Research of operational process of a grain separator with cylindrical screens

Full Text

Введение Решетные сепараторы выполняют разделение зерновых смесей по размерам (прежде всего по толщине и ширине) и находят широкое применение в зерноочистительных машинах [1, 2]. Сепарация происходит при перемещении материала по поверхности решета [3, 4]. Относительное перемещение материала обеспечивается различными устройствами, сообщающими решету тот или иной характер движения [5, 6]. Наибольшее распространение получил качающийся решетный стан (грохот), где сдвиги зерна по решету происходят за счет сил инерции [3, 7]. Грохот имеет довольно высокую производительность за счет использования всей поверхности решета, однако знакопеременные динамические нагрузки, вызывающие усталость металла, снижают надежность машин [8, 9]. Преимущества сепараторов зерна с цилиндрическими решетами заключаются в простоте конструкции, отсутствии динамических нагрузок и, как следствие, более высокой надежности [10, 11]. Кроме того, они менее чувствительны к влажности и засоренности очищаемого материала [12]. Ограниченность применения цилиндрических решет связана с низкой пропускной способностью, вызванной использованием в процессе сепарации лишь 1/4-1/6 части поверхности решета. Попытки поднять производительность цилиндрических решет путем увеличения частоты их вращения или повышения удельной подачи зернового материала приводят к образованию кольцевого слоя и нарушению работы [10]. Цель исследования Цель данной работы - повышение пропускной способности сепаратора зерна с цилиндрическими решетами. Материалы и методы Долю площади поверхности решета, используемую в процессе сепарации, можно увеличить за счет одновременного использования двух цилиндрических решет, которые расположены одно в другом и вращаются в противоположные стороны с разными угловыми скоростями [13]. Очищаемый материал, подаваемый на рабочую поверхность вращающегося внутреннего решета 1 (рис. 1, а), образует подвижный слой 4. Слой перемещается в осевом направлении за счет наклона цилиндра. На площади пятна контакта слоя очищаемого материала с решетом зерно проходит через отверстия, а крупные примеси сходят с решета. Благодаря вращению решет в противоположные стороны зерно, прошедшее через отверстия внутреннего решета, поступает на поверхность наружного решета 2, свободную от сформировавшегося на нем слоя очищаемого материала 3. В результате на наружном решете сепарация протекает как в зоне контакта поступающего на него зерна, так и в месте расположения слоя очищаемого материала, что позволяет увеличить используемую площадь решет. Через отверстия наружного решета проходят мелкие примеси, а очищенное зерно сходит с решета. Уменьшение габаритов сепаратора и обеспечение свободного перемещения зернового слоя по рабочей поверхности наружного решета достигаются смещением осей цилиндров решет относительно друг друга по осям х и у на величины Sx и Sy. Индивидуальная настройка внутреннего и наружного решет на оптимальные частоты вращения позволяет согласовать их совместную работу и повысить производительность. Для определения оптимальных параметров и режимов функционирования сепаратора необходимо исследовать процесс совместной работы двух цилиндрических решет, расположенных одно в другом со смещением осей и вращающихся в разные стороны. Исследования математических моделей технологического процесса сепарации зерна двумя цилиндрическими решетами, расположенными одно в другом со смещением осей, проводились с использованием программного обеспечения Microsoft Excel и Mathcad. Экспериментальные исследования выполнялись на сепараторе зерна, показанном на рис. 1, б. Параметры цилиндров определялись исходя из размеров стандартных решет. Во внутреннем цилиндре установлено четыре решета размером 790×990 мм, в наружном - шесть решет. Диаметр внутреннего цилиндрического решета составлял Dв = 505 мм, диаметр наружного Dн = 755 мм. Рабочая длина внутреннего и наружного цилиндрических решет равнялась 1980 мм. Угловые скорости внутреннего ωв и наружного ωн решетных цилиндров изменялись преобразователем частоты электрического тока, а измерялись тахометром ТЭМП. Пропускная способность сепаратора в диапазоне от 8 