Cercetari privind comportarea la solicitări mecanice a elementelor elastice de la mașinile vibratoare [306500]

CAPITOLUL I

INTRODUCERE. SOLUȚII CONSTRUCTIVE PENTRU ELEMENTELE ELASTICE DE SUSPENDARE DE LA MAȘINILE VIBRATOARE DIN INDUSTRIA AGROALIMENTARĂ

Necesitatea suspendării cu elemente elastice a mașinilor vibratoare. Rolul elementelor elastice

Tendințele moderne de creștere a eficienței mașinilor vibratoare conduc la aprofundarea cercetărilor teoretice și experimentale legate de piesele componente ce asigură buna funcționare a mașinilor. Astfel de piese sunt și elementele elastice de suspendare prezente în construcția mașinilor vibratoare prin intermediul cărora se realizează legătura elastică între mecanismele sau piesele aflate în mișcare. [anonimizat], acționează un semnal definit ca forță sau moment. După încetarea semnalului aceste elemente revin la forma lor inițială. [anonimizat] [38]:

elemente pentru amortizarea șocurilor și vibrațiilor;

elemente pentru asigurarea unei îmbinări elastice dintre două sau mai multe elemente constructive.

[anonimizat], [anonimizat]. Pentru a [anonimizat].

Utilizarea eficientă a mașinilor vibratoare constă în rezolvarea simultană a două aspecte distincte: pe de o parte asigurarea unui regim de lucru al mașinii conform cu procesul tehnologic efectuat (încadrarea în timpul funcționării în parametrii optimi), iar pe de altă parte asigurarea împotriva vibrațiilor a subansamblelor componente (asigurarea unei durabilități corespunzătoare în exploatare).

[anonimizat], cât și în funcție de firma constructoare care acordă o [anonimizat]:

[anonimizat] (productivitate ridicată);

[anonimizat] (cost de fabricație redus).

În acest capitol sunt prezentate o serie de mașini vibratoare cu ajutorul cărora se realizează cernerea / separarea sau transportul produselor agroalimentare și în componența cărora se regăsesc elementele elastice de suspendare studiate.

[anonimizat], se obțin produse finite de calitate superioară ca urmare a utilizării operațiilor de curățire și sortare. Acestea sunt operații tehnologice care fac parte din procesele de prelucrare primară a [anonimizat], iar sortarea repartizarea semințelor curățate după calitate. [anonimizat], în raport cu alte tipuri de mașini întrucât prezintă o serie de avantaje [12]:

principiul de funcționare este simplu;

au dimensiuni de gabarit și mase reduse;

au debite mari și consumuri reduse de energie;

prezintă fiabilitate și mentenabilitate ridicată;

operațiunile realizate sunt de bună calitate.

Există, totuși, și dezavantaje în cazul în care aceste echipamente nu sunt proiectate, executate, montate și reglate corespunzător, și anume [12]:

nivel de zgomot ridicat;

transmiterea de solicitări dinamice către fundație sau către elementele din construcțiile învecinate;

performanțe scăzute sau chiar neîndeplinirea rolului funcțional.

Utilizarea eficientă a mașinilor vibratoare depinde, pe de o parte, de asigurarea regimului de lucru optim, iar pe de altă parte de asigurarea împotriva vibrațiilor a pieselor componente. Din cauza solicitărilor dinamice, care conduc la apariția vibrațiilor și pentru o bună funcționare în exploatare, mașinile vibratoare necesită utilizarea unor sisteme de suspendare elastice. Elementele de suspendare elastice sunt amplasate discret în structura mașinilor vibratoare, amortizând o parte din vibrațiile transmise și ajută la buna funcționare a mașinilor vibratoare.

Buna funcționare a mașinilor vibratoare, în ceea ce privește precizia, durata de funcționare și stabilitatea, poate fi periclitată de prezența vibrațiilor nocive. Efectul vibrațiilor asupra structurii de rezistență a mașinilor se manifestă prin efectul de îmbătrânire și scăderea capacității de rezistență în timp a materialelor din care sunt confecționate piesele componente. Răspunsul sistemului mecanic la solicitările exterioare depinde foarte mult de caracteristicile materialelor elementelor elastice de suspendare dar și de modul în care sunt construite legăturile acestora cu elementele metalice învecinate și/sau cu sursa de vibrații [38].

Mașinile vibratoare (cu sisteme de suspendare elastice) din industria agroalimentară care fac obiectul cercetării în cadrul tezei de doctorat, sunt:

transportoare inerțiale;

alimentatoare vibratoare;

mașini de cernut și sortat.

Clasificarea generatoarelor de vibrații

Procesul de transport/cernere al semințelor pe suprafața jgheabului/sitei se realizează prin asigurarea unei mișcări vibratorii a acestora de către generatorul de vibrații. Acesta are rolul de a transmite mișcarea de oscilație organului purtător de sarcină al mașinii vibratoare. Cea mai largă utilizare o au generatoarele de vibrații mecanice și electromagnetice [22].

