Г л а в а 7. Вибрационные машины пищевых производств

§1. Теоретическая часть

Вибрационные машины в пищевой промышленности применяют при просеивании и сепарировании сыпучих пищевых продуктов, для ускорения процессов структурообразования различных пищевых масс и для формирования их однородности, а также при мойке, транспортировании, сушке, измельчении, дозировании и уплотнении в разделительных, фасовочных автоматах и т.п.

Отличительной особенностью вибрационного воздействия на обрабатываемый продукт является то, что оно интенсифицирует процессы тепло- и массообмена в результате быстрого увеличения поверхности взаимодействия участвующих компонентов и повышения скорости конвективной диффузии.

Наибольшее распространение получили вибрационные машины, работающие в режиме прямолинейных параметрических гармонических колебаний (рис.7.1).

Рис.7.1. Расчетная схема колебаний вибрационной машины:

1 – пружина; 2 – вибрационная машина; 3 – направляющие;

4 – демпфер; 5 – неподвижная стойка.

Рассмотрим в качестве примера колебания вибрационной машины массой М (рис. 7.1) с центробежным вибровозбуждением.

Дифференциальное уравнение движения данной системы имеет вид

(7.1)

где – угол наклона рабочего органа, град; m – масса дебаланса, кг; r – эксцентриситет центра массы дебаланса относительно оси вращения, м; ω – частота колебаний вынуждающей силы (равна угловой скорости вращения дебаланса), ; – масса вибрационной машины, кг; – время, с; – перемещение, м; – амплитуда колебаний, м; – угол сдвига фаз между перемещением системы и перемещением дебаланса, град.

Решая уравнение (7.1), после ряда преобразований получаем выражение для определения усилия , передаваемого на возбужденную колебательную систему

(7.2)

где – собственная частота колебаний, ;  – перемещение упругих связей машины под действием единичной силы;

Из уравнения (7.2) можно легко получить выражение для определения

, (7.3)

где коэффициент демпфирования; Р₀ – гармоническая сила, Н; – круговая частота собственных колебаний системы, с^-1;  – круговая частота вынужденных колебаний системы, с^-1.

Амплитуда установившихся вынужденных колебаний с затуханием

. (7.4)

Вводя значения безразмерных коэффициентов виброизоляции

(7.5)

и безразмерные параметры

(7.6)

получим условия эффективности виброзащиты:

, (7.7)

(7.8)

Таким образом, целью виброзащиты является уменьшение амплитуды силы и амплитуды установившихся вынужденных колебаний .

Различают виброзащиту активную и пассивную. При активной виброзащите для уменьшения динамической составляющей сил на опорную конструкцию машины, являющуюся источником вибрации, устанавливают на виброизоляторы. При пассивной – машину защищают от внешних возмущений.

При конструировании необходимо учитывать следующие рекомендации:

1. необходимо сокращать расстояние между центром масс машины и линией действия возмущающей силы, при этом уменьшается амплитуда колебаний машины при вращении;

2. соединительные коммуникации (трубопроводы, шланги и т. п.) должны быть гибкими, а их жесткость значительно ниже жесткости виброизоляторов;

3. нельзя удалять виброизоляторы от центра масс машины, так как это увеличивает частоту собственных колебаний машины;

4. подвешивание машины на стержнях – когда преобладают горизонтальные возмущающие силы.

Вибрацию ряда пищевых машин трудно устранить уравновешиванием или демпфированием. В этих случаях применяют вибрационные амортизирующие средства. Рассмотрим более подробно способы виброзащиты, связанные с применением этих средств.

1. Установка машины на амортизирующую подкладку (рис. 7.2).

О

Рис. 7.2. Амортизирующая опора с применением трехслойной прокладки: 1, 5 – элементы станины и основания; 2, 4 – рифленые стальные полосы; 3 – слой резины

бычно в качестве подкладки используют резину, войлок, пробку. Однако они обладают существенным недостатком: при попадании на них смазочных материалов изолирующий слой разрушается. В связи с этим более целесообразно применение упругих подкладок из прессованных пробковой крошки, пенькового волокна и пластмассы. В этом случае пластмасса предохраняет пробку от действия смазочных материалов, а куски пробки соединены длинными волокнами. Для увеличения трения используют подкладки с рифлеными поверхностями.

2. Использование пружинных амортизатором (рис. 7.3) с битумной массой.

Рис. 7.3. Пружинный амортизатор с битумной массой: 1 – верхняя плита станины машины; 2 – пружина; 3 – битумная масса; 4 – корпус основания

Внутреннюю часть пружинного амортизатора заливают битумной массой с низкой температурой плавления. Применение битума способствует повышению демпфирующей (гасящей колебания) способности конструкции.

