Определение параметров пружин для инерционных качающихся решет

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение параметров пружин для инерционных качающихся решет

В.Е. Кругленя

В.И. Коцуба

А.С. Алексеенко

(Поступила в редакцию 24.06.11)

Аннотация

В статье приведены результаты исследований инерционных качающихся решет, показана зависимость их производительности и степени выделения примесей от коэффициента жесткости пружин и приведены номограммы для определения параметров пружин. С увеличением коэффициента жесткости пружин с 0 до 2, удельная производительность возрастает в 4,5-5,3 раза, а степень выделения примесей сначала увеличивается на 14,2-21,9%, достигая максимума при коэффициенте жесткости пружин 0,4-0,6, а затем снижается на 39,5-44,4%.

Применение разработанных номограмм позволяет определить параметры витых цилиндрических и рессорных пружин для инерционных качающихся решет, а также режимы их работы.

Abstract

The article presents results of research into inertial rocking sieves, shows the dependence of their productivity and admixtures separation degree on the coefficient of springs' stiffness and shows nomograms for the determination of springs' parameters. With the increase in the coefficient of springs' stiffness from 0 to 2, specific productivity increases by 4.5-5.3 times, and the degree of admixtures separation first increases by 14.2-21.9%, reaching its maximum with the coefficient of springs' stiffness of 0.4-0.6, and then reduces by 39.5-44.4%. The application of the developed nomograms helps to determine the parameters of spiral cylindrical and coil springs for inertial rocking sieves and the modes of their work.

Введение

Республика Беларусь входит в пятерку лидеров по производству льняных волокон. Однако она занимает незначительную долю в мировом экспорте льна в первую очередь из-за низкого качества и цен на продукцию.

Отраслевая научно-техническая программа «Научное обеспечение развития льняной отрасли на 2008-2012 гг.» предусматривает научное обеспечение эффективного производства льняной продукции, достижение урожайности волокна не менее 7-10 ц/га, доли длинного волокна в объеме льняного сырья 50% и более, повышение рентабельности продукции на 25-40%, увеличение выпуска конкурентоспособной продукции из льна по параметрам качество - цена, поддержание стратегической безопасности государства [1].

Согласно комплексному бизнес-плану развития льняной отрасли Республики Беларусь на 2011-2015 гг. планируется ежегодно производить 30-35 тонн семян маточной и 1300 тонн элитных семян льна в целях обеспечения товарных посевов семенами не ниже третьей репродукции, обеспечивающими выход 4-5 ц/га семян и не менее 10 ц/га льноволокна.

К сожалению, на сегодняшний день льноводство является убыточной отраслью, несмотря на принимаемые государством меры по повышению эффективности ее работы. Среднегодовое производство льноволокна составило 37,7 тыс. тонн (63% от задания). Урожайность льносемян не превышает 3 ц/га вместо 6-8 ц/га по отраслевому регламенту [2, 3].

Существенное влияние на это оказывает значительная трудоемкость возделывания льна, недостаточный уровень механизации ряда технологических процессов, а также нехватка семян высоких посевных кондиций, которые приходится закупать за рубежом [2]. В настоящее время обеспеченность современной специализированной сельскохозяйственной техникой по комбайновой и раздельной технологиям уборки льна составляет менее 50%. Особенно острая их нехватка сложилась в семеноводческой отрасли, где практически отсутствует новая специализированная высокоэффективная техника и оборудование. Обеспеченность данной отрасли техникой составляет около 12%.

Для снижения энергоемкости процесса переработки льновороха исключительное значение имеет создание машины, объединяющей обмолот, предварительную и основную очистку льносемян [4]. При этом из льновороха необходимо предварительно выделять свободные семена для исключения их травмирования в процессе обмолота, а также легкие и мелкие примеси с целью увеличения производительности очистки.

Анализ источников.

Применение комбинированной воздушно-решетной очистки с плоскими решетами наиболее рационально из соотношения качества сепарации и удельной энергоемкости. Они расходуют в 1,1?1,9 раза меньше электроэнергии на 1 т льновороха, чем пневмосепараторы, и в 1,8?3 раза - чем вибропневмосепараторы. Кроме того, обеспечивают более высокое качество очистки и более универсальны по своим характеристикам. Однако и в их конструкции имеются неиспользованные резервы [5].

