Спосіб вібропереміщення сипких харчових мас

Спосіб вібропереміщення сипких харчових мас під дією механічних коливань шляхом переміщення сипких мас по робочій поверхні, який відрізняється тим, що здійснюють механічні коли C2 2 (19) 1 3 що виконує робочий орган, складений з похило встановлених у прямокутному жолобі пластин прямокутної форми, які встановлені одна за одною під кутом до горизонту і жорстко зв'язані між собою по довжині за допомогою вертикально встановлених у жолобі прямокутних пластин-перемичок, а частки продукту спочатку рухаються разом з робочим органом, знаходячись між вертикальною перемичкою і нахиленою пластиною, далі при русі робочого органу в напрямку кута між похилою пластиною і горизонтом частки продукту переміщуються ковзанням по нахиленій пластині робочого органу уверх, а після зміни напрямку руху робочого органу, частки продукту, під дією сили інерції, відриваються від верхньої частини похилої поверхні і відбувається переліт через наступну похилу поверхню згідно з напрямком останнього коливного руху робочого органу, причому процес повторюється кожні два повних циклу коливань. Похила прямокутна поверхня у подовжньому розрізі робочого органу є гіпотенузою прямокутного трикутника, причому її гострий кут з горизонтом вказує напрямок переміщення часток сипкого продукту, на етапі польоту його часток над поверхнею робочого органу. Кут між похилою прямокутною поверхнею і горизонтальним катетом може бути від 20 до 45 градусів, згідно з теоретичними і практичними дослідженнями, причому спосіб має три основні етапи, перший - рух частки продукту разом з робочим органом між вертикальною і нахиленою пластинами, другий - ковзання частки продукту по нахиленій пластині, третій - політ частки продукту через наступну нахилену пластину. Виходячи з послідовності фрагментів уповільненого перегляду швидкісного відеозапису (фіг. 1, 2, 3, 4), видно весь процес, який періодично повторюється за час двох повних періодів коливань робочого органа. Перший фрагмент, це знаходження частки продукту внизу похилої поверхні (фіг. 1). Другий фрагмент - це переміщення ковзанням по похилій поверхні уверх (фіг. 2), це відбувається за рахунок сили інерції коливного руху, спрямованого у даний момент часу вправо. Третій фрагмент (фіг. 3) - це початок польоту частинки, її відрив від похилої поверхні. Четвертий фрагмент (фіг. 4) - це завершення процесу польоту, приземлення частки у впадині іншої похилої поверхні. Процес можна поділити на три основні етапи: 1) рух частки продукту разом з коливним робочим органом між вертикальною і нахиленою пластинами; 2) ковзання частки продукту по нахиленій пластині; 3) політ частки продукту. У запропонованому способі вібропереміщення цілком залежне від співвідношень геометричних розмірів часток продукту і поверхонь, з якими він стикається, а також від кінематичних параметрів механічних коливань. Для аналітичного розгляду всіх стадій процесу, приймемо пов'язану з декою систему координат XOY (фіг. 5), у якій будемо розглядати рух часток продукту масою m аналогічно роботі [3], приймаємо частку масою m за матеріальну точку, 96293 4 на яку діє сила ваги, mg (g - прискорення вільного падіння), нормальна реакція N, сила інерції I, сила тертя Fmp, Vпл - висота похилої пластини м, L - довжина похилої поверхні м. У зв'язку з малою відстанню польоту й досить великою щільністю вантажу, що транспортується, приймаємо допущення про те, що опір повітря не робить істотного впливу на процес польоту частки і у нашому випадку ним можна знехтувати. Складемо рівняння сил, що діють на частку по осях ОХ і ОУ: m  m2 cos  sin t  Fmp  mg sin   x (1) ,   m  N  mg cos   m2 sin  sin t  y де A - амплітуда коливань робочого органа m,  - циклічна частота коливань робочого органа с1  , - кут нахилу пластини, град., t - поточний час с. Оскільки удар частки при зіткненні з поверхнею деки в достатньому ступені не пружний (властивість поверхні матеріалу, з якого виконана дека і низька висота падіння), то приймемо допущення згідно з [3], що частка сковзає по поверхні уздовж осі ОХ без підскакування, тобто руху уздовж осі OY не відбувається, тобто можемо прийняти на  ступні умови: y = 0, y  0, y  0. Тоді із другого рівняння системи (1) одержуємо значення N: (2)   mg cos   m2 sin  sin t Підставивши рівняння (2) у перше рівняння системи (1) і розділивши обидві його частини на m, одержимо диференціальне рівняння руху частки уздовж ОХ:   2 cos  sin t   g cos   2 sin  sin t  g sin  (3) x де   tg - коефіцієнт тертя між часткою й похилою поверхнею,  - кут тертя ковзання (ви   значається експериментально). Інтегруючи по dt диференціальне рівняння (3) одержимо закон зміни швидкості частки:  x  cos t  cos t0  sin   cos   gt  t0 sin    cos   x0, (4) де t0 - момент початку ковзання, який визначає  фазовий кут початку ковзання 0  t 0 , x 0 - початкова швидкість ковзання. Інтегруючи рівняння (4) одержимо закон руху частки уздовж ОХ на етапі ковзання: x   sin   cos  sin t  sin t0    cos t0 t  t0 cos    sin    1 (5) 2  gt0 t  t0  cos   sin    gt 2  t0  cos   sin    x0 t  t0   x0 2 , де x0 - початкова координата на етапі ковзання. На підставі вищевикладеного приймаємо, що спочатку етапу ковзання x0 = 0, x0 = 0 і на всьому етапі ковзання у0 = 0, у0 = 0 до моменту відриву t1 і початку польоту (від t0 до t1). Фазовий кут відриву:  1  t1  t1  1  . Для знаходження t0 перше рівняння системи (1) дорівняємо до нуля при (t = t0) і одержимо: 5 96293 6  g cos   sin    g cos   g sin  0  t0  arcsin 2  (6)   arcsin 2 2   cos    sin    cos    sin       Для визначення t1 складемо рівняння сил, по осі ΟΥ, діючих на частку, у момент коли робочий орган рухається від середнього до крайнього лівого положення при N = 0 (момент відриву). (7) m2 sin  sin t1  mg cos   0 звідки:  g  1  t1  arcsin  ctg (8) 2   Тут 1 < 0, що вказує на рух деки від середнього положення вліво, протилежно обраному позитивному фазовому куту, що відповідає руху деки вправо. Визначивши t0 з виразу (6) і t1 з виразу (8), підставивши ці значення в рівняння (5) при (t=t1), визначимо переміщення х1 уздовж осі ОХ за етап ковзання. Це ж значення переміщення уздовж горизонту буде дорівнювати х1cos  , якщо це значення позитивно, то вібропереміщення частки відбувається вправо, якщо негативно - уліво, згідно з фіг. 5. Необхідно визначити переміщення за етап польоту х2 і переміщення за етап ковзання х1. Визначивши х2 і x1 ми зможемо визначити середню швидкість вібропереміщення частки. Момент падіння t2 визначається фазовим кутом 2  t 2 і залежить від початкової швидкості  польоту x 1 в момент відриву t1. Так, як вібропереміщення (як і коливання робочого органа) здійснюється уздовж горизонту, то етап польоту доцільно розглядати в системі координат HOV з вертикальною й горизонтальною віссю, повернутими на кут α відносно системи ΦΟΥ (фіг. 6). З моменту t1 політ вібротранспортуючого тіла уздовж осі ОХ здійснюється з початковою швидкіс x тю 1 , яку можна визначити з виразу (4), підставивши туди значення t0 з виразу (6) і t1 з виразу (8) у момент, коли t=t1. Розглядаючи схему на фіг. 6, можемо записати в проекції на вісь ОН, початкову швидкість польоту:    1  1 cos . (9) У нерухливій системі координат O1 фіг. 6 рух частки буде описано з урахуванням горизонтальної швидкості похилої пластини в момент початку польоту:     1   cost1 . (10) Швидкість у польоті уздовж осі OV можна описати як:    V  V1  gt п  x1 sin   gt п . (11)  Де V1 - початкова швидкість польоту, tп - поточний час польоту, час співвіднесений з початком коливального процесу t = t1 + tп  tп = t – t1. Повmax ний час польоту tп = t2 – t1,. Щодо нерухливої осі Ο1  можемо записати:    (12)   V1  x1 sin   gtп. Дорівнявши вираз (12) до нуля, визначимо момент часу досягнення максимальної висоти vmax tп=tп по осі OV. Тоді:  x sin  v max tп  1 (13) g . Найбільша висота, щодо положення похилої пластини ступеня у момент ti відповідно визначиться як:   v max 2 gt  v Vmax  V1tп max  п   v max 2 gt v   x1 sin tп max  п (14) . Vmax - повинна значно перевищувати висоту верхньої точки похилої пластини деки Vпл, для того, щоб частка перескакувала на наступну похилу пластину, з урахуванням того, що положення верхньої точки похилої поверхні змінюється уздовж горизонту за законом Asin t . Знаходження моменту падіння t2 є складним завданням, тому що форма коливної поверхні