СПОСОБ СОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ПОРЦИОННЫЙ СПОСОБ ДВИЖЕНИЯ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD OF SORTING LOOSE MATERIALS, DEVICE TO THIS END, AND METHOD OF BATCH DISPLACEMENT OF LOOSE MATERIAL

Способ и устройство сортирования сыпучих материалов могут быть использованы при очистке и сортировании зерна и его продуктов переработки в сельском хозяйстве, а также в химической и обогатительной промышленности при разделении сыпучих материалов.
Данный способ основан на использовании нового порционного авторезонансного вида движения сыпучей среды в горизонтальном вращающемся цилиндрическом решете, позволяющем повысить интенсивность и качество разделения.
Теория и практика использования горизонтально вращающихся цилиндров (барабанов), решет на протяжении прошлого века и до настоящего времени рассматривает следующие основные виды движения сыпучей среды в цилиндре: челночный, перекатный (некоторые авторы называют его каскадным), водопадный, смешанный (сочетание перечисленных видов движения) и трубчатый (фиг.1).
Основные вопросы, касающиеся режимов движения сыпучей среды в горизонтальных цилиндрах изложены в работах:
1. Андреев, С.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / С.Е.Андреев, В.А.Перов, В.В.Зверевич. - М.: Недра, 1980. - 415 с.
2. Коротич, В.И. Теоретические основы окомковывания железорудных материалов / В.И.Коротич. - М.: «Металлургия», 1966. - 151 с.
3. Олевский, В.А. Размольное оборудование обогатительных фабрик. / В.А.Олевский. - Госгортехиздат, 1963.
4. Сланевский, А.В. Классификационная схема режимов движения сыпучей среды во вращающемся барабане / А.В.Сланевский, И.И.Лабунина, Л.Г.Бернштейн, А.А.Сланевский // Цемент. - 1992. - Вып. №3. - С.70-77.
Приведем теоретическое обоснование нового порционного авторезонансного вида движения вида движения сыпучего материала в равномерно вращающемся горизонтальном цилиндре. Для этого используем работы:
5. Патрин, В.А. Напряженное состояние сыпучего тела в горизонтальном вращающемся цилиндре / В.А.Патрин, А.В.Патрин // Мех. и электр. с.-х. - 2002. - №11. - С.11-13.
6. Малинецкий, Г.Г. Математические основы синергетики / Г.Г.Малинецкий. - М.: Книжный дом «Либроком», 2009. - 312 с.
Описать поведение системы «вращающийся цилиндр - сыпучая среда» детерминистским способом не представляется возможным, поэтому используем бифуркационный анализ и термодинамические потенциалы, применяемые в синергетике и позволяющие определить, предсказать поведение диссипативной системы в зависимости от величины силового поля и физико-механических свойств сыпучей среды.
Фазовое состояние сыпучей среды во вращающемся цилиндре описывается динамическим уравнением вида
где функция (u) является потенциалом силового поля в цилиндре, а точку, в которой производная по Х равна нулю - критической точкой или точкой бифуркации, где система в зависимости от сочетания факторов, приведенных в скобках уравнения (1), может выбрать другой путь развития. На фиг.1 эти точки обозначены 1-2-3-4.
ц
1
2
2
Где К=ωR/g - коэффициент центробежности; ω, R, g - угловая скорость, радиус цилиндра и ускорение силы тяжести, соответственно; ε - степень заполнения цилиндра сыпучей средой; f - коэффициент трения сыпучей среды о внутреннею поверхность цилиндра; f - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства сыпучей среды.
ц
Главным управляющим фактором, определяющим состояние системы, является число оборотов цилиндра, создающее силовое поле, в котором находится сыпучая среда. Все другие параметры в уравнении (1) могут изменяться как случайные явления, переводя систему из одного состояния равновесия в другое, при этом изменяется вид движения сыпучей среды. Наши исследования показали, что на сыпучую среду, вращающуюся вместе с цилиндром, действуют пульсирующие и качающиеся овалы нормальных напряжений. В нижней точке цилиндра среда сжимается, при К=1 силовым полем R=2g, а в верхней оказывается в невесомости R=0. Силовое поле вращающегося цилиндра совершает гармонические колебания.
В синергетике используется понятие аттрактора - особых точек поверхностей, множеств в фазовом пространстве, способных притягивать, управлять состоянием, движением системы. В данном случае аттракторами является центр силового поля и эквипотенциальные поверхности (фиг.2).