Generatoarele de vibrații mecanice, după principiul de funcționare, se împart în:

inerțiale: auto-oscilante (cu două mase) și tip pendul (cu o singură masă);

Pot fi cu axe de rotație a sarcinii, orizontale și înclinate, dar cele mai utilizate sunt cele cu axe orizontale. În figura 1.1 – a) este prezentat generatorul de vibrații inerțial cu axe orizontale, la care centrul de greutate al maselor 1 și 2 se rotește în două plane paralele perpendiculare pe axa de rotație al axului 3. Centrul de greutate al sarcinii este deplasat astfel încât apare o pereche de forțe P la distanța B. Avantajul mecanismului constă în ușurința în asamblare și în exploatare și sunt recomandate instalațiilor cu productivitate mică [22].

În figura 1.1 – b) este prezentat generatorul de vibrații inerțial de tip pendul. Acesta este suspendat de jgheabul 5 cu ajutorul articulațiilor elastice 4 și a tijei 3. La rotirea pendulului 1 în jurul axului propriu 2, componentele forțelor centrifuge orientate după linia ce rotește centrul de rotație a perturbatorului cu centrul articulației, se transmit organului purtător de sarcină. Componentele perpendiculare produc oscilația vibratorului în jurul articulației. Datorită rigidității mici a articulației, eforturile care se transmit organului purtător ca urmare a oscilației vibratorului sunt neînsemnate și nu dovedesc o influență esențială asupra mișcării [22].

cu excentric și bielă ( cu bielă rigidă sau elastică);

În figura 1.2 – a) este prezentat generatorul de vibrații cu bielă rigidă. Avantajele acestor generatoare de vibrații constau în independența amplitudinii oscilației organului purtător de sarcină comparativ cu gradul său de încărcare și rezistențele din mașina vibratoare. Eforturile în bielă, încărcarea lagărelor și puterea necesară au o valoare mică în regimul de rezonanță a amplitudinii [22].

Totuși, în regimul de rezonanță lansarea este îngreunată datorită rigidității înalte a elementelor elastice. Pentru ușurarea lansării se folosesc biele elastice, iar în figura 1.2 – b) este prezentat generatorul de vibrații cu bielă elastică. La accelerarea organului purtător de sarcină biela lucrează ca un element elastic, ușurând lansarea treptată a acestuia [22].

Generatoarele de vibrații electromagnetice. La vibratoarele electromagnetice energia electrică se transformă în energie electromagnetică, care produce vibrarea unui dispozitiv montat pe organul purtător de sarcină, determinând oscilația acestuia. Avantajele acestor vibratoare constau în absența frecării, durabilitate și posibilitatea reglării de la distanță. Dezavantajele constau în amplitudine mică, zgomot cu frecvență înaltă, reducerea însemnată a productivității mașinii vibratoare la căderea tensiunii. Cea mai mare utilizare o au vibratoarele sincrone [22].

Cel mai simplu generator de vibrații electromagnetic este prezentat în figura 1.3 și constă din statorul electromagnetului 1, executat din oțel electrotehnic și ancora 2 sub forma unei plăci dreptunghiulare. La cuplarea bobinei statorului la rețeaua de curent alternativ, plăcuța 2 este atrasă în cursul fiecărei alternanțe spre polii electromagnetului, odată cu creșterea intensității curentului electric. La scăderea intensității curentului atracția scade și plăcuța 2 se îndepărtează de stator sub acțiunea sistemului elastic 3 [22].

Fig.1.3. Reprezentarea schematică a generatorul de vibrații electromagnetic [22]

Transportoare inerțiale și alimentatoare vibratoare

Transportoarele inerțiale sunt echipamente tehnice folosite pentru a transporta, în general, produse granulare pe distanțe relativ scurte. Pot transporta materialele pe direcție orizontală și înclinată cu unghiuri până la 450, dar și pe direcție verticală și se împart în transportoare vibratoare și transportoare oscilante [22].

Deplasarea materialului se realizează cu ajutorului unui jgheab, închis sau deschis, suspendat pe/de elemente elastice. Mișcarea necesară deplasării materialului este primită de la mecanismul de acționare (excentric), care poate fi sub formă de vibratoare mecanice sau mecanism bielă – manivelă. Deplasarea materialului are loc datorită forței de frecare dintre material și jgheab care este suficient de mare astfel încât, pe direcția înainte, materialul se deplasează odată cu jgheabul, iar pe direcția înapoi, forța de frecare fiind mică, jgheabul alunecă pe sub material, material care se deplasează tot înainte datorită inerției. Aceste transportoare prezintă o serie de avantaje [22]:

construcție simplă și cost redus de fabricație;

oferă posibilitatea etanșării jgheabului de transport;

transportul materialelor este controlat;

uzură mică în timp a jgheabului transportator.

dar și dezavantaje:

vibrațiile se transmit fundației sau construcției metalice de susținere;

nivel mare de zgomot și consum mare de energie;

transport îngreunat al materialelor pe direcție înclinată.

