Процесс сепарирования в центробежном сепараторе с пульсирующим изменением скорости
На правах рукописи
Семенов Виктор Александрович
ПРОЦЕСС СЕПАРИРОВАНИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СЕПАРАТОРЕ
С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТИ
Специальность 05.18.12 – «Процессы и аппараты пищевых производств»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет»
| Научное руководство: | кандидат технических наук, доцент Яковлев Николай Алексеевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Шаззо Аслан Юсуфович |
| кандидат технических наук Черкасов Сергей Владимирович | |
| Ведущая организация: | Всероссийский научно-исследовательский институт зерна. Кубанский филиал. г. Краснодар |
Защита состоится «13» марта 2012 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.
Автореферат разослан «10» февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.03
кандидат технических наук, доцент Филенкова М.В.
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность проблемы. Одним из приоритетных направлений развития АПК, в последние годы, является создание нового и совершенствование существующего технологического оборудования и технологий для переработки сельскохозяйственного сырья. Актуальность этого направления определена государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 годы, принятой в соответствии с Федеральным законом РФ «О развитии сельского хозяйства» от 29.12.2006 г. № 264-ФЗ.
Сепарирование зерновых смесей и других сыпучих продуктов, как один из основных процессов переработки зерна, широко применяется на предприятиях мукомольной, крупяной, пивоваренной и масложировой отраслей промышленности. Важнейшим фактором для производства является снижение себестоимости и повышение качества работ. Необходимость перехода на современное и высокоэффективное оборудование обусловлена высокими требованиями к качеству зерна, поступающего для переработки. В настоящее время процесс сепарирования сыпучих материалов производится на устаревшем оборудовании, как следствие этого качество получаемого продукта часто не удовлетворяет современным требованиям. Затраты на послеуборочную обработку и хранение зерна составляют от 40 до 60 % общих затрат на его производство. Внедрение зарубежных аналогов технологического оборудования сопряжено с большими материальными затратами. В связи с этим, актуальна проблема создания нового и совершенствования имеющегося на предприятиях России технологического оборудования, позволяющего интенсифицировать процессы сепарирования. Перспективным является переход на высокоэффективное сепарирующее оборудование, у которого выделение частиц через сепарирующую поверхность происходит под действием центробежных сил, намного превосходящих силы тяжести. Поэтому всестороннее теоретическое и экспериментальное исследование центробежных сепараторов, процесса сепарирования, разработка новых, эффективных конструкций сепараторов является актуальной задачей.
Вопросам теоретического и экспериментального исследования процесса сепарирования сыпучих материалов посвящены работы российских ученых В.В. Гортинского, А.Б. Демского, М.А. Борискина, Н.Е. Авдеева и др. Вопросам совершенствования технологического оборудования посвящены научные работы А.Я. Соколова, В.Ф. Журавлева, В.Н. Душина, Е.П. Кошевого.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР КубГТУ (5.8.11-15) «Научное обеспечение развития процессов и оборудования пищевых производств», государственная регистрация № 01201152036.
1.2 Цель работы заключается в научном обосновании процессов сепарирования и разработке новых конструкционных элементов для центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости.
1.3 Задачи исследования:
1. Проведение сопоставительного анализа существующего технологического оборудования для сепарирования сыпучих материалов и определение на его основе наиболее перспективных конструкционных решений зерновых сепараторов.
2. Разработка математической модели движения частицы сыпучего материала для сепаратора с пульсирующим изменением скорости.
3. Разработка новой конструкции центробежного сепаратора с измененными приводами, задающие крутильные колебания барабану и новой конструкции лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей.
4. Определение рациональных значений основных параметров центробежного сепаратора на основе сопоставления результатов численного и экспериментального исследований, влияющих на эффективность процесса сепарирования.
5. Разработка и апробирование аппаратурного оформления процесса сепарирования с использованием новых конструкционных элементов центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости.
1.4 Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Установлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования конструкций сепараторов является создание аппаратов с пульсирующим изменением скорости с сепарированием сыпучих материалов в поле центробежных сил.
2. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения частицы в центробежном сепараторе с пульсирующим изменением скорости, позволяющая проанализировать эффективность процесса сепарирования в зависимости от структуры движения исследуемой частицы в рабочем объеме центробежного аппарата.
