extremal_expert (extremal_expert) wrote in engineering_ru,
extremal_expert
extremal_expert
engineering_ru

Золушка: от чечевицы к золоту


image
Золушку, так же, известную как Синдереллу, недаром злые сестры отправляли перебирать чечевицу. Каждый, кто занимался в своей инженерной или научной практике разделением материала, имеющего разный фракционный состав подтвердит, назвать эту работу непыльной - трудно :) кроме того, она не легкая, и не быстрая, так что, Золушке не позавидуешь. Особенно, если необходимо получить продукт со строго заданными гранулометрическими характеристиками - не больше и не меньше установленного.
Впрочем у нынешних Золушек есть шансы, поехать на бал не связываясь с волшебством, мышами и прочими сомнительными вещами, но расскажу про все по порядку.


Практически четверть всех технологических и научно - исследовательских процессов на Земле  требуют для своего осуществления соответствия размеров частиц продукта подаваемого на переработку технологической спецификации - поэтому цена отсеянной определенной и фиксированной фракции может возрастать на порядок по сравнению с непросеянным материалом.Таким образом, рассев является одним из самых востребованных и часто употребляемых технологических,процессов порождающих добавленную стоимость. Или сразу чистое золото :) на фото ниже сито для золотодобычи.

image
А это, популярное народное развлечение в развивающихся странах "найди и промой золото".
image

В быту мы часто сталкиваемся с ситами для сыпучих пищевых продуктов -муки, сахара, крупы,  часто применяемыми в кулинарии - натянутыми на обруч переплетенными нитями, которые являются одними из древнейших человеческих изобретений, не претерпевших существенного изменения до наших дней. Для промышленных и лабораторных нужд, так же применяют, те же самые сита, называемые в случае их механизации  - ситомашины, вибросита или грохота. Название изменяется в зависимости от отрасли применения оборудования,  но в основе- все та же качающаяся и трясущаяся рамка или обруч с сеткой.
Как, зачем и на чем это делалось в промышленности можно посмотреть тут https://ru.wikipedia.org/wiki/Вибрационное_сито , и тут https://ru.wikipedia.org/wiki/Грохот .

Так выглядит ручное лабораторное сито
image

Вот так вот выглядит промышленное многоярусное сито в теории
image

А вот так на практике
image

При этом, самые маленькие сита, как видно на картинках, напоминают обычные сита для муки с ручным приводом, собираемые обычно в наборы с разным размером ячеи. Они используются в лабораториях для анализа гранулометрического состава, а самые большие, представляют собой многоярусные станки с киловатными приводами и многотонными фундаментами призванными гасить вибронагрузки.
Собственно промышленный грохот и вибросито представляет собой натянутую на прямоугольную раму (называемую иногда декой) сетку из металла или пластика, которая с помощью дебалансного вибропривода трясется над поддоном или другим ситом с уменьшенным размером ячеи, Для движения материала вдоль сита такие сетки устанавливают с расчетным наклоном строго нормативной длинны и с регулируемой силой натяжения сетки. А весь непросеянный материал , прошедший над ситом собирают и отправляют на повторный рассев или еще одну стадию измельчения.

Вот примерная конструкция и типовые узлы обычного большого механизированного сита
image

Тот,  кто бывал в турпоездке в северной Финляндии или Аляске  и пробовал себя в качестве старателя - а это распространенный там аттракцион для туристов, знает, что ручным ситом много не натрясешь, поэтому озолотиться, в прямом смысле этого слова, у туристов за пару часов, на которые их допускают к золотоносному ручью - не получается. Поэтому организаторы тура, как и казино всегда в выигрыше.
И даже художники, которые используют ситовку для приготовления сухих смесей для авторских красок, где счет идет на десятки граммов, последнее время стараются обзаводится механизированными ситами. Обычно,  люди искусства для этих целей используются лабораторные приборы для рассева, вполне удовлетворяющие их потребности. Однако, если ты готовишь " черную тропическую ночь", то "белую алмазную жемчужину" на этой же сетке уже не получится просеять. это можно будет сделать только после ее полной зачистки, обеспыливания, промывки и сушки - то есть не быстро -иногда через несколько часов.  Это ,так сказать проблема малых форм, а на большом оборудовании она возрастает в разы.