Exsită mai multe tipuri de transportoare:

Transportoarele vibratoare inerțiale. Compania Witte Company din SUA, produce aceste tipuri de transportoare cu structura simplă și diverse forme și specificații ce pot îndeplini cerințele din diferite industrii (v. fig. 1.4). Aceste transportoare sunt folosite pe scară largă pentru transportul scurt și intermediar al materialului granular de dimensiuni mari sau mici. Prezintă lățimi standard de 280 mm, 430 mm și 585 mm și un diametru standard de 180 mm sau 200 mm. În majoritatea cazurilor, elementele elastice folosite sunt de tip lamelă. Transportul particulelor de material se realizează cu ajutorul unui jgheab, pat sau tub la frecvențe relativ mari și amplitudini mici [82].

Transportoarele vibratoare verticale. Transportoarele din seria DZC produse de firma Xianxiang Hongyuan Vibrating din China (v. fig. 1.5) relizează transportul materialului pe verticală la înălțimi de până la 6 m. Diametrul jgheabului de transport variază de la 300 mm până la 900 mm și au lățimi de lucru de la 77 mm până la 185 mm în funcție de înălțimea dorită de transport. Este format din jgheab de transport, cadru, motor vibrator și sistemul de amortizare format din elemente elastice de tip arc elicoidal. Poate transporta materiale de jos în sus și invers în funcție de cerințele de lucru [84].

Transportoarele oscilante inerțiale. Aceste transportoare sunt concepute pentru transportul materialelor granulare sau pulverulente uscate. Mișcarea jgheabului de transport se realizează cu ajutorul unui mecanism bielă – manivelă. În cazul transportorului oscilant din seria AVR produs de compania Siebmaschinen & Fördertechnik, din Germania (v. fig.1.6), datorită poziției înclinate a suporților elastici 2, jgheabul se ridică și particula este presată pe jgheab, ea deplasându-se odată cu jgheabul. La încetinirea mișcării jgheabului ca urmare a rezistenței opuse de suporți, particula de material tinde să-și continue mișcarea datorită inerției. La schimbarea sensului de deplasare a bielei, jgheabul coboară, particula putându-se desprinde ușor de jgheab și alunecă spre partea de evacuare [81].

Cel mai adesea, pentru transportoarele oscilante se utilizează elemente elastice de tip lamelă, elicoidale sau pachete de elemente elastice lamelare sau elicoidale, care asigură buna funcționare a jgheabului. Locul în care sunt montate elementele elastice este construit special; patul pe care se montează este bine prelucrat, iar pentru a preveni eventualele deșurubări în timpul funcționării se utilizează șaibe de siguranță sau eclise de blocare [22]. Cateva soluții constructive referitoare la transportoarele vibratoare sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Soluții constructive pentru transportoare vibratoare

Alimentatoarele vibratoare sunt echipamente tehnice compacte destinate transportului materialelor pe distanțe scurte cu ajutorul unui jgheab vibrator, înclinat la 20o – 45o față de orizontală și care funcționează pe baza efectului de “micro – aruncare” (salturi mici pe direcția de înaintare). Particulele de material sunt accelerate pe suprafața jgheabului cu ajutorul unui generator de vibrații pornind de la un raport frecvență / amplitudine bine stabilit (frecvență mare și amplitudine mică), ceea ce imprimă particulelor o mișcare descrisă de o curbă parabolică după care particulele lovesc suprafața jgheabului, mișcare repetată până la ieșirea de pe suprafața jgheabului. Alimentatoarele vibratoare pot transporta materialul pe distanță orizontală, înclinată sau verticală și prezintă unele avantaje [46]:

oferă alimentarea continuuă și ordonată a materialului granular;

prezintă fiabilitate ridicată și rezistență la uzare;

perioadă scurtă de pornire / oprire și sunt ușor de controlat / comandat;

asigură transportul lin al particulelor de material solid și sunt ușor de întreținut.

Alimentatorul vibrator din seria DZ, construit de firma Huate Magnet Technology din China (v. fig. 1.7), prezintă un jgheab de transport suspendat pe/de un sistem elastic ceea ce permite mișcarea lui vibratoare. Alimentatoarele vibratoare sunt definite ca sisteme tip arc – masă, mișcarea realizându-se prin intermediul elementelor elastice de tip arcuri elicoidale. Datorită celor două motoare de vibrații montate simetric față de corpul principal de alimentare, mișcarea rezultată este puternică, stabilă și foarte eficientă [80].

Alimentatoarele vibratoare produse de compania Alphamation din UK (v. fig. 1.8), realizează alimentarea cu materiale având o productivitate de până la 100 t/h. Compania oferă o gamă de alimentatoare cu o lungime cuprinsă între 300 mm și 6000 mm fiind echipate cu diferite viteze de alimentare în funcție de cerințe [71].