3. Разработаны и апробированы новые конструкции приводов для центробежного сепаратора, обеспечивающие крутильные колебания барабана в двух вариантах: с использованием эксцентриков, электромагнитов. Определены технологические параметры сепараторов: подачи материала, скорости вращения барабана, амплитуды и частоты колебаний сита, влияющие на эффективность процесса сепарирования.
4. Исследовано влияние основных параметров центробежного сепаратора: радиуса барабана, амплитуды колебаний, скорости вращения барабана, частоты колебаний, коэффициента трения частицы о стенки барабана на интенсивность и эффективность процесса сепарирования и проведено сопоставление с результатами эксперимента.
5. Разработаны и апробированы новые конструкционные элементы центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости. Разработаны способы и аппаратурное оформление процесса сепарирования.
1.5 Практическая значимость работы определяется тем, что использование полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет улучшить характеристики технологического оборудования для сепарирования сыпучих материалов и, как следствие, интенсифицировать процесс сепарирования. Разработки новых конструкций привода центробежного сепаратора, придающего крутильные колебания барабану, с использованием эксцентриков, привода центробежного сепаратора, придающего крутильные колебания барабану с использованием электромагнитов, лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей, методики определение параметров, влияющих на эффективность процесса сепарирования приняты для разработки рабочей документации и изготовления опытного образца на ООО «Экотехпром» г. Краснодар
Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала; конструкции лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей; привода сепаратора для придания крутильных колебаний с использованием эксцентриков и электромагнитов защищены патентами РФ на полезные модели № 54822, № 60001, № 76828.
Экспериментальная лабораторная установка по сепарированию сыпучих материалов используется для проведения НИР студентами Кубанского государственного технологического университета.
1.6 Автор защищает:
Результаты теоретического и экспериментального исследования методов интенсификации процессов сепарирования в зависимости от параметров движения исследуемой частицы в рабочем объеме центробежного аппарата.
Новые конструкции элементов центробежных сепараторов с измененными эксплуатационными характеристиками, такими как конструкции привода центробежного сепаратора, с использованием эксцентриков; привода центробежного сепаратора, придающего крутильные колебания барабану с использованием электромагнитов; лопастного распределителя сыпучего материала.
1.7 Апробация работы. Результаты диссертационного исследования, были представлены на второй международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронежская государственная технологическая академия, г. Воронеж 2004); на 16-м международном конгрессе по химии и инженерным процессам “Chisa 2004” (Чехия, г. Прага 2004); на всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (КубГТУ: г. Краснодар 2005); «Механики XXI веку» (ГОУ ВПО БрГУ, г. Братск 2006); на 17-м международном конгрессе по химии и инженерным процессам “Chisa 2006” (Чехия, г. Прага 2006).
1.8 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 9 статей, 3 тезиса докладов, в том числе 2 статьи в журнале из перечня ВАК, получено три патента РФ на полезную модель.
1.9 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает 56 рисунков. Основной текст, включая рисунки, изложен на 133 страницах машинописного текста, приложения – на 27 страницах. Список литературы включает 127 наименований.
Автор диссертационного исследования выражает благодарность первому научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Зуеву Павлу Григорьевичу за постановку задачи исследования, оказанную помощь в создании новых элементов центробежных сепараторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены ее цели и задачи, сформулирована научная новизна и практическая ценность исследования.
В первой главе «Технологии очистки зерна. Проблемы моделирования движения частиц в зерновом сепараторе» рассмотрены проблемы и достижения в области сепарирования сыпучих материалов, проведен анализ конструктивных решений и технологических особенностей центробежных сепараторов и их классификация по видам сепарирования. Рассмотрены ситовое, воздушное, воздушно-ситовое, вибрационное, вибропневматическое, виброударное, магнитное, фрикционное, спиральное, оптическое, триерование, центробежное сепарирование (Авдеев Н.Е., Бочкарев А.И., Блехман И.И., Гортинский В.В., Кошевой Е.П., Печерский Е.М., Ульянов А.Ф.).
