СЕПАРАТОР БАРАБАННО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ
CENTRIFUGAL DRUM SEPARATOR

Изобретение относится к сепараторам, предназначенным для разделения, преимущественно, зерновых материалов на фракции по размерам и аэродинамическим свойствам, и может быть использовано для очистки и сортировки зерна на селекционных станциях, элеваторах, в фермерских хозяйствах, заводах по производству семян и круп, а также в мукомольной, комбикормовой, химической и других отраслях промышленности.
Известен скальператор, содержащий перфорированный барабан, установленный на горизонтальном валу, привод вращательно-колебательного движения барабана, загрузочный бункер и приемники продуктов разделения. Соосно с валом барабана установлен основной приводной вал, на перпендикулярном прутке которого расположен кривошипно-шатунный механизм, при этом шатун соединен со стержнем, закрепленным радиально на валу барабана и выполненным с возможностью колебаний в плоскости, перпендикулярной оси вала. Скальператор снабжен виброприводом осевых колебаний, а вал барабана расположен на вертикальных стойках, выполненных с возможностью колебаний в плоскости, перпендикулярной оси вала [см. пат. России №2275251 по классу В07В 1/26, 1/42, опубликованный 27.04.2006 в Бюл. 12].
Основным недостатком этого скальператора является его низкая производительность, обусловленная горизонтальным расположением перфорированного барабана. При горизонтальном расположении барабана, зерновой материал, под действием гравитации постоянно находится в нижней части барабана. Поэтому в процессе сепарации задействована лишь нижняя часть барабана, что приводит к снижению эффективности его использования, и как следствие, к снижению продуктивности скальператора.
Этот недостаток устранен в зерновых сепараторах, содержащих вертикально расположенные центробежно-пневматические веялки и виброцентробежные решета. В частности, известен сепаратор, содержащий несколько унифицированных воздушно-решетных блоков, установленных на общей раме. В таком сепараторе обработанный воздушным потоком зерновой материал посредством разбрасывателей, выполненных в виде дисков с лопатками, подается на внутреннюю перфорированную поверхность цилиндрических решет, в их верхнюю часть [см. авт. св. СССР №506439 по классу В07В 1/44, опубликованное в 1973 году].
Таким сепараторам присущи следующие недостатки. Ввиду того, что линейные скорости зерновых частиц и поверхности цилиндрических решет различны по величине, то некоторый период времени они движутся по поверхности решет в неустановившемся режиме, при котором резко ухудшается процесс сепарирования. Поэтому для достижения требуемого качества разделения зерновых материалов необходимо увеличить площадь поверхности решета, что приводит к увеличению габаритов сепаратора. Кроме того, разбрасыватель в виде диска с лопатками подает материал на поверхность решета струями, что не обеспечивает равномерного распределения частиц вдоль периметра решета и снижает качество сепарирования.
Известен также зерновой сепаратор, содержащий, по меньшей мере, одно виброцентробежное цилиндрическое решето с вертикальным валом вращения, верхний участок которого выполнен сплошным, и расположенные над решетом центробежно-пневматическую веялку и разбрасыватель зерна. В этом сепараторе зерновой материал посредством разбрасывателей, выполненных в виде дисков с лопатками, подается на внутреннюю неперфорированную верхнюю часть поверхности цилиндрических решет. Для обеспечения установившегося процесса движения зерна по решету, высота неперфорированной части его участка составляет не менее 0,6 м. Использование решет с меньшей высотой неперфорированных участков снижает качество сепарирования зерна [см. авт. св. СССР №547239 по классу В07В 9/00, опубликованное в 1975 году].
Основным недостатком этого зернового сепаратора являются увеличенные его габариты вследствие наличия неперфорированных участков решет относительно больших размеров - не менее 0,6 м.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является зерновой сепаратор, содержащий, по меньшей мере, один виброцентробежный цилиндрический барабан с решетами и вертикальным валом вращения, верхний участок которого выполнен сплошным с радиальными пластинчатыми ребрами, а нижний - перфорированными щелевыми отверстиями, и расположенные над барабаном центробежно-пневматическую веялку и разбрасыватель зерна, а также вибратор для вертикального колебания барабана, выполненный в виде шатуна, кинематически связанного с горизонтальным коленчатым валом привода. Этот зерновой сепаратор работает следующим образом. При включении привода цилиндрический барабан с решетами начинает вращаться и одновременно колебаться в вертикальном направлении. Зерновой материал, подлежащий разделению на фракции, поступает на вращающийся разбрасыватель, откуда он равномерным тонким слоем направляется на цилиндрический барабан. За счет центробежной силы инерции вращательного движения зерновой материал прижимается к внутренней поверхности решет, а за счет веса и сил инерции колебательного движения барабана продвигается вниз. При этом мелкие примеси проходят сквозь щелевые отверстия в верхней части решета. Оставшаяся часть зернового материала поступает в среднюю часть решета, где выделяются мелкие и дробленые зерна, проходя через щелевые отверстия большего размера. Оставшаяся часть зерна проходит сквозь аналогичные отверстия, но еще больших размеров, в нижней части решета, а крупные примеси сходят с нижней части барабана [см. авт. св. СССР №940879 по классу В07В 9/00, опубликованное 07.07.82 г. в Бюл. №25].
Данному зерновому сепаратору (и другим сепараторам аналогичного принципа действия) присущи, по меньшей мере, пять существенных недостатков, а именно:
Во-первых, ограниченность удельной производительности. Этот недостаток поясняется следующим. Под действием центробежных сил сепарируемый зерновой материал прижимается к внутренней поверхности решета и постепенно под действием собственного веса перемещается вниз, попадая пофракционно в щелевые отверстия. Понятно, с увеличением скорости вращения и вертикальных колебаний барабана, выше продуктивность процесса сепарации. Однако при высоких названных скоростях, зерновой материал настолько сильно прижимается к решетам, что его перемещение вниз практически невозможно, а из-за быстрых вертикальных колебаний зерна не успевают проскочить в щелевые отверстия и процесс сепарации практически не осуществляется. Следовательно, для сепараторов подобной конструкции, у которых перфорированный барабан совершает вращательные и возвратно-поступательные вертикально-осевые перемещения, имеются ограничения по скорости вращения, обычно, до 100 об/мин, что и ограничивает их удельную производительность.
Во-вторых, низкая эффективность сепарации зернового материала по качеству семян, что обусловлено формой отверстий перфорации решет, а именно, щелевой. Щелевые отверстия калибруют зерна по толщине, которая, как известно, слабо коррелирует с качеством семян. С качеством семян гораздо лучше коррелирует их ширина. Кроме того, известный сепаратор, ввиду тангенциального перемещения решет относительно сепарируемого материала, не может быть приспособлен для калибровки семян эллипсоидной формы, тем более удлиненной эллипсоидной формы, поскольку указанные семена не имеют возможности переориентироваться в пространстве, следовательно, не будут успевать проскакивать в щелевые отверстия решет, то есть известный сепаратор не универсален.
В-третьих, трудности очистки щелевых отверстий барабана от застрявших в них семян, поскольку у вращающегося барабана отсутствует нормальная составляющая скорости по отношению к очистителю решет. Кроме того, вследствие вертикального возвратно-поступательного движения барабана, срок службы очистителей решет резко снижается из-за их истирания о внешнюю поверхность перфорированного барабана, при осевых возвратно-поступательных перемещениях последнего.
В-четвертых, ухудшение качества самых ценных семян в процессе сепарации. Самые крупные семена отбираются в нижней части решет (там самые большие щелевые отверстия). Пока такое зерно достигнет низа барабана, оно многократно истирается его перфорированной поверхностью решет (мелкими щелевыми отверстиями), поскольку барабан совершает только осевые возвратно-поступательные перемещения, а за счет центробежных сил семя прижато к поверхности решет.
В-пятых, невозможность добиться 100%-ной балансировки подвижных частей сепаратора, поскольку масса сепарируемого материала постоянно меняется, в том числе и за счет его продвижения вдоль барабана, что вынуждает ограничивать скорость вращения последнего и тем самым ограничивать производительность сепаратора. Кроме того, скорость вращения барабана ограничивается еще и тем, что края полуцилиндрических решет отгибаются от центра вращения под действием центробежных сил и через образовавшиеся щели выходит зерновой материал, не разделенный на фракции.