ц
ц
ц
с
Центр силового поля лежит на вертикальном диаметре, на расстоянии от оси вращения цилиндра, равном: -R/К. Для всех К<1 за пределами окружности, а при К>1 внутри окружности цилиндра. Необходимо учитывать толщину зернового слоя в цилиндре. Каждый элементарный слой имеет свое значение R, следовательно, и свои центры силовых линий на отрезке вертикального диаметра.
2
2
2
Эквипотенциальные поверхности имеют для всех ее точек равные ускорения и равную потенциальную энергию. Эквипотенциальные поверхности в сечении имеют вид концентрических окружностей, проведенных любым радиусом из центра силового поля, описываемых уравнением у-х+2yg/w+с=0.
в
Сыпучая среда с цилиндром представляют собой подобие энерготрансформатора, в котором непрерывно происходит переход кинетической энергии К от поверхности цилиндра в потенциальную энергию П сыпучей среды в верхней точке, которая снова превращается в кинетическую E падающего или ссыпающегося потока, где имеет место относительное сдвиговое течение, перераспределение частиц по размерам, совершается полезная работа А. Часть энергии расходуется на трение, деформацию частиц, повышается температура системы, растет ее энтропия ST.
Энерготрансформация в системе может быть представлена в виде термодинамического потенциала
вн
К→П→Е=А+ST.
в
Бифуркационная диаграмма на фиг.1 показывает зависимость состояния зерновой среды и вида ее движения в горизонтальном вращающемся цилиндре от величины главного управляющего фактора - коэффициента центробежности. Диаграмма построена на опытных данных, полученных на лабораторной установке с диаметром цилиндра 700 мм, длиной 250 мм. Из диаграммы видно, что внутренняя энергия зерновой среды с увеличением оборотов растет до трубчатого вида движения, при котором Е=0.
вн1-2
Энерготрансформация при трубчатом виде движения прекращается. На локальных участках между точками бифуркации имеют место минимумы внутренней энергии E=min, в которых система имеет стандартное равновесное состояние. Данное явление можно объяснить тем, что, следуя принципу наименьшего действия (закон Мопертюи) mSV=min, система, используя авторегуляцию, переходит к оптимальности, обусловленной симметрией в траекториях движения отдельных частиц и всей массы, стремится к состоянию с минимумом потенциальной энергии, где m - масса, V - скорость, S - путь частицы. На снимках четко просматривается циркуляция отдельных частиц по постоянным симметричным траекториям с соблюдением закона цикличности.
Дальнейшее увеличение энергии, передаваемой зерновой среде перед каждой точкой бифуркации, приводит к потере устойчивости, нарушению симметрии, флуктуациям, как внутренним самовольно порождаемым самой системой, частицы переходят на более высокие траектории движения, так и внешним флуктуациям, изменение нагрузки, физико-механических свойств зерна, вибрации и т.д.
В точках бифуркации 1-2-3-4 неустойчивость системы приводит к катастрофе к выбору новых направлений развития порой настолько неожиданных, как видно на примере бифуркации, в точке 3, когда система от твердотельной части сыпучей среды начинает отрывать и подавать зерно на поверхность цилиндра порциями при равномерном вращении. При этом в системе возникают резонансные колебания. Такие точки бифуркации названы «катастрофой Пуанкаре» и встречаются в подавляющем большинстве задач динамики.
В каждой точке бифуркации производная при определенном сочетании переменных в уравнении (1) становится равной нулю. Система из неустойчивого положения может идти по двум путям развития к новому более устойчивому равновесному положению. В данном случае в точке 1 система может принять челночный или перекатный режим движения в зависимости от состояния поверхности цилиндра f и нагрузки ε, в точке 2 - определяющими параметрами является нагрузка ε, в точке 3 - сочетание внутренних пульсаций силового поля и «внешнего шума» - колебаний в системе привода. Как показали опыты, порционный вид движения имеет высокую степень устойчивости и возникает при постепенном увеличении оборотов цилиндра, так и при обратном их уменьшении, начиная от трубчатой формы движения сыпучей среды. Как видно из бифуркационной диаграммы, при порционном виде движения сыпучая среда имеет максимальную внутреннюю энергию, кроме того, каждая порция зерна, как бы бросается на чистую решетную поверхность, предыдущая порция к этому времени успевает скатиться из зоны разделения.
Предварительные опыты показали высокую интенсивность процесса сепарации при порционном авторезонансном виде движения зерна в цилиндрическом решете.
Потеря связи и отрыв каждой порции от поднимающейся твердотельной части сыпучей среды происходит по эквипотенциальной поверхности, проходящей через центр вращения цилиндра.