Несмотря на многообразие видов сепарирования, большинство из них имеют один общий принципиальный недостаток: разделение зерновой смеси происходит под действием гравитационных сил, ограничивающих четкость сепарирования и возможность увеличения производительности сепарирующих машин. Поэтому, одним из наиболее эффективных способов сепарирования сыпучих материалов является центробежное сепарирование, при котором выделение частиц через сепарирующую поверхность происходит под действием инерционных сил, намного превосходящих силы тяжести. Постоянный контакт с сепарирующей поверхностью увеличивает вероятность попадания частиц в отверстия, а большая скорость движения сепарируемого материала обеспечивает высокую производительность центробежных сепараторов. Теоретические и экспериментальные исследования (Авдеев Н.Е., Бочкарев А.И., Блехман И.И., Гортинский В.В., Balogh J., Galambos G.) показали, что поле инерционных сил можно использовать для интенсификации сепарирования зерновых смесей не только по размеру, но и по форме, свойствам поверхности составляющих частиц, их плотности. Повышение эффективности разделения неоднородных систем достигается при этом в результате одновременного использования центробежных, кориолисовых и гравитационных сил. Установлено, что в виброцентробежных сепараторах вертикальным цилиндрическим решетам целесообразнее придавать пульсирующее изменение скорости, при этом 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.
Проведен анализ существующих математических моделей движения частицы в барабане для различных конструкций центробежных сепараторов. Рассмотрены: модель движения частицы в барабане центробежного сепаратора с вертикальной и наклонной осью вращения (Гортинский В.В., Авдеев Н.Е.), модель движения частицы сыпучего материала в барабане цилиндрического сепаратора совершающего возвратно-поступательные движения вдоль оси вращения (Гортинский В.В., Авдеев Н.Е.). Сделаны выводы о целесообразности использования сепараторов центробежного типа с вертикальным цилиндрическим барабаном, вращающимся с пульсирующим изменением скорости. Определены методы интенсификации технологического процесса сепарирования зерна.
Выполненный анализ современного состояния конструкций центробежных сепараторов, теории и математического моделирования технологических процессов сепарирования, позволил обобщить научную информацию по процессам сепарирования в различных центробежных сепараторах.
Приведено обоснования выбора в качестве объекта исследования сепаратора с пульсирующим изменением скорости, способствующего повышению эффективности процесса сепарирования.
Во второй главе «Математическое моделирование технологического процесса для сепаратора с пульсирующим изменением скорости» рассматриваются вопросы математического моделирования процесса центробежного сепарирования в сепараторе с вертикальным цилиндрическим ситовым барабаном. Ситовая поверхность при этом совершает равномерное вращательное движение и гармонические колебания в плоскости перпендикулярной оси вращения.
На первом этапе рассмотрено движение частицы по цилиндрической сепарирующей поверхности центробежного сепаратора (рис. 1). При этом барабан центробежного сепаратора вращается вокруг оси ОZ с пульсирующим изменением скорости с частотой и амплитудой.
На материальную частицу действуют: центробежная сила инерции 
, сила нормальной реакции цилиндра N, сила тяжести G = mg, силы сопротивления движению частицы в системе Охуz F = fN, переносная 
и кориолисова 
силы инерции. Сила трения F направлена противоположно вектору относительной скорости (рис. 1).
Используя законы классической механики, получаем систему дифференциальных уравнений движения частицы по барабану центробежного сепаратора, причем пульсирующее изменение скорости вращение барабана задаем соотношением 
:
(1)
Рисунок 1 – Схема сил, действующих на частицу в барабане центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости.
Область параметров,,, R и f, в которой возможны периодические режимы относительного движения частицы по барабану центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости определяется соотношением:
(2)
Система дифференциальных уравнений (1) решена численно с использованием MATLAB R2006a и Maple 11.
Численный эксперимент проводился для различных параметров,, R, f,.
В результате проведения численного эксперимента были графически построены траектории движения частицы по цилиндрической поверхности (рис. 2) и определены следующие величины характеризующие процесс движения частицы по ситу: z1 – средняя линия траектории частицы;, град – угол отклонения средней линии z1 траектории частицы от вертикальной образующей цилиндра; 2А, м – амплитудное значение колебаний частицы; z1Т, м – перемещение частицы по оси z1 за период Т; 
, м/с – средняя скорость относительного движения частицы.
