農(nóng)業(yè)物料離心分離機工作機理及結(jié)構(gòu)設(shè)計分析*

蒲 軍，黃 飛，張 煒

(1.伊吾縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)牧業(yè)機械推廣站，新疆 哈密 839300；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

芝麻又名脂麻、胡麻，屬于一年生直立性草本植物，其具有較高的藥用價值，具有“滋五臟、補肝腎、潤腸燥、益精血”等功效，被視為純天然的滋補品[1]。近年來，人們對芝麻的需求量不斷增多，但我國現(xiàn)有的連續(xù)式物料固液分離機存在產(chǎn)能不足、芝麻破損率高和分離后物料含水率高等缺陷，不能滿足生產(chǎn)線的實際需求[2-3]。因此，研制出高效連續(xù)式物料固液分離機是提高芝麻脫皮生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)效率和減少生產(chǎn)中所需用水量亟待解決的問題。

從全世界角度來看，各國對于分離機械的研究從未終止過。在固液離心分離機節(jié)能降耗方面，日本學者進行了大量研究，取得了豐碩的成果[4-6]。而美國的學者也在這方面做出了一些卓有成效的工作，例如Leung等在臥螺離心機上設(shè)計了一種能量回收裝置，有效地降低了能耗[7-9]。隨著對國外技術(shù)的不斷借鑒與消化吸收，我國在固液物料分離機方面的研究水平也在不斷進步，取得了令人矚目的成績[10-12]。芝麻固液混合物的分離是典型的兩相物料分離，目前普遍存在固液分離困難、效率低、能耗高、效果差的問題。

針對現(xiàn)階段物料分離存在的問題，筆者設(shè)計了一種連續(xù)式顆粒物料固液分離機，對其離心篩進行了設(shè)計，并對整機動平衡進行了分析，以期為進一步深入探討農(nóng)業(yè)物料分離機分離機理和分離過程中的顆粒物料表面破損機理提供技術(shù)指導。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)芝麻與水的顆?；旌衔锾匦?，如顆粒大小、重量、外觀等物理特性和預期處理指標(表面含水率、表皮破損率、分離液中無顆粒物料及產(chǎn)能)，設(shè)計的連續(xù)式顆粒物料固液分離機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括進料口、離心裝置、分離液出口和出料口。

圖1 連續(xù)顆粒物料固液分離機的整機結(jié)構(gòu)1.進料口 2.離心裝置 3.殼體 4.分離液出口 5.機架 6.出料口 7.皮帶輪 8.皮帶 9.電機

1.2 工作原理

工作時，利用固液泵將芝麻與水的顆粒物料固液混合物輸送至離心篩中，離心篩在電機及傳動系統(tǒng)的帶動下做高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力，將顆粒物料固液混合物中的液體(水)透過離心篩的篩孔排出，同時顆粒物料(芝麻仁)在離心力的作用下，沿著離心篩的篩面從第一層離心篩的底部到頂部做爬坡運動，然后進入第二層離心篩中，再沿著第二層離心篩的底部繼續(xù)做爬坡運動到離心篩的頂部，并在第二層篩面的頂部沿切向運動，最后落到位于離心篩正下方處的出料口中。

2 分離機關(guān)鍵部件設(shè)計

離心篩包括第一層離心篩和第二層離心篩，兩層篩網(wǎng)形成無縫對接，并且第一層離心篩和第二層離心篩的形狀相同，均為錐形篩，如圖2所示。

圖2 離心篩的結(jié)構(gòu)圖

2.1 第一層離心篩

離心篩的技術(shù)參數(shù)主要包括：結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)：篩孔直徑φ、上篩面直徑、下篩面直徑、篩體高度。一般根據(jù)固液混合物的特征、產(chǎn)能以及分離后顆粒物料的含水率、分離液的排量以及動平衡載荷等確定離心篩的技術(shù)參數(shù)。

(1) 離心篩篩孔直徑φ

篩孔直徑的選擇根據(jù)顆粒物料特性、離心篩的轉(zhuǎn)速以及錐度來確定的，在通常情況下，離心篩圍繞中心旋轉(zhuǎn)運動時，離心篩的振幅一般在0～1 mm范圍內(nèi)。篩孔與振幅之間的關(guān)系如表1所列。