специфічна. Однак для знаходження середньої швидкості вібропереміщення, у даному випадку, немає необхідності визначати t2, важливо щоб повний час польоту гарантував необхідну висоту й довжину польоту. Виходить, умови вібропереміщення мають наступний вигляд: Vmax  Vпл  Ltg . (15)  max  L  Де Vпл - висота похилої пластини робочого органу м, L - довжина проекції похилої пластини м. (фіг. 5). Якщо зробити припущення, що при виконанні умови (15) транспортується матеріал, що буде перескакувати через похилу пластину, через один період коливань, причому кожний другий період коливань буде необхідний для того, щоб після моменту t2 падіння на наступну похилу пластину частка займала вихідну позицію (фіг. 5) до початку третього періоду коливань (при перегляді вповільненого відеозапису спостерігався такий режим), то середня швидкість вібропереміщення складе: L L  V  . (16) 2 2 Де Τ - час періоду коливань. Приклад конкретного виконання. Експериментальні випробування діючої моделі для вібропереміщення, де механічні коливання у горизонтальній площині виконує робочий орган. Він складений з похило встановлених у прямокутному жолобі пластин прямокутної форми, які встановлені одна за одною під кутом до горизонту і жорстко зв'язані між собою по довжині за допомогою вертикально встановлених у жолобі прямокутних пластин2 2 7 перемичок. Продукт подається зверху на робочий орган і спочатку рухається разом з робочим органом, знаходячись між вертикальною перемичкою і нахиленою пластиною, далі при русі робочого органу в напрямку кута між похилою пластиною і горизонтом, частки продукту переміщуються ковзанням по нахиленій пластині робочого органу у верх, а після зміни напрямку руху робочого органу, частки продукту, під дією сили інерції, відриваються від верхньої частини похилої поверхні і відбувається переліт через наступну похилу поверхню згідно напрямку останнього коливного руху робочого органу. Процес переміщення повторюється кожні два повних цикли коливань робочого органу. Для зернових культур, цей спосіб дозволяє переміщувати зерна квасолі з швидкістю 0,467 м/с при амплітуді 6 мм і частоті коливань робочого органу 25 Гц, насіння ячменя з швидкістю 0,525 м/с при амплітуді 5 мм і частоті коливань робочого органу 25 Гц, крупи гречки з швидкістю 0,494 м/с при амплітуді 5 мм і частоті коливань робочого органу 25 Гц. Геометричні параметри робочої поверхні деки:  =30 градусів до горизонту а=25,98 мм - довжина похилої пластини, b=15 мм - вертикальна грань, були вибрані, виходячи з розрахункових даних. Експериментально підтверджена можливість вібропереміщення зернових культур з кутом нахилу похилої поверхні  = 20  45 градусів до горизонту. Висновки: 1) На підставі практичних експериментів теоретично обгрунтовані конструкція й фі 96293 8 зичні принципи процесу вібропереміщення сипких харчових мас на робочому органі з похилих прямокутних пластин при поздовжніх коливаннях робочого органа в горизонтальній площині. Визначенні чотири основні стадії процесу. 2) Для сипких мас певного фракційного складу проведені базові аналітичні дослідження процесу на етапах польоту й ковзання. Визначено необхідні фазові кути й граничні умови протікання існуючого процесу. 3) Аналітично визначена середня швидкість вібропереміщення сипких харчових продуктів певного фракційного складу розглянутим способом. 4) Враховуючи формулу (16), можна стверджувати, що швидкість вібропереміщення часток продукту буде більша в порівнянні з будь-яким відомим вібротранспортером в декілька разів, а це означає, що теоретична продуктивність запропонованого транспортера також в вдвічі більша. Список використаних джерел. 1. Потураев, В.Н. Вибрационные транспортирующие машины [Текст]: Основы теории и расчета / В.Н. Потураев В.П. Франчук, А.Г. Червоненко; изд. -М. : Машиностроение, 1964. -272 с. 2. Спиваковский А.О., Гончаревич И.Ф. Вибрационные конвейеры питатели и вспомогательные устройства. М., Машиностроение, 1972, с. 109-124, [прототип] 3. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. - М.: Наука, 1964. - 412с. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 96293 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601