Как известно вероятность выделения частицы проходовых размеров через отверстие разделительной поверхности в большей мере определяется
а)
б)
Рисунок 2 – Траектория относительного движения частицы (R = 0.25, = 0.06, f = 0.35) при различных значениях параметров а) для различных значений угловой скорости цилиндра, б) для различных значений частоты колебаний.
характером траектории и скоростью ее относительного движения. При прочих равных условиях пропускная способность сепаратора прямо пропорциональна скорости продукта. Поэтому за основные параметры, характеризующие эффективность процесса сепарирования, взяты средняя скорость 
, амплитудное значение колебаний частицы 2А, м.
Анализ рисунков 3 и 4 показывает, что при постоянных значениях параметров,, R, и f увеличение постоянного компонента угловой скорости цилиндра приводит к снижению скорости частицы, вследствие увеличения силы трения, центробежной и кориолисовой сил. Амплитуда колебаний частицы уменьшается незначительно. Таким образом вероятно снижение производительности при сохранении качества сепарирования.
Рисунок 3 – Зависимость 
от, R = 0,25 м; = 0,06 рад; = 55 с-1; f = 0.35
Рисунок 4 – Зависимость 2А от, R = 0,25 м; = 0,06 рад; = 55 с-1; f = 0.35
Результаты исследования влияния колебательной составляющей на движение частицы представлены на рисунках 5 и 6.
При неизменных значениях параметров,, R и f увеличение частоты колебаний цилиндра приводит к увеличению средней скорость относительного движения 
(рис.5) и перемещение частицы вдоль оси z1.
Зависимость амплитудного значения колебаний частицы при движении в барабане (2А) от частоты колебаний при вращении барабана показывает, что параметр слабо влияет на интенсивность процесса сепарирования (рис. 6).
Рисунок 5 – Зависимость 
от, R = 0,25м; = 13 с-1; = 0,06 рад; f = 0.35
Рисунок 6 – Зависимость 2А от, R = 0,25 м; = 13 с-1; = 0,06 рад; f = 0.35
Из анализа результатов проведенных исследований следует, что: 1) угловая амплитуда колебаний оказывает наибольшее влияние на амплитудное значения колебаний частицы при движении в барабане (2А), при постоянном радиусе цилиндра R; 2) при прочих постоянных параметрах, на 
существенно больше влияние оказывает, чем ; 3) при изменении параметра 2 в 2,25 раза, установлено, что учет изменения амплитуды колебаний () при фиксированной частоте колебаний () и, учет изменения частоты колебаний () при фиксированной амплитуде колебаний () приводит к отклонение по 
на величину не превышающую 17 %, а по амплитудному значению колебания частицы при движении в барабане (2А) на величину не превышающую 27 %.
При этом, было учтено, что амплитудное значение углового ускорения цилиндра имеет решающее влияние на динамические нагрузки большинства деталей машины и ее компоновку, а также на способ регулирования технологического режима, и показатель 2 (рис. 7) был принят за основу характеристики колебательной составляющей скорости цилиндра.
Рисунок 7 – Зависимость 
, 
, 2A и от 2; R = 0,25 м; = 13 с-1; = 0,06 рад; f = 0.35
Таким образом, результаты сравнительного анализа, по созданной автором математической модели (1), позволяет на этапе проектирования центробежного сепаратора выбрать наиболее рациональную схему движения частицы в его барабане и выдать рекомендации по интенсификации процесса сепарирования.
В третьей главе «Экспериментальные исследования центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости» рассмотрены вопросы технической реализации экспериментальных исследований. Приведено описание конструкции и принципа действия созданной экспериментальной установки, а также приведена методика и результаты экспериментальных исследований.