Один из создателей теории катастроф Рене Том показал, что если число управляющих параметров не превышает четырех, то в типичных ситуациях возможны только семь элементарных катастроф [6].
ц
ц
Необходимо отметить, что в рассматриваемой системе точки бифуркации, или точки перехода сыпучей среды в новый вид движения, не являются постоянными, а зависят от сочетания переменных в уравнении (1) и скользят вдоль оси абсцисс. Теоретически зерновая среда должна была перейти в трубчатый вид движения при К=1. Как видно из диаграммы в наших опытах это происходит при К=2.
Устройство для осуществления способа сортирования сыпучей среды в порционном авторезонансном режиме движения включает цилиндрическое решето 1 с пробивными отверстиями, закрепленное на двух кольцах 2 (фиг.3), которые опираются на четыре ролика 3, два из них являются ведущими. Сверху цилиндра установлены два ограничительных ролика 4, которые ограничивают смещение цилиндра в вертикальном направлении. Для снижения шума в приводе цилиндра и увеличения передаваемого усилия от ведущих роликов, а также для ограничения цилиндра от осевого смещения в кольцах выполнены проточки 5 (фиг.4), в которые по окружности кольца укладываются и жестко закрепляются с кольцом обратной плоской стороной клиновые ремни 6. В ведущих, ведомых и верхних ограничительных роликах выполнены проточки под клиновой ремень, так что при вращении цилиндр соприкасается с металлическими вращающимися частями только через прорезиненный клиновой ремень.
Диаметр цилиндрического решета в экспериментальной зерноочистительной установке составляет 700 мм. Лицевая торцевая стенка 7 выполнена из стекла для наблюдения за режимом движения сыпучего материала в цилиндре. Задняя стенка выполнена из оргстекла в виде секторов 8 с отверстием в центре, через которое подается сыпучий материал. Между задней торцевой стенкой и поверхностью решета имеется регулируемый зазор - Х, через который крупные примеси К удаляются сходом из цилиндра. Мелкие проходят через отверстия решета. Зазор изменяется перемещением по крестовине секторов 8.
Привод цилиндрического решета осуществляется от электродвигателя 9 через клиноременную передачу 10. Натяжение ремня осуществляется перемещением электродвигателя по раме.
Для плавного изменения оборотов цилиндра как в сторону их увеличения, так и уменьшения, применили преобразователь частоты тока в схеме питания электродвигателя.
Для очистки отверстий решета от частиц использовали капроновые шайбы 11, набранные на качающемся подпружиненном валике 12. Степень прижатия шайб регулируется гайкой 13. Шайбы перекатываются по поверхности цилиндрического решета и выдавливают застрявшие частицы из отверстий. Шайбы по всей длине окружности имеют острую кромку, что облегчает попадание шайбы в продолговатое отверстие решета.
Устройство работает следующим образом. Обрабатываемый материал подается в цилиндрическое решето через загрузочное устройство 14. С помощью кнопок управления преобразователя частоты тока и прозрачной торцевой стенки цилиндра устанавливается авторезонансный порционный режим движения сыпучей среды, который является устойчивым при степени заполнения цилиндра зерном в пределах 10-20% и оборотах, превышающих критические в 1,5-2 раза.
Особенности процесса сепарации в таком режиме и его преимущества по сравнению с известными заключаются в следующем:
1. Процесс сепарации происходит на большой поверхности решета в 3-м и 4-м квадрантах окружности.
2. Сыпучий материал всегда падает на чистую поверхность решета, так как предыдущая порция успевает уйти из зоны сепарации.
3. Частицы, падая на поверхность решета, имеют нормальную составляющую скорости к отверстию решета, что облегчает проход их через отверстие.
4. Процесс разделения идет при быстрых сдвиговых течениях и больших относительных перемещениях по сравнению с обычными решетами, что обеспечивает высокую скорость перераспределения частиц по размерам внутри сыпучей среды, как это имеет место при гравитационных способах разделения, но в отличие от них в предлагаемом способе «количество циклов» подъем-падение можно регулировать, сделать неограниченным.
5. Авторезонансный режим движения позволяет экономить энергию на привод цилиндра, так как порции зерна, падая на поверхность решета, в 3-м квадранте окружности имеют скорость выше, чем решето и отдают часть энергии решету, создавая крутящий момент, совпадающий по направлению с направлением вращения решета.
Технологический процесс работы цилиндрического решета в авторезонансном порционном режиме показан на фиг.5. Степень заполнения цилиндра устанавливается соотношением величины зазора между торцевой стенкой и решетом и количеством подаваемой сыпучей среды в цилиндр в единицу времени.