СПОСОБ СЕПАРАЦИИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОЧИСТКОЙ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к способам и устройствам для воздушной (аэродинамической) сепарации сыпучих материалов и может быть использовано, преимущественно, в сельском хозяйстве для очистки и сортировки семян злаковых, травяных и иных культур на селекционных станциях, в фермерских хозяйствах, в мукомольном и комбикормовом производстве, а также в других отраслях народного хозяйства для разделения загрязненных сыпучих материалов на отдельные фракции.

Из уровня техники известен способ сепарации сыпучих материалов, в том числе и зернового материала, в текучей среде, при котором осуществляют гравитационную подачу частиц, аэродинамическое монотонно возрастающее воздействие на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй для расслоения сыпучей смеси на отдельные фракции, которые гравитационно выходя из зоны аэродинамического воздействия на них, свободно падают вниз и попадают в соответствующие сборники фракций. Особенностью этого способа является то, что перед аэродинамическим воздействием на частицы сыпучей смеси, течение каждой воздушной струи переводят в режим развитой турбулентности путем расширения струй по вертикале до слияния одной струи с другой со сбойной или близкой к ней формой течения и образования в начале каждого межструйного пространства всех смежных струй не менее двух циркуляционных зон, отличающихся друг от друга по величине. Этот способ сепарации осуществляется с помощью аэродинамического сепаратора, содержащего бункер с вибролотком, установленный под ним генератор воздушных струй, пневматически связанный с источником подачи воздуха под давлением и сепарационную камеру, под которой расположены сборники фракций [см. пат. Российской Федерации №2403096 по классам МПК⁶ В07В 4/02, В07В 11/00 опубликованный 10.11.2010 года].

Основным существенным недостатком известного способа сепарации является то, что в процессе разделения сыпучей смеси невозможно извлекать из нее крупные примеси растительного происхождения, в частности, фрагменты колосьев, корневых систем, стеблей, соломы, листьев и т.п. Указанные примеси имеют довольно высокое аэродинамическое сопротивление (парусность). Следовательно, даже имея большой вес, иногда превышающий массу зерен в несколько раз, они (примеси), вместо попадания в первый сборник фракций, предназначенный именно для тяжелых и крупных примесей, подхватываясь потоком воздуха, перемещаются воздушной струей по сепарационной камере и попадают в сборники фракций, предназначенные для уже отсепарированного зернового материала. То есть, при сепарации зернового материала, известный способ не обеспечивает его предварительную очистку, следовательно, не обладает технологической возможностью получения отсепарированного материала требуемого качества.

Указанный существенный недостаток известного способа сепарации зернового материала обусловлен несовершенством конструкции аэродинамического сепаратора, с помощью которого реализуется известный способ. Это связано с тем, что в конструкции сепаратора отсутствует узел, способный предварительно извлекать из сыпучего материала содержащиеся в нем крупные примеси, особенно, растительного происхождения.

Известен также способ сепарации с дополнительной очисткой зернового материала и аэродинамический сепаратор для его реализации, описанные в патентах Украины №88528 и №87489 соответственно, сущность которых заключается в следующем.

Способ сепарации с дополнительной очисткой зернового материала, при котором осуществляется виброгравитационная подача частиц материала, аэродинамическое монотонно возрастающее воздействие на них под острым углом к вертикали каскадом плоских струй для расслоения зернового материала на отдельные фракции, которые гравитационно выходя из зоны аэродинамического воздействия, свободно падают на наклонную решетку и, проходя через нее, попадают в соответствующие сборники фракций, а крупные примеси растительного происхождения остаются на указанной наклонной решетке, с которой направляются за пределы сборников фракций [см. пат. Украины №88528 по классам МПК⁶ В07В 4/02, A01F 12/44 опубликованный 25.03.2014 года в Бюл. №6].