表1 篩孔與振幅關(guān)系對照表

根據(jù)表1所列，篩孔直徑為5 mm，振幅為3 mm，轉(zhuǎn)速為800 r/min比較適合離心篩的篩孔要求。離心篩的轉(zhuǎn)速在700～1 200 r/min，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振幅為1～3 mm范圍內(nèi)，因此按照工作狀態(tài)下的參數(shù)來選擇離心篩的篩孔為5 mm是合理的。

(2) 離心篩上篩面直徑D1

離心篩的篩面直徑是離心篩的主要尺寸之一，它的確定需從分離機系列型號的標準尺寸和單臺設(shè)備的生產(chǎn)能力來綜合考慮的。

(3) 離心篩下篩面直徑D2

當H/D(離心篩高度與篩面直徑的比)一定情況下，生產(chǎn)能力大致與D3成正比。考慮到物料在篩面做離心運動的臨界角度為40°，而顆粒物料表面含水率在進入離心篩時為60%，固液分離后為25%，所以物料需要在離心篩篩面停留一段時間，因此離心篩的篩面傾角一定要大于40°。兼顧分離機的產(chǎn)能，經(jīng)過多次模擬和測試后，離心篩的傾角選擇為65°，根據(jù)離心篩的傾角選擇為65°和上篩面直徑D1為200 mm，則離心篩的下篩面直徑D2=120 mm。

(4) 篩體高度H1

根據(jù)H/D(離心篩高度與篩面直徑的比)來確定。一般情況下，無粘性的分離顆粒物料，H/D為1～1.5，實際生產(chǎn)中用的分離機，比值大約在1.3；但對于粘性的分離顆粒物料，H/D為3.0～4.5，實際生產(chǎn)中用的這類型分離機，比值大約在3.5；當H/D大于4.0時，受現(xiàn)有技術(shù)限制，難以加工和制造出來。根據(jù)分離機分離無粘性的分離顆粒物料，取H/D為1.2，則篩體高度H1=144 mm。

2.2 第二層離心篩

第二層分離篩的篩孔直徑D和錐角α與第一層離心篩相同，但上篩面直徑D3、下篩面直徑D4及錐體高度H2則與第一層離心篩不同。

(1) 上篩面直徑D3

(2) 下篩面直徑D4

當H/D一定情況下，生產(chǎn)能力大致與D3成正比。根據(jù)離心篩的傾角選擇為65°和上篩面直徑D4為450 mm，則離心篩的下篩面直徑D4=220 mm。

(3) 篩體高度H2

根據(jù)H/D來確定，根據(jù)分離機分離無粘性的分離顆粒物料，取H/D為1.5，則篩體高度H2=220 mm×1.5=350 mm。

2.3 離心篩轉(zhuǎn)速

本文研究的連續(xù)式固液物料分離機的轉(zhuǎn)速為700～1 200 rad/min，制作離心篩所采用的材料材質(zhì)為2Crl9Ni10Ti不銹鋼，離心篩直徑的最大允許轉(zhuǎn)速和分離量如表2所列。

表2 離心篩直徑最大允許轉(zhuǎn)速和分離量

由表2可知，離心篩直徑為450 mm，允許的最大轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，最大的分離量為2 600 N，連續(xù)式固液物料分離機的轉(zhuǎn)速為700～1 200 rad/min，分離量為1 310 N，符合條件。

3 整機動平衡分析

由表3可知，該離心篩做動平衡測試時的偏心量為200 μm、350 μm及450 μm，所對應的動平衡量除了離心篩轉(zhuǎn)速在500 r/min時的14.88 g小于16 g(動平衡的精度等級)外，其余情況均大于16 g，這就需要對離心篩的動平衡進行修正，從而使動平衡量滿足精度等級要求。

表3 離心篩轉(zhuǎn)速與動平衡量參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)軸修正

經(jīng)過現(xiàn)場檢測，傳動轉(zhuǎn)軸的軸線與旋轉(zhuǎn)慣性力軸線不重合，存在一定的夾角。該夾角的位置主要分布在三個位置點，一端是連接皮帶輪的軸端，另一端是連接離心篩的底部軸端，最后是轉(zhuǎn)軸中間。對于連接皮帶輪的軸端修正是通過校正裝配軸端，即采用精密磨床將該部的軸端進行精磨，再對皮帶輪中間的安裝孔進行精磨，從而使該部的裝配誤差盡量地偏??；而對于連接離心篩的底部軸端修正，主要是離心篩底部和轉(zhuǎn)軸的軸端進行修正，即篩底部進行打磨掃光處理，對該部的軸端采用精密磨床來進行精磨，這樣就能夠減少裝配帶來的誤差。

