Исследование вибрационных характеристик вибропневматического оборудования

На основании проведённых исследований проведён анализвибрационных характеристик оборудования вибропневматического принципа действия. Приводится описание разработанного лабораторного стенда для изучения процесса самосортирования сыпучих компонентов в псевдоожиженном слое. На основании экспериментальных исследований установлены параметры вибрации сетчатой деки разработанного сепаратора вибропневматического   принципа   действия   с   рециркуляцией   воздушного потока, обеспечивающие максимально эффективное разделение компонентов зерновой массы на фракции, отличающиеся между собой удельной плотностью в пределах 10-15%. 

Введение

Анализ существующих конструкций машин для очистки зерновой массы от трудноотделимых примесей и сортирования посевного материала по биологической ценности показал, что наиболее перспективным с точки зрения эффективности сепарирования и экономической целесообразности является разделение компонентов зерновой массы по плотности на машинах вибропневматического принципа действия.

Одним из основных факторов, оказывающих значительное влияние на сегрегацию компонентов зерновой массы и эффективность работы оборудования вибропневматического принципа действия в целом, является уровень и характер вибрации сетчатой деки. Вибрация таких машин зависит от ее размеров, динамических характеристик и конструкции электровибратора.

Оценки вибрационного состояния проводилась на основании двух критериев. Один из них учитывает сами значения наблюдаемой вибрации, другой - изменения этих значений.

Анализ вибрационных характеристик разработанного вибропневматического сепараторас рециркуляцией воздушного потока проводился в диапазоне частот, охватывающих спектр колебаний машины.При этом во всём диапазоне частот работы данного оборудования оценивалось влияние виброперемещения, виброскорости и виброускорения сетчатой деки сепаратора на эффективность сегрегации компонентов зерновой массы.

Материалы и методы

При анализе вибрационных характеристик разработанного сепаратора вибропневматического принципа действия с рециркуляцией воздушного потока использовали среднеквадратическое значение трёх основных параметров вибрации: виброперемещение, виброскорость и виброускорение. Эти параметры имеют общую форму (рисунок 1), на котором указаны границы частотного диапазона измерений /_ии f и показано, что ниже частоты f_x и выше частоты f_y допустимое значение виброскорости является уже функцией частоты f вибрации.

Согласно ГОСТ 10816 «Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на не вращающихся частях»для качественной оценки вибрации машины определены следующие зоны состояния:

Зона А - В эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию.

Зона В - Машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков.

Зона С - Машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации. Обычно данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ.

Зона D - Уровни вибрации в данной зоне обычно рассматривают как достаточно серьезные, для того чтобы вызвать повреждение машины.

Полученный в результате измерений широкополосный установившийся вибрационный сигнал имеет сложный характер и состоит из ряда гармоник. Каждая из этих составляющих определяется ее частотой, амплитудой и фазой относительно некоторого известного начала отсчета.

Для проведения экспериментальных исследовании процесса вибросепарирования зерновой массы был разработан лабораторный стенд, основным звеном которого является сепаратор вибропневматического принципа действия, позволяющий производить сортировку зерновой массы на фракции, отличающиеся удельной плотностью с разницей 10-15% [1]. Схема экспериментального стенда представлена на рисунке 2.

Измерение параметров вибрации производили с помощью виброанализатора серии СД-21, технические возможности которого позволяют проводить измерения для мониторинга и диагностики технологического оборудования следующих параметров: измерение по маршрутным картам и вне маршрута, спектральный анализ сигналов, спектральный анализ огибающей случайной высокочастотной составляющей вибрации, отображение и запоминание временных сигналов (режим осциллографа), общего уровня сигнала в заданной полосе частот, скорости вращения машины, измерение амплитуд и фаз вибрации на частотах, кратных оборотной.

Измерение параметров вибрации проводилипри работающем оборудовании в каждой точке в трех направлениях (осевом, вертикальном и горизонтальном) в соответствии с ГОСТ 10816 - 97 [2]. Схема установки датчиков вибрации на лабораторном сепараторе вибропневматического принципа действия представлена на рисунке 3.

Для анализа вибрационных характеристик разработанного сепаратора вибропневматического принципа действия принята следующая система координат (см. рисунок 1): ось х направлена вдоль плоскости деки и лежит в плоскости симметрии машины, ось у перпендикулярна плоскости деки, ось ^горизонтальна и перпендикулярна плоскости симметрии машины.

Эталонная сигнатура включает в себя эффективные и пиковые значения виброперемещений и виброускорений указанных точек по осям х, у и гпри работе машины на холостом ходу. Направление перемещенияпродукта по деке сепаратора зависит от амплитуды направления колебаний.

Измерение параметров вибрации разработанного сепаратора проводилось в диапазоне частот, охватывающих частотный спектр колебаний машины. Контроль вибрационного состояния продился на основании данных параметров вибрации в фиксируемом диапазоне частот 10...1000 Гц и оценки среднеквадратического значения (далее СКЗ) виброскорости в этом диапазоне.