Для снижения энергозатрат и повышения эффективности очистки семян нами предлагается применять инерционные качающиеся решета, использующие энергию упругих элементов для обеспечения необходимых колебаний и имеющие возможность индивидуальной настройки каждого решета в зависимости от типа отверстий и условий его работы.

В БГСХА разработан решетный стан с инерционными качающимися решетами, в котором решета установлены с помощью цилиндрических или рессорных пружин [6]. При взаимодействии сил инерции решет и сил жесткости пружин решета получают дополнительные колебания в вертикальной плоскости. Следовательно, увеличивается угол направленности колебаний, приложенный к сепарирующей поверхности, а увеличение этого угла обеспечивает более интенсивное перераспределение компонентов вороха на поверхности решет. Кроме того, частицы движутся с отрывом от поверхности решета при меньших показателях кинематического режима решетного стана, что способствует их более интенсивному выделению на решетах с круглыми отверстиями.

Методы исследования.

В ряде экспериментальных исследований было установлено, что сортировальные и подсевные решета, а также решета с разным типом отверстий (прямоугольные или круглые) имеют различные условия работы и требуют различных кинематических режимов. В существующих решетных станах это трудновыполнимо и обычно они работают с одинаковым кинематическим режимом, что ведет к снижению эффективности их работы.

Инерционные качающиеся решета можно установить в решетном стане независимо друг от друга (рис. 1). При этом, изменяя жесткость пружин и, следовательно, амплитуду колебаний, можно обеспечить оптимальный кинематический режим работы каждого решета [7]. Кроме того, оснастив решетный стан поворотными или сменными скатными досками, можно повысить качество сепарации за счет более полного использования нижних решет, которое достигается подачей материала на начало решета, а также расширить технологические возможности решетного стана за счет реализации различных технологических схем очистки посредством поворота скатных досок [8].

Рис. 1. Схема решетного стана с независимыми решетами и поворотными скатными досками: 1 - корпус решетного стана; 2 - решета; 3 - поворотные скатные доски; 4 - пружины; 5 - дополнительные выводы фракций

Решетный стан работает следующим образом. Семенной материал поступает на решето А верхнего яруса решет 2, на котором разделяется на две фракции. Сход с решета поступает на решето Б, а проход - на поворотную скатную доску 3. При повернутой вверх поворотной скатной доске (показано сплошной линией) проход решета А попадает в выводной лоток I и выводится из машины, а при повороте вниз (показано штрихпунктирной линией) - подается на начало решета В нижнего яруса. Проход решета Б также может подаваться поворотной скатной доской или в выводной лоток II или на начало решета Г нижнего яруса решет. Направители исключают просыпание семенной смеси мимо скатных досок.

Таким образом, на предложенном решетном стане за счет независимой установки решет можно обеспечить оптимальный кинематический режим работы каждого решета. Кроме того, различные технологические схемы очистки и сортировки семян можно обеспечить не только за счет замены решет, как в существующих решетных станах, но и за счет поворота скатных досок. За счет подачи материала на начало решет увеличивается качество сепарации (степень выделения проходовой фракции семенного вороха) на 43,9-67,4% по сравнению с решетными станами без скатных досок, у которых семена, просеявшиеся в конце верхнего решета, не успевают просеяться через нижнее решето.

Основная часть

На удельную производительность решета q_F и степень выделения примесей E значительное влияние оказывает коэффициент жесткости пружин А_p (рис. 2). Точка А_р = 0 соответствует существующим решетам, т.е. без использования пружин (абсолютно жесткие пружины).

Рис. 2. Зависимость удельной производительности решета и степени выделения примесей от коэффициента жесткости пружин:

- удельная производительность решета, q_F, кг/с•м²;

- степень выделения примесей, E

По мере снижения жесткости пружин или с увеличением коэффициента жесткости пружин с 0 до 2 удельная производительность возрастает в 4,55,3 раза, а степень выделения примесей сначала увеличивается на 14,2-21,9%, достигая максимума при коэффициенте жесткости пружин 0,4-0,6, а затем снижается на 39,544,4%.