Все перечисленные недостатки известного сепаратора обусловлены тем, что его барабан совершает вертикально-осевые возвратно-поступательные перемещения, что обеспечивает лишь безотрывную траекторию перемещения семян сверху вниз, то есть семена постоянно находятся в контакте с внутренней поверхностью решет на протяжении всего процесса сепарирования.
В основу изобретения поставлена задача повышения качества сепарации сыпучих материалов с одновременным повышением продуктивности процесса сепарирования, универсальности и срока эксплуатации сепаратора, за счет увеличения скорости вращения барабана с решетами без увеличения износа сопрягаемых деталей и узлов и, не только очистки, но калибровки семян любого вида, причем по их ширине путем создания нормальной составляющей скорости вращения барабана, оснащения его регулируемым устройством для балансировки и изменения формы отверстий перфорации, а также принудительной фиксации места стыковки полуцилиндрических решет на поверхности барабана.
Указанная цель достигается тем, что в зерновом сепараторе, содержащем по меньшей мере один виброцентробежный цилиндрический барабан с решетами и вертикальным валом вращения, а также расположенный над барабаном разбрасыватель зерна, согласно предложению, вертикальный вал барабана выполнен в виде эксцентриситетного (коленчатого) вала для генерирования радиальных колебаний барабана для замены тангенциального перемещения сепарируемого материала на отрывную траекторию его движения относительно внутренней поверхности решет, а также внутри барабана, на его валу, установлен с возможностью перемещения и фиксации в нескольких направлениях балансир, выполненный в виде противовеса, установленного на консоли.
Кроме того, указанная цель достигается также и тем, что решета виброцентробежного цилиндрического барабана могут быть перфорированы отверстиями круглой формы.
Кроме того, указанная цель достигается также и тем, что стыковочные края полуцилиндрических решет выполнены в виде прямоугольного зигзага, а барабан снабжен в местах стыков решет ребрами жесткости и устройством для прижима стыковочных краев решет к указанным ребрам жесткости. При этом устройство для прижима стыковочных краев решет выполнено в виде швеллера или бруса, который крепится к ребру жесткости барабана винтами с потайной головкой.
Перфорация барабана отверстиями круглой формы позволяет осуществлять калибровку семян по их ширине и, тем самым, обеспечить разделение зернового материала на фракции по качеству семян.
Установление барабана с эксцентриситетом относительно вертикальной оси вращения обеспечивает получение радиальных колебаний, при которых семена перемещаются по поверхности решет по отрывной траектории: при каждом радиальном колебании барабана семена встряхиваются, отрываясь от поверхности решет и вновь прижимаясь к ним центробежной силой, но при каждом отрыве перемещаясь вниз под действием собственного веса. Такая (отрывная) траектория перемещения семян исключает их истирание во время перемещения вдоль решет сверху вниз, повышает продуктивность процесса сепарирования вследствие возможности пространственной переориентации семян в свободном полете, улучшает условия очистки отверстий от застрявших в них семян, практически отсутствует износ очистителей решет.
Поскольку при радиальных колебаниях барабана появляется нормальная составляющая перемещений, в сопрягаемых деталях и узлах исключается истирание контактирующих поверхностей, срок службы сепаратора и отдельных его узлов увеличивается в несколько раз, особенно очистителей решет, что немаловажно, поскольку эти узлы сепаратора (а их несколько) довольно дорогостоящие.
Наличие балансира в виде противовеса, имеющего возможность перемещаться и фиксироваться в нескольких направлениях, обеспечивает полную балансировку барабана, что, в свою очередь, позволяет увеличить скорость его вращения в несколько раз, вплоть до физического разрушения узлов и деталей или физического разрушения семян.