Аэродинамический сепаратор с дополнительной очисткой зернового материала для реализации вышеописанного способа, содержит бункер с вибролотком, установленный под ним генератор воздушных струй, пневматически связанный с источником подачи воздуха под давлением и сепарационную камеру, под которой расположены сборники фракций, а также в средине сепарационной камеры над сборниками фракций расположено устройство для очистки зернового материала, выполненное в виде двухскатной сборной прутковой решетки, консольные концы ветвей рабочих органов которой свободно опираются на опорные поворотные валы с чистиками, расположенными в промежутках между соседними ветвями рабочих органов, причем каждая ветвь представляет собой прямолинейный пруток с крючком на одном конце, с помощью которого ветвь надевается на центральную ось двухскатной решетки, а также расстояние между ветвями в наборе рабочего органа может изменяться с помощью шайб. Угол наклона ветвей рабочих органов может изменяться путем перемещения в вертикальном направлении центральной оси решетки, или горизонтального перемещения поворотных валов в разные стороны [см. пат. Украины №87489 по классам МПК⁶ В07В 4/02, A01F 12/44. опубликованный 10.02.2014 года в Бюл. №3].

Основным недостатком известного способа сепарации является низкое качество конечного продукта, вызванное некачественным разделением на фракции зернового материала. Наличие этого недостатка обусловлено тем, что зерна, после качественного разделения на фракции каскадом воздушных струй, на пути следования в соответствующие сборники фракций, сталкиваются с механическим препятствием - решеткой. Поскольку прутки решетки расположены довольно близко друг к другу (в противном случае крупные примеси будут проходить между прутьями), большая часть зерен, падая на прутья, будут отскакивать от них в хаотическом порядке и попадать в иные сборники фракций, чем предусмотрено технологическими параметрами сепарации. В результате этого наблюдается смешивание зерен и задача разделения зерновой смеси на отдельные фракции не будет полностью решена, следовательно, известный способ не обеспечивает получение конечного продукта сепарации требуемого качества.

Основным недостатком известного аэродинамического сепаратора является постепенное снижение производительности в процессе эксплуатации вследствие несовершенства его конструкции. Наличие указанного недостатка поясняется следующим. Решетка для очистки зернового материала от примесей находится в статическом состоянии, что способствует загрязнению межпруткового пространства соизмеримыми с ним примесями и так называемыми «всадниками» (ломаная солома, V-образные фрагменты колосьев и проч.), что постепенно снижает пропускную способность решетки, следовательно, и производительность сепаратора. Кроме того, поскольку периметр решетки жесткий, вероятность заклинивания зерен между прутками остается довольно высокой, а чистики размещены только лишь в торце решетки, следовательно, способны очищать не более 5% рабочей площади решетки, что еще в большей степени снижает производительность сепаратора, а также вынуждает периодически останавливать его работу для профилактической очистки решетки.

Наиболее близкими по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемыми за прототип, являются способ сепарации с дополнительной очисткой зернового материала и аэродинамический сепаратор «САД» для его реализации, описанные в патентах Украины №118743 и №119017 соответственно, технологическая и конструкторская сущность которых заключается в следующем.

Способ сепарации с дополнительной очисткой зернового материала, при котором осуществляют виброгравитационную подачу частиц материала в зону аэродинамического монотонно возрастающего воздействия на них каскадом плоских струй, отделение крупных примесей и конечное разделение на фракции, причем крупные примеси в смеси зернового материала отделяют и направляют только в первую фракцию или в дополнительный сборник-накопитель одним или несколькими вибропотоками перед виброгравитационной подачей смеси зернового материала в зону аэродинамического воздействия [см. пат. Украины №118743 по классам МПК В07В 4/02, A01F 12/44 опубликованный 28.08.2017 года в Бюл. №16].