Rezemarea elastică este, de cele mai multe ori, formată din elemente elastice elicoidale sau din cauciuc, dar se pot folosi și elemente elastice de tip lamelă mai ales în cazul alimentatoarelor verticale. În tabelul 1.2 sunt prezentate câteva soluții constructive de alimentatoare vibratoare.

Tabelul 1.2. Soluții constructive pentru alimentatoarele vibratoare

Mașini de cernut și sortat

Separatorul aspirator

Prezența impurităților în masa de semințe are un efect negativ și, de aceea, trebuie supuse unei operații de curățare parțială numită precurățare, în urma căreia se elimină 20 – 25 % din impurități. Pentru a realiza această operație se folosesc o serie de utilaje și instalații, dintre care cele mai importante sunt separatoarele aspiratoare. Acestea sunt mașini combinate de curățire cu blocuri de site și canale de aer. Pentru realizarea cernerii se folosesc site din tablă perforată sau împletitură din fire metalice montate înclinat, unghiul de înclinare putând fi modificat între 0° – 10° [48].

Separatorul aspirator din seria DZSF produs de firma Dahan din orașul Xinxiang, China (v. fig. 1.9), realizează separarea particulelor de material cu dimensiuni de până la 10 mm. Prin conducta de alimentare semințele ajung pe sitele preliminare unde se separă impuritățile mari. De aici, semințele, împreună cu impuritățile de mărime egală și mai mici, ajung pe a doua sită unde sunt reținute semințele și impuritățile de aceeași mărime, și trec impuritățile mai mici. Echipamentul poate fi prevăzut cu canal de aspirație cu ajutorul căruia se elimină praful și impuritățile mai ușoare prin intermediul unui curent de aer ascendent [73].

În marea majoritate a separatoarelor aspiratoare, elementele elastice cele mai des folosite sunt cele de tip arc elicoidal și din cauciuc. În tabelul 1.3. sunt prezentate câteva soluții constructive de separatoare aspiratoare.

Tabelul 1.3. Soluții constructive pentru separatoarele aspiratoare

Separatorul aspirator oscilant

Este un echipament tehnic folosit la eliminarea impurităților din masa de semințe (v. fig. 1.10), fiind format din subansambluri sudate îmbinate între ele prin intermediul unor elemente elastice.

Această construcție are un batiu cu site suspendat cu ajutorul unor elemente elastice de tip tijă, prevăzut cu dispozitive de reglare a înclinării sitelor și cu canal de aspirație pentru eliminarea impurităților ușoare. Batiul cu site este asigurat cu cabluri de siguranță pentru a preveni eventualele accidente produse de ruperea barelor elastice [60]. În tabelul 1.4. sunt prezentate câteva soluții constructive de separatoare aspiratoare oscilante.

Tabelul 1.4. Soluții constructive pentru separatoarele aspiratoare oscilante

Separatorul de pietre

Este un echipament tehnic care are rolul de a elimina din semințele de cereale, pe lângă pleavă, praf și spice, pietrele de dimensiuni mai mari decât semințeleavând o eficiență cuprinsă între 90 % – 100 %, obținută prin reglarea unghiului de înclinare a suprafețelor de separare în batiu [16].

Separatorul de pietre SP – 00 construit de INMA București (v. fig. 1.11) este prevăzut cu sistem de auto – curățare prin care se elimină praful și impuritățile ușoare pe baza diferenței de masă volumică – un curent de aer orizontal trece ușor peste masa de semințe și impurități antrenând impuritățile maiușoare decât semințele. Echipamentul tehnic poate face parte atât din fluxul unităților de morărit, cât și din cel al stațiilor de condiționare a semințelor de cereale sau a unităților de depozitare și conservare a cerealelor, cu cerere de piață [16].

Separatorul de pietre, produs de firma BK Engineering din India (v. fig.1.12.), îndepărtează pietrele din masa de cereale datorită oscilațiiilor transmise de 2 motoare vibratoare. Chiar și cele mai mici și mai ușoare pietre sunt eliminate. Factorii care contribuie la buna desfășurare a operației de îndepărtare a pietrelor sunt reprezentate de: frecvența și amplitudinea vibrațiilor transmise de motoarele vibratoare; prezența fluxului de aer și înclinarea batiului cu site [64].

Mișcarea vibratoare este transmisă batiului de separare de la cele două electrovibratoare careasigură o echilibrare completă a forțelor dinamice prin intermediul elementelor de suspendare elastice, cele mai utilizate fiind arcurile elicoidale și elementele din cauciuc. În tabelul 1.5. sunt prezentate câteva soluții constructive de separatoare de pietre.

