстро начали внедряться в различные отрасли промышленности, особенно в горнорудную, обогатительную, химическую, вытесняя обычные качающиеся грохоты.
Исследования Н.Ф. Григоровича, проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском институте зерна(ВНИИЗе) в 1937г., показали, что вибрационное сито, приводимое в движение электромагнитным вибратором, обладает большей просевающей способностью по сравнению с тихоходными качающимися ситами.
Первое наиболее полное исследование вибрационного грохота на сепарировании зерна было проведено П.П. Колышевым в 1938—1939 гг. в ВИМе. Им установлено, что лучшую полноту разделения имеет грохот с овальными колебаниями в вертикальной плоскости. Автор указывает, что вибрационные машины просты по конструкции, не требуют очистительных приспособлений, обладают большой производительностью. Данные исследований П.П. Колышева свидетельствуют, что по полноте разделения вибрационные решета в большинстве случаев превосходят плоские качающиеся.
Г.Б. Листопад в 1949—1953 гг. провел исследования работы вибрационного грохота на сепарации зерновых смесей как при воздействии воздушного потока, так и без него. Он впервые изучил забиваемость решет, а также исследовал влияние амплитуды колебаний и подачи материала на качество работы решета и забиваемость отверстий. Провел наблюдения за процессом расслоения зерновой смеси, за зональной просеиваемостью материала по длине и ширине решета, а также за распределением прохода по крупности зерен.
Большой интерес представляют последующие работы Г.Е. Листопада, в которых он раскрывает закономерности внутрислоевых процессов. Использовав идею Рейнольдса о единстве переноса тепловой и механической энергии, Г.Е. Листопад определил изменение сил внутренного трения и сцепления в отдельных местах среды в любой момент времени. Им определены силы взаимодействия и параметры процесса перераспределения частиц в слое. Помимо этого в исследованиях Г.Е. Листопада и его сотрудников А.П. Сапункова и Б.Д. Зонова большое внимание уделено выявлению оптимальных соотношений между инерционными силами и силами воздушного потока, способствующими прохождению частицы через отверстие виброрешета.
На основании многолетних исследований, проведенных во ВНИИЗе, В.М. Цециновский в 1956 г. сделал вывод о необходимости дальнейших исследований вибрационного метода просеивания зерна и продуктов его переработки как более эффективного, основанного на прогрессивном принципе увеличения скоростей рабочих органов машин.
В.М. Цециновским был тщательно исследован процесс просеивания зерна и продуктов его переработки при частотах колебаний вибрационных сит 150—300 рад/с с целью установления рациональных режимов их работы. В результате была предложена оригинальная конструкция резонансной вибрационной крупо-сортировки. При этом В.М. Цециновский проводил теоретические исследования по обоснованию как технологического процесса разделения зерновых смесей, так и конструктивных параметров и динамических факторов машин.
Г.З. Файбушевич исследовал все три этапа процесса вибросепарации зерна (движение зерна в слое до контакта с решетом, движение зерна по поверхности решета и прохождение зерна сквозь отверстие). Он, по-видимому, первым заметил, что режимы само-очистки вибрационных решет не всегда совпадают с режимами оптимального просеивания семян через отверстия.
Основы статистической теории прохождения частиц через слой и отверстия решета созданы Е.А. Непомнящим.
Процесс просеивания семян на вибрационных решетах изучали также В.В. Гортинский, А.И. Петрусов, П.И. Леонтьев, Р.Н. Волик и др.
Решению задач вибросепарации сыпучих смесей на неперфорированных поверхностях по фрикционным и упругим свойствам посвящены фундаментальные работы И.И. Блехмана и Г.Ю. Джанелидзе, Д.А. Плисса и др.
Теоретические разработки нашли отражение в создании вибрационных машин разных конструкций.