Аэродинамический сепаратор с дополнительной очисткой зернового материала с помощью пруткового устройства для реализации вышеописанного способа сепарации, содержащий бункер с вибролотком, установленный под ним генератор воздушных струй, пневматически связанный с источником подачи воздуха под давлением и сепарационную камеру, под которой расположены сборники фракций, при этом прутковое устройство выполнено в виде гребенки, прутки которой имеют концевой загиб верх и через один различную длину или жесткость, установлены консольно в начале вибролотка между ним и выходом из бункера, и снабжены у свободных концов сборником крупных примесей, выполненным в виде одно- или двухскатного виброканала, сообщенного со сборником первой фракции [см. пат. Украины №119017 по классам МПК В07В 4/02, A01F 12/44 опубликованный 11.09.2017 года в Бюл. №17].

Основным недостатком этого способа сепарации с дополнительной очисткой зернового материала является его низкая производительность. Наличие этого недостатка поясняется следующим. Крупные примеси в смеси зернового материала отделяют и направляют в первую фракцию с помощью пруткового устройства, выполненного в виде гребенки. Гребенка не только является устройством для отделения крупных примесей (положительное свойство), но и сама по себе является механическим препятствием для свободного падения зернового материала в вибролоток (отрицательное свойство). При большой подаче зерновой массы из бункера, она не успевает полностью пройти сквозь гребенку и часть зерна по ней сходит в первый сборник фракций, предназначенный для примесей. Чтобы уменьшить это негативное явление, гребенку колеблют вместе с вибролотком. Понятно, чем выше колебания гребенки, тем выше ее пропускная способность. Однако чрезмерное колебание гребенки приводит к тому, что прутки гребенки входят в резонанс и начинают самопроизвольно колебаться с различной частотой, что приводит к подбрасыванию зерен сепарируемого материала, тем самым способствуя их продвижению к консольному концу гребенки и, далее, опять же в первый сборник фракций. Таким образом, чтобы увеличить производительность процесса сепарации необходимо увеличивать частоту колебаний гребенки, но это приводит также к появлению в прутках гребенки автоколебаний, которые препятствуют прохождению зерен через гребенку, периодически подбрасывая их и продвигая к краю гребенки с дальнейшим сходом в первый сборник фракций. То есть возникает классическое техническое противоречие: гребенку надо колебать, чтобы повысить производительность, и, в тоже время, колеблющаяся гребенка способствует потере части сепарируемого материала, смешивая его с примесями и направляя в первый сборник фракций.

Указанный недостаток способа сепарации с дополнительной очисткой зернового материала обусловлен конструктивным недостатком устройства для его реализации, который заключается в следующем. Поскольку гребенка жестко прикреплена к вибролотку, амплитуда и частота колебаний этих устройств одинаковы, причем по всей длине прутков гребенки, а поскольку последние имеют относительно большую длину (на всю длину вибролотка), колебания концов прутков достаточно интенсивное, что и приводит к подбрасыванию на них зернового материала, не позволяя ему просыпаться сквозь прутки, и ускоренно продвигая к первому сборнику фракций, предназначенному для сбора примесей, что, в итоге, приводит к потере сепарируемого материала.

В основу изобретения поставлена задача повышение производительности процесса сепарации с дополнительной очисткой зернового материала путем создания условий для более интенсивного воздействия на сыпучую зерновую смесь за счет ее перераспределения в пространстве и изменения конструкции гребенки и изменения условий ее колебаний по длине.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе сепарации с дополнительной очисткой зернового материала, при котором осуществляют виброгравитационную подачу частиц материала в зону аэродинамического монотонно возрастающего воздействия на них каскадом плоских струй, отделение крупных примесей и конечное разделение на фракции, причем крупные примеси в смеси зернового материала отделяют и направляют только в первую фракцию или в дополнительныйсборник-накопитель одним или несколькими вибропотоками перед виброгравитационной подачей смеси зернового материала в зону аэродинамического воздействия, согласно предложению, отделение крупных примесей осуществляют многоступенчато с интенсивностью, монотонно возрастающей навстречу зерновому потоку и частотой близкой к его резонансу, при этом интенсивность воздействия на зерновой поток в поперечном направлении подчинена гармоничному закону.

