کانوایرهای ارتعاشی (ویبره) vibrating conveyors معمولا از سه قسمت اصلی تشکیل می شوند: 1. تغار trough که ظرف یا سینی نگهدارنده مواد است و معمولا بصورت افقی است ولی نه لزوما. 2. سیستم تعلیق یا تکیه گاه که معمولا به شکل فنر، بافرهای لاستیکی یا اتصالات لولایی hinged link است که می تواند با فرکانس بالا و دامنه کم نوسان نماید. 3. سیستم محرک drive mechanism که ارتعاشات را به سیسستم وارد می کند.

اساس عملکرد:

پرتاب کردن ذرات به بالا و جلو، تا در نتیجه آن ذرات با پرتاب های کوچک به پیش بروند.

فرق فیدر ویبره با کانوایر ویبره:

اساسا فرق فیدر و کانوایر در این است که فیدر قابلیت تغییر بار را دارد، در حالیکه کانوایر با بار ثابت کار می کند و نباید از کانوایر انتظار داشت که تحمل تغییرات بار را داشته باشد.
فیدرهای ویبره معمولا در فرکانس بالاتر و دامنه کمتر نسبت به کانوایرهای ویبره کار می کنند. با تغییر فرکانس یا دامنه ویبراتورها می توان دبی جریان مثلا خروجی از یک هاپر را کنترل کرد.

اندازه های مختلف فیدرهای ویبره:

    چند گرم در ثانیه مثلا در صنایع داروسازی
    جند صد تن در ساعت در صنایع مختلف از جمله صنایع معدنی
معمولا طول تغار فیدرهای ویبره کوتاه است و در حدود 2-3 متر می باشد. محدوده معمول دامنه و فرکانس تجهیزات ارتعاشی در جدول زیر آمده است:

کانوایرهای برگشت سریع reciprocating conveyors

فرق بین کانوایرهای ویبره و رفت و برگشتی

کانوایرهای رفت و برگشتی یا تکان دهنده shaker کل مواد داخل ظرف را به جلو می برند و در مسیر برگشت مواد را آنجا برجای می گذارند. در این کانوایرها عمل پرتاب کردن مواد اتفاق نمی افتد و مواد به دلیل وجود اصطکاک به جلو رانده می شوند. برجای گذاشتن مواد می تواند به دو طریق باشد: در مکانیزم مشهور، برگشت سریع ظرف به علت وجود اینرسی تخلیه می شوند، اما در مدلهای هیدرولیکی، تخلیه به علت انباشت مواد در  داخل هاپر در پشت فیدر اتفاق می افتد. ویژگی شاخص کانوایرهای رفت و برگشتی این است که نیروی عمودی ثابت vertical force می ماند، اما در کانوایر یا فیدرهای ویبره، این نیروی عمودی بطور متناوب تغییر می کند.
نیروی عمودی در کانوایرهای برگشتی عبارت است از:

که:
m : جرم مواد بالک داخل تغار یا ظرف
g : شتاب جاذبه زمین
و با درنظر گرفتن ضریب اصطکاک μf ، نیروی افقی برابر است با:

بنابراین حداکثر شتاب ظرف قبل از سُر خوردن مواد برابر است با:

بنابراین :
    در حرکت رو به جلو باید شتاب کمتر از μfg باشد.
    در کورس برگشت باید شتاب بیشتر از μfg باشد.
کاربرد این کانوایر بیشتر برای مواد بالک گرانولی یا سنگ درشت با دانسیته بالا می باشد. البته توجه داشته باشید محدودیت بسیار زیادی بخاطر سایش مواد با کف ظرف دارد.