Tabelul 1.5. Soluții constructive pentru separatoarele de pietre

Mașina de grișuri

Grișurile sunt produse intermediare rezultate în urma procesului de mărunțire în morile de cereale la care predomină endospermul. Curățirea grișurilor se realizează cu ajutorul mașinilor de griș după granulozitate prin cernere pe site și cu ajutorul curenților de aer verticali. Particulele mai grele care se află in contact cu sitele se dispun pe straturile inferioare și astfel sunt cernute, iar particulele mai ușoare sunt antrenate la partea superioară. Produsul curățat este un amestec curat, în proporții foarte variate, format din particule de endosperm, particule de tărâță și părți de endosperm sau înveliș care, ulterior, se sortează prin cernere în sitele plane în funcție de granulație. Operația de curățire a grișurilor se face pe baza formei și masei particulelor și a proprietăților aerodinamice ale acestora [18].

Mașinile de grișuri PCK, produse de firma Prokop din Cehia (v. fig. 1.13), se bazează pe procesul de autosortare al particulelor aparut ca urmare a vibrațiilor transmise sitelor de către mecanismul vibrator și a curenților de aer. Elementele de suspendare elastice din cauciuc pe care se montează cadrul cu site contribuie la o bună cernere a grișurilor. Variantele propuse sunt următoarele [77]:

PCK 500 – de tip standard, mașina fiind alcătuită din două secțiuni de sortare cu trei straturi de cadre 500 x 500 mm de cernere;

PCK 502 – format din 2 secțiuni, separate de orificiul de alimentare printr-un perete comun în două pasaje cu aer. Cadrele cu site au dimensiunea 247×500 mm și prezintă 5 guri de evacuare;

PCK 520 – prezintă 2 secțiuni de lucru independente așezate una deasupra celeilalte și cu aspirație comună.

Din punct de vedere constructiv mașinile de grișuri sunt diferite între ele, dar principiul după care funcționează este același. Se compun dintr-un cadru cu site prin care se face cernerea grișurilor în funcție de mărime și un sistem de ventilație care extrage particulele ușoare. În funcție de numărul de site suprapuse, mașinile de griș se împart în trei categorii: cu un rând de site, cu două rânduri și cu trei rânduri de site [18]. În tabelul 1.6. sunt prezentate câteva soluții constructive de mașini de curățit grișuri.

Tabelul 1.6. Soluții constructive pentru mașinile de curățit grișuri

Sita plană

Sita plană este un echipament tehnic folosit la cernerea produselor măcinate, fiind formată din mai multe compartimente cu site suprapuse puse în mișcare, simultan, de un mecanism oscilant ce imprimă blocului de site o mișcare plan – circulară. Produsele măcinate sunt sortate în funcție de dimensiunile ochiurilor de la țesătura sitei de pe rame. Particulele de material mai mici decât dimensiunile ochiurilor trec prin acestea și formează cernutul, iar cele care sunt mai mari sunt dirijate spre zonele de refuzuri. Cernerea materialului pe suprafața sitelor este posibilă datorită mișcării oscilatorii primite de la un mecanism cu excentric și contragreutăți cu ax vertical [49].

Sita plană PQV produsă de firma Prokop din Cehia (v. fig. 1.14) este folosită la sortarea produselor măcinate. Cadrul cu site este angrenat în mișcare plan-circulară cu ajutorul unui motor electric și este suspendat cu ajutorul unor elemente elastice de tip tijă [77].

Pentru o cernere eficientă a materialului, mișcarea relativă primită de la mecanismul oscilant trebuie să impună materialului o deplasare circulară și în același timp o mișcare de înaintare către capătul opus alimentării, pentru a permite evacuarea refuzului. De la un capăt la altul al sitei fiecărei rame stratul de material scade în grosime de la intrare la ieșire, cernerea repetându-se de un număr de ori egal cu cel al sitelor suprapuse [49].

Sita plană din seria N – Sweco produsă de firma Satake din Australia (v. fig. 1.15) este extrem de compactă, de mare capacitate, care pot fi utilizată ca un ciur cu scop general, cât și pentru făină. Se compune din 2 secțiuni independente cu site pătrate, care sunt în măsură să separe în același timp 2 materiale diferite. Cadrul cu site este suspendat de partea superioară a cadrului prin intermediul elementelor elastice de tip tijă [103].

Elementele elastice de suspendare sunt executate din fibră de sticlă, fag fiert sau bambus, iar cablurile de siguranță au drept scop asigurarea sitei în cazul în care, accidental se rup barele de susținere [49]. În tabelul 1.7. sunt prezentate câteva soluții constructive de site plane.

Tabelul 1.7. Soluții constructive pentru sitele plane

Finisorul de tărâțe vibrator

Finisorul de tărâțe vibrator este un echipament tehnic care se regăsește în componența morilor de grâu, utilizat pentru recuperarea resturilor făinoase de particule din masa de tărâțe rezultată în urma procesului de măcinare.

Modelul MR 74/100 produs de firma President Mill din Turcia (v. fig. 1.16) prezintă o capacitate cuprinsă între 1,5 t/h și 2 t/h. Cernerea se produce datorită loviturilor date de bătătoare, montate pe rotor și frecării cu mantaua; particulele de făină se desprind de pe tărâțe și trec prin orificiile mantalei, unde sunt evacuate din utilaj. Tărâțele rămase sunt împinse de către rotor în pâlnia de evacuare [101].