Фирма Миаг (ФРГ) выпускает машины, у которых рабочий орган совершает движения по круговым траекториям в вертикальной плоскости. На рис. 1.2, а приведена конструктивная схема вибрационной машины типа I с одним решетом. Решето приводится в движение от электродвигателя 2 при помощи эксцентрикового вала 1, осевая линия которого проходит через центр тяжести решетного стана, опирающегося на четыре цилиндрические пружины. На рис. 1.2, б показана конструктивная схема двухъярусного решетного стана вибрационной машины типа II для разделения материала на три фракции. Между нижним и верхним решетами установлены две скатные доски 3 для подачи проходовой фракции возможно выше на нижнее решето. В остальном устройство этой машины не отличается от устройства машины типа I. Решета очищаются с помощью резиновых шариков. Фирмой Миаг выпускаются также вибрационные машины воздушно-решетной модификации.
Аналогичный решетный сепаратор, изготовляемый в ФРГ, описан А. Я. Соколовым. Отличительной особенностью сепаратора является то, что решетное полотно устанавливается на опоры и подтягивается специальным механизмом. Вследствие этого решета имеют переменный по длине угол наклона.
На рис. 1.3, а приведена конструктивная схема вибрационной зерноочистительной машины, решето которой совершает направленные колебания в вертикальной плоскости. В системе рабочего органа установлен вибратор направленного действия типа самобаланса. При работе машины направление центробежной силы остается постоянным, не зависящим от угла поворота ротора вибратора, и составляет с решетом угол β. Решето наклонено к горизонту под углом α. В этих машинах линия действия возмущающей силы должна проходить через центр тяжести колеблющейся части. По данному принципу действует вибрационная машина, разработанная совместно Всесоюзным научно-исследовательским институтом механизации сельского хозяйства (ВИМом) и Украинским научно-исследовательским институтом сельскохозяйственного машиностроения (УкрНИИСХОМом).
На рис. 1.3, б приведена конструктивная схема машины с пространственным движением рабочего органа. Машина имеет станину 4, на опорной плите которой расположены по окружности пружины сжатия 3. На пружинах установлен вибростол 2, к которому сверху прикреплен решетный стан, а снизу — одновальный вибратор с вертикальной осью вращения дебалансов. Решетный стан представляет собой набор цилиндрических обечаек 1, между которыми монтируют круглые решета диаметром 1 м. Каждая обечайка имеет выходной патрубок для отвода фракции зерна, идущей сходом. Под каждым решетом расположен подрешетный конус, предназначенный для сбора прохода и направления его на следующее решето или к выходу.
В вибраторе установлен вертикальный вал 5, на обоих концах которого расположены диски с верхним 10 и нижним 6 грузами. Угол между грузами можно регулировать в пределах 0—360°. Привод от электродвигателя 9 осуществляется при помощи клиноременного двухступенчатого вариатора 8. От вариатора к вибратору вращательное движение передается гибким валом 7. Вариатор позволяет изменять частоту вращения вала вибратора и, следовательно, частоту колебаний решетного стана.
В результате исследований установлено, что несмотря на многие положительные стороны вибрационных машин с вертикальной осью вращения дебалансов (рис. 1.3, б), они имеют существенный недостаток: на них можно устанавливать ограниченное число решет, так как в силу особенностей закона движения колеблющейся части горизонтальные составляющие амплитуды колебаний решет зависят от расстояния между ними и центральной горизонтальной плоскостью. Следовательно, решета, расположенные на разном расстоянии от центра колеблющейся части, работают в разных режимах, что оказывает существенное влияние на технологический процесс.
В. В. Бабенко и автором предложена вибрационная зерноочистительная машина с винтовыми колебаниями рабочего органа вокруг вертикальной оси. Имея положительные качества машины с вертикальной осью вращения дебалансов вибратора, она лишена указанного выше недостатка. Все решета данной машины работают в одинаковом режиме. Число решет, устанавливаемых на машину, ограничивается в основном динамической жесткостью решетного стана или особенностью технологического процесса. На рис. 1.3, в приведена, конструктивная схема машины. На опорной плите станины 18 установлены по окружности цилиндрические витые пружины сжатия 17, поддерживающие вибростол 16 с решетным станом. Последний состоит из набора обечаек 15, между которыми закреплены решета 14. В нижней части решетного стана установлен вибратор 19, приводимый в движение через упругую муфту от электродвигателя 20. Каждое решето натягивается при помощи натяжных конусов 13.