В зависимости от требуемых параметров производительности решет и степени выделения примесей (рис. 2) определяется коэффициент жесткости пружин, на основании которого определяются параметры пружин.

Коэффициент жесткости пружин учитывает частоту колебаний решетного стана и собственную частоту колебаний пружин:

, (1)

где w - частота колебаний решетного стана, с^-1; p - частота собственных колебаний пружины, с^-1.

Частота собственных колебаний пружин определяется по формуле:

, (2)

где k - коэффициент продольной жесткости пружины, кг/с² [9]; m_р - масса решета, кг.

Коэффициент продольной жесткости определяется по формулам [10]:

для цилиндрических пружин

; (3)

для рессорных пружин

,(4)

где d_В - диаметр сечения витка цилиндрической пружины, м; D_П - диаметр цилиндрической пружины, м; n_В - число витков цилиндрической пружины; G - модуль сдвига, МПа; о_З - коэффициент защемления, показывающий разницу между реальным и теоретическим защемлением рессоры; Е_упр - модуль упругости, МПа; N_р - число рессор; B_р - ширина рессоры, м; д_р - толщина рессоры, м; l_р - рабочая (активная) длина рессоры, м.

На основании уравнений (1-4) можно составить зависимости для определения основных параметров пружин инерционных качающихся решет:

для цилиндрических пружин

; (5)

для рессорных пружин

(6)

Для упрощения расчета конструктивных параметров витых цилиндрических или рессорных пружин, обеспечивающих получение требуемого коэффициента жесткости в зависимости от массы решет и частоты их колебаний, предлагается использование номограмм (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Номограмма для определения параметров витых цилиндрических пружин для инерционных качающихся решет

В первом квадранте номограммы (рис. 3) представлены линии массы решет, во втором - линии частоты колебаний решетного стана, в третьем - линии диаметра сечения витка цилиндрической пружины, в четвертом - линии диаметра цилиндрической пружины.

Приведем пример использования номограммы. Исходные данные: коэффициент жесткости пружины - A_р = 1,5; масса решета - m_р = 5 кг, частота колебаний решетного стана - n_р = 200 об/мин, диаметр сечения витка пружины - d_В = 3 мм, диаметр пружины - D_П = 28 мм.

Для определения числа витков цилиндрической пружины в первом квадранте восстанавливаем перпендикуляр из точки A_p = 1,5 до пересечения с линией m_р = 5 кг и проводим горизонталь до пересечения с линией n_р = 200 об/мин. Из полученной точки опускаем перпендикуляр до пересечения с линией d_В = 3 мм и проводим горизонталь до пересечения с линией D_П = 28 мм и, спроектировав ее на ось N_В, получим число витков цилиндрической пружины N_В = 11.

Подобным образом можно определять и другие параметры, например частоту колебаний решетного стана в зависимости от требуемого коэффициента жесткости пружин и их параметров (диаметра сечения витка, диаметра пружины и числа витков пружины).

В первой части номограммы (рис. 4) представлены линии массы решет, во второй - линии частоты колебаний решетного стана, в третьей - линии толщины рессоры, в четвертой - линии ширины рессоры, в пятой - линии рабочей длины рессоры.

Рис. 4. Номограмма для определения параметров рессорных пружин для инерционных качающихся решет

На показанном примере при коэффициенте жесткости пружины A_p = 1,5, массе решета m_Р = 16 кг, частоте колебаний решетного стана n_Р = 500 об/мин, толщине рессоры ?_Р = 1,5 мм, ширине рессоры В_Р = 20 мм и рабочей длине рессоры l_Р = 15 мм получим число рессор N_Р = 6.

Применение разработанных номограмм позволяет в значительной мере облегчить задачу по выбору параметров пружин для инерционных качающихся решет и режима их работы.