3

Рис. 7.4. Пружинный телескопический амортизатор: 1 – фундамент;

2 – анкерный болт; 3 – станина; 4 – верхний телескопический корпус;

5 – пружина; 6 – нижний телескопический корпус

. Применение пружинных телескопических амортизаторов (рис. 7.4).

4. Применение гидравлических амортизаторов (рис.7.5).

Рис. 7.5. Схема гидравлического амортизатора: 1 – гидроцилиндр; 2 – пружина; 3 – демпфирующее устройство; 4 – машина; 5 – вибровозбудитель; 6 – направляющие; 7 – фундамент

Серийно выпускаемые виброизоляторы отличаются упругодемпфирующими характеристиками, различным сочетанием виброизолируюших и ударозащитных свойств, долговечностью, условиями эксплуатации и конструктивными особенностями. Они классифицируются в основном по виду демпфирования или по материалу упругого элемента на резинометаллические (типов АП, АЧ, АР, АН, АМ, Аксс), пружинные (типов АД, АФД, АПН), цельнометаллические виброизоляторы (типов ДК, АРМ, АЦП) с воздушным или сухим трением, а также недемпфированные.

Резинометаллические виброизоляторы. Упругим элементом в этих виброизоляторах является фасонный резиновый массив (рис. 7.6), соединенный с деталями металлической арматуры с помощью вулканизации. Их достоинства: простота конструкции; широкий диапазон изменения упругих характеристик, определяющихся как маркой применяемой резины, так и конфигурацией упругого элемента; возможность произвольной ориентировки относительно основания.

Рис. 7.6. Виброизолятор типа АЧ:

1 – втулка; 2 – ограничительная шайба

К недостаткам следует отнести изменение динамических свойств при длительной эксплуатации из-за «старения» резины; недостаточная надежность соединения резинового элемента с металлической основой; ухудшение виброзащитных свойств в условиях повышенной или пониженной температуры и влажности; невозможность использования при повышенных содержаниях паров бензина, масла и т. п.; недостаточное в отдельных случаях демпфирование.

Пружинные виброизоляторы с демпфированием. Упругий элемент пружинных виброизоляторов представляет фасонную пружину, коническую или экспоненциальную, назначение которой состоит в том, чтобы статическая характеристика была нелинейной. Демпфирование в виброизоляторах типа АД (рис. 7.7) создается вследствие потерь в потоке воздуха, протекающего через калиброванное отверстие в резиновой оболочке, окружающей пружину; эта оболочка представляет собой воздушный демпфер, параллельный упругому элементу.

Рис. 7.7. Виброизолятор типа АД:

1 – корпус; 2 – резиновая оболочка;

3 – воздушный демпфер; 4 – шток;

5 – основание

В виброизоляторах типа АПН (рис. 7.8) демпфирование создается силами сухого трения между корпусом и пластмассовой диафрагмой, связанной со штоком, соединяющимся с виброизолированным объектом.

Рис. 7.8. Виброизолятор типа АПН: 1 – основание; 2 – корпус; 3 – ограничительная шайба; 4 – коническая пружина; 5 – шток; 6 – диафрагма

Упругий элемент виброизолятора состоит из двух последовательно соединенных конических пружин, причем верхняя пружина идентична нижней. Для лучшей защиты от ударных воздействий в конструкцию введена ограничительная шайба.

Пружинные виброизоляторы обладают большим ресурсом работы по сравнению с резинометаллическими виброзоляторами, их упругие характеристики гораздо меньше зависят от внешних условий (температуры, влажности и т. п.), они могут работать в агрессивных средах. Однако, они осуществляют эффективную виброзащиту лишь в осевом направлении, демпфирование в них создается искусственно, т. к. внутреннее трение в материале пружины весьма мало.

Цельнометаллические виброизоляторы. Упругий элемент в них выполняется в виде пружины рессорного типа или из прессованных гофрированных лент, металлической витой проволоки или сетки.

В виброизоляторах типа АРМ (рис. 7.9) упругий элемент выполнен из стальной путанки и допускает изменение жесткости с помощью регулировочных опорных шайб.

Рис. 7.9. Виброизолятор типа АРМ: 1 – шпилька; 2 – регулировочные опорные шайбы; 3 – корпус; 4 – сетчатый упругий элемент

Цельнометаллические сетчатые виброизоляторы отличаются высокой надежностью и долговечностью, а при совместном использовании в качестве упругого элемента параллельно работающих пружин и сетчатых подушек – стабильностью упругодемпфирующих свойств даже при интенсивных динамических нагрузках и в тяжелых климатических условиях.

Основные параметры виброизоляторов даны в табл. 7.1.

Таблица 7.1