Выполнение стыковочных краев полуцилиндрических решет в виде прямоугольного зигзага позволяет получить прижимные площадки по всей длине краев решет, располагаемых ниже поверхности решета (ближе к центру барабана), через которые края решет принудительно фиксируются на поверхности барабана, что исключает их отгиб под действием центробежных сил при высоких скоростях вращения барабана. Для фиксации зигзагообразных краев решет, барабан снабжен в местах стыков решет соответствующими ребрами жесткости (ответные площадки для размещения площадок на краях решет) и устройствами для прижима стыковочных краев решет к указанным ребрам жесткости. Выполнение указанного устройства для прижима стыковочных краев решет в виде швеллера или бруса предельно упрощает конструкцию прижимного элемента, а крепление прижимного устройства к ребру жесткости барабана винтами с потайной головкой не препятствует работе очистителей внешней поверхности решет от застрявших в их отверстиях семян.
Таким образом, перечисленные конструктивные изменения, внесенные в сепаратор барабанно-центробежный, принципиально меняют схему перемещения сепарируемого материала внутри барабана - из безотрывной траектории перемещения в отрывную, что позволяет получить ряд технических преимуществ, обеспечивающих существенное повышение продуктивности сепаратора и качества процесса сепарации сыпучих смесей без изменения качества самого семенного материала.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - принципиальная схема сепаратора барабанно-центробежного с вертикально-осевыми возвратно-поступательными колебаниями барабана (прототип); фиг.2 - принципиальная схема сепаратора барабанно-центробежного с радиальными колебаниями барабана (предложенное техническое решение). Криволинейными стрелками на фиг.1 и 2 показаны колебательно-вращательные направления перемещения барабана; фиг.3 - детальная конструктивная схема предложенного сепаратора барабанно-центробежного; фиг.4 - схема крепления полуцилиндрических решет к барабану, вид сверху. Буквой «е» на фиг.1 и 3 обозначен эксцентриситет вертикального вала предложенного сепаратора барабанно-центробежного.
Предложенный сепаратор барабанно-центробежный содержит, по меньшей мере, один виброцентробежный цилиндрический барабан 1 с решетами 2 и вертикальным валом 3 вращения. Вертикальный вал 3 барабана 1 выполнен с эксцентриситетом (коленчатый вал), что обеспечивает его радиальные колебания относительно оси вращения вала 3. Поскольку барабан 1 непосредственно связан с валом 3, то при вращении последнего, барабан 1 также совершает радиальные перемещения (или радиальные колебания). Вертикальный вал 3 приводится во вращение от автономного привода 4, в виде, преимущественно, электродвигателя. Вращение барабана 1 обеспечивает другой автономный привод 5 через эластичную муфту 6, позволяющую учитывать радиальные смещения барабана 1, вызываемые эксцентриситетным вертикальным валом 3. Внутри барабана 1, на вертикальном валу 3, установлен с возможностью перемещения и фиксации балансир, выполненный в виде противовеса 7, установленного на консоли 8. Противовес 8 имеет возможность перемещаться вдоль вала 3, поворачиваться в ту или иную сторону относительно вала 3, перемещаться вдоль консоли 8, если она выполнена не подвижной. Если консоль 8 имеет возможность перемещаться в радиальном направлении, например, по резьбе (этот вариант показан на фиг.1), нет смысла в самостоятельном перемещении противовеса 7 относительно консоли 8, поскольку длина последней может сама изменяться. Благодаря широкому диапазону перемещений противовеса 7 (три степени свободы), он может быть расположен в любой точке внутри барабана 1, что позволяет добиться полной его балансировки. Достижение абсолютной уравновешенности вращения барабана 1 позволяет, в свою очередь увеличить скорость его вращения в несколько раз (200-400 об/мин), вплоть до физического разрушения узлов и деталей или физического разрушения семян под действием чрезмерных центробежных сил. Увеличение же скорости вращения барабана - это, прежде всего, повышение производительности сепаратора. Решета 2 барабана 1 целесообразно перфорировать отверстиями круглой формы (а не щелевыми, как в сепараторе по прототипу). В этом случае калибровка семян будет происходить по их ширине, которая более коррелирует с качеством семян, чем их толщина. Поэтому перфорация решет 2 круглыми отверстиями обеспечивает разделение зернового материала на фракции по качеству семян.
Над барабаном 1, соосно с ним, расположен центробежный разбрасыватель 9 зернового материала, преимущественно, тарельчатого типа. С внешней стороны барабана 1 расположены вертикальные очистители 10 решет 2, а также лопатки 11 для вывода отсепарированного зерна через лотки 12 за пределы сепаратора.
