Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ МОМЕНТА В ВИБРАЦИОННЫХ СЕПАРИРУЮЩИХ МАШИНАХ

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в оборудовании агропромышленного комплекса, в частности в технологическом оборудовании зерноперерабатывающих предприятий. Кроме того, изобретение может быть использовано в других отраслях промышленности, связанных с переработкой сыпучих материалов.

Известен способ возбуждения гармонических прямолинейных колебаний силы [1] центробежным вибровозбудителем, содержащим два одинаковых дебаланса, вращающихся вокруг параллельных осей. Оси дебалансов расположены на общем основании. Дебалансы вращаются с одинаковыми по величине угловыми скоростями в противоположных направлениях. Фазировка дебалансов обеспечивает следующее условие: в любой момент времени при одновременной остановке дебалансов они должны располагаться симметрично относительно прямой, проходящей перпендикулярно через средину отрезка, соединяющего оси вращения дебалансов. Следовательно, прямая, перпендикулярная к отрезку, соединяющему оси вращения дебалансов, и делящая расстояние между осями пополам, является осью симметрии двухдебалансного центробежного вибровозбудителя.

Поясним принцип работы данного центробежного вибровозбудителя. При равномерном вращении дебаланса развивается центробежная сила инерции, равная P=mrω². На фиг.1 показано некоторое произвольное положение дебалансов после их поворота из начального положения на угол δ. Разложим силу инерции каждого дебаланса на две составляющие: вертикальную составляющую - Р^В=mrω²cosδ; горизонтальную составляющую - Р^Г=mrω²sinδ. Горизонтальные составляющие сил инерции дебалансов уравновешивают друг друга, а вертикальные составляющие, складываясь, образуют результирующую, равную P_Σ=2mrω²cosδ и направленную вдоль оси, проходящей перпендикулярно через средину отрезка, соединяющего оси вращения дебалансов. Таким образом, результирующая сил инерции дебалансов представляет собой гармонически колеблющуюся вдоль оси симметрии дебалансов силу (прямолинейно направленную силу).

Следует заметить, что развиваемая таким вибровозбудителем гармонически колеблющаяся сила может вызвать прямолинейные гармонические колебания основания, а следовательно, и связанного с ним рабочего органа машины, только в том случае, если ось симметрии дебалансов, вдоль которой сила совершает колебания, проходит через центр масс колеблемой системы.

Известен способ возбуждения гармонических колебаний момента [1] центробежным вибровозбудителем, содержащим два одинаковых дебаланса, вращающихся антифазно вокруг параллельных осей (фиг.2). На фиг.2 показано произвольное положение дебалансов после их поворота из начального положения на произвольный угол δ. Оси вращения дебалансов расположены на общем основании. Дебалансы вращаются с постоянными одинаковыми по величине и направлению угловыми скоростями. Заметим, что вращение дебалансов антифазно означает: в любом произвольном положении дебалансов развиваемые ими центробежные силы инерции равны друг другу по величине и направлены в противоположные стороны, то есть образуют пару сил. В представленном на фиг.2 положении дебалансов развиваемые ими силы инерции образуют пару сил, момент которой равен М=Р×Н=2lmrω²cosδ.

Следует заметить, что создаваемая таким центробежным вибровозбудителем пара сил может сообщить гармонические вращательные колебания основанию, а следовательно, и связанному с ним рабочему органу машины, вокруг оси перпендикулярной плоскости действия пары сил и проходящей через центр масс колеблемой системы в том случае, если оси вращения дебалансов расположены симметрично относительно плоскости перпендикулярной плоскости действия пары и проходящей через центр масс колеблемой системы. На фигуре 2 осевой линией показана линия пересечения таких взаимно перпендикулярных плоскостей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ возбуждения негармонических колебаний силы [2] центробежным вибровозбудителем, содержащим четыре дебаланса, вращающихся вокруг параллельных осей (фиг.3). Оси вращения дебалансов расположены на общем основании. Дебалансы вращаются равномерно и попарно имеют одинаковые по величине угловые скорости противоположного направления. При этом величина угловой скорости первой пары дебалансов вдвое меньше величины угловой скорости второй пары дебалансов, то есть первая пара дебалансов вращается с угловой скоростью ω, а вторая - с угловой скоростью 2ω. Дебалансы, вращающиеся с равными по величине угловыми скоростями, имеют одинаковые дисбалансы, то есть одинаковые по величине произведения неуравновешенной массы m на ее эксцентриситет r относительно оси вращения. Причем дисбалансы дебалансов, вращающихся с частотой 2ω, в четыре раза меньше величины дисбалансов дебалансов, вращающихся с частотой ω. Для упрощения дальнейших рассуждений условимся называть одноименными дебалансы, вращающиеся с равными по величине угловыми скоростями, а отрезок, соединяющий оси таких дебалансов, межосевым расстоянием одноименных дебалансов. Оси вращения одноименных дебалансов расположены симметрично относительно прямой, перпендикулярной межосевому расстоянию. При этом оси вращения первой пары дебалансов и оси вращения второй пары дебалансов расположены симметрично относительно одной и той же прямой. На фиг.3 показано некоторое произвольное положение дебалансов после поворота из начального положения первой пары дебалансов на угол δ, второй пары - на угол 2δ. Как видно из фиг.3, горизонтальные составляющие сил инерции одноименных дебалансов взаимно уравновешивают друг друга. Вертикальные составляющие сил инерции дебалансов, складываясь, образуют результирующую силу Р_Σ=2m₁r₁ω²cosδ+8m₂r₂ω²соs2δ. Таким образом, создается сила, меняющаяся по негармоническому закону, направленная вдоль прямой, представляющей собой ось симметрии расположения осей вращения дебалансов.

