Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Сепарирование на хлебоприемных и зерно-иерерабатывающих предприятиях 10
1.2. Обзор центробежных сепараторов 15
1.3. Виброцентробежные сепараторы с верти кальной осью вращения рабочего органа 22
1.4. Работы по изучению движения частицы по сепарирующей поверхности центробежных сепараторов 39
1.5. Основные выводы и задачи исследований 40
2. Теоретические предпосылки движения частицы по внутренней поверхности вертикального цилиндра, вращающегося с постоянным и гармоническим компонентами угловой скорости 43
2.1. Описание процесса 43
2.2. Обоснование теоретической модели 45
2.3. Вывод дифференциальных уравнений относительного движения материальной частицы 45
2.4. Относительное движение материальной частицы. Анализ результатов расчета на ЭЦВМ 52
2.4.1. Влияние постоянного компонента угловой скорости цилиндра 52
2.4.2. Влияние угловой амплитуды колебаний цилиндра 54
2.4.3. Влияние частоты колебаний цилиндра 54
2.4.4. Влияние радиуса цилиндра 60
2.4.5. Влияние коэффициента трения частицы о внутреннюю поверхность цилиндра 60
3. Экспериментальное исследование 64
3.1. Задачи исследования 64
3.2. Экспериментальная установка 64
3.3. Общая методика обработки экспериментальных данных 68
3.4. Исследование движения материальной частицы по внутренней поверхности цилиндра 68
3.4.1. Измерительные устройства и приборы 68
3.4.2. Обоснование и выбор модельных частиц 71
3.4.3. Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных 71
3.4.4. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных 74
3.5. Определение эффективности калибрования зерна пшеницы и выбор оптимальных пара« метров процесса и рациональной высоты цилиндра 74
3.5.1. Измерительные устройства и приборы 74
3.5.2. Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных 77
3.5.3. Результаты экспериментов и выбор оптимальных параметров процесса калибрования и рациональной высоты цилиндра... 78
3.6. Исследование влияния нагрузки на среднюю скорость относительного движения зерновой смеси 92
3.6.1. Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных 92
3.6.2. Результаты экспериментов 93
3.7. Определение эффективности извлечения недоразвитых зерен риса и определение оптимальных параметров процесса сепарирования 95
3.7.1. Методика экспериментов и обработки экспериментальных данных 95
3.7.2. Результаты экспериментов и выбор оптимальных параметров процесса сепарирования 97
4. Практическое применение результатов исследования 103
4.1. Возможные аспекты применения виброцентро-бежного сепаратора 103
4.1.1. Калибрование зерна пшеницы 103
4.1.2. Извлечение недоразвитых зерен риса 104
4.2. Методика расчета параметров процесса в виброцентробежном сепараторе 105
4.3. Расчет экономической эффективности от использования виброцентробежного сепаратора в производстве 107
Общие выводы 113
Литература 118
Приложения 131
- Работы по изучению движения частицы по сепарирующей поверхности центробежных сепараторов
- Вывод дифференциальных уравнений относительного движения материальной частицы
- Исследование движения материальной частицы по внутренней поверхности цилиндра
- Методика расчета параметров процесса в виброцентробежном сепараторе
Введение к работе
"Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы" / I. с. 139 /.
За счет улучшения качества посевного материала, повышения I плодородия почв и урожайности, в одиннадцатой пятилетке намечается увеличить среднегодовое производство зерна до 238 - 243 млн. тонн / I /, а к 1990 году довести до 250 - 255 млн. тонн / 2 /.
С увеличением производства зерна и повышением требований к качеству его очистки возникает необходимость в создании высокопроизводительных и эффективных сепарирующих машин, способных в короткий срок и без потерь обработать зерно, поступающее на хлебоприемные и зерноперерабатывающие предприятия.
