ВИБРАЦИОННЫЙ ГРОХОТ

Полезная модель относится к устройствам для разделения сыпучих материалов по крупности и может быть использована в металлургической, химической, горно-обогатительной, пищевой промышленности, а также в сельскохозяйственном производстве и при производстве строительных материалов.
Известны грохоты, классификаторы и другие устройства для разделения частиц сыпучих материалов по крупности (далее, сокращенно, грохоты), просеивающие поверхности которых имеют форму прямого кругового цилиндра с вертикально расположенной осью симметрии. Для разделения частиц в этих грохотах, помимо силы тяжести, используются центробежные силы. Известны два типа таких грохотов.
В грохотах одного типа цилиндрический ситовой барабан вращается вокруг своей вертикальной оси симметрии (Авт. св. SU 421380, B07B 1/20, опубл. 30.03.1974; авт. св. SU 441043, B07B 1/18, опубл. 30.08.1974; патент RU 2195371, B04B 03/00, опубл. 27.12.2002).
В грохотах другого типа, например, (Авт. св. SU 242651, B07B 1/20, опубл. 25.04.1969; авт. св. SU 1323142, B07B 4/06, опубл. 15.07.1987) вертикальный ситовой цилиндр неподвижен, а центробежный эффект создается благодаря вращению устройства, подающего исходный материал на внутреннюю поверхность ситового барабана.
Грохоты двух описанных типов по сравнению с традиционными грохотами с плоскими почти горизонтально расположенными ситами имеют значительно большую площадь поверхности сита, приходящуюся на единицу площади, занимаемой грохотом. Тем не менее существенный выигрыш в производительности не достигается из-за необходимости подачи исходного материала на сито тонким слоем. Эффективность классификации в этих грохотах относительно невысокая. Это связано со спецификой разгрузки крупной фракции, происходящей в вертикальном направлении под действием силы тяжести. В крупный продукт увлекаются и засоряющие его мелкие частицы. Конструкция данных устройств не решает также одну из основных проблем эксплуатации, грохотов - проблему забивки отверстий сит.
Известны грохоты с просеивающей поверхностью в форме расширяющегося книзу конуса, имеющего вертикально расположенную ось симметрии. Исходный материал подается на конус сверху вдоль его оси. При этом движение материала к периферии грохота осуществляется либо благодаря вращению конической поверхности вокруг вертикальной оси (патент RU 2184624, B07B 4/06, опубл. 10.07.2002; авт. св. SU 1072925, B07B 1/06, опубл. 15.02.1984) либо за счет вибрации конической поверхности (Батт А.В., Чумаченко Ю.Д. Вибрационный сепаратор для трудносыпучих продуктов зерноперерабатывающей промышленности // Хранение и переработка зерна. - Днепропетровск: ООО ИА «АПК-ЗЕРНО», 2010, №11. С.50-53).
Конические просеивающие поверхности таких грохотов должны быть достаточно пологими. Поэтому данные устройства не дают существенной прибавки к производительности по сравнению с, так называемыми, круглыми грохотами, имеющими плоские круговые сита.
Известны также вибрационные грохоты, у которых, в отличие от перечисленных выше, просеивающая поверхность не является поверхностью вращения, а состоит из двух плоских сит, расположенных симметрично по отношению к вертикальной плоскости. Эти пары плоских сит устанавливают либо вертикально (Авт. св. SU 640766, B07B 1/40, опубл. 05.01.1979), либо под небольшим углом к упомянутой вертикальной плоскости симметрии (Авт. св. SU 383249. B07B 1/40, опубл. 22.12.1967). В этих грохотах просеивание осуществляется благодаря вибрации, при которой частицы материала попеременно подвергаются соударениям с просеивающими плоскостями. Такие конструкции предполагают нахождение частиц сыпучего материала в рабочем пространстве в относительно разреженном, разобщенном состоянии. Поэтому производительность этих грохотов невысока, несмотря на большую площадь поверхности сит. Кроме того работа устройств в таком режиме приводит к ускоренному износу сит и снижает точность разделения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является мукопросеиватель (патент RU 2143202, B07B 1/22, опубл. 27.12.1967), содержащий короб с вертикальной осью симметрии, ограниченный бортами по всему периметру своего днища, просеивающую поверхность, размещенную на бортах (боковой поверхности) короба, питающий патрубок, установленный внутри короба с зазором его нижнего конца по отношению к днищу короба, кожух, установленный снаружи короба, предназначенный для сбора и непрерывной выгрузки мелкого продукта, и привод.