3.2 離心篩修正

離心篩底部結(jié)構(gòu)和錐體結(jié)構(gòu)是影響動平衡指標的重要因素，因此離心篩結(jié)構(gòu)加工是至關(guān)重要的。從離心篩的結(jié)構(gòu)來看，其剖面為等腰梯形和圓形面，為了實現(xiàn)其剖面達到這一要求，在加工及檢測過程中需要采用模具來保證。離心篩檢測模具如圖3所示。

圖3中，將加工好的離心篩放置在檢測模具中，旋轉(zhuǎn)的上模會自動修正離心篩，使其滿足設(shè)計要求，這就完成了第1次檢測。為了能夠保證離心篩結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，需要對離心篩進行第2次檢測。第2次檢測采用自動卡箍式檢測儀，檢測儀一邊檢測一邊沿著錐體方向運動，檢測儀的運動速度非常緩慢，能將檢測的數(shù)據(jù)及時輸送至計算機系統(tǒng)中進行儲存并保存，卡箍式檢測儀檢測離心篩如圖4所示。

圖3 離心篩檢測模具 圖4 卡箍式檢測儀1.上模 2.下模 1.離心篩 2.卡箍式檢測儀

3.3 離心篩組件修正后的參數(shù)

離心篩組件經(jīng)過轉(zhuǎn)軸和離心篩結(jié)構(gòu)的修正后，轉(zhuǎn)軸裝配軸線與轉(zhuǎn)軸軸線間的偏差、離心篩錐度及篩頂部端面與底部端面均有不同，修正前與修正后的參數(shù)如表4所列。

表4 離心篩修正前后參數(shù)

3.4 離心篩組件修正后動平衡計算

根據(jù)允許偏心距計算公式[13]：

(1)

式中：G表示動平衡的精度等級，g·mm/kg；n表示離心篩的轉(zhuǎn)速，rad/min；e表示偏心距，μm。

根據(jù)允許殘余不平衡質(zhì)量計算公式：

(2)

式中：M表示離心篩組件重量，kg；R表示最大旋轉(zhuǎn)半徑，mm。

經(jīng)修正后的離心篩參數(shù)：離心篩組件M重量為40 kg，最大旋轉(zhuǎn)半徑R為900.3 mm，動平衡的精度等級G為16 g·mm/kg。

將離心篩組件的轉(zhuǎn)速n=500 rad/min、650 rad/min、700 rad/min、750 rad/min和800 rad/min分別代入公式(1)和(2)中，得到如表5所列允許偏量與殘余不平衡質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

表5 允許偏量與殘余不平衡質(zhì)量

由表5所列允許偏量與殘余不平衡質(zhì)量的數(shù)據(jù)可知，離心篩組件修正后的軸線偏差、離心篩錐度、頂部直徑及底部直徑在離心篩組件轉(zhuǎn)速n=500 rad/min，離心篩產(chǎn)生的偏量在允許偏量范圍內(nèi)，且產(chǎn)生的允許殘余不平衡質(zhì)量控制在國家規(guī)定的行業(yè)標準即動平衡的精度等級G為16 g·mm/kg以內(nèi)。

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)階段固液分離存在分離效率低、能耗高和效果差等問題，對農(nóng)業(yè)物料分離機工作原理進行分析，同時設(shè)計了關(guān)鍵部件，進一步深入探討了農(nóng)業(yè)物料分離機分離機理和分離過程中的顆粒物料表面破損機理，為我國的食品、生物醫(yī)藥以及石油化工等領(lǐng)域方面的分離技術(shù)應用提供了一定的設(shè)計參考

此次設(shè)計的適用于水洗芝麻脫皮生產(chǎn)加工流水線的連續(xù)式顆粒物料固液分離機，通過對整機和關(guān)鍵部件的設(shè)計計算與參數(shù)選擇，其主要結(jié)論有：

(1) 第一分離篩離心篩的篩孔為5 mm，離心篩的上篩面直徑D1=200 mm，離心篩的下篩面直徑D2=120 mm，篩體高度H1為144 mm。

(2) 第二分離篩上篩面直徑D3為450 mm，下篩面直徑D4=220 mm，篩體高度H2為350 mm。

(3) 通過對離心篩的動平衡進行修正，從而使動平衡量滿足精度等級要求。