Дело в том что промышленные сита или грохота это, как вы видели достаточно большие механизмы - кроме того, еще и требующие технического обслуживания , точной настройки,отрегулированные на определенный продукт, да еще со строго гарантированными характеристиками: по плотности,насыпному весу, форме частиц и т.д. на входе.

Как известно из классических законов Паркинсона, любое оборудование требующее наладки и регулировки поддается и тому и другому с максимальным трудом :) а время затраченное на наладку, обычно, обратно пропорционально времени "нормальной" работы.
Надо отметить, что вообще производство оборудование для рассева это одна из самых консервативных отраслей промышленности - тут техническими решениями времен промышленной революции и покорения дикого запада - никого не удивишь. Большая часть оборудования принципиально разработана еще в 20-30 е годы ХХ века , вошла в Технические энциклопедии середины прошлого века в том числе знаменитый "Большой политехнологический словарь" 1954 года и ведет родословную от патентов и промышленных образцов ныне уже почивших компаний, чуть ли не от Манхеттенского проекта и ранее.

Кстати, американские производители и по сей день удерживают пальму первенства в производстве этого оборудования. Здоровый консерватизм в технике это не так и плохо, если оборудование удовлетворяет заказчиков, почему бы его не выпускать десятилетиями. Впрочем, на фоне роста потребления фракционированных веществ и наращивания мощностей по разделению, стало очевидно, что существуют проблемы и ограничения неразрешимые в классической технологии : это и зависание материала на ситах и снижение производительности со временем в силу разрегулирования, необходимость точной настройки на конкретный материал, с невозможностью регулировки под изменяюшиеся характеристики поступающего продукта.

Таким образом, все более и более стал очевиден технологический тупик традиционных способов разделения, а рост производительности в классическом понимании напрямую связывался исключительно с экстенсивным наращиванием количества - больше дек и больше квадратных метров поверхности.

Значительным прогрессом в отрасли долгое время считалось изменить направление движения сита с простого возвратно -поступательного, на какое- нибудь сложное вращательное, имитирующее движение золотодобытчика промывающего золото в сите. Эта технология считалась долгое время вершиной прогресса.
Ну, а из параметров регулирования у инженеров в распоряжении было только изменение частоты в узких пределах. Ограничением служит большая масса и инерция оборудования и его узлов, проблемы с регулированием скорости привода, что возможно только с помощью частотных регуляторов для двигателей переменного тока, ну и прочностные характеристики вибронагруженного оборудования работающего буквально на пределе конструкционных возможностей.

image

Прогресс не стоит на месте и промышленности требуется все больше и больше сыпучих материалов разделенных на фракции, а требования к фракционному составу на входе и выходе могут быстро изменятся. Однако, перенастройка и изменение параметров не являются сильной стороной классических грохотов. А остановка технологической линии это всегда производственные и финансовые потери и головная боль инженера и специалистов сервиса, подгоняемых менеджерами и маркетологами.

Дело сдвинулось с мертвой точки пару десятков лет назад причем, в развитых промышленных странах, по обе стороны океана, прогресс идет в основном в направлении разработки сит с иной геометрией решетки и производства сит с изменяемым резонансом для создания которого используются "навороченные" конструкции сравнимые по сложности с хорошим роялем, однако работающие в условиях жестокой вибрации, с соответствующей массой и ценой :)

Так выглядят современные промышленные высокотехнологические сита, многие из них рассчитаны под конкретный материал, а геометрия переплетения рассчитывается на сложных вычислительных комплексах :

image

Перед специалистами одной из исследовательских лабораторий из Сент Питерсберга, делавших большое количество "клиентских" проб и разрабатывавщих оборудование для мобильных лабораторий, стояла самая трудная техническая задача - как быстро и легко сеять материал существенно отличающийся по своим характеристикам? Особенно, в условиях, когда никакого фундамента создать невозможно - это проблема характерна обычно для всего лабораторного и экспедиционного транспортируемого оборудования, на котором нужно обрабатывать большое количество различных по своим характеристикам проб. Для классических грохотов это трудно разрешимая задача, связанная как правило со сменой рамок и перенастройкой всего грохота, что в условиях отдаленности жаркой пустыни, сырых джунглей или заснеженной тайги  сомнительное удовольствие.

