Justification of the form and parameters of the new sorting device for grain materials

Full Text

Введение

Одной из трудоемких операций в аграрном секторе, а также в отраслях тяжелой и легкой промышленности является сортировка зернистых материалов. Имеющиеся в настоящее время устройства обладают низкими технологическими и экономическими возможностями, что ограничивает их использование. Особенно важно отметить, что работа определенных типов сортировочных устройств требует значительных затрат времени на их регулирование. При этом они не имеют возможности разделения продуктов на несколько равных частей и фракции.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных для улучшения технологических, экономических и эксплуатационных характеристик сортировочных устройств, позволяют сделать следующий вывод: обеспечение универсальности таких устройств ‒ возможности сортировки материалов, различающихся по форме, физико-механическим характеристикам ‒ является решающим. Модернизированные сортировочные устройства следует использовать для сортировки зернистого (имеющего способность к текучести) пищевого сырья, а также других продуктов, получаемых на предприятиях как тяжелой, так и легкой промышленности.

Сортировка зернистого материала (бобов, гороха, ядрицы фундука и т.д.) по габаритным размерам актуальна в различных процессах подготовки посевного материала [1‒4]. В пищевой промышленности при производстве различных кондитерских изделий также большое значение имеет сортировка пищевых продуктов по форме и размерам. Аналогичные требования предъявляются к сортировке продукции, производимой в машиностроении, легкой промышленности и т.д., что подтверждает актуальность данной проблемы.

Высокая стоимость, энергоемкость и материалоемкость оборудования, используемого в настоящее время для этой цели в очень небольшом числе стран, еще раз доказывают остроту проблемы.

Авторами разработаны новые методы и устройства сортировки зернистого материала по дополнительным геометрическим измерениям зернистого материала с учетом их актуальности и сложности [5‒14].

Цель исследований

Разработка новых устройств для сортировки зернистых материалов по дополнительным геометрическим параметрам.

Материалы и методы

Разработанное авторами новое сортировочное устройство для сортировки зернистых материалов показано на рис. 1.

 

Рис. 1. Технологическая схема установки сортировки зернистых материалов

 

На дно 2 бункера 1 устанавливаются шайбы 3 различного внутреннего диаметра, обеспечивающие с боковой гранью правильной пирамиды 5 проходные сечения F, соответствующие размеру сортируемого зернистого материала (см. рис. 2, сечения А–А, В–В и С–С). Данное устройство разработано и применено в процессе сортировки.

 

Рис. 2. Расчетная схема установки сортировки зернистых материалов

 

На рис. 3 приведены расчетные схемы, используемые для определения зависимости площади проходного сечения F_seq области, через которую сортируемый зернистый материал удаляется из бункера.

 

Рис. 3. Расчетные схемы устройства сортировки зернистых материалов

 

Рассмотрим, как площадь проходного сечения F_seq связана с конструктивными параметрами установки для сортировки зернистых материалов.

Как видно из расчетной схемы (рис. 3), площадь живого сечения (окна сортировки), через которую удаляется одна из частей сортируемого материала, может быть рассчитана по следующей формуле, известной из геометрии:

$F_{seq}=F_{sek{O}_1{C}_1{D}_1}-F_{∆O_1{C}_1{D}_1}$. (1)

Здесь F_seq – площадь сегмента круга; $F_{sek{O}_1{C}_1{D}_1}$ и $F_{∆O_1{C}_1{D}_1}$− соответственно площадь сектора круга O₁C₁D₁ и треугольника O₁C₁D₁;

Если в уравнении (1) учесть нижеследующие выражения для $F_{sek{O}_1{C}_1{D}_1}$ и $F_{∆O_1{C}_1{D}_1}$:

$F_{sek{O}_1{C}_1{D}_1}=\frac{1}{2}rl=\frac{1}{2}r(a_{rad}·r)=\frac{r^2}{2}{\alpha }_{rad}$,

$F_{∆O_1{C}_1{D}_1}=\frac{r^2}{2}\sin \left(\alpha \right)$,

то

$F_{seq}=\frac{r^2}{2}{\alpha }_{rad}-\frac{r^2}{2}\sin \left(\alpha \right)=\frac{r^2}{2}({\alpha }_{rad}-\sin \left(\alpha \right))$, (2)

где r – внутренний радиус шайбы, касающейся ее, на высоте которой была вычислена правильная пирамида; α − центральный угол C₁O₁D₁, соответствующий сектору круга (риc. 3), для пирамиды с четырьмя боковыми сторонами α = 90° =1,57 rad; l – длина дуги C₁D₁, соответствующая сегменту круга (l = α_rad ∙ r = 1,57r).

Определим связь F_seq в выражении (2) с параметрами R и H для правильной пирамиды с высотой H₁ и числом боковых граней, равным 4.

Из рис. 3 следует (если принять AO = R и A₁O₁ = r):

$tg\beta =\frac{H}{R}$, $tg\beta =\frac{H-H_1}{r}$.

Тогда

$r=\frac{R(H-H_1)}{H}$. (3)

Учитывая (3), из выражения (2) получим:

$F_{seq}=\frac{(R{(H-H_1))}^2}{2H^2}({\alpha }_{rad}-\sin \left(\alpha \right))$. (4)

В виду того, что для расчетного случая R, β и H в выражении (4) являются постоянными величинами, имеем:

$F_{seq}=f\left(H_1\right)$. (5)

Выражение (5) позволяет сделать вывод о том, что с увеличением Н₁ площадь живого сечения (окна сортировки), где разгружается сортируемые материал, уменьшается, а с уменьшением, наоборот, увеличивается.