При вращении короба, представляющего собой цилиндрический ситовой барабан, вокруг вертикальной оси, исходный материал «втягивается» из питающего патрубка в рабочую зону аппарата, распределяется по поверхности сита и просеивается через его ячейки. Существенным недостатком прототипа является полунепрерывный режим его работы, при котором мелкий продукт выгружается непрерывно, а разгрузка крупных частиц производится периодически по мере их накопления в рабочей зоне аппарата. Для разгрузки крупной фракции необходимо остановить аппарат, открутить крепежные элементы, извлечь питающий патрубок и произвести операцию очистки. Это снижает производительность устройства и ограничивает область его применения случаями, когда доля крупной фракции в разделяемом материале мала, например, при очистке муки от посторонних примесей. Для решения большинства других задач, связанных с разделением материалов по крупности, данное устройство неприменимо. Кроме того, накопление крупной фракции в рабочем объеме аппарата приводит к «заслеплению» (забивке) отверстий сита, что снижает производительность аппарата и эффективность разделения.
Задачи, решаемые при создании полезной модели - существенное повышение производительности грохота на единицу занимаемой им площади, повышение эффективности разделения за счет низкой забиваемости просеивающей поверхности, обеспечение работы аппарата в непрерывном режиме и расширение области его применения.
Поставленные задачи решаются следующим образом.
Вибрационный грохот имеет в своем составе короб с вертикальной осью симметрии, который ограничен бортами по всему периметру днища. Просеивающая поверхность размещена на бортах (боковой поверхности) короба. Внутри короба установлен питающий патрубок, через который подается разделяемый материал. При этом между нижним концом патрубка и днищем короба существует зазор. Снаружи короба установлен неподвижный кожух с патрубком для сбора и удаления непрерывно разгружаемого мелкого продукта. Снаружи этого кожуха установлен дополнительный кожух с патрубком для сбора и удаления непрерывно разгружаемого крупного продукта. Короб жестко закреплен на корпусе, установленном на мягких упругих амортизаторах. На корпусе установлен вибрационный привод, содержащий два дебалансных вибратора, каждый их которых представляет собой неуравновешенный ротор, приводимый во вращение от двигателя. Предусмотрена возможность поворота осей вибраторов в пространстве и фиксации вибраторов в выбранном положении. Питающий патрубок имеет круговое или прямоугольное сечение. Он может быть расположен вплотную к борту короба или в другом месте внутри короба. При этом питающий патрубок может быть жестко связан с вибрирующим коробом, либо может быть установлен неподвижно в пространстве. Форма короба такова, что его поперечные (перпендикулярные вертикальной оси) сечения либо одинаковы, либо представляют собой подобные фигуры, например, круги или прямоугольники, размеры которых уменьшаются в направлении днища. Таким образом, например, в случае круговых поперечных сечений короба он имеет форму прямого кругового цилиндра или прямого усеченного конуса, а в случае прямоугольных поперечных сечений - форму прямой призмы или усеченной пирамиды.
Дополнительный результат по повышению производительности достигается, когда просеивающая поверхность размещена не только на бортах, но и в днище короба.
Устройство вибрационного грохота и принцип его работы поясняются чертежами, на которых представлены: фиг.1 - схема вибрационного грохота; фиг.2, а - короб в виде прямого кругового цилиндра, фиг.2, б - его осевое сечение, фиг.2, в, г (вид сверху) - варианты формы поперечного сечения питающего патрубка; фиг.3, а - короб в виде прямой призмы с прямоугольным основанием, фиг.3, б - его осевое сечение, фиг.3, в-д - варианты формы поперечного сечения питающего патрубка и варианты его расположения в коробе; фиг.4, а - форма короба в виде прямого усеченного конуса, фиг.4, б - его осевое сечение; фиг 5, а, б - то же для короба в форме усеченной пирамиды с прямоугольным основанием.
Вибрационный грохот (фиг.1) имеет в своем составе: короб 1, ограниченный бортами 2 по всему периметру своего днища 3, и закрепленный на корпусе 4; мягкие упругие амортизаторы 5, посредством которых корпус 4 установлен на неподвижном основании 6; просеивающую поверхность 7, размещенную на бортах 2 короба; питающий патрубок 8, установленный внутри короба 1 с зазором нижнего конца по отношению к днищу 3 короба 1; кожух 9 с патрубком 10, установленный снаружи короба 1 и предназначенный для сбора и выгрузки мелкого продукта; дополнительный кожух 11 с патрубком 12, установленный снаружи кожуха 9 и предназначенный для сбора и выгрузки крупного продукта; вибрационный привод, содержащий два дебалансных вибратора 13 с регулируемым расположением осей их вращения и возможностью фиксации вибраторов в требуемом положении.
Вибрационный грохот работает следующим образом. Исходный сыпучий материал подается в верхнюю часть питающего патрубка 8. Под действием вибрации корпуса 4 и короба 1, создаваемой двумя дебалансными вибраторами 13, которые приводятся во вращение отдельными приводными электродвигателями, материал из нижнего конца патрубка 8 поступает внутрь короба и совершает колебательное и циркуляционное движение. Мелкие частицы проходят через отверстия просеивающей поверхности 7, размещенной на бортах 2 (боковой поверхности) короба, попадают в кожух 9 и выгружаются через патрубок 10. Крупные частицы, благодаря эффекту вибрационной сегрегации, наличию циркуляционных потоков и подпору исходного материала концентрируются в верхней части вибрирующего короба и через верхний край короба поступают в кожух 11 и разгружаются через патрубок 12.
Подача исходного материала в вибрирующий короб через погруженный в него патрубок 8 основана на физическом эффекте, связанном с необычным поведением сыпучей среды в сообщающихся вибрирующих сосудах (О некоторых «аномальных» эффектах поведения сыпучей среды в сообщающихся вибрирующих сосудах / И.И. Блехман, Л.А. Вайсберг, Л.И. Блехман, В.Б. Васильков, К.С. Якимова // Обогащение руд. 2007. №5. С.36-40). Он, в частности, состоит в том, что при вибрации сосуда с помещенной в него прямой, открытой с обоих концов трубкой, сыпучая среда, заполняющая сосуд и трубку, интенсивно вытекает из нижнего конца трубки, поступая вглубь сосуда. Истечение материала происходит и в том случае, когда трубка жестко связана с вибрирующим сосудом, и в случае, когда она неподвижна в пространстве. Помимо этого, как показывают эксперименты, питающий патрубок 8 может быть расположен в любом месте короба, в том числе, вплотную к его борту (фиг.3, д). Патрубок 8 может иметь различные сечения, однако, наиболее целесообразны их круговая и прямоугольная формы. Форма короба также может варьироваться. В частности, короб может иметь форму цилиндра (фиг.2), призмы (фиг.3), усеченного конуса (фиг.4), усеченной пирамиды (фиг.5). Это позволяет модифицировать конструкцию грохота применительно к конкретным технологическим условиям и компоновочным ограничениям и в соответствии с задачами изобретения обеспечивает расширение области применения устройства.
Регулирование количества подаваемого материала можно производить, изменяя параметры вибрации, а также поддерживая определенный более высокий, чем в коробе грохота уровень материала в патрубке. В условиях вибрационного «ожижения» это создает дополнительный напор, аналогичный гидростатическому.
Процесс разделения частиц в предлагаемом устройстве и непрерывная (в отличие от прототипа) разгрузка крупного продукта основаны на использовании эффектов вибрационном сегрегации.
Во-первых, используется известный эффект «всплытия» крупных частиц в колеблющейся сыпучей среде. Во-вторых, используется обнаруженный нами при теоретических расчетах и подтвержденный экспериментально эффект преимущественного движения мелких частиц в вибрирующей сыпучей среде в радиальном направлении - от центра к периферии, т.е. в данном случае - к бортам короба. Вблизи бортов короба крупные частицы располагаются менее плотно, с большими зазорами, чем вдали от стенок. Это способствует радиальной «фильтрации» мелких частиц сквозь крупные в направлении бортов короба, их разгрузке через отверстия просеивающей поверхности, образованию новых пустот и постоянному притоку мелких частиц.
Вибрации короба 1, закрепленного на корпусе 4, преимущественно являются прямолинейными гармоническими в вертикальном направлении или винтовыми, траектории которых направлены под углом к горизонтальному днищу 3 короба. Вертикальные гармонические колебания корпуса и короба обеспечиваются расположением и фиксацией осей вибраторов в горизонтальной плоскости параллельно друг другу и противофазным вращением дебалансов. Для создания винтовых колебаний вибраторы фиксируются в положении, при котором их оси лежат на скрещивающихся прямых. В этом случае материал будет, помимо вибраций, совершать циркуляционное движение не только в вертикальной плоскости, но и в плоскостях поперечных сечений короба.