Оказалось, существует альтернативный вариант. Как обычно в научном поиске помог принцип "начни с нуля", при котором все ранее существовавшие технические решения принципиально не используются. На разработку нескольких работоспособных концепций ушло полгода, на построение первой рабочей модели полтора года, на первый серийный аппарат около трех лет. Зато технология оказалась масштабируемой, то на ее основе стало возможным создание как лабораторных моделей, так и серийных промышленных механизмов. По сути это означает, что все оборудование, о на основе классических решений, можно будет в ближайшее десятилетие отправить "на пенсию".

В процессе исследований была разработана и проверялась следующая гипотеза: для каждого материала и сита есть оптимальные значения частоты и амплитуды (амплитуд) колебания сетки, при которых процесс просеивания проходит максимально эффективно. Для нахождения этих двух оптимальных величин необходимо замерять характеристики просева, изменяя частоту и амплитуду вибрации привода сетки.

 В профессиональных кругах обсуждалась теория, виброаккустической обратной связи , которая говорит о том, что существует ряд признаков того, что идеальная частота найдена - каждый материал при нахождении такой частоты начинает звучать при грохочении в своем "рабочем" диапазоне. Однако для того что бы "услышать" и зафиксировать при помощи датчиков этот "хрустальный" звук, необходимо убрать большую часть паразитных шумов - а грохочение процесс шумный.

Приступив к построению идеального лабораторного сита с возможностью обратной связи наши исследователи , пошли по пути снижения массы и шума от такого оборудования. И для начала изобретатели выбросили классический массивный вибропривод с электродвигателями и дебалансами, и заменили его на привод собственной оригинальной конструкции. Так родилась технология интегрированной 3D динамической вибросепарации , вариативной вибросепарации, а также была разработана технология интеллектуального управления этим процессом.

Рабочая поверхность деки теперь качается малоинерционным приводом, с управлением от компьютера, свободным от ограничений налагаемых массивными деталями - он может выдавать любую комбинацию частоты и амплитуды в пределах максимальных значений, причем динамически их изменяя - фактически превращая материал движущийся по деке в определенном режиме в кипящий слой из целенаправленно движущихся в объеме над ситом фрагментов, что фактически равнозначно увеличению рабочей поверхности, поскольку снижает влияние частиц материала друг на друга, и позволяет частицам проходить через сито последовательно, а не всем вместе. Аналогией тут может выступать группа студентов проходящая через узкие двери если они выстроятся в индейскую цепочку , то пройдут быстро, а если кинутся все вместе - то результат будет таким, как обычно можно наблюдать возле колледжей.

Сказать что это революция - значит не сказать ничего! Эффективность просева в таком 3DDVS (3D dynamic vibro separation) режиме во много раз эффективнее любого обычного режима, и эта технология свободна от всех ограничений классических грохотов и сит по возможности комбинации частот и амплитуд! Однако удивительные эффекты на этом не закончились - на новом экспериментальном оборудовании возможно достижение резонанса с внутренней частотой материала и переход в drop режим который хорошо представлен на видео, в данном режиме движение материала напоминают замедленное движение капли дождя разбивающейся о поверхность воды, в результате чего сопротивление грохочению максимально снижается, а энергоэффективность оборудования растет.

Кроме того, как выяснилось в ходе многочисленных экспериментов с различными материалами, на проведение которых исследователи потратили около трех лет, было установлено, что динамическое последовательное изменение частоты и амплитуды колебаний также приводит к существенному росту производительности, а совокупность таких наиболее эффективных колебательных процессов есть величина постоянная для данного метода разделения, оборудования и материала, а главное - может быть записана на компьютере в виде файла, содержащего наилучший алгоритм работы. Само собой, этот файл может быть воспроизведен при необходимости любое количество раз при работе с данным конкретным материалом. При этом возможна, там где это необходимо, полная автоматизация и компьютер сам подбирает наилучший алгоритм, кроме того оценка процесса по ряду параметров "на выходе" тоже может быть выполнена автоматически, таким образом может быть построен полностью автоматизированный процесс с обратной связью для точной настройки и максимальной отдачи.

Вот как это выглядит в реалиях http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bppGd0aUm00



Главное что удалось реализовать - это то, что управление движением привода осуществляется непосредственно компьютером, для которого учеными была разработана специальная программа DOT для записи и воспроизведения файлов, содержащих набор инструкций по изменению алгоритма работы, т.е. комбинаций частот и амплитуд вибраций привода. Данная технология получила название SPVC 1.0 (Smart Process Vibro Control).

Готовая библиотека .dot файлов с наилучшими алгоритмами для всех обрабатываемых материалов, может неограниченно долго хранится в архиве и задействоваться по мере необходимости, при смене, допустим, крупности или плотности поступающего на грохот материала.

Теперь о самом главном: в ходе исследований было выяснено, что объективно существует оптимальный набор комбинаций частоты и амплитуды просева, ввиду существенного роста производительности, и он может быть определён и зафиксирован более простым способом, чем улавливание ответных колебаний материала, хотя и эту возможность управления нет необходимости отбрасывать.

Реализация такого управления процессом - это концепция SPVC 2.0, разрабатываемая в настоящее время. Соотношение изменяемых частот и амплитуд и их последовательности в ее наилучшем сочетании, иными словами - набор наилучших сочетаний, есть величина постоянная для данного конкретного материала. Таким образом, однажды установленная в лабораторных условиях наилучшая последовательность, для определенного материала, может быть записана и сохранена, а затем воспроизведена по мере необходимости либо в этой же лаборатории, либо на производстве в интересах которого эта лаборатория работает.

То есть фактически речь идет уже не о конкуренции оборудования - поскольку альтернативы данной технологии практически не существует, и в ближайшие годы она вытеснит традиционные грохота и сита почти полностью - речь идет о конкуренции наилучших алгоритмов работы разрабатываемых различными производителями, учеными и лабораториями . Это открывает огромные перспективы, с одной стороны по стандартизации и автоматизации оборудования на промышленных производствах, что существенно снизит его цену, с другой для малого бизнеса и научных коллективов результат труда которых теперь будет помещаться на флеш-накопителе.

Ученые из исследовательской группы полны энтузиазма и гордятся своим изобретением на разработку которого они потратили почти десять лет, Однако прорывной характер и открывшиеся перспективы, окупят их старания , поскольку в состоянии изменить полностью всю отрасль разделения во всем мире, а так же, существенно снизить затраты промышленности на осуществление этого важного технологического процесса, что безусловно скажется на удешевлении производства значительного числа продуктов.

Так что Золушки могут ехать теперь сразу на бал, к своим принцам, минуя стадию разбора чечевицы :) за них все сделает SPVC и 3DDVS!

Значительное количество патентов полученных за эти годы говорит о высоком техническом и технологическом уровне новинки. Как говорят сами ученые количество секретов производства и высоких технологий в их "аппарате" не меньше чем, в ракете со спутником на борту, не смотря на простецкий внешний вид. Настоящая Золушка!

PS По просьбам читателей ... "Золушка" 100% отечественная, так сказать вполне "импортозамещающая и инновационная", если, что то контора из Питера называется Агентство прикладной механики - www.apmech. ru у них в цеху стоит большая "Золушка"- все чудеса можно видеть своими глазами, на рабочем "станке" который уже порядком, как пашет у них в лаборатории ... поскольку молол и сеял на их оборудовании, могу подтвердить все работает.
Tags: полезные ископаемые, производство, технологии
Subscribe
promo engineering_ru апрель 30, 2014 15:00 70
Buy for 200 tokens
Originally posted by zilm at Как будут ремонтировать автомобили с углепластиковым кузовом? Когда инженеры BMW создавали свои подзаряжаемые автомобили, они столкнулись с необходимостью снижения веса. Аккумуляторы делают электромобиль или плагин-гибрид тяжелее аналога с ДВС, а…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 45 comments