Учитывая, что масса отсортированного материала напрямую связана с площадью живого сечения окна (F_seq), через которую она удаляется, корпус блока для сортировки предлагаемых зернистых продуктов легко регулируется с помощью шайб и пирамидальных деталей, установленных в выходном окне крышки. Другими словами, пирамидальный вид сортировочного устройства с различными по ширине сечениями может быть получен путем изменения положения сортировочного устройства по вертикальной оси относительно корпуса в форме пирамиды [15‒24].

Конструкция устройства для сортировки зернистых материалов следующая.

Устройство для сортировки зернистого материала (рис. 1) имеет расположенное в дне бункера 1 крышку 2, в которой образуется четыре симметричное расположенные выходные окна, сортирующие материал, образованные правильной пирамидой 5 и шайбообразными участками боковых сторон основания 3.

Сыпучий зернистый материал, помещенный в бункер 1, отсортировывается путем просыпания через окна сортировки [F_iseq(H_i)] (рис. 3; представлены только два) и собирается через трубки 8 и 9 в бункерах 6 и 7. Для обеспечения устойчивости установки для сортировки зернистых материалов основание правильной пирамиды 5 установлено на неподвижной опоре 10.

Принимая во внимание актуальность устройства, были обоснованы форма, параметры конструкции и режимы работы различных элементов сортировки и разными показателями эффективности. Для этой цели было разработано новое шнековое устройство сортировки (рис. 4), оснащенное различными средствами автоматизации для повышения производительности, и получены удовлетворительные результаты.

 

Рис. 4. Технологическая схема устройства для дозирования сортируемых зернистых материалов

 

Использование в этом устройстве автоматического регулятора Ползунова – Уатта обеспечивает регулировку пропускной способности винтового транспортера из упругого материала, который транспортирует зернистый продукт, в зависимости от его расхода, что приводит к повышению качества и производительности. Поскольку эффективность винтового транспортера в основном обусловлена его шагом и угловой скоростью вала, кинематическая связь муфты транспортера с винтовым транспортером в предлагаемом новом сортировочном узле, а также регулятор угловой скорости его вала, установленный в бункере, способствуют его высоким технологическим возможностям.

С учетом вышеизложенного разработано устройство для дозирования сортируемых зернистых материалов (рис. 4). На данное сортировочное устройство, снабженное автоматическим регулятором, получен патент Агентства интеллектуальной собственности Азербайджанской Республики (№ I 2019 0079) [10].

На рис. 4 показана четырехступенчатая трансмиссия с зубчатым колесом 2, кинематически связанная с реверсивным электродвигателем 3. Она при помощи вала 5 приводится в движение. В устройстве используется пара дополнительных зубчатых колес 9 и 10, которые передают вращение на вал винта 8 с помощью муфты 6.

Принцип работы устройства для дозирования сортируемых зернистых материалов заключается в следующем. Технологическая способность выполнять сортировку достигается за счет поступательного перемещения массы в области, где установлено сортировочное устройство. Если рассмотреть технологическую схему устройства, как уже упоминалось выше, масса зернистого материала изменяется при разных скоростях подачи дозируемого материала. В предлагаемом блоке с увеличением скорости распределения (для увеличения производительности) шаг спирали (А), выполненной из упругого материала, будет зависеть от скорости движения дозирующей массы.

В зависимости от угловой скорости вала 8 на сепаратор шнека, изготовленный из эластичного материала, воздействует центробежная сила F = mω²r, которая влияет на положение движущейся пластины 7 центробежного регулятора, а также одновременно на шаг А изменяя его выходные отверстия для зернистого материала, взятого из бункера машины.

В результате производится сортировка зернистых сыпучих (текучих) материалов (сельскохозяйственного сырья, минеральных удобрений) и плавная регулировка норм расхода сыпучих материалов.

Выводы

В результате экспериментальных исследований было разработано новое устройство для сортировке зернистого пищевого сырья, имеющее высокие экономические и качественные показатели и обладающее большими технологическими возможностями. Изменяя параметры конструкции нового сортировочного устройства, можно легко регулировать его производительность при высокой экономической эффективности.

В результате исследования устройства проанализирована зависимость сортировки зернистого пищевого сырья: от установки пластины в сортировочном устройстве; линейной скорости загрузчика сортировочного устройства; производительности бункера сортировочного устройства; а также угла установки смесителей на конвейере сортировочного устройства.

Предлагаемый процесс сортировки отличается от известных аналогичных устройств тем, что устраняет механическое повреждение пищевого сырья, подлежащего сортировке, в результате:

– обеспечения непрерывности сортировки и оптимального режима работы;

– универсальности;

– простоты в эксплуатации.

Предлагаемое устройство не создает условий для загрязнения производственной площади, отличается конкурентными преимуществами и высокими показателями технико-экономической эффективности.

About the authors

E. B. Isgandarzada

Azerbaijan Technical University

Author for correspondence.
Email: isgenderzadeh@rambler.ru

DSc in Engineering

Azerbaijan, Baku

B. A. Abbasov

Azerbaijan Technical University

Email: isgenderzadeh@rambler.ru
Azerbaijan, Baku

SH. V. Ahmadli

Azerbaijan Technical University

Email: isgenderzadeh@rambler.ru
Azerbaijan, Baku

U. R. Islamova

Azerbaijan Technical University

Email: isgenderzadeh@rambler.ru
Azerbaijan, Baku

References

Supplementary files