Вибраторы приводятся во вращение отдельными электродвигателями. Необходимое для возбуждения вертикальных или винтовых колебаний согласованное по частоте и фазе вращение вибровозбудителей обеспечивается за счет явления самосинхронизации (Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. Т.4. Вибрационные процессы и машины. - М.: Машиностроение, 1981. С.472-473; 486-487).
Упругие амортизаторы 5, посредством которых корпус 4 установлен на неподвижном основании 6, являются мягкими. Это означает, что частота собственных колебаний λ опирающегося на них тела по крайней мере в 3 раза меньше рабочей частоты колебаний ω, то есть выполняется соотношение ω/λ>3. Выполнение этого условия обеспечивает надежную виброизоляцию грохота.
Расположение просеивающей поверхности на бортах короба грохота позволяет существенно увеличить ее площадь и получить высокую производительность аппарата, приходящуюся на единицу занимаемой им площади. Например, если короб и, соответственно, просеивающая поверхность имеют форму цилиндра с диаметром D и высотой H, то выигрыш в площади сита, равный отношению площади боковой поверхности к площади основания, составит
.
а
a
a
При H=2D площадь сита увеличивается в 8 раз. Аналогично, в случае короба в форме прямой призмы высотой H с квадратным основанием со стороной , площадь сита увеличится в 4H/ раз. Например, при H=2 площадь просеивающей поверхности вырастет в 8 раз.
Площадь просеивающей поверхности может быть увеличена в случае, если она размещена не только на бортах короба грохота, но и на его днище, как в традиционных грохотах. Это позволит дополнительно повысить производительность аппарата.
Важным преимуществом размещения просеивающей поверхности на бортах короба грохота является также эффект самоочистки сита. При вертикальных или винтовых колебаниях короба частицы, застрявшие в боковых отверстиях сита, выскакивают из них благодаря действию моментов сил тяжести самих частиц и постоянным ударам со стороны других частиц в вертикальном направлении снизу и сверху и в боковых направлениях. Низкая забиваемость просеивающей поверхности обеспечивает повышение эффективности разделения.
Для реализации предлагаемого технического решения была изготовлена модель короба грохота. Она представляла собой открытый стальной цилиндрический сосуд диаметром 120 и высотой 140 мм. В боковых стенках и дне сосуда были выполнены отверстия диаметром 8 мм. В ряде опытов отверстия в дне перекрывались закрепленным на дне сплошным диском. Модель короба грохота закреплялась на столе универсального вибрационного стенда 157-УС. Стенд обеспечивал возможность варьирования в широких пределах амплитуды, частоты и формы колебаний. В качестве разделяемого материала использовалась искусственная смесь, состоявшая из равных по массе количеств мелких и крупных частиц (гороха крупностью 5.5-6.5 мм и орехов размером около 14 мм). Серия проведенных экспериментов подтвердила принципиальную работоспособность аппарата и возможность получения высоких технологических показателей. (В оптимальных условиях извлечение мелких частиц достигало 100%). Оптимальные параметры вибрации оказались сопоставимы с используемыми на традиционных вибрационных грохотах. В частности, амплитуды ускорения вибрации составили (3÷5)g, где g - ускорение силы тяжести. При работе модели с открытым ситом в дне короба производительность повышается, но в меньшей степени, чем при эквивалентном увеличении площади сита на боковой поверхности короба.
Параллельно с проведением экспериментов было выполнено математическое моделирование процесса разделения с использованием программного пакета EDEM, реализующего метод дискретных элементов. Геометрические параметры модели, параметры вибрации и характеристики материала были теми же, что и при экспериментальных исследованиях. Расчеты хорошо согласуются с результатами опытов. Расчеты подтвердили высокую эффективность разделения в предлагаемом устройстве и показали возможность использования компьютерных экспериментов при выборе оптимальных условий разделения различных конкретных материалов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает работу аппарата в непрерывном режиме и позволяет значительно повысить производительность грохота, приходящуюся на единицу занимаемой им площади. Оно позволяет также минимизировать забивку отверстий просеивающей поверхности, что является основным фактором, ограничивающим область эффективного использования грохотов, и, тем самым, повысить эффективность разделения. Возможность варьирования формы короба грохота, а также места размещения в нем питающего патрубка и формы его сечения позволяет гибко приспособить конструкцию к конкретным производственным условиям, что расширяет область применения устройства. Этому способствует также использование вибрационного привода с регулируемым расположением осей дебалансных вибраторов.