Acționarea utilajului se realizează cu ajutorul unui motor cu flanșă, cu o putere de 7,5 kW, pe axul căruia se montează o roată de curea ce asigură transmiterea mișcării la organul activ (rotorul cu bătătoare). Legătura dintre părțile aflate în mișcare vibratoare și cadru se face prin intermediul unor arcuri elicoidale de compresiune și elemente de cauciuc [101].

În tabelul 1.8. sunt prezentate câteva soluții constructive pentru finisoarele de tărâțe.

Tabelul 1.8. Soluții constructive pentru finisoarele de tărâțe

Elemente elastice de la mașinile vibratoare din industria agroalimentară

Tipuri constructive

Elementele elastice sunt elemente mecanice confecționate din materiale elastice cărora li se impun anumite deformații corelate cu forța elastică generată pentru o bună funcționare a mașinii vibratoare în componența cărora se regăsec. Scopul principal al elementelor elastice este reprezentat de acumularea energiei mecanice și revenirea în poziția inițială; menținerea poziției relative și generarea unei forțe elastice utile și de/blocarea și impunerea unei poziții diferite pentru unele elemente mecanice aflate în funcționare [65]. Tipurile de elemente de suspendare elastice care se regăsesc în componența mașinilor vibratoare sunt reprezentate de:

elemente elastice de tip lamelă (secțiune transversală dreptunghiulară);

elemente elastice de tip bară (tijă) elastică (secțiune circulară sau dreptunghiulară);

elemente elastice de tip arc elicoidal (de compresiune);

elemente elastice de tip tampon din cauciuc (cu diferite profiluri).

Element elastic de tip lamelă

Sunt cel mai des utilizate elemente elasticeîn construcția mașinilor vibratoare și mai ales oscilanteși sunt alcătuite dintr-o singură lamelă (mono-lamelare), dar în funcție de sarcină, se mai folosesc și elemente elastice din mai multe lamele suprapuse (lamele în foi). Elementele elastice mono-lamelare prezintă mai multe forme, dintre care cele mai des utilizate sunt cele dreptunghiulare și trapezoidale (v. fig. 1.17). În majoritatea cazurilor, lamela prezintă o grosime constantă, iar fibra medie poate fi reprezentată de o linie dreaptă sau curbă. Fixarea lamelelor se realizează încastrat prin șuruburi și cu șaibe de siguranță împotriva rotirii [70].

Cele mai des întâlnite elemente elastice de tip lamelă la mașinile vibratoare din industria agroalimentară sunt cele cu secțiune dreptunghiulară (v. fig.1.17 – a) și cu secțiune variată, dreptunghiulară și trepezoidală (v. fig.1.17 – b). Principala solicitare este cea de încovoiere, iar în funcție de gabaritul mașinilor vibratoare sau de valoarea forței necesare pentru a realiza rolul funcțional al mașinii, se utilizează elementele elastice lamelare în foi multiple. La aceste tipuri de arcuri este necesar ca între lamele să existe spații intermediare adecvate, iar muchiile suprafeței de bază (peste care se încovoaie lamela ca urmare a unei solicitări exterioare) să fie rotunjite și capetele polizate unghiular, pentru a avea o bună libertate de mișcare. Folosind șuruburile pentru a fixa lamelele este necesar ca diametrul găurilor de fixare să nu reprezinte mai mult de 0,3 – 0,5 din lățimea lamelei, pentru a nu slăbi rezistența acesteia [69].

Elementele elastice de tip tijă elastică

În majoritatea cazurilor, elementele elastice de tip bară (tijă) sunt folosite în construcția sitelor plane din industria morăritului. Se acordă o atenție sporită materialelor din care sunt realizate sistemele de suspendare a sitelor plane, inițial fiind confecționate din lemn de fag fiert, bambus sau trestie, iar în prezent se preferă materialele compozite, precum material plastic întărit cu fibre de sticlă. În general, tijele elastice pentru suspendare sitelor plane au lungime de 1,5 – 2,5 m și de secțiune circulară (v. fig.1.18), fiind montate încastrat la partea de sus pe un cadru metalic atașat la tavan, iar la partea de jos atașate de blocul de site [8].

Principala solicitare este cea de încovoiere, astfel că, pentru evitarea ruperii se montează în reazeme, iar capetele de încastrare se realizează cu aplatizare, cu contur hexagonal, cu contur pătrat, canelate, etc. Pentru mărirea rezistenței la oboseală se stabilesc raze de racordare mai mari (raza ≈ 2·diametru) între porțiunea de lucru și capetele tijei [8].