Зерновая смесь, поступающая из бункера 11, перемещается по решету (траектория ее движения имеет форму медленно разворачивающейся спирали) и, встречая на пути отражательный щиток 12, выводится из решетного стана через выходной патрубок, установленный в обечайке. Просеявшаяся через решето смесь собирается подрешетным конусом и направляется на нижнее решето. Такой процесс повторяется остальными решетами. В зависимости от условий решета машины могут работать по трем технологическим схемам: последовательной; параллельной; параллельно-последовательной или комбинированной.
В.М. Цециновским были предложены резонансные вибрационные зерноочистительные машины, характерные тем, что частота возмущающей силы в этих машинах совпадает с одной несобственных частот системы или близка к ней.
Рассмотренные вибрационные зерноочистительные машины предназначены для сепарации зерновых смесей при помощи решет. Автором с Г.Е. Мазневым и др. предложены машины для безрешетной сепарации, на которых семенные смеси разделяются по фрикционным свойствам, упругости, форме и комплексу физико-механических свойств. Разделение по двум первым свойствам осуществляется на вибросепараторе, у которого фрикционная поверхность в виде горизонтального диска совершает пространственные колебания (рис. 1.4). Как будет показано в следующих главах, произвольная точка рабочего органа вибросепаратора совершает движение по замкнутой кривой, представляющей собой линию пересечения однополостного гиперболоида с плоскостью колебаний. Частицы под действием вибрирующей фрикционной поверхности перемещаются по различного рода свертывающимся и развертывающимся спиралям и концентрическим окружностям. Наиболее желательной траекторией частицы при вибросепарации на изучаемой поверхности является спираль, развертывающаяся от центра к периферии. Поэтому сущность вибросепарации на горизонтально расположенной, круглой, пространственно вибрирующей поверхности состоит в том, что семена с различными фрикционными или упругими свойствами перемещаются по спиралям разной кривизны.
Семена, подлежащие разделению, питающим устройством 1 подаются на колеблющийся диск 2 в нескольких местах на небольшом расстоянии от центра. При этом, если задать безотрывный режим движения, то более шероховатые семена перемещаются по траекториям в виде спиралей 9 меньшей кривизны, а семена менее шероховатые — по траектории в виде спиралей 10 большей кривизны. Бели же задать режим движения с отрывом семян от плоскости, то по траекториям в виде спиралей меньшей кривизны будут перемещаться менее упругие семена, а по траекториям в виде спиралей большей кривизны — более упругие. Поэтому, чем больше дуга аб, тем большей разделяющей способностью обладает сепаратор и тем выше качество разделения. При безотрывном движении разделяющую способность сепаратора можно увеличить путем покрытия рабочей поверхности тканями, абразивной шкур,-кой, а также введением дополнительного силового поля.

На наклонной поступательно вибрирующей шероховатой плоскости (рис. 1.5) при безотрывном режиме процесс сепарации зависит как от коэффициента трения, так и от формы семян. В случае движения частиц с отрывом от плоскости помимо формы на процесс сепарации влияют коэффициенты восстановления скорости и мгновенного трения при ударе, т. е. сепарация происходит по комплексу физико-механических свойств. Обобщающим показателем, учитывающим все три признака разделения, является предельный угол подъема частицы по наклонной плоскости. Сущность сепарации на данной машине заключается в том, что под действием направленных колебаний более плоские, более шероховатые, менее округлые и менее упругие частицы поднимаются вверх по наклонной плоскости, а частицы более упругие, более округлые и менее шероховатые перемещаются вниз. На процесс сепарации на колеблющейся фрикционной наклонной плоскости (рис. 1.5) влияет соотношение компонентов семенных смесей. Этот недостаток частично или полностью устраняется в сепараторах, рабочими органами которых являются пространственно вибрирующие конические фрикционные поверхности (рис. 1.6, а).