Решение поставленной задачи достигается также и тем, что аэродинамический сепаратор с дополнительной очисткой зернового материала с помощью пруткового устройства для реализации вышеописанного способа, содержащий бункер с вибролотком, установленный под ним генератор воздушных струй, пневматически связанный с источником подачи воздуха под давлением и сепарационную камеру, под которой расположены сборники фракций, при этом прутковое устройство выполнено в виде гребенки, прутки которой имеют концевой загиб верх и через один различную длину или жесткость, установлены консольно в начале вибролотка между ним и выходом из бункера, и снабжены у свободных концов сборником крупных примесей, выполненном в виде одно- или двухскатного виброканала, сообщенного со сборником первой фракции, согласно предложению, прутковое устройство выполнено в виде каскада гребенок, которые имеют через один концевые загибы прутков вниз под углом, близким к прямому, при этом начало вибролотка сопряжено с механизмом колебаний, а конец вибролотка имеет упругий подвес.

Благодаря тому, что на входящий поток зернового материала воздействуют многоступенчато, появляется технологическая возможность многократно (на каждой ступени) снова и снова «ворошить» зерновую массу, тем самым, способствуя ее полному прохождению сквозь механическое препятствие (гребенку), исключая возможность попадание зерна в сборник, предназначенный для примесей.

Благодаря использованию каскада гребенок, появляется техническая возможность перераспределить (растянуть) зерновую массу в пространстве и, тем самым, снизить нагрузку на механическое препятствие (на каждую отдельную гребенку), следовательно, появляется техническая возможность увеличить частоту его колебаний, что, в свою очередь, позволяет увеличить пропускную способность каскада гребенок.

Благодаря тому, что конец вибролотка соединен с упругим подвесом, появляется техническая возможность постепенно уменьшать амплитуду колебаний прутков в каскаде (по сравнению с амплитудой колебаний в начале каскада), тем самым уменьшить подбрасывание зернового материала колеблющимися прутками в конце каскада, что приводит к резкому снижению потерь сепарируемого материала за счет снижения рассева прутками зерновой массы.

Благодаря тому, что концы прутков гребенок через один имеют загиб вниз, в гребенке возникают гармоничные колебания в ее поперечном направлении с различной амплитудой колебаний (прямые и изогнутые прутки входят в резонанс при различной амплитуде), что вызывает самоочистку прутков от застрявших между прутками зерен, поскольку поставить в каскад гребенок автономные чистики не представляется возможным.

Таким образом, совокупность всех описанных существенных признаков, характеризующих заявленный способ сепарации зернового материала с дополнительной очисткой и аэродинамический сепаратор для его реализации, полученных благодаря внесению конструктивных изменений в очищающее устройство (каскад гребенок) и изменению процесса колебания каскада гребенок - с постепенным затуханием амплитуды, позволило достичь желаемого технического результата, выражающегося в стабилизации, повышении производительности и качества сепарации зернового материала без каких-либо потерь зерна.

Дальнейшая сущность предложенных технических решений поясняется иллюстративным материалом, на которых изображено следующее: фиг. 1 - вид сбоку на предложенный аэродинамический сепаратор с дополнительной очисткой зернового материала, продольный разрез (стрелками показано направление движение воздушного потока и воздушных струй, точками - зерновой материал); фиг. 2 - каскад гребенок, вид в плане.

Для понимания сущности предложенного способа сепарации с дополнительной очисткой зернового материала, целесообразно вначале рассмотреть конструкцию предложенного аэродинамического сепаратора, позволяющего реализовать предложенный способ.

Предложенный аэродинамический сепаратор с дополнительной очисткой зернового материала содержит бункер 1 для загрузки зернового материала с вибролотком 2, который связан с устройством его колебаний, выполненным в виде эксцентрика 3. Под вибролотком 2 установлен генератор 4 воздушных потоков, связанный с источником 5 подачи воздуха под давлением, и сепарирующую камеру 6. Под сепарирующей камерой 6 расположены сборники фракций 7 (I, II, III, IV, V). Под вибролотком 2 расположен упругий подвес 8.