Если решета 2 барабана 1 конструктивно выполнены в виде двух полуцилиндров 13, то для предупреждения их дугообразного выгиба при больших скоростях вращения барабана 1 под действием центробежных сил, целесообразно их прямолинейные стыковочные края выполнить в виде прямоугольного зигзага 14 с образованием прижимных площадок 15, которые, благодаря зигзагу, располагаются ниже внешней поверхности решета 2 (ближе к центру барабана 1). Через эти прижимные площадки 15 края решет 2 принудительно прижимаются и фиксируются на поверхности барабана 1, что исключает их выгиб под действием центробежных сил при высоких скоростях вращения барабана 1. Для фиксации зигзагообразных краев решет 2, барабан 1 снабжен в местах стыков решет 2 соответствующими ребрами жесткости 16 (соответствующие ответные площадки для размещения на них прижимных площадок 15 на краях решет 2). Прижатие краев решет 2 к ребрам жесткости 16 барабана 1 осуществляется с помощью прижимных устройств 17, конструктивно выполненных в виде швеллера или бруса. Прижимное устройство 17 своей рабочей поверхностью сопрягается с прижимными площадками 15 по всей длине краев решет 2 и прижимает их к ребру жесткости 16 барабана 1. Благодаря этому, прямолинейные края полуцилиндров 13 надежно удерживаются по всей их длине без выгиба на образующей поверхности ребра жесткости 16 барабана 1. Прижимное устройство 17 крепится к ребру жесткости 16 барабана 1 винтами 18 с потайной головкой, что не препятствует работе очистителей 10 внешней поверхности решет 2 от застрявших в их отверстиях семян, не разрушает и не истирает указанные очистители 10.
Предложенный барабанно-центробежный сепаратор работает по совершенно новому принципу, сущность которого заключается в следующем.
При включении привода 5 цилиндрический барабан 1 с решетами 2 начинает вращаться, а при включении привода 4, благодаря эксцентриситету «е» вертикального вала 3, - он начинает и одновременно колебаться в радиальном направлении. Зерновой материал, подлежащий разделению на фракции из бункера (не показан ввиду общеизвестности), поступает на вращающийся разбрасыватель 9, откуда он равномерным тонким слоем направляется во внутрь цилиндрического барабана 1. За счет центробежной силы инерции вращательного движения зерновой материал прижимается к внутренней поверхности решет 2, а за счет радиального колебательного движения барабана 1 периодически отрывается (подбрасывается, подскакивает) от внутренней поверхности стенок решет 2 и под действием собственного веса продвигается вниз. При этом между семенами и решетами 2 происходит лишь точечный контакт, что исключает истирание семян. Кроме того, периодическое подбрасывание многократно переориентирует в свободном полете семена, что повышает эффективность процесса сепарирования и, тем самым, продуктивность сепаратора. Мелкие примеси проходят сквозь отверстия решет 2 в верхней части барабана 1. Оставшаяся часть зернового материала поступает в среднюю часть барабана 1, где выделяются мелкие и дробленые зерна, проходя через решета 2 с отверстиями большего размера. Оставшаяся часть зерна проходит сквозь аналогичные отверстия, но еще больших размеров, в нижней части решет 2, а крупные примеси сходят с нижней части барабана 1. Снаружи решета 2 барабана 1 контактируют с очистителями 10, щетинки которых эффективно очищают отверстия от застрявших в них семян. Эффективность очистки обеспечивается опять же благодаря радиальным колебаниям барабана 1. При таких радиальных перемещениях барабана 1 щетинки очистителей 10 «пробивают» отверстия, не травмируя семена и не изнашиваясь. Сепарированный зерновой материал с помощью лопаток 11, установленных на разных уровнях по высоте барабана 1, по фракциям попадают в лотки 12 и выводятся за пределы сепаратора в приемники (не показаны ввиду общеизвестности).
