5 Вибрационные питатели и дозаторы
5.1 Принципы вибрационного перемещения
Вибрация применительно к сыпучим материалам используется для их перемещения по горизонтали и под углами к горизонту (вплоть до вертикали); при заполнении и опорожнении емкостей сверху; при необходимости подачи в них материала снизу (вибробункеризация); для разделения сыпучего материала на фракции по гранулометрическому составу; для интенсификации процессов тепло- и массообмена в многофазной среде, для уплотнения и разрыхления и т.д. [7, 11, 12].
В основе вибрационного перемещения сыпучих материалов по несущим поверхностям лежит принцип несимметричного воздействия на составляющие массу материала частицы. При этом величина возвратно-поступательного перемещения грузонесущего органа и самих частиц на несколько порядков меньше расстояния целевого перемещения массы материала. Вибрационные транспортирующие устройства обладают рядом значительных преимуществ перед обычными механическими системами, в которых рабочий орган перемещается вместе с грузом. При вибрационном побуждении расхода значительно меньше проявляется негативное воздействие рабочего органа на материал и материала на окружающую среду (вибротранспортеры легко герметизируются); изменением амплитуды и частоты колебаний в широких пределах можно регулировать (в том числе и автоматически) производительность; выбор режима колебаний, близкого к резонансному, позволяет значительно экономить затраты энергии; процесс транспортирования легко сочетается с технологическими процессами сушки, классификации, интенсификации химических реакций и т.п. Вместе с тем, неправильно выбранные параметры колебаний могут привести к преждевременному износу движущихся и трущихся пар, оказывать вредное влияние на здоровье персонала, вызывать нежелательные технологические эффекты. К числу последних относятся, в частности:
разделение материала на фракции в тех процессах, где необходима гомогенизация среды;
обратный эффект, т.е. уплотнение мелкодисперсных материалов в процессе транспортирования, сопровождающееся резким замедлением перемещения и др.
В связи с этим большое значение приобретает разработка и совершенствование адекватных методов синтеза и анализа вибрационных систем различного применения, представляющих собой самостоятельный и нетривиальный объект исследования. Для математического описания колебательных процессов используется теория нелинейных колебаний и устойчивости движения, гармоническая линеаризация, вибрационная механика и др. В настоящее время активно развивается новая область прикладной науки – теория вибрационных процессов и устройств. Физические причины различных эффектов, проявляющихся при приложении к материальным телам мало заметных внешне вибрационных воздействий, не всегда очевидны. По этой причине в вибрационной механике [7] при описании поведения колеблющихся с высокой частотой объектов (устройств и материалов) рассматриваются две составляющие движения – быстрая (вибрационная) и медленная, причем медленная составляющая движения и определяет цель воздействия вибрации на объект. Рассмотрим отдельную частицу (груз), обладающую массой и расположенную на несущей ленте, совершающей горизонтальные возвратно-поступательные движения малой амплитуды (рисунок 27а).
Рисунок 27 — Примеры динамической асимметрии
Если сила трения Fтр между материалом и лентой одинакова при движениях в обоих направлениях (условно — влево и вправо), груз колеблется вокруг центральной оси (в пределе остается неподвижным) и суммарное его перемещение вдоль полосы равно нулю (рисунок 27а). Если одна из поверхностей имеет шероховатость, в результате чего сила трения при движении в одну сторону больше, чем в другую, в каждый период колебаний груз перемещается на некоторое расстояние в сторону меньшего трения (рисунок 27б). Суммарно эти перемещения воспринимаются как непрерывное движение тела в требуемом направлении (медленная составляющая движения).
Если одна из поверхностей имеет шероховатость, в результате чего сила трения при движении в одну сторону больше, чем в другую, в каждый период колебаний груз перемещается на некоторое расстояние в сторону меньшего трения (рисунок 27б). Суммарно эти перемещения воспринимаются как непрерывное движение тела в требуемом направлении (медленная составляющая движения).
При наличии некоторого наклона плоскости появляется составляющая F ДОП силы тяжести Р, в направлении действия которой также происходит дискретное перемещение (рисунок 27в). Аналогичный процесс имеет место при приложении любой односторонней внешней силы Fвн (рисунок 27г). Асимметрия колебаний этого типа называется динамической (силовой).
Примеры кинематической асимметрии, приводящей к однонаправленному целевому перемещению груза по плоскости, показаны на рисунке 28.
Пусть в исходном положении (рисунок 28а) ось груза проходит через марки на неподвижной стойке и вибрирующей ленте (грузоносителе). При движении ленты вправо груз, фиксированный за счет силы трения на ленте, смещается вместе с ней относительно неподвижного маркера на расстояние S (рисунок 28б). В следующий момент лента уходит налево – вниз (рисунок 28в), при этом трение между грузом и лентой ослабевает (в пределе до нуля). Лента возвращается в исходное положение относительно неподвижного маркера, а груз остается смещенным вправо (рисунок 28г). При ненулевом трении в процессе обратного хода остаточная величина перемещения меньше S. На рисунках 28д и в показаны две из возможных траекторий колебания грузонесущего органа.
Рисунок 28 — Схема перемещения в результате кинематической
асимметрии
При приложении достаточной вибрационной силы к массе сыпучего материала реологические свойства последнего изменяются, и сухое трение между частицами трансформируется в вязкое трение. При этом масса сыпучего материала приобретает свойства псевдожидкости, и условия вертикального и горизонтального перемещения значительно улучшаются.
В тех случаях, когда рабочий орган транспортера или питателя сообщает всей перемещаемой массе материала гармонические колебания, для описания процесса перемещения возможно применить известный математический аппарат, с помощью которого изменение координаты рабочего органа, отдельной частицы или совокупности частиц определяется по закону
|
(33) |
.
Здесь А, ω, φ — амплитуда, частота и фаза вибрации.
Скорость материала при вибрационном перемещении
|
(34) |
.Вибрационное ускорение
|
(35) |
.
Максимальная
амплитуда скорости равна
,
а ускорения —
.
Последнюю величину часто рассматривают
в качестве комплексного параметра,
влияющего на расход материала при
гравитационной разгрузке с применением
вибрационных сил. Для оценки интенсивности
вибрационного воздействия используют
отношение вибрационного ускорения к
ускорению свободного падения —
коэффициент
.
В частности, при достаточной величине
можно говорить о виброожижении, а при
— о виброкипении материала.
На основании результатов экспериментальных исследований получена обобщенная графическая зависимость, иллюстрирующая изменение массового расхода сыпучего материала, вытекающего из вибрирующего бункера, от величины виброускорения (рисунок 29) [1]. Авторы, объясняя физическую природу зависимости, выделяют на графике несколько зон. При величине виброускорения aB1 открывается выпускное отверстие и, с дальнейшим увеличением виброускорения, расход резко увеличивается. При величине ускорения, равной aB2, в массе материала начинается разрушение конгломератов. При этом происходит уплотнение материала, и расход уменьшается. При достижении значения aB3 материал начинает разрыхляться, при этом коэффициент внутреннего трения уменьшается и на участке до aB4 с увеличением ускорения расход увеличивается.
Рисунок 29 — Зависимость массового расхода
от виброускорения
При величине виброускорения aB4 весь слой материала переходит в виброожиженное состояние и далее (aB5 ) — в состояние виброкипения, при котором хаотическое перемещение частиц внутри кипящего слоя препятствует истечению.
У легко текучих материалов, изначально не содержащих конгломераты, участок aB1 – aB2 отсутствует. Диапазон
aB3
-aB4
наиболее
приемлем для управления величиной
расхода, здесь можно предложить
аппроксимацию статической характеристики
вибропитателя степенной или даже
линейной зависимостью. Вместе с тем,
величина этого диапазона различна для
материалов с различной крупностью
частиц и может быть весьма небольшой.
В таком случае можно использовать
диапазон виброускорений
.
Аналогичный характер имеет и зависимость
расхода только от амплитуды вибрации.
При применении вибрационных методов для интенсификации и управления разгрузкой бункеров важно помнить о том, что даже при свободном, а тем более при вибрационном истечении сыпучих материалов из емкостей, в слое возникают собственные колебательные процессы, сопровождающиеся образованием и разрушением агрегированных структур [6, 11]. Частота и амплитуда возникающих при этом на выходе из емкости пульсаций расхода изменяется случайным образом. Несмотря на это, с определенной степенью приближения в данном колебательном процессе можно выделить основную гармоническую составляющую и тогда выбирать параметры накладываемой извне вибрации с учетом возможных квазирезонансных режимов. Работа в таких режимах позволяет достичь существенного снижения энергетических затрат.