В поисках путей повышения эффективности процесса сепарирования возрос интерес к центробежным сепараторам, в которых разделение зерновой смеси происходит под действием инерционных сил, намного превосходящих силы тяжести. Теоретические и экспериментальные исследования Н.Е.Авдеева / 10, II /, А.В. Барилла / 18, 19 /, Е.С. Гончарова / 38, 39 /, Я.И. Лейкина / 63, 64 /, М.Н. Летошнева / 65 /, А.Ф. Ульянова /97, 98 / и ряда зарубежных исследователей / 116, 119 / показали, что по сравнению с гравитационными, центробежные сепараторы обеспечивают более четкое разделение зерновой смеси при повышенной удельной производительности.
Разработано большое количество дисковых, лопастных, кони - б ческих и цилиндрических центробежных, виброцентробежных и виб-ропневмоцентробежных сепараторов с вертикальной, горизонтальной или наклонной осью вращения рабочего органа, которые по функциональному назначению можно разделить на три группы. В частности, для разделения частиц зерновой смеси по форме и свойствам поверхности, по индивидуальной плотноети частиц и по размерам.
Сепарирование по размерам - одна из самых распространенных технологических операций на хлебоприемных и зерноперераба-тывающих предприятиях. Поэтому большинство работ посвящено созданию и исследованию центробежных сепараторов третьей группы, ереди которых наибольший интерес представляют виброцентробежные сепараторы с вертикальной осью вращения цилиндрического решета.
Несмотря на многообразие конструктивных форм, виброцентробежные сепараторы пока не нашли широкого применения на зернопе-рерабатывающих предприятиях и лишь в последние годы отечественной промышленностью начато серийное производство сепаратора / ИЗ / с цилиндрическим решетом, совершающим колебания вдоль вертикальной оси вращения.
Сложившееся положение объясняется тем, что при осевых, пространственных или радиальных колебаниях рабочего органа возникают силы инерции, для уравновешивания которых необходимы дополнительные устройства, усложняющие конструкцию сепаратора и снижающие его эксплуатационную надежность.
В результате анализа предшествующих работ установлено, что рабочему органу виброцентробежного сепаратора целесообразнее сообщать вращательные колебания, при которых центр масс ротора остается неподвижным. В этом случае упрощается конструкция подшипниковых узлов, очистительных и питающих устройств, ликвидируются инерционные нагрузки на детали и фундамент сепаратора.
Несмотря на перспективность этого направления его развитию уделено недостаточное внимание. Разработанные модели виброцентробежных сепараторов / 107, НО, 117 / имеют ряд конструктивных недостатков, а процессы в них еще не изучены.
Первым этапом работ, предпринятых кафедрой иТеория механизмов и машин" МТЙШ в создании виброцентробежного сепаратора с цилиндрическим решетом /47, 96 /, вращающимся с постоянным и гармоническим компотентами угловой скорости, являлось научное обоснование и создание дифференциального привода / 115 /, исследованного М. Гурбановым / 50, 51, 52, 105, 106 /. Второй этап - исследование процесса в цилиндрическом решете составляет предмет нашей диссертации.
Работы по изучению движения частицы по сепарирующей поверхности центробежных сепараторов
Эффективность разделения сыпучего материала зависит от характера движения частиц по сепарирующей поверхности рабочего органа. Поэтому, изучение законов относительного движения сыпучего материала в зависимости от его физико-механических свойств, конструктивных и кинематических параметров виброцентробежного сепа« ратора, является первоочередной задачей теории вибрационного сепарирования . Изучением движения частиц по сепарирующей поверхности рабочих органов центробежных сепараторов занимались Н.Е. Авдеев / 3, 4, 10 /, А.И. Бочкарев /26, 27 /, М.И. Васильковский / 32 /, E.G. Гончаров / 39, 41 /, М.В. Киреев / 59 /, И.Н. Попко / 87 /, А.Ф. Ульянов / 97, 101 /, А.Г. Шуляков / 103, 104 / и многие другие авторы, Н.Е. Авдеевым / 10 / предложен общий метод динамического исследования движения частицы по сепарирующему рабочему органу с произвольной поверхностью вращения. Кроме того, рассмотрен порядок составления дифференциальных уравнений относительного движения частицы в центробежных сепараторах с конкретной формой рабочего органа. Теоретические и экспериментальные исследования законов относительного движения сепарируемой смеси позволяют выбрать рациональную форму рабочего органа, разработать методику расчета и выбрать оптимальные кинематические параметры процесса сепарирования Несмотря на актуальность изучения законов вибрационного перемещения, задача о движении частицы во внутренней поверхности вертикального цилиндра, вращающегося с постоянным и гармоническим компонентами угловой скорости,еще не решена.