Результаты исследований и обсуждение

Проведённая серия экспериментов позволила определить усредненное значение СКЗ виброперемещения сетчатой деки, которое в точке 1^о составляет 1027,09 мкм; пиковое значение - 1492,4 мкм; значение Пик-Пик - 2981,8 мкм.

Значение виброперемещения в направлении перпендикулярном сетчатой деке, измеренное у выходного патрубка для более плотной фракции (точка 2^о) составили: СКЗ -292,7 мкм; пиковое значение - 463,5 мкм; значение Пик-Пик - 887,8 мкм. В точке 3^о, виброперемещенияизмеренное у выходного патрубка для менее плотной фракции, СКЗ виброперемещения в данном направлении составляет 121,3 мкм; пиковое значение - 191,9 мкм; значение Пик-Пик - 367,3 мкм.

Для анализа влияния жесткости крепления зерноочистительного оборудования вибропневматического принципа действияк фундаменту на эффективность сепарирования была проведена серия экспериментов по оценке амплитудно-фазной характеристики в точках непосредственно на креплениях самого оборудования и на фундаменте. Согласно ГОСТ 10816-1-97 «Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях», разность значения угла фазы не должна превышать 180°. Автоспектр вибросигнала, показывающий частоты, на которых элементы машины совершают колебания, является очень мощным и полезным инструментом для анализа вибрации машины. Изучая отдельные частоты, на которых элементы машины совершают колебания, можно сделать заключение о возможных причинах вибрации и о техническом состоянии машины. Основное правило оценки технического состояния машины или механизма при анализе частотного спектра: при увеличении числа гармоник и увеличении амплитуды колебаний составляющих в спектре состояние машины или механизма считается неудовлетворительным.

Из проведённого анализа автоспектров лабораторного вибропневматического сепаратора можно сделать вывод, что на частоте вращения ротора электровибратора происходит резкий скачек вибрационного спектрас общим уровнем 13,39 мкм, который связан с резонансом оборудования, из-за которого нарушается работа системы в целом.

В рамках анализа вибрационных характеристик сепаратора проводилось измерение разгона-выбега (АФЧХ - амплитудно-фазовая частотная характеристика). Суть метода заключается в анализе зависимости амплитуды и фазы вибрации от частоты вращения (во время пуска или останова).

Частота колебаний сетчатой деки изменялась при помощи частотного преобразователя тока в цепи питания электровибраторов в диапазоне 10-25 Гц.

Исследования показали, что резкое увеличение амплитуды колебаний сетчатой деки является следствием резонанса, причиной которого является совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. На рисунке 5представлена спектрограмма показателя разгон-выбег лабораторного вибропневматического сепаратора.

На рисунке 4 представлена спектрограмма автоспектра лабораторного вибропневматического сепаратора. 

Проведённый анализ вибрационных характеристик разработанного сепаратора показал, что наибольшее значение виброперемещения находится в точке 1 параллельной оси сетчатой деки в направлении перемещения зерновой массы. Колебание деки в данном направлении определяет величину действия добавочной силы. В случае перемещения зерновой массы по сетчатой деке вибропневмосепаратора, совершающего поступательные колебания, направление которых образует с поверхностью угол, роль добавочной силы выполняет сила инерции в переносном движении.

Выводы

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что для обеспечения эффекта псевдоожижежия зерновой массы без фонтанирования и создания необходимой добавочной силы, обеспечивающей перемещение зерновой массы по сетчатой деке, устойчивой сегрегации компонентов, параметры вибрации сетчатой декидолжны находиться в диапазонах:

• среднеквадратичноевиброперемещение (СКЗ) 1000,0 - 1300,0 мкм;
• пиковое значение виброперемещения- не более 1600,0 мкм;
• значение Пик-Пик должно находится в диапазоне 3000,0 - 3200,0 мкм. Виброперемещение деки в других  направлениях  связано  с расбалансировкой электровибраторов и общей недостаточной жесткостью конструкциидолжно стремится к нулю. При этом СКЗ виброперемещения в направлении перпендикулярном сетчатой деке, измеренное у выходного патрубка для более плотной фракции, не должно превышать 300,0 мкм; пиковое значение - 480,0 мкм; значение Пик-Пик - 900,0 мкм; СКЗ виброперемещения в направлении перпендикулярном сетчатой деке, измеренное у выходного патрубка для менее плотной фракции, не должно превышать 140,0 мкм; пиковое значение - 200,0 мкм; значение Пик-Пик - 400,0 мкм.

Литература

1. Поздняков В.М. Разделение зерновой массы по удельной плотности на сепараторе вибропневматического принципа действия / Поздняков В.М., Зеленко С.А. // Агропанорама. - 2013. - №4. - С. 18-22.
2. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на не вращающихся частях. ГОСТ ИСО 10816-1-97. Введ. 01.07.1999. - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Белорус.гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2006. - 14 с.