В начале вибролотка 2 между ним и выходом из бункера 1 установлен каскад гребенок 9, каждая из которых состоит из консольных прутков 10. Прутки 10 гребенках 9 каскада имеют через один имеют концевой загиб, направленный вниз под углом, близким к прямому. Под свободными консольными концами прутков 10 последней гребенки 9 каскада расположен сборник крупных примесей, выполненный в виде двухскатного канала 11, сообщенного со сборником первой фракции 7 (I). В зависимости от конкретных условий эксплуатации, размеров и производительности сепаратора, канал 11 может быть выполнен односкатным, а также он может быть направлен в отдельный бункер накопитель примесей (этот вариант сепаратора не показан).

Принцип работы предложенного аэродинамического сепаратора поясняется совместно с описанием предложенного способа сепарации с дополнительной очисткой зернового материала.

Зерновой материал, подлежащий сепарированию, загружают в бункер 1 аэродинамического сепаратора, откуда он попадает на первую гребенку 9 каскада. Благодаря тому, что каскад гребенок 9 находится над вибролотком 2 и жестко связан с ним, последний, колеблясь сам, приводит каскад гребенок 9 также в колебательное движение. При этом, благодаря тому, что прутки 10 гребенки 9 закреплены консольно (открытый контур), они колеблются автономно. Также, благодаря тому, что виблоток 2 механически связан с упругим подвесом 8, амплитуда колебаний виблотка 2 и каскада гребенок 9 меняется по их длине, уменьшаясь в направлении к упругому подвесу. Также, благодаря чередующимся загибам концов прутков 10, в гребенках 9 возникают поперечные гармоничные колебания, благодаря которым происходит самоочистка гребенок 9 от застрявших между прутками 10 зерен сепарируемого зернового потока. Зерновой материал, проходя через каскад, на первой колеблющейся гребенки 9, распределяется по ней и большая часть его частиц (зерен), за исключением крупных примесей, попадают на вибролоток 2. Оставшаяся часть зерна (не успевшая просочиться сквозь первую гребенку 9) попадает на вторую гребенку 9 каскада, где процесс отделения зерна от примесей продолжается. Если указанный процесс не завершился, что характерно для высокой подачи зернового материала, то остатки зерна сходят на третью гребенку 9, на которой процесс отделения зерен от примесей завершается. (Если необходимо, количество гребенок может быть увеличено до требуемой величины). Весь зерновой материал, прошедший сквозь гребенки 9, собирается в вибролотке 2, откуда он гравитационно подается в сепарирующую камеру 6. Крупные примеси остаются на прутках 10 гребенок 9 и, благодаря их наклону (в соответствии с наклоном вибролотка 2) перемещаются к консольному краю последней в каскаде гребенки 9, и откуда попадают на двухскатный канал 11, по которому самостоятельно (скат) попадают в сборник первой фракции 7 (I) или в отдельный бункер-накопитель (не показан) по соответствующим направляющим ручьям 12. Меняя плавно или дискретно режимы колебания всего каскада гребенок 9, в зависимости от вида, типа и физического состояния сыпучего материала, в том числе и зерновой материала, всегда можно подобрать режим сепарации, обеспечивающий максимальное качество конечного продукта.

Зерновой материал, попадающий в сепарационную камеру 6, под воздействием каскада воздушных струй, выходящих из генератора 3, разделяется на отдельные фракции воздушными потоками, которые попадают в соответствующие для них сборники фракций 7 (II, III, IV, V).