Конструкция экспериментального зернового виброцентробежного сепаратора представлена на рис. 8
Несущую конструкцию сепаратора представляют собой верхняя 1 и нижняя 2 рамы, которые скреплены между собой. Ситовой барабан 3 закреплен посредством спиц на приводном валу 4, который закреплен в подшипниковых опорах и опорах скольжения на нижней и верхней рамах соответственно. Загрузочное устройство 5 для подачи зернового материала установлено на верхней раме. Для равномерного распределения зернового материала по ситовому барабану соосно ему установлен вращающийся дисковый разбрасыватель 6, приводимый в движение регулируемым приводом 7. Для удержания и отвода зерновых фракций применяется кожух 8 и наклонные плоскости 9, закрепленные на рамах сепаратора. Регулируемый привод 10, посредством клиноременной передачи сообщает вращение ситовому барабану.
 А-А  | |
| Рисунок 8 – Общий вид и принцип действия экспериментальной установки | |
Для придания пульсирующего изменения скорости используются пружинные ролики 11 (рис. 8), закрепленные на раме, и упоры 12, закрепленные на ободе барабана.
Принцип работы экспериментального сепаратора заключается в следующем: исходный зерновой материал поступает в загрузочное устройство 5, путем регулирования заслонки осуществляется дозирование исходной зерновой смеси. Далее сепарируемый материал попадает на дисковый разбрасыватель 6 (рис. 9), который равномерно распределяет его по стенкам ситового барабана. Причем при помощи регулируемого привода разбрасывателя 7 определяется начальная скорость частиц, траектория схода частиц и наполняемость ситового барабана.
Рисунок 9 –Дисковый разбрасыватель, пружинные ролики и упоры
Далее сепарируемый материал проходит по ситовой поверхности барабана 3, при этом крупные частицы падают вниз и по наклонным плоскостям 9 отводятся из установки. Мелкие частицы просеиваются через сито барабана, удерживаются кожухом 8 и по наклонным плоскостям 9 отводятся из экспериментальной установки.
Для компьютерного управления электродвигателем приводящим в движение ситовой барабан было разработано и изготовлено электронное устройство управления приводом (рис. 10). Данное устройство, оснащенное датчиком обратной связи с электродвигателем, а также USB интерфейсом, позволяет задавать необходимые обороты и поддерживать их независимо от внешней нагрузки.
При экспериментальном изучении движения материальной частицы по внутренней поверхности вертикального цилиндра применен "контактный" способ записи траектории.
Исследования движения модельной частицы проводили в два этапа: 1) при варьируемом значении постоянного компонента угловой скорости цилиндра и неизменных параметрах R,,, f; 2) при варьируемом амплитудном значении углового ускорения 2 и постоянных параметрах R,, f.
Рисунок 10 – Общий вид устройства управления электродвигателем
Результаты проведенных экспериментов представлены на рисунках 11-14.
Расчетные значения вычислены на ЭВМ по системе дифференциальных уравнений (1) при соответствующих кинематических параметрах цилиндра R,,, и значении коэффициента трения модельной частицы f о бумагу. В результате исследований установлена хорошая сходимость теоретических предпосылок с экспериментом. Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 10 %.
При экспериментальном исследовании влияния основных параметров на эффективность процесса сепарирования использовали пшеницу рядовую, прошедшую предварительную очистку и содержащую 5,6 % мелкой фракции (проход решета 2,0 х 20 мм). Эксперименты проводили на цилиндрических решетах с размером отверстий 2,0 х 20 мм.
 |  |
| Рисунок 11 – Сопоставление расчетных и экспериментальных значений скорости частицы при различных скоростях вращения барабана: — – расчет; ґ – эксперимент | Рисунок 12 – Сопоставление расчетных и экспериментальных значений размаха траектории частицы при различных скоростях вращения барабана: — – расчет; ґ – эксперимент |
 |  |
| Рисунок 13 – Сопоставление расчетных и экспериментальных значений скорости частицы при различных амплитудных значениях углового ускорения: — – расчет; ґ – эксперимент. | Рисунок 14 – Сопоставление расчетных и экспериментальных значений размаха траектории частицы при различных амплитудных значениях углового ускорения: — – расчет; ґ – эксперимент. |
Величину удельной нагрузки q (кг/м2с) определяли по балансу полученных фракций
, (3)
где Qсх – количество сходовой фракции, кг; Qпр – количество проходовой фракции, кг; S – площадь сепарирующей поверхности, м2; t – время снятия баланса, с.
Эффективность сепарирования оценивали коэффициентом извлечения мелкой фракции в проход.