Следует заметить, что такая сила способна сообщить основанию и связанному с ним рабочему органу машины прямолинейные негармонические колебания в том случае, если сила проходит через центр масс колеблемой системы.

Использование известных способов сообщения различных видов колебаний рабочим органам сепарирующих машин связано с недостаточно эффективным использованием площади рабочей поверхности: при прямолинейных колебаниях рабочего органа в области торцевой стенки, а при круговых поступательных колебаниях в области торцевой и боковых стенок канала нарушаются условия эффективного протекания процесса сепарирования.

Задача изобретения - совершенствование оборудования для сепарирования зерновых смесей путем сообщения рабочим органам машин негармонических вращательных колебаний центробежным вибровозбудителем.

Поставленная задача решается предлагаемым способом возбуждения негармонических колебаний силы центробежным вибровозбудителем, состоящим из четырех дебалансов, оси вращения которых расположены на общем основании, попарно имеющих одинаковые дисбалансы, определенную фазировку и вращающихся с одинаковыми по величине угловыми скоростями обеспечиваемое передачей синхронизирующей и согласовывающей по фазе вращение дебалансов с передаточным отношением, равным отношению угловой скорости быстровращающихся дебалансов к угловой скорости медленновращающихся, в котором согласно изобретению возбуждение негармонических колебаний момента достигается фазировкой дебалансов, имеющих одинаковые дисбалансы, обеспечивающей параллельность и противоположное направление равных друг другу по величине сил инерции, развиваемых этими дебалансами при их вращении в одном направлении.

Техническим результатом является повышение эффективности процессов сепарирования зерновых смесей. Повышение эффективности разделения зерновых смесей на всех этапах технологического процесса от очистки зерна при приемке до контроля готовой продукции позволяет повысить общий выход и качество продукции, снизить ее себестоимость и улучшить технико-экономические показатели предприятия в целом.

Наиболее распространенный прием компенсации недостаточной эффективности зерноочистительных сепараторов - это последовательный пропуск зерновой смеси через несколько машин одинакового принципа действия, чаще всего одной и той же модели.

Поэтому одно из важных направлений технического прогресса на зерноперерабатывающих предприятиях - совершенствование технологических процессов на основе внедрения новых сепарирующих машин. В последнее время получены высокие показатели эффективности процессов сепарирования при вращательных колебаниях рабочих органов кольцевой формы. На эффективность ситового сепарирования влияют многочисленные факторы. Отметим некоторые из них: размеры и форма ситового канала; способ очистки сит; кинематический режим рабочего органа. В современных сепарирующих машинах недостаточно эффективно используется площадь рабочей поверхности: при прямолинейных колебаниях рабочего органа в области торцевой стенки, а при круговых поступательных колебаниях в области торцевой и боковых стенок канала нарушаются условия эффективного протекания процесса сепарирования. Это объясняется тем, что при колебаниях рабочего органа вследствие силового воздействия стенок на обрабатываемую зерновую смесь в зерновом потоке образуется область, где нарушается самосортирование и ухудшаются условия просеивания. Заметим, что ширина этой области зависит от кинематических параметров колебаний рабочего органа. Очистка ситовой поверхности в современных сепараторах осуществляется шариками или шайбами, которые располагают на специальной поверхности под ситом. При колебаниях рабочего органа очистители, совершая движение, ударяют по ситу, очищая его от застрявших частиц зерновой смеси. Невысокая эффективность очистки сита обусловлена хаотичным движением очистителей, вследствие чего не все участки ситовой поверхности подвергаются их воздействию. Кроме того, существуют отдельные участки ситовой поверхности, которые недостижимы для очистителей вследствие их конструктивного исполнения. Исключить влияние стенок на протекание процесса сепарирования можно путем применения рабочего органа кольцевой формы и сообщения ему вращательных колебаний вокруг вертикальной центральной оси кольца. Сообщение рабочему органу кольцевой формы вращения с наложенными на него вращательными колебаниями вокруг вертикальной центральной оси позволит обеспечить эффективную очистку ситовой поверхности от застрявших частиц зерновой смеси. Очистка сита обеспечивается в этом случае простой установкой под ситовой поверхностью одной или нескольких щеток конической формы. Высокая эффективность очистки сита обусловлена тем, что очистительному воздействию щетки периодически подвергаются все участки ситовой поверхности.