В работах В.В. Андронова /13, 14, 15, 16 / рассмотрена и решена задача о движении частицы по шероховатой наклонной плоскости, совершающей поступательные поперечные колебания. При вращательных колебаниях вертикального цилиндрического решета задача о движении частицы, с учетом действия силы инерции Кориолиса, значительно усложняется. В результате обзора литературных данных и анализа конструкций центробежных и виброцентробежных сепараторов установлено следующее . I. Несмотря на многообразие сепарирующих машин хлебоприемных и зерноперерабатывающих предприятий, большинство из них имеют один общий принципиальный недостаток: разделение зерновой смеси происходит под действием гравитационных сил, ограничиваю щих четкость сепарирования и возможность увеличения производительности сепарирующих машин. 2. Для повышения эффективности процесса сепарирования можно использовать центробежные силы, легко поддающиеся регулированию в широких пределах. 3. В центробежных сепараторах разделение зерновой смеси происходит под действием инерционных сил, намного превосходящих силы тяжести, а большая скорость относительного движения продукта обеспечивает высокую производительность сепараторов. 4. При разделении зерновой смеси по размерам (толщина, ширина) наиболее эффективными являются виброцентробежные сепараторы с вертикальной осью вращения цилиндрического решета, 5. Ври осевых, пространственных или радиальных колебаниях рабочего органа возникают дополнительные силы инерции, усложняющие конструкцию виброцентробежного сепаратора и снижающие его эксплуатационную надежность. 6. В виброцентробежных сепараторах вертикальным цилиндрическим решетам целесообразнее сообщать вращательные колебания, при которых центр масс рабочего органа остается неподвижным. Ликвидируются инерционные нагрузки на фундамент, облегчаются условия работы подшипниковых узлов, упрощается конструкция очистителей и устройств, обеспечивающих подачу исходной смеси на внутреннюю поверхность цилиндра.
Вывод дифференциальных уравнений относительного движения материальной частицы
Рассмотрим плоскую материальную частицу, находящуюся на внутренней поверхности вертикального цилиндра (рис. 2.2), вращающегося по закону где Q - постоянный компонент угловой скорости цилиндра, рад/с; І - угловая амплитуда колебаний, рад; СО - частота колебаний, с . Дифференцируя (2.1) по времени, определим угловую скорость и ускорение цилиндра Для упрощения математической модели (см. приложение 5) начало переносной системы прямоугольных координат О » X , У , Z , вращающихся вместе с цилиндром, расположено на его внутренней поверхности. Ось У направлена по радиусу от оси вращения, а оси X и Z расположены в касательной плоскости, причем ось Ж направлена по вертикальной образующей цилиндра вниз.