Особенностью этих сепараторов является то, что на фрикционную коническую поверхность семенные смеси подаются локально в несколько мест. Количество мест ограничивается отсутствием взаимного увлечения компонентов смеси. Так, более шероховатые, менее упругие и менее округлые семена перемещаются вверх по конической поверхности по траекториям 11 (рис. 1.6, а), а более упругие, более округлые и менее шероховатые — вниз по траекториям 10. Так как коническая поверхность совершает пространственные движения, то траектории шероховатых (менее упругих и менее округлых) семян не совпадают с радиальными прямыми, а имеют вид спиралей (кривые 11).
Если в смеси семян, способных транспортироваться вверх по фрикционной поверхности при заданных параметрах машины, больше, чем семян, способных транспортироваться вниз, то перемещающиеся вверх семена в начальные моменты увлекают за собой семена, способные транспортироваться вниз. Так как веер траектории 11 к периферии рабочего органа расширяется, то семена, способные транспортироваться вниз, «освобождаются» от потока семян, способных транспортироваться вверх и начинают перемещаться вниз по рабочей поверхности. Форма и расположение траекторий этих семян (кривые 10) ограничивает расстояние между смежными локальными подачами материала. Выбор количества мест подачи позволяет полностью разделить зерновые смеси.
Таким образом, на конической фрикционной поверхности, расположенной меньшим основанием вниз, можно разделять зерновые смеси, у которых вверх по вибрирующей поверхности должна перемещаться основная, а вниз незначительная часть исходного материала, т. е. смеси, у которых семена основной культуры более шероховаты, более плоски и менее упруги, а семена сорняков более упруги, более округлой формы и гладкой поверхности.
Для зерновых смесей, у которых семена основной культуры более упруги, менее шероховаты, имеют большую плотность и способность перекатываться, чем засоряющие примеси, следовательно, вверх по вибрирующей поверхности должна подниматься компонента, в процентном отношении составляющая незначительную часть всей смеси, рекомендуется сепаратор с наружной фрикционной поверхностью конуса, расположенного меньшим основанием вверх (рис. 1.6, б).
По траектории 13 перемещаются семена, способные транспортироваться вниз, по траекториям 12 — семена, способные транспортироваться вверх. Количество мест загрузки устанавливается из тех же условий, что и в предыдущем случае.

Эффект вибросепарации, получаемый при точечных загрузках зерновой смеси на рабочие органы в машинах с конической поверхностью (см. рис. 1.6, а и б), можно получить на плоском рабочем органе. Для этого рабочую фрикционную поверхность сепаратора, схема которого изображена на рис. 1.5, помимо продольного наклона на угол α, необходимо наклонить еще в поперечном направлении на угол β (рис. 1.7, а). Направление вибраций по-прежнему необходимо оставить в вертикальной плоскости, причем горизонтальная составляющая амплитуды колебаний должна иметь продольное направление. Тогда компоненты зерновой смеси, подаваемые на рабочую поверхность в одну из точек, будут перемещаться в зависимости от физико-механических свойств по различным траекториям. В зависимости от требований технологического процесса зерновую смесь можно разделить на необходимое количество фракций. Это выполняется установкой на машину требуемого количества приемников. На рис. 1.7, б показано десять приемников I—X.
При безотрывном режиме по траекториям, имеющим тенденцию разворачиваться вверх (кривые 11), будут перемещаться семена более шероховатые или менее округлые. По траекториям, имеющим тенденцию разворачиваться вниз (кривые 10), будут перемещаться семена более округлые и менее шероховатые.