Таким образом, предложенные в данных технических решениях непрерывная очистка зернового материала без снижения производительности работы аэродинамического сепаратора, приводит к получению качественно нового технического результата, в сравнении с известными аналогами, выражающемуся в полной предварительной очистке зернового материала от крупных примесей на пути его следования в сепарационную камеру, где он качественно, поскольку отсутствуют препятствия для дестабилизации воздействия каскада воздушных струй на сыпучую смесь, разделяется на отдельные фракции, причем этот результат достигается без увеличения габаритных размеров сепаратора и дополнительных источников энергии.

Существенное отличие предложенных способа сепарации зернового материала с дополнительной очисткой и аэродинамического сепаратора, с помощью которого реализуется указанный способ, от ранее известных подобных технических решений, заключается в создании благоприятных специальных условий для одновременной очистки и сепарации зернового материала с одной технологической позиции за счет перераспределения зернового потока на каскаде гребенок, давая возможность зернам полностью пройти сквозь гребенки независимо от производительности сепаратора, а также в изменении условий колебания каскада гребенок по его длине и в поперечном направлении. Указанные отличительные особенности, в совокупности, обеспечиваются переменной вибрацией каскада гребенок, которые позволяют перераспределить по своей поверхности каскада всю зерновую массу, благодаря совмещению каскада с вибролотком, расположением гребенок еще до входа в сепарационную камеру и снабжением консольного участка каскада (последней гребенки) одно- или двускатным каналом для отвода крупных примесей за пределы сепарационной камеры, что позволяет получить высококачественный конечный продукт без потерь. Ни один из известных способов воздушной сепарации и аэродинамических сепараторов не могут одновременно обладать всеми перечисленными свойствами, поскольку, либо содержат громоздкие очистители, установленные над бункером (например, см. патенты UA 79394, UA 79394), что приводит к значительному возрастанию размеров сепараторов, либо очистители расположены непосредственно в сепарационной камере, нарушая процесс аэродинамического разделения смеси на отдельные фракции, поскольку становятся препятствием на пути воздушных потоков с заданными параметрами (например, см. патенты RU 2401704, SU 1176976), либо вообще не обеспечивают очистку сепарируемого материала от крупных примесей из-за отсутствия в их конструкциях очищающих приспособлений, что позволяет их считать не способными обеспечить получение конечного продукта требуемого качества, определяемого техническими условиями.

Предложенные технические решения проверены на практике и реализованы в конструкциях серийно изготавливаемого номенклатурного ряда аэродинамических сепараторов серии САД (Сепаратор АэроДинамический), выпускаемых ООО «НПФ «Аэромех».

К техническим преимуществам предложенных технических решений, по сравнению с прототипами, можно отнести следующее:

- повышение качества процесса сепарации за счет предотвращения попадания крупных примесей в сепарационную камеру;

- непрерывность процесса очистки и сепарации за счет придания отдельным элементам (пруткам) узла очисти (каскаду гребенок) персональных автоколебательных движений для исключения возможности заклинивания между ними зерен очищаемого зернового материала;

- возможность придания гребенке колебательных движений без дополнительного затрат за счет того, что она жестко связана с вибролотком;

- стабильность пропускной способности каскада гребенок за счет исключения заклинивания между ее прутками зерен сепарируемого материала;

- увеличение пропускной способности каскада гребенок за счет распределения под действием вибрации зернового материала по всей его поверхности;

- стабильность воздействия каскадом воздушных струй на сепарируемый материал за счет вынесения каскада гребенок за пределы сепарационной камеры;

- отсутствие потерь зернового материала за счет полного прохождения частиц сквозь прутки каскада гребенок, а также за счет затухания колебаний по длине каскада гребенок в сторону последней;

- возможность автоматического отвода крупных примесей еще до входа в сепарационную камеру за счет наличия одно- или двухскатного канала, сообщенного с первым сборником фракций.

Экономический эффект от внедрения предложенных технических решений, по сравнению с использованием прототипов, получают за счет повышения качества готового продукта, увеличение его выхода вследствие отсутствия потерь, снижение затрат на очистку зернового материала и стоимости аэродинамического сепаратора.