На материальную частицу действуют: центробежная сила инерции Рп - /77/Ру? , нормальная реакция цилиндра J/ , сила тя-жести &s/7?g, переносная РТ = ткУ и кориолисова i 2/77 x силы инерции. Сила трения FmfJ/ направлена противоположно вектору относительной скорости V0mH s Vкг+ І2 и образует с осью X угол оС , причем Таким образом, при движении частицы в положительном направлении оси X , дифференциальные уравнения относительного движения, в проекциях на оси координат О , х , у , г имеют вид f - коэффициент трения, характеризующий сопротивление движению частицы по поверхности цилиндра; X, г - проекции относительной скорости на оси X и г ; О - ускорение силы тяжести. При безотрывном движении частицы У = 0; У = 0 и l-J/\ 0 , что позволяет из второго уравнения системы (2.5) определить нормальную реакцию Л/ Подставляя значение Л/ из уравнения (2.6) в систему уравнений (2.5), после сокращения на т , получим
С учетом (2.2) и (2.3), система дифференциальных уравнений (2.7) примет вид Определим область параметров Q , CO , , Я ж , в которой возможны периодические режимы относительного движения частицы. При отсутствии колебательного компонента угловой скорости цилиндра { а)в0 ), неподвижная частица может начать относительное движение под действием силы тяжести, если выполнено условие откуда
Исследование движения материальной частицы по внутренней поверхности цилиндра
Для определения амплитудного значения углового ускорения цилиндрического решета й) на шкиве 9 (рис. 3.2), жестко соединенном через вал 22 и розетку 7 с цилиндрическим решетом 4, расположен монтажный диск 5 с тензоакселерометром, общий вид и схема подключения которого даны на рис. 3.3. Тензоакселерометр состоит из двух упругих пластин I, жестко соединенных между собой через призмы 2 и 3. Нижняя призма 2 служит основанием для крепления тензоакселерометра на монтажном диске 5, а верхняя призма 3 является инерционной массой, вызывающей изгиб пластин при колебаниях тензоакселерометра. На упругих пластинах, в зоне их наибольших напряжений от изгиба, наклеены тензорезисторы 4 типа КФ5ЇЇІ с базой 3 мм номинальным сопротивлением В - 400 ом, которые подсоединены к усилителю 6, соединенному с токосъемником 7. Для устранения искажений при регистрации ускорений между усилителем и самописцем подключен фильтр KF - 102, RF Г . Тензоакселерометр закреплен на монтажном диске так, что плоскость изгиба упругих элементов расположена по касательной к траектории точки закрепления. Частоту колебаний цилиндрического решета а) замеряли цифровым тахометром ТЦ - ЗМ. Ускорение цилиндра регистрировали с помощью одноканального самописца Н338 - Ш, фиксирующего отклонение пера. Тарировка тензоакселерометра проведена на лабораторной установке с гармоническими прямолинейными колебаниями рабочего органа (приложение 3). Тарировочный график зависимости амплитудного значения углового ускорения цилиндра 60 от максимального отклонения стрелки і получен пересчетом где А - амплитуда прямолинейных колебаний рабочего органа, м; Г - радиус траектории точки крепления тензоакселерометра, м. При экспериментальном изучении движения материальной частицы по внутренней поверхности вертикального цилиндра применен "контактный" способ записи траектории, сущность которого заключается в том, что модельная частица, перемещающаяся по поверхности цилиндра, оставляет на ней характерный след Применяемые нами модельные частицы изготовлены из прессованного синтетического волокна.
В целях приближения условий движения частицы к реальным условиям движения зерновки, модельные частицы имеют массу /77 , равную массе зерновки пшеницы, идентичные с ней геометрические параметры и близкое значение коэффициента трения f . Поскольку при относительном движении частиц возможны случаи заклинивания их в отверстиях решета, экспериментальные исследования проводили на цилиндрическом решете, внутренняя поверхность которого обклеена бумагой. Для обеспечения достаточно четкой траектории относительного движения модельные частицы пропитывали чернилами. Значение коэффициента трения модельной частицы по бумаге, необходимое для расчета и сопоставления с результатами эксперимента, определяли по формуле (2.9) (приложение 4). При проверке теоретических предпосылок экспериментально исследовали влияние постоянного компонента угловой скорости цилиндра 52 и амплитудного значения углового ускорения ФСОг на относительное движение частицы. Исследования проводили в два этапа.