Существенное отличие заявляемого объекта от ранее известных заключается в том, что барабан совершает, кроме традиционного вращения вокруг вертикального вала, радиальные колебания и полностью уравновешен противовесом, не препятствующим процессу сепарации, несмотря на его размещение внутри барабана. Указанные отличия, в совокупности, позволяют получить нормальную составляющую перемещения барабана и тем самым принципиально изменить траекторию перемещения зернового материала внутри барабана: перейти от безотрывной траектории к отрывной, которая исключает ухудшение качества семян из-за истирания, повысить продуктивность сепаратора, исключить износ сопрягаемых узлов из-за трения между контактирующими поверхностями, а круглые отверстия в решетах обеспечивают калибровку семян по качеству без снижения производительности сепаратора. Ни один из известных сепараторов подобного типа не может обладать отмеченными свойствами, поскольку имеют иной принцип работы, заключающийся в вертикально-осевых и, одновременно, возвратно-поступательных колебаниях барабана, что позволяет перемещать семена только по безотрывной траектории, которая неизбежно приводит к порче наиболее качественных семян из-за их истирания о перфорированную поверхность решет барабана, ограничивает скорость вращения барабана и обладает другими указанными выше недостатками.
Предложенное техническое решение проверено на практике, состоит из обычных деталей и узлов, не имеет элементов, которых невозможно было бы изготовить на современном этапе развития науки и техники, из чего следует, что оно промышленно применимо. В известных источниках информации не выявлено подобных сепараторов барабанно-центробежных аналогичного назначения с указанными и отличительными существенными признаками, что является подтверждением достижения указанного технического результата, а потому считается таковым, что может получить правовую защиту.
К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:
- повышение удельной производительности сепаратора за счет возможности увеличения скорости вращения барабана в несколько раз;
- исключение истирания зернового материала за счет того, что вертикально-осевые перемещения барабана заменены на радиальные;
- уменьшение износа очистителей решет по той же причине;
- возможность полной балансировки барабана за счет наличия противовеса, имеющего возможность перемещаться и фиксироваться в нескольких направлениях;
- универсальность сепаратора за счет возможности калибровки семян любого вида, в том числе и удлиненной эллипсоидной формы;
- компактность сепаратора за счет того, что противовес расположен внутри барабана;
- простота обеспечения радиальных колебаний барабана за счет того, что вертикальный вал выполнен с эксцентриситетом;
- увеличение скорости вращения барабана за счет выполнения краев решет зигзагообразными и принудительного прижатия их к ребрам жесткости барабана;
- простота прижимного устройства за счет выполнения его в виде отрезка швеллера или бруса мерной длины и крепления его с помощью винтов с потайными головками.
Социальный эффект от использования предложенного технического решения, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет более качественного разделения зернового материала на фракции и за счет сохранения первоначального качества семян, поскольку в предложенном сепараторе они не истираются, за счет калибровки семян по качеству, благодаря круглой форме отверстий в решетах.
Экономический эффект от внедрения предложенного технического решения, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет повышения производительности сепаратора, увеличения срока эксплуатации отдельных узлов и деталей, как результата отсутствия истирания рабочих элементов при их взаимодействии и высокой балансировки барабана.
После описания предложенного сепаратора барабанно-центробежного, специалистам в данной отрасли знаний должно быть очевидно, что все вышеописанное является лишь иллюстративным, а не ограничительным, будучи представленным данным примером. Многочисленные возможные модификации элементов сепаратора, в частности формы отверстий, размера эксцентриситета, гибкой муфты, месторасположения приводов, могут изменяться в зависимости от вида и состояния исходного сыпучего сепарируемого материала, и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются таковыми, которые находятся в пределах объема предложенного технического решения.
Квинтэссенцией предложенного технического решения является то, что барабан совершает радиальные колебания, а не вертикально-осевые, а также оснащен балансиром специальной конструкции, позволяющим добиться полного уравновешивания перемещений барабана, края решет выполнены зигзагообразными и прижаты к поверхности барабана и именно эти обстоятельства позволили приобрести предложенному сепаратору перечисленные выше и другие преимущества. Изменение предложенного отрывного принципа перемещения семян внутри барабана на другой, естественно, ограничивает спектр преимуществ, перечисленных выше, и не может считаться новыми техническими решениями в данной области знаний, поскольку другой, подобный описанному сепаратору, уже не будет требовать никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, а потому не может считаться результатами их творческой деятельности или новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими защите охранительными документами.