Коэффициент извлечения определяли по формуле
, (4)
где Q’пр – количество мелкой фракции, содержащейся в проходе, кг; Q’сх – количество малкой фракции, содержащейся в сходе, кг.
На рисунках 15 и 16 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента извлечения от амплитудного значения углового ускорения 2 при различных значениях и.
Как видно из представленных графиков, зависимость (2) имеет экстремальный характер. По мере увеличения возрастает сила трения и снижается средняя скорость движения продукта вдоль образующей цилиндра, а максимум зависимости (2) смещается в сторону больших угловых ускорений. Увеличивается сила продавливания частиц сквозь отверстия решета и возрастает максимальное извлечение частиц проходового компонента. На рисунках 17 и 18 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента извлечения от удельной нагрузки q при различных значениях 2 и.
Рисунок 15 – Зависимость (2) при различных = 13,1 с-1; q = 0,82 кг/м2с; D – = 48,2 с-1; – = 54,5 с-1; – = 52,4 с-1
Рисунок 16 – Зависимость (2) при различных : q = 0.82 кг/м2с; D – =13,6 с-1; – =12 с-1; – =13,1 с-1; – = 11 с-1; ґ – = 14,1 с-1
Представленные графики показывают, что при различных режимах сепарирования характер зависимости коэффициента извлечения от удельной нагрузки один – монотонное убывание т.к. с увеличением удельной нагрузки увеличивается толщина сепарируемого слоя. Частицы проходового компонента, находящиеся в периферийных слоях, не успевая достичь поверхности решета, идут сходом, снижая коэффициент извлечения.
Рисунок 17 – Зависимость (q) при различных 2: = 13,1 с-1; D – 2 = 120 с-2; – 2 = 180 с-2; – 2 = 150 с-2; – 2 = 210 с-2; ґ – 2 = 90 с-2
Рисунок 18 – Зависимость (q) при различных : 2 = 180 c-2; D – = 12 с-1; – = 13.6 с-1; – = 13,1 с-1; – = 14.1 с-1; ґ – = 11 с-1
В четвертой главе «Апробация центробежного сепаратора с пульсирующим изменением скорости» приведено описание конструкций и принципа действия приводов для центробежного сепаратора, обеспечивающие крутильные колебания барабана и лопастного распределителя сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения
Центробежный сепаратор с инерционным приводом для создания пульсирующего изменения скорости.
Инерционный привод (рис. 19) содержит два дебаланса, расположенные диаметрально друг другу и симметрично оси барабана. Дебалансы закреплены на звездочках цепной передачи, которая приводится во вращение от общей звездочки, закрепленной на оси барабана. Силы инерции и кориолисовы силы, образующиеся при вращении дебалансов, создают дополнительный переменный крутящий момент на барабане, что создает пульсирующее изменение скорости. Ситовой барабан равномерно вращается без осевых вибраций, следовательно, дисковые и щеточные очистители перемещаются по ситовой поверхности без осевого скольжения. Это существенно снижает износ рабочих органов очистителей, а так же ситовых поверхностей. Повышение надежности работы обеспечивается также благодаря тому, что существенно снижается количество подвижных элементов в конструкции сепаратора, снижаются потери на трение.
 Патент № 54822 |  Патент № 60001 |
| Рисунок 19 – Сепаратор с инерционным приводом (поперечный разрез): 1 – корпус; 2 – барабан; 3 – очистители; 4 – центральная звездочка; 5 – дебаланс; 6 – упругий элемент; 7 – водило | Рисунок 20 – Сепаратор с электромагнитным приводом (разрез): 1 – корпус; 2 – барабан; 3 – электромагнит; 4-обод |
Центробежный сепаратор с электромагнитным приводом для создания пульсирующего изменения скорости.
Принцип работы электромагнитного привода заключается в использовании токов Фуко. На барабан (рис. 20) надет фасонный цельнометаллический обод, который входит в прорези, выполненные в сердечниках электромагнитов.