до 20 т/ч регулировалась положением заслонки питающего устройства экспериментального стенда. Качество очистки зернового материала и потери зерна в отходы определялись по стандартной методике путем разбора проб на ситовом классификаторе УСН-61 в трехкратной повторности. Пробы взвешивали на лабораторных электронных весах CASBEE MV-1200. Результаты и их обсуждение Вначале исследовались закономерность движения очищаемого материала по рабочей поверхности внутреннего решета и прохождение зерна через его отверстия. Для упрощения расчетов рассматривалось движение отдельных зерновок. Изменение угловой скорости Ωв зерновки после попадания на рабочую поверхность внутреннего решета рассчитывалось по предложенной Б.Г. Турбиным [10] формуле: , где ; g - ускорение силы тяжести; Rв - радиус внутреннего цилиндра; - угол трения зерновок о решето; αв - угол текущего положения зерновки на поверхности внутреннего цилиндра (см. рис. 1, а); α0 - угол начального положения зерновки на поверхности внутреннего цилиндра. Попав на внутреннюю поверхность вращающегося цилиндра, зерновка разгоняется до момента выравнивания ее угловой скорости Ωв с угловой скоростью ωв цилиндра. После этого зерновка движется вместе с цилиндром. Синхронное вращение зерновки и цилиндра продолжается, пока трансверсальные составляющие силы трения и силы тяжести не достигнут равенства. После этого зерновка замедляется, а ее угловая скорость на данном этапе подчиняется зависимости: , где αнт - угол начала торможения зерновки. С помощью представленных выше формул рассчитывались значения угловых скоростей Ωв зерновок, попавших на рабочую поверхность внутреннего цилиндра. Вычисления выполнялись при следующих значениях исследуемых факторов: угол начального положения зерновки на поверхности цилиндра α0 = -40…10°; угловая скорость внутреннего цилиндра ωв = 3,14…6,28 рад/с. Угловая скорость наружного решета в расчетах принималась ωн = 2,51…5,02 рад/с. Здесь максимальные значения угловых скоростей ωв и ωн соответствуют предельно допустимой величине показателя кинематического режима цилиндрического решета К = 1 [10]. Полученные расчетные значения угловой скорости Ωв позволяют определить режимы, на которых происходит относительное перемещение зерновки по поверхности решета. Следует отметить, что разность угловых скоростей зерновки и решета еще не гарантирует, что эта зерновка пройдет через его отверстие. Возможно наличие таких зерновок, высокая относительная скорость которых не позволяет им пройти через отверстия, так как за время прохождения зерновки противоположная кромка отверстия ударяет ее и отбрасывает обратно внутрь цилиндра. Определены максимально допустимые значения угловых скоростей внутреннего решета, при которых возможен проход зерновок через отверстия [14]. На основе полученных данных построена поверхность N на рис. 2, отражающая зависимость максимально допустимой угловой скорости ω цилиндрического решета от угловой скорости Ωв зерновки при различных значениях угла αв. Определение минимально допустимых значений угловых скоростей зерновок, при которых возможен их проход через отверстия решета, выполнялось путем рассечения поверхности N горизонтальными плоскостями M, соответствующими принятым частотам вращения цилиндра. Проецируя полученные в результате пересечения поверхностей N и M линии на горизонтальную координатную плоскость, получаем зависимости минимальных угловых скоростей зерновок Ωmin от угла αв. На основе расчетных значений угловых скоростей Ωв с учетом принятых ограничений определялись абсолютные скорости зерновок в момент выхода из отверстий внутреннего решета: , где b - толщина зерновок. Расчетные значения скоростей Vв зерновок в момент выхода из отверстий внутреннего решета для одной из частот его вращения представлены областью А на рис. 3. Поскольку в процессе расчетов рассматривалось движение отдельных зерновок по рабочей поверхности внутреннего решета, а при реальном движении они взаимодействуют с другими зерновками, возникла необходимость проверить адекватность полученных математических моделей. Для этого траектории частиц, проходящих через отверстия внутреннего решета, фотографировали и затем обрабатывали [15]. Значения фактических скоростей зерновок