инерционный решето лен пружина

Заключение

1. Очистку семян льна более целесообразно осуществлять на комбинированных воздушно-решетных сепараторах с плоскими качающимися решетами, которые расходуют в 1,1?1,9 раза меньше электроэнергии на 1 т льновороха, чем пневмосепараторы, и в 1,8?3 раза - чем вибропневмосепараторы. Кроме того, они обеспечивают более высокое качество очистки и более универсальны по своим характеристикам.

2. Для снижения энергозатрат и повышения эффективности очистки семян нами предлагается применять инерционные качающиеся решета, использующие энергию упругих элементов для обеспечения необходимых колебаний и имеющие возможность индивидуальной настройки каждого решета в зависимости от типа отверстий и условий его работы. Такие решета можно установить в решетном стане независимо друг от друга, что позволит обеспечить оптимальный кинематический режим работы каждого решета. Кроме того, оснастив решетный стан поворотными скатными досками, можно повысить качество сепарации на 43,9-67,4% по сравнению с решетными станами без скатных досок, а также расширить технологические возможности решетного стана за счет реализации различных технологических схем очистки посредством поворота скатных досок.

3. На удельную производительность решета и степень выделения примесей значительное влияние оказывает коэффициент жесткости пружин. С увеличением коэффициента жесткости пружин с 0 до 2 удельная производительность возрастает в 4,55,3 раза, а степень выделения примесей сначала увеличивается на 14,2-21,9%, достигая максимума при коэффициенте жесткости пружин 0,4-0,6, а затем снижается на 39,544,4%.

4. Применение разработанных номограмм позволяет определить параметры витых цилиндрических и рессорных пружин для инерционных качающихся решет, а также режимы их работы.

Литература

1. Научное обеспечение развития льняной отрасли на 2008-2012 гг.: отраслевая научно-техническая программа, утверждена первым заместителем Министра сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь Н.Н. Котковец 08.05.2007 г.

2. Комплексный бизнес-план развития льняной отрасли Республики Беларусь на 2011-2015 гг. / М-во сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь. Минск, 2010. 160 с.

3. Отраслевой регламент. Возделывание льна. Типовые технологические процессы / Ин-т системных исследований в АПК НАН Беларуси, Минск: 2009. 44 с.

4. Комбинированная молотилка-сепаратор льновороха / В.А. Шаршунов [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №11. С. 13-15.

5. Коцуба, В.И. Основы повышения эффективности работы плоских решет / В.И. Коцуба, А.С. Алексеенко // Аграрная наука - сельскому хозяйству: материалы V Междунар. науч.-практ. конф., Барнаул, 17-18 марта 2010 г. / АГАУ; редкол.: А.Н. Чеботарев [и др.]. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2010. Кн. 2. С. 489-492.

6. Решетный стан: пат. 2437 Респ. Беларусь, МПК B07B 1/36 / В.А. Шаршунов, В.Е. Кругленя, А.Н. Кудрявцев, А.С. Алексеенко, В.И. Коцуба; заявитель В.А. Шаршунов [и др.].№ u20050401; заявл. 30.06.05; опубл. 30.03.05 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2006. №1. С. 201.

7. Решетный стан: пат. 6409 Респ. Беларусь, МПК B07B 1/00 / В.Е. Кругленя, В.И. Коцуба, А.С. Алексеенко, С.Н. Кудрявцев; заявитель УО БГСХА. №u20090874; заявл. 27.10.09; опубл. 30.05.10 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2010. №2.

8. Решетный стан: пат. 4395 Респ. Беларусь, МПК B07B 1/00 / В.Е. Кругленя, А.Н. Кудрявцев, В.И. Коцуба, А.С. Алексеенко, С.Н. Кудрявцев; заявитель УО БГСХА. №u20070668; заявл. 21.09.07; опубл. 30.03.08 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2008. №1.

9. Пановко, Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара / Я.Г. Пановко. Л.: Политехника, 1990. 272 с.

10. Вибрация в технике: справочник: в 6-ти т. / Ред. В.Н. Челомей (пред). Т. 3: Колебания машин, конструкций и их элементов; под ред. Ф.М. Диментберга и К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1980. 544 с.

Размещено на Allbest.ru