Обод жестко скреплен с барабаном, между ним и электромагнитами существует малый зазор. Электромагниты расположенные вокруг барабана создают переменное электромагнитное поле, под воздействием которого, во вращающемся ободе возникают вихревые токи Фуко. Магнитное поле вихревых токов направлено таким образом, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи, соответственно будет возникать тормозящий момент, создающий пульсирующее изменение скорости. Это означает, что предложенный привод является бесконтактным, а значит, надежность системы очень высока т.к. отсутствует механический износ составных частей. В тоже время существенно облегчается регулировка режимов сепарирования.
Центробежный сепаратор с дисковым лопастным распределителем сыпучего материала.
Центробежный сепаратор (рис. 21) состоит из корпуса 1, установленного в нем ситового барабана 2, состоящего из ряда секций 3. В корпусе расположенны дисковые 4 и щеточные 5 очистители наружной поверхности барабана. На верхней части опорного вала шарнирно закреплен дисковый распределитель 6, связанный через зубчатую передачу 7 с регулируемым электродвигателем 8. На диске распределителя закреплены лопасти 9. Сбоку от барабана размещены патрубки 10 для отвода фракций. Ситовой барабан 2 связан посредством спиц 11 с опорным валом 12. Опорный вал 12 через ременную передачу 13 связан с приводом сепаратора 14.
Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала работает следующим образом. Исходный материал поступает на дисковый распределитель 6 и равномерно, под действием центробежных сил, распределяется по поверхности ситового барабана 2. Разделение на фракции осуществляется за счет принудительного скольжения по ситовой поверхности. Сыпучий материал последовательно проходит ситовые поверхности всех секций 3, в каждой из которых отделяется одна из фракций.
Патент №54822
Рисунок 21 – Сепаратор с дисковым распределителем сыпучего материала
Для регулирования начальной скорости частиц, дисковый распределитель 6 получает вращение посредством зубчатой передачи 7 от регулируемого электродвигателя 8. Лопасти 9, расположенные на дисковом распределителе 6, направляют сепарируемые частицы таким образом, что частица попадает на сито по касательной, что исключает отскок частицы от сита.
ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. На основании проведенного исследования существующего технологического оборудования для сепарирования зерна, установлено, что наиболее эффективными и экономически выгодными конструктивными решениями центробежных сепараторов являются цилиндрические сита с пульсирующим изменением скорости вращения.
2. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения частицы в центробежном сепараторе с пульсирующим изменением скорости, позволяющая проанализировать эффективность процесса сепарирования в зависимости от траектории движения исследуемой частицы. Выполненный теоретический анализ траектории движения частицы в рабочем объеме центробежного сепаратора позволил выбрать наиболее рациональный режим работы и оптимальность его конструкции.
3. Новые конструкции приводов для центробежного сепаратора, обеспечивающие пульсирующее изменение скорости барабана в двух вариантах: с использованием эксцентриков и электромагнитов, а также лопастной распределитель сыпучего материала с изменяемой скоростью вращения и углом наклона лопастей, позволяют регулировать режимы сепарирования, повышают надежность всей конструкции за счет уменьшения механического износа составных частей и позволяют увеличить эксплуатационные характеристики зернового сепаратора. Определены технологические параметры сепараторов: подачи материала, скорости вращения барабана, амплитуды и частоты колебаний сита, влияющие на эффективность процесса сепарирования.
4. Проведены исследования влияния основных параметров центробежного сепаратора: радиуса барабана, амплитуды колебаний, скорости вращения барабана, частоты колебаний, коэффициента трения частицы о стенки барабана на интенсивность и эффективность процесса сепарирования. Сопоставление результатов численного анализа и экспериментальных данных показало, что на эффективность процесса сепарирования влияют: амплитуда колебаний, скорость вращения барабана, частота колебаний барабана.
5. Разработаны и внедрены новые конструкции элементов центробежных сепараторов с увеличенными эксплуатационными характеристиками. Конструкторская техдокументация передана заказчикам для внедрения. Техническая новизна новых конструкций элементов центробежного сепаратора защищена 3 патентами РФ на полезную модель.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Семенов В.А. Приводные устройства центробежных сепараторов / В.А. Семенов, Н.А. Яковлев // Известия вузов. Пищевая технология. – 2009. – № 4. – С. 96–98.
2. Семенов В.А. Моделирование процесса центробежного сепарирования на цилиндрическом сите / В.А. Семенов, Н.А. Яковлев // Известия вузов. Пищевая технология. – 2011. – № 5. – С. 75–78.
Статьи в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в сборниках научных трудов:
1. Семенов В.А. Модель уплотнения сыпучего материала / П.Г. Зуев, А.А. Гергель, Н.А. Яковлев, В.А. Семенов // Научный журнал “Труды КубГТУ”. Т. ХХ. – Сер. Механика и машиностроение. Вып. 2. – Краснодар, 2004. – С. 339–343.
2. Семенов В.А. Центробежное сепарирование сыпучих материалов с использованием крутильных колебаний / П.Г. Зуев, В.Г. Арестов, В.А. Семенов // Матер. второй межд. науч. технич. конф. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». – Воронеж, 2004. – С. 297–300.
3. Semenov V.A. Centrifugal separation of loose material with whirled vibration using / P.G. Zouev, V.G. Arestov, V.A. Semenov // 16th international congress of chemical and process engineering. – Prague, 2004.
4. Семенов В.А. Центробежное сепарирование сыпучих материалов с использованием крутильных колебаний / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Матер. всероссийской науч. практич. конф. с международным участием «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства». – Краснодар, 2005. – С. 487-450.
5. Семенов В.А. Исследование процесса центробежного сепарирования сыпучих материалов / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Сборник докладов V межрегиональной науч. технич. конф. с международным участием «Механики XXI веку». – Братск, 2006. – С. 321–327.
6. Семенов В.А. Приводные устройства центробежных сепараторов для разделения сыпучих материалов / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Сборник докладов V межрегиональной науч. технич. конф. с международным участием «Механики XXI веку». – Братск, 2006. – С. 321–327.
7. Semenov V.A. Research of process centrifugal separation of loose materials / P.G. Zouev, V.G. Arestov, V.A. Semenov // 17th international congress of chemical and process engineering. – Prague, 2006.
8. Semenov V.A. Drive for creation torsion vibration in a centrifugal separator for loose materials / P.G. Zouev, V.G. Arestov, V.A. Semenov // 17th international congress of chemical and process engineering. – Prague, 2006.
9. Семенов В.А. Новые сепараторы для центробежного разделения сыпучих материалов / П.Г. Зуев, В.А. Семенов // Сборник статей и докладов девятой науч. практ. конф. с международным участием «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». – Барнаул, 2006. – С. 39-42.
10. Семенов, В.А. Численное решение задачи моделирования центробежного сепарирования / В.А. Семенов, Н.А. Яковлев, Т.Л. Шапошникова // Сборник трудов преподавателей и студентов факультета КТАС КубГТУ. – Краснодар, 2011. – С. 157-160.
Патенты РФ:
1. Патент на полезную модель 54822 РФ. Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала / П.Г. Зуев, В.А. Семенов. Заявка №2006111560/22 приоритет от 07.04.2006. Зарег. 27.07.2006.
2. Патент на полезную модель 60001 РФ. Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала / П.Г. Зуев, В.А. Семенов. Заявка №2006132997 приоритет от 13.09.2006. Зарег. 10.01.2007.
3. Патент на полезную модель 76828 РФ. Центробежный сепаратор для разделения сыпучего материала / В.А. Семенов, Н.А. Яковлев. Заявка №2008123308 приоритет от 09.06.2008. Зарег. 09.06.2008.
Условные обозначения
, с-1 – частота вращательных колебаний цилиндра;
, м – амплитуда вращательных колебаний цилиндра;
Pn, Н – центробежная сила инерции;
N, Н – сила нормальной реакции цилиндра;
G, Н – сила тяжести;
F, Н – сила сопротивления движению частицы;
P, Н – переносная сила инерции;
Pk, Н – кориолисова сила инерции;
Vотн, м/с – относительная скорость движения частицы;
t, с – время;
, с-1 – частота вращения цилиндра;
z1 – средняя линия траектории частицы;
, град – угол отклонения средней линии z1 траектории частицы от вертикальной образующей цилиндра;
2А, м – амплитудное значение колебаний частицы;
z1Т, м – перемещение частицы по оси z1 за период колебаний;
– средняя скорость относительного движения частицы;
2, с-2 – амплитудное значение углового ускорения цилиндра.