Elementele elastice de tip arc elicoidal

Arcurile elicoidale sunt formate din sârme cu secțiunea circulară sau dreptunghiulară, înfășurate într-o spirală cilindrică sau conică cu pas constant sau variabil. Cele mai folosite arcuri elicoidale pentru mașinile vibratoare sunt cele cu secțiune cilindrică. Principala solicitare este cea de compresiune, capetele închise și prelucrate ale arcului asigurând centrarea sarcinii pe axa arcului (v. fig.1.19. – a), deci o mai bună stabilitate la flambaj. Arcurile elicoidale sunt folosite la preluarea de sarcini mari întrucât volumul de material din care sunt confecționate este mare conducând la un lucru mecanic de deformație mare [67].

În funcție de gabaritul mașinilor vibratoare și pentru a obține o anumită caracteristică elastică, sunt folosite arcurile multiple (v. fig.1.19. – b), caresunt sisteme de arcuri montate în serie, paralel sau mixt astfel că [67]:

un montaj de arcuri în serie conduce la obținerea unui arc echivalent (total) mai elastic decât fiecare arc în parte;

un montaj de arcuri în paralel conduce la obținerea unui arc echivalent (total) mai rigid decât fiecare arc în parte.

Elementele elastice de tip tampon din cauciuc

Elementele elastice din cauciuc sunt folosite, în principal, în construcția mașinilor vibratoare, avănd următoarele proprietăți: capacitate de amortizare mare; construcție simplă; cost redus; funcționare sigură și silențioasă. Pe lângă acestea, elementele elastice din cauciuc prezintă și o capacitate foarte mare de deformare elastică și sunt confecționate din cauciuc natural sau sintetic și diferite inserții textile [67].

Cele mai utilizate forme pentru elementele elastice din cauciuc sunt cele care pot prelua sarcini atât verticale cât și orizontale (v. fig.1.20), și anume: monobloc conic cu diferite forme exterioare și monobloc cilindric.

Calculul elementelor elastice din cauciuc este dificil, din cauza necunoașterii cu exactitate a caracteristicilor și proprietăților materialului de cauciuc, astfel încât, aceste tipuri de calcule au un caracter aproximativ. În prezent, sunt dezvoltate la scară largă elementele elastice din cauciuc cilindric plin nearmat (v. fig.1.21.) [67].

Frecările interne care apar în masa de cauciuc determină o capacitate mare de amortizare, aproximativ 40% din energia primită. Totuși, mediul înconjurător influențează proprietățile elastice iar, în timp, sub acțiunea acestora apare fenomenul de îmbătrânire al cauciucului [67].

Solicitări mecanice

Elementele elastice sunt supuse acțiunii unor forțe sau cupluri de forțe (momente), care poartă numele de solicitări. Solicitările se pot clasifica după mai multe criterii [53], conform figurii 1.22.

Fig.1.22. Tipurile de solicitări ce acționează asupra elementelor elastice [53]

Între elementele de rezistență ale unei structuri, există o serie de legături numite reazeme. În calculele obișnuite de rezistență, cele mai întâlnite reazeme sunt: reazemul simplu (v. fig.1.23. – a); articulația (v. fig.1.23. – b); încastrarea (v. fig.1.23. – c) [53].

Sub acțiunea forțelor exterioare și de legătură un sistem este în echilibru. Valoarea reacțiunilor se determină din condiția de echilibru a sistemului solicitat. În general, etapele generale de calcul pentru elementele elastice sunt reprezentate de [61]:

stabilirea celor mai grele condiții de funcționare; aceasta se face în urma analizei cinematice și dinamice și a schemei mecanismului care stă la baza sistemului mecanic;

determinarea mărimii, direcției și punctului de aplicație a forțelor și momentelor care acționează asupra elementului elastic;

alegerea materialului, determinându-se rezistențele admisibile σa și τa;

determinarea reacțiunilor, momentelor încovoietoare și de torsiune și definirea pozițiilor secțiunilor periculoase (se ține cont de schema de încărcare și alegerea modelului de încărcare cel mai apropiat de realitate).

În continuare sunt definite câteva noțiuni elementare utilizate în calculul solicitărilor mecanice asupra elementelor elastice de la mașinile vibratoare [53]:

momentul M al unei forțe, în raport cu un punct O, este produsul forței prin distanța ei la acel punct (fig.1.24):

(1.1)

momentul de inerție I pentru o arie A (v. fig.1.25 – a), în raport cu o axă, în funcție de momentul de inerție în raport cu altă axă paralelă cu ea, dar care nu trece prin centrul de greutate G are următoarea formulă [53]:

(1.2)

Când axele se intersectează sub un unghi α, momentul de inerție este [53]:

(1.3)

unde Ixy este momentul centrifugal.

momentul de inerție polar Ip al unei figuri plane, este momentul de inerție al acesteia în raport cu o axă de rotație z perpendiculară pe planul ei, fiind egal cu suma momentelor de inerție ale figurii respective în raport cu două axe oarecare din planul ei, care se intersectează pe axa de rotație sub un unghi drept (v. fig.1.25 – b) [53]:

(1.4)

modulul de rezistență W al unei secțiuni este dat de raportul dintre momentul de inerție I al secțiunii, în raport cu axa neutră și distanța y a fibrei celei mai îndepărtate la axa neutră [53]:

(1.5)

curba caracteristică a unui material exprimă legătura dintre rezistențele normale la tracțiune σ și alungirile specifice ε ale unei epruvete (v. fig.1.26) [76]:

Porțiunea OA este aproximativ o linie dreaptă. Rezistența corespunzătoare punctului a este limita de proporționalitate σp. Rezistențele corespunzătoare punctelor B și C definesc limita de elasticitate σe iar C și C’ definesc limita de curgere σc. Rezistența σr la rupere este [20]:

(1.6)

unde Fr este sarcina, la care s-a rupt epruveta iar A0 este secțiunea inițială a epruvetei.

raportul dintre lungirea epruvetei Δl și lungimea inițială l0 se numește alungirea specifică [20]:

(1.7)

unde l0 este lungimea inițială iar l este lungimea după lungire.

modului de elasticitate la tracțiune sau compresiune, E are valoarea [20]:

(1.8)

unde ε este alungirea specifică în intervalul deformațiilor proporționale.

deformația unghiulară specifică (lunecarea specifică) γ este unghiul cu care se modifică un unghi drept după deformare sub acțiunea unor eforturi unitare tangențiale, fiind dată de relația [20]:

(1.9)

unde Ftan este forța tangențială, A0 este secțiunea iar G este modulul de elasticitate transversal.

modulul de elasticitate transversal G este dat de raportul între rezistența tangențială τ și lunecarea specifică γ [20]:

(1.10)

deformația elastică a unei bare, supuse la un efort de tracțiune este dată de relația [22]:

(1.11)

unde F este forța de tracțiune, A este secțiunea barei, l este lungimea barei iar E este modulul de elasticitate.

când raportul între lungimea și diametrul unei tije solicitate la compresiune în direcția lungimii sale depășește anumite limite, se produce flambarea piesei; în acest caz, forța care a provocat flambarea poartă numele de forță sau sarcină de flambaj. Sarcina de flambaj Fk se poate determina cu ajutorul formulei lui Euler [20]:

(1.12)

undeI este momentul de inerție al secțiunii, E este modulul de elasticitate iar lk este lungimea de flambaj a piesei.

Această formulă capătă forme diferite în funcție de modul cum se deformează tija respectivă (v. fig. 1.27) [20]:

un capăt altijei liber și dezaxat iar cealălalt încastrat (fig.1.27 – a) , ;

ambele capete libere și conduse pe direcția axei tijei (fig.1.27 – b) ,;

un capăt încastrat și cealălalt condus pe direcția axei tijei (fig.1.27 – c), ;

ambele capete încastrate pe aceeași verticală (fig.1.27 – d), .

Concluzii

Mașinile vibratoare, prin principiul lor de funcționare, produc forțe perturbatoare periodice care au la bază fenomenul vibrator. Mașinile vibratoare cu sisteme de suspendare elastice din industria agroalimentară care fac obiectul cercetării în cadrul tezei de doctorat, sunt:

transportoare inerțiale;

alimentatoare vibratoare;

mașini de cernut și sortat.

Prin elementele de suspendare elastice se realizează legătura elastică între mecanismele sau piesele aflate în mișcare de la mașinile vibratoare. Aceste elemente permit deformații elastice acceptabile sau corespunzătoare cerințelor, datorită formei și proprietăților elastice ale materialului din care sunt confecționate. Scopul principal al elementelor elastice este reprezentat de:

acumularea energiei mecanice și revenirea în poziția inițială;

menținerea poziției relative și generarea unei forțe elastice utile;

blocarea și impunerea unei poziții diferite pentru unele elemente mecanice aflate în funcționare.

Tipurile de elemente de suspendare elastice care se regăsesc în componența mașinilor vibratoare sunt reprezentate de:

elemente elastice de tip lamelă (secțiune transversală dreptunghiulară);

elemente elastice de tip bară (tijă) elastică (secțiune circulară sau dreptunghiulară);

elemente elastice de tip arc elicoidal (de compresiune);

elemente elastice de tip tampon din cauciuc (cu diferite profiluri).

Elementele elastice, sunt supuse acțiunii unor forțe sau cupluri de forțe (momente), care poartă numele de solicitări. Solicitările dinamice, care induc vibrații în structura mașinilor vibratoare, determină necesitatea utilizării sistemelor elastice. Pentru a cunoaște solicitările dinamice ce acționează asupra sistemului, în teză sunt realizate analize ce descriu modul cum elementele elastice se comportă sub acțiunea acestor solicitări, printre care:

elaborarea unei analize de sinteză asupra stadiului actual al cercetării și tendințele în construcția elementelor de suspendare elastice de la mașinile vibratoare din industria agroalimentară;

efectuarea unui studiu privind cinematica și dinamica elementelor de suspendare elastice de la mașinile vibratoare din industria agroalimentară;

modelarea matematică și analiza structurală a elementelor de suspendare elastice;

cercetării experimentale.