Для сообщения рабочему органу кольцевой формы вращения с наложенными на него вращательными колебаниями может быть использован способ возбуждения негармонических колебаний момента.

Предлагаемый способ возбуждения негармонических колебаний момента основан на использовании центробежного вибровозбудителя, содержащего четыре дебаланса, вращающихся вокруг параллельных осей. Оси вращения дебалансов расположены на общем основании (фиг.4). Дебалансы вращаются равномерно и попарно имеют одинаковые по величине и направлению угловые скорости и одинаковые дисбалансы. Вращение дебалансов должно быть синхронизировано и согласовано по фазе так, чтобы одноименные дебалансы одновременно занимали положения, в которых развиваемые ими центробежные силы инерции были параллельны друг другу и направлены в противоположные стороны. Следовательно, центробежные силы инерции одноименных дебалансов создают пару сил, момент которой переменен по величине, а его величина зависит от положения дебалансов.

На фиг.4 показано произвольное положение дебалансов: дебалансы первой пары, вращающиеся с угловой скоростью ω, показаны при их повороте из начального положения на угол δ; дебалансы второй пары, вращающиеся с угловой скоростью 2ω, показаны при их повороте из начального положения на угол 2δ. Будем считать момент, направленный против часовой стрелки, положительным. Как видно из фиг.4, в рассматриваемом положении силы инерции первой и второй пар дебалансов образуют пары сил, моменты которых положительны. Момент пары, создаваемый силами инерции медленно вращающихся дебалансов (первой пары дебалансов), равен М₁=2l₁m₁r₁ω²cosδ. Момент пары, создаваемый силами инерции быстровращающихся дебалансов (второй пары дебалансов), равен М₂=8l₂m₂r₂ω²соs2δ. Результирующий момент, создаваемый силами инерции первой и второй пар дебалансов, равен М_Σ=2l₁m₁r₁ω²cosδ+8l₂m₂r_2ω ²cos2δ. Как видно, зависимость результирующего момента является негармонической.

Заметим, что центробежные силы инерции одноименных дебалансов создают пару сил при условии их соответствующей фазировки и вращении в одном направлении. Фазировка дебалансов должна обеспечивать выполнение условия: в начальном положении дебалансов центробежные силы одноименных дебалансов параллельны друг другу и направлены в противоположные стороны, то есть создают пару сил. Пара сил создается силами инерции одноименных дебалансов только в том случае, если дебалансы вращаются в одном направлении. При вращении дебалансов в противоположных направлениях это условие нарушается.

Используя известное свойство пары сил, момент пары сил не изменится, если пару перенести в любое другое место ее плоскости или повернуть на любой угол в ее плоскости, можно сделать следующее заключение. Межосевые линии одноименных дебалансов необязательно должны быть параллельны. Заметим, что на рисунке (фиг.4) эти линии показаны параллельными.

Предлагаемый способ возбуждения негармонических колебаний момента может быть использован с целью совершенствования оборудования для сепарирования зерновых смесей.

Устройство с использованием предлагаемого способа работает следующим образом.

Оси вращения дебалансов располагают на общем основании, которое представляет собой горизонтальный диск с вертикальной осью вращения. Ось вращения диска проходит через его центр масс. Дебалансы расположены на основании так, что ось его вращения делит межосевые расстояния одноименных дебалансов пополам (фиг.5). При вращении дебалансов их центробежные силы инерции создают относительно оси вращения основания переменный по величине и направлению момент. Под действием этого момента основание, а значит и связанный с ним рабочий орган получают направленное в среднем вращение с переменным угловым ускорением.

Исходная зерновая смесь непрерывным потоком поступает на опорную поверхность рабочего органа кольцевой формы, ограниченную наружной и внутренней кольцевыми стенками.

Под действием переменных центробежной и тангенциальной сил инерции в слое зерновой смеси, находящейся на опорной поверхности рабочего органа, происходит процесс самосортирования. Результатом процесса самосортирования является погружение мелких и тяжелых примесей в нижние слои зерновой смеси и всплывание крупных и легких примесей в верхние слои. Благодаря такой конфигурации рабочего органа и такого вида его движения исключается отрицательное влияние стенок на эффективность процесса сепарирования.

Мелкие примеси, достигая ситовой поверхности, просеиваются через нее. Мелкие частицы, равновеликие отверстиям ситовой поверхности, застревают в отверстиях сита, снижая эффективность просеивания примесей. При вращательном движении рабочего органа эффективная очистка ситовой поверхности от застрявших мелких частиц достигается с помощью щеток конической формы.

Таким образом, использование предлагаемого способа возбуждения негармонических колебаний момента позволяет повысить эффективность процесса ситового сепарирования вследствие более эффективного использования площади опорной поверхности (исключено отрицательное влияние стенок рабочего органа) и более эффективной очистки ситовой поверхности от застрявших частиц зерновой смеси.

Список литературы

1. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: В.Н.Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1981. - т.4. Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э.Лавендела. 1981. 509 с.

2. Patentschrift №955756 (DFR), К1. 81 е, Gr. 53, Internal К1. В65g, 10.01.1957.