в момент выхода из отверстий внутреннего решета представлены областью Б на рис. 3. Сравнивая расчетную А и фактическую Б области скоростей, можно отметить, что область Б практически вписывается в область А. Сдвиг фактической области скоростей по отношению к расчетной в сторону возрастающих значений αв можно объяснить перемещением зерновок в слое на большую высоту. Меньший разброс фактических значений скоростей при одинаковых значениях αв вызван тем, что при движении в слое угловые скорости Ωв зерновок выравниваются за счет сил внутреннего трения. В целом отметим, что расчетное и фактическое поля скоростей согласуются друг с другом, и полученные результаты применимы для оптимизации совместной работы наружного и внутреннего решет. После выхода из отверстий внутреннего решета зерновки совершают свободный полет до момента касания с рабочей поверхностью наружного решета. Координаты х и у точки касания зерновки с наружным решетом, а также время t свободного полета частицы находили решением системы уравнений: где Sх, Sу - смещение осей наружного и внутреннего цилиндрических решет соответственно по горизонтали и вертикали; Rн - радиус наружного цилиндра. Составляющие абсолютной скорости Vк зерновки в момент касания с наружным решетом по осям х и у равны: Тангенциальная составляющая Vт скорости зерновки в момент касания с поверхностью наружного решета: , где αк - угол, характеризующий положение точки касания. Угловая скорость Ωк, приобретаемая зерновкой в момент касания с поверхностью наружного решета: . На рис. 4 представлена область В угловых скоростей зерновок в момент касания с наружным решетом, рассчитанных при ωв = 5,23 рад/с. Анализ полученных областей показал, что с ростом угловой скорости ωв внутреннего решета длина дуги окружности наружного решета, а значит, и площадь решета, на которой происходит касание зерновок, увеличивается. Так, при изменении угловой скорости ωв от 3,14 до 6,28 рад/с центральный угол Δαк дуги окружности касания зерновок с наружным решетом увеличивается с 66 до 101°. Важно, чтобы частицы зерновой смеси после касания с наружным цилиндрическим решетом начали проходить через его отверстия. Для этого необходимо, чтобы скорости зерновок и решета различались, а относительная скорость зерновок была меньше предельного значения, при котором частица не успевает пройти через отверстие решета. Анализ показал, что первое условие выполняется во всем исследованном диапазоне частот вращения внутреннего и наружного цилиндрических решет. Выполнение второго условия определялось расчетом минимально допустимых (пороговых) значений угловых скоростей зерновок по методике [14]. Пороговые значения угловых скоростей зерновок были совмещены с областями их угловых скоростей в момент касания (см. рис. 4). Установлено, что с ростом частоты вращения наружного решета уменьшается область угловых скоростей зерновок, имеющих возможность прохода через отверстия в момент касания. Однако частица, имеющая после касания с наружным цилиндром угловую скорость ниже порогового значения, ускоряется. Расчеты показывают, что скорость, необходимая для прохода через отверстие, достигается за время перемещения зерновки по дуге цилиндра решета на угол 3-7°. Оптимальные значения угловых скоростей цилиндрических решет составляют: внутреннего ωв = 5,23…6,28 рад/с; наружного ωн = 4,18…5,02 рад/с. В результате длина дуги окружности наружного решета, на которой возможна сепарация от момента касания зерновки до момента ее вхождения в подвижный слой, составляет в зависимости от режимов работы 52-86°. Благодаря этому площадь цилиндрических решет, задействованная в процессе сепарации, увеличивается в 1,34-1,57 раза. Выводы Долю площади поверхности цилиндрических решет, используемую в процессе сепарации, можно увеличить на 34-57% за счет одновременного использования двух цилиндрических решет, которые расположены одно в другом со смещением осей и вращаются в противоположные стороны с разными угловыми скоростями.

About the authors

N. V Zholobov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: zholobovnv@gmail.com
PhD in Engineering Kirov, Russia

A. V Yakimov

Vyatka State Agricultural Academy

Engineer Kirov, Russia

References

Supplementary files