В случае движения частиц с отрывом от рабочей поверхности по траекториям, имеющим тенденцию разворачиваться вверх (кривые 11), будут перемещаться более плоские и менее упругие семена; по траекториям, имеющим тенденцию разворачиваться вниз (кривые 10), — менее плоские и более упругие семена.
Если вариационные кривые компонентов зерновой смеси, построенные по используемым на данной машине признакам делимости, перекрываются, то с рабочей поверхности будет выходить промежуточная фракция семян (кривые 12).

Рассмотренные вибрационные безрешетные сепараторы являются базовыми моделями, рабочие органы которых можно приспосабливать и видоизменять в зависимости от свойств семенных смесей и требований к качеству конечного продукта. Например, сепаратор с конической фрикционной рабочей поверхностью, расположенной меньшим основанием вниз (см. рис. 1.6, а), для сепарации семенной смеси по фрикционным свойствам и форме компонентов при безотрывном режиме движения может быть видоизменен в сепаратор с внутренней рабочей поверхностью в виде параболоида вращения (рис. 1.8, а). Если же на сепараторе (см. рис. 1.6, а) необходимо разделять семена по комплексу физико-механических свойств при режимах движения с отрывом от плоскости, то эффективность сепарации может быть увеличена при выполнении рабочей поверхности в виде наружной поверхности гиперболоида вращения (рис. 1.8, б). Эффективность сепарации на данных поверхностях повышается вследствие того, что компоненты на всех участках рабочей поверхности перемещаются с достаточно большими скоростями.
Существенным резервом повышения производительности вибрационных фрикционных сепараторов может быть увеличение числа рабочих поверхностей. Разработан многоярусный фрикционный сепаратор, у которого воронкообразные рабочие поверхности имеют различные углы наклона к горизонту (рис. 1.9). Технологический процесс работы сепаратора следующий: из емкости 1 обрабатываемая зерновая смесь поступает в канал 13, из которых через шиберные заслонки одновременно поступает на все рабочие поверхности 2. Каналы 13 во время работы машины постоянно заполнены обрабатываемым материалом. Количество материала, поступающего на рабочие поверхности, регулируется при помощи заслонок 11. Рабочие поверхности посредством дебалансного вибратора 6 приводятся в пространственное колебательное движение. При этом на всех поверхностях под действием вибраций частицы более плоские и шероховатые, например семена овса, транспортируются вверх по воронкообразной поверхности и попадают в приемник 12. Частицы более гладкие и округлые, например семена вики, скользят или скатываются вниз и попадают в приемник 10, через который выводятся из сепаратора.

В некоторых случаях сепарации по комплексу физико-механических свойств предшествует решетная, целью которой является выделение крупных примесей. Оба процесса можно совместить в одном сепараторе. Для этого над фрикционной конической поверхностью устанавливают решето (рис. 1.10). В данном сепараторе из питателя I зерновая смесь поступает на решето 2 и грубые примеси отводятся из сепаратора. Семена, например сахарной свеклы, и мелкие примеси просеиваются через отверстия и направляющими подрешетными конусами 9 и 10 подаются на рабочую фрикционную коническую поверхность 3. Легкие примеси и щуплые, шероховатые, неполноценные семена поднимаются по рабочей конической поверхности вверх и выводятся из машины.
Интенсификация процесса сепарации и повышение качества очистки семян при разделении по комплексу физико-механических свойств могут быть достигнуты еще тем, что фрикционная поверхность совершает кроме колебательного еще и вращательное движение относительно вертикальной оси симметрии (рис. 1.11).
Повысить производительность вибрационного сепаратора с поступательным движением рабочего органа (см. рис. 1.7) можно путем установки на вибрирующую часть нескольких параллельно расположенных один над другим рабочих органов (рис. 1.12). В этом сепараторе в отличие от многоярусного (см. рис. 1.9) все фрикционные поверхности наклонены под одинаковыми углами в продольном и поперечном направлениях. Загрузка осуществляется общим для всех рабочих поверхностей питателем 1. Подача материала регулируется заслонкой.