Методика расчета параметров процесса в виброцентробежном сепараторе
Исходными данными для проектирования виброцентробежного сепаратора являются: - производительность, Ц, ; о - натурная масса сепарируемого материала, J3 кг/м ; - коэффициент трения частиц о решето, f ; - размер отверстий решета; - состав исходной смеси (сход, проход); - требуемый эффект сепарирования по значению коэффициента извлечения частиц проходового компонента,f %; - сила Р кг/вг, необходимая для продавливания через отверстия решета "трудных зерен" (частиц проходового компонента застрявших при сепарировании в отверстиях плоского решета). Рекомендации к методике расчета парамет ров процесса Исходя из анализа результатов экспериментальных исследований, высоту цилиндрического решета Н принимаем равной 0,5 м. При средней скорости движения продукта вдоль образующей цилиндра 2ц- 0,15 - 0,20 м/с, толщина сепарируемого слоя не должна превышать 0,01 - 0,015 м. Расчет экономической эффективности выполнен в соответствии с "Методическими указаниями по определению экономической эффективности использования в системе Министерства заготовок СССР новой техники, изобретений и рационализаторских предложений", утвержденными Минзагом СССР 10 ноября 1978 года.
Экономический эффект от применения виброцентробежного сепаратора для извлечения недоразвитых зерен риса, определен в сравнении с дуоаспиратором СТ - 121, который применяется для сепарирования относов воздушных сепараторов в зерноочистительном отделении Славянского рисозавода (Краснодарский край). В существующей технологической схеме, аспирационные относы сепарируются на двух последовательно установленных дуоаспи раторах, в которых при нагрузке 2,0 т/ч эффективность извлечения недоразвитых зерен риса, по данным лаборатории ТХК Славянского рисоцеха и лаборатории сепарирования ВНИИЗ, не превышает 30 - 38 %. Для повышения эффективности извлечения недоразвитых, зерен риса и сокращения потерь основного зерна с отходами, предполагается заменить два последовательно установленных дуоаспиратора двумя параллельно установленными виброцентробежными сепараторами, обеспечивающими 75 - 85 % извлечения недоразвитых зерен риса. Экономическую эффективность определяем по формуле (5а) Т2 С учетом коэффициента —=— - 2,5, характеризующего повыше ние эффективности извлечения недоразвитых зерен риса, где Ту - эффективность выделения недоразвитых зерен риса на дуоаспираторе CT-I2I, равна 30 %; То - эффективность выделения недоразвитых зерен риса на виброцентробежном сепараторе равна 75 %; Цт = 512 руб. - оптовая цена базового изделия - двуоаспи ратора CT-I2I; ІІ2 - оптовая цена новой техники - виброцентробежного сепаратора. В соответствии с "Методикой определения оптовых цен и нормативов чистой продукции на новые машины, оборудование и приборы производственно-технического назначения" Госкомитета СССР по це нам, лимитная цена новой продукции рассчитывается по формуле где С - себестоимость по стадиям проектирования; Пн- нормативная прибыль; для отрасли продовольственного машиностроения IL = 12 % к полной себестоимости. Тогда Для оценки предварительного уровня себестоимости виброцентробежного сепаратора, используем метод удельных показате -лей материальных и трудовых затрат, взяв за основу цену цельнометаллического бурата ЦМБ-3, равную 662 руб. По сравнению с буратом, виброцентробежный сепаратор имеет приблизительно такую же массу (300 кг), обладает в двое большей производительностью и его конструкция, незначительно усложняется за счет дифференциального привода. Таким образом, есть основания предполагать, что себестоимость виброцентробежного сепаратора будет соответствовать стоимости цельнометаллического бурата с учетом масс Лимитная цена виброцентробежного сепаратора с учетом нормативной прибыли составит Экономическая обоснованность уровня лимитной цены проверяется по формуле