دبی کانوایر ویبره:

باید بتوانیم با دقت خوبی دبی کانوایر ویبره را تقریب بزنیم که به پارامترهای ذیل وابسته است:
    دانسیته بالک مواد
    مقطع جریان مواد
    سرعت متوسط انتقال (حمل) مواد
بنابراین باید بتوانیم سرعت مواد را پیشگویی کنیم، که به عوامل زیر وابسته است:
    دامنه amplitude
    فرکانس frequency
    شیب (اگر افقی نباشد)
    زاویه نوسان angle of oscillation
    طبیعت مواد nature of bulk solid

شاخصهای طراحی:

نحوه انتقال نیرو به ظرف
بر اساس نحوه انتقال نیرو به ظرف، کانوایرهای ویبره به 4 دسته تقسیم می شوند:

مکانیکی مثبت یا مستقیم با استفاده از لنگ یا میل اتصال مستقیم Direct or positive mechanical drive

کاربرد آنها معمولا در کانوایرهای مخصوص وظیفه-سنگین با فرکانس پایین و دامنه زیاد می باشد.. تکیه گاه آنها فنرهای راهنما guide spring می باشد و جابجایی ظرف 2 برابر شعاع لنگ می باشد.

روش جایگزین استفاده از فنر بین ظرف و تکیه گاه و یک فنر بین میل لنگ connecting rod و ظرف است. در اینصورت نوسانات ظرف حول فرکانس تشدید اتفاق خواهد افتاد.

از مشکلات جدی این سیستم انتقال ارتعاشات به محیط اطراف است. مخصوصا اگر وزنه تعادل counterbalance نداشته باشد، سازه های سنگینی نیاز دارد. باید توجه داشت فرکانس ارتعاشات نزدیک فرکانس طبیعی سازه نباشد. از روشهای کاهش انتقال ارتعاشات، درنظر گرفتن وزنه تعادل مطابق شکل فوق می باشد. روش دیگر استفاده از ظرف های دوبل با حرکت مخالف یکدیگر طبق شکل زیر می باشد.

شرایط کاری:
    فرکانس پایین 5-15 Hz
    فاصله انتقال یا حمل 5-30 m
    دامنه 3-15 mm
    سرعت حمل 0.2-0.8 m/s

مکانیکی جرم خارج از مرکز: موتور با جرم خارج از مرکز Eccentric-mass mechanical drive

طرحهای معمول جرم خارج از مرکز تکی یا دوبل یا موتورهای ویبره دوبل twin self-contained vibrator motor بکار میبرند.
موتورها در خلاف جهت یکدیگر می چرخند، محورهای آنها در یک صفحه است که با یکدیگر سنکرون خواهند شد و حرکت خطی نوسانی عمود بر محور موتورها ایجاد می کنند.
ممکن است روی فنرهای ورقه ای leaf spring نصب شود که آنها جهت حرکت ظرف را محدود می کند.

یا روی فنرهای کششی یا فشاری نصب شود و جهت حرکت ظرف بوسیله جهت برایند نیروهای موتورها تعیین می شود.

بر خلاف روش مکانیکی مثبت، دامنه ثابت ندارد و بین 1-10 mm می باشد و خیلی بستگی به بار روی ظرف دارد. سرعت حمل مواد نیز کمتر از کانوایرهای مثبت به ازای همان طول حمل خواهد بود.
استفاده از فرکانس کنورتورها، کنترل دور این موتورهای ویبره را آسان نموده است و از نظر هزینه با مدلهای الکترومگنتیک قابل رقابت شده اند. البته برای حمل حجم کم مواد، انواع الکترومگنتیک عالی هستند.

محرک الکترومگنتیک با منبع ac تکفاز پالسی Electromagnetic drive

برای تولید حرکت ویبره، یک یا چند الکترومگنتیک به طور متناوب تحریک می شوند. با فرکانس برق شهری 50 Hz کار می کنند و چون هر سیکل دو ضربه impulse دارد، بنابراین فرکانس کاری 100 Hz می شود. کاهش فرکانس به نصف این مقدار می توان از half-wave rectifier یا تریستور thyristor استفاده کرد.
دامنه این محرکها کم و در حدود 1-3 mm است. سرعت انتقاال کم و معمولا کمتر از 0.3 m/s است. کاربرد آنها معمولا بعنوان فیدرهای طول کوتاه می باشد.

پیستونهای هیدرولیکی

برای جلوگیری از انفجار بوسیله تجهیزات برقی، از پیستونهای هیدرولیکی یا نیوماتیکی استفاده می شود که بوسیله پمپ از راه دور کنترل می شوند.
ظرفیت را می توان دستی یا اتومات بوسیله شیرهای کنترل فشار تغییر داد.
کاربرد آنها مثل محرکهای الکترومگنتیک می باشد، ولی بار بیشتری می تواند حمل کند.

انواع نشیمنگاه یا سیستم تعلیق

روشهای مختلف نصب و استقرار کانوایر ویبره بستگی دارد به:
    نوع مکانیزم محرک
    بارگذاری روی تغار یا ظرف
    تحمل سازه در برابر ارتعاشات منتقل شده

در کل مکانیزمهای مختلف سیستم تعلیق به سه دسته زیر تقسیم می شوند:

سیستم های مقید مستقیم Directionally-constrained systems

در این مدل ظرف در فاصله هایی دارای فنرهای ورقه ای leaf spring یا اتصالات لولایی می باشد و جهت نوسان محدود به خط عمود بر این ساپورت هاست و آنها زاویه نوسان را تعیین می کنند.
معمولا فرکانس حین کار به اندازه کافی دور از فرکانس تشدید است.
سیستم به تغییرات بار شدیدا حساس است و در نتیجه معمولا به عنوان کانوایر استفاده می شود و برای فیدر مناسب نمی باشد.

سیستم های غیرمستقیم Non-directional systems

ظرف یا تغار بطور آزاد روی فنرهای ایزوه کننده isolating spring نصب می شود و خیلی آسانتر با بارهای مختلف همراهی می کند.

سیستم های فرکانس طبیعی Natural frequency systems

جهت کاهش قابل توجه در توان مصرفی یک کانوایر ویبره، باید فرکانس تحریک بگونه ای تنظیم شود که نزدیک فرکانس طبیعی کار کند.
این نوع کانوایرها بسیار به میزان بار حساس هستند و باید در مواردی استفاده شود که جرم بار به اضافه ظرف یا تغار واقعا ثابت بماند. بنابراین باید میزان بار کاملا کنترل شده باشد یا جرم ظرف در مقابل بار زیاد باشد.



حرکت توده مواد در یک سینی مرتعش

برای تحلیل حرکت مواد روی سینی یا تغار، ابتدا حرکت ارتعاشی سینی بررسی می شود، سپس حرکت ذرات در اثر ارتعاشات انتقال یافته به آنها. باید توجه داشت که این تحلیل های ریاضی باید بسیار به دقت بکار برده شود، چون پیچیدگی های بسیاری در پاسخ ذرات به ارتعاشات تغار وجود دارد.
امروزه استفاده از روش تحلیل المان گسسته DEM می تواند کمک بسیاری در تحلیل رفتار ذرات روی تغار نماید. در نهایت آزمونهای آزمایشگاهی بهترین روش برای بررسی عملکرد کانوایرهای ویبره می باشد.

حرکت ظرف یا تغار Motion of the trough

مدل پایه یک کانوایر ویبره به شکل زیر است:




در این حالت ظرف بطور مستقیم مقید شده است و بنابراین فقط در یک جهت عمود بر فنرهای راهنمای می تواند حرکت کند.
حرکت هارمونیک ظرف به شکل زیر می باشد:

تعریف پارامترهای استفاده شده به قرار زیر می باشد:
ST : خط حرکت ظرف و موقعیت در هر لحظه t
β : زاویه مسیر حرکت با افق، زاویه نوسان یا زاویه محرک
f : فرکانس نوسانات
λ : دامنه نوسانات
S ̈_T : شتاب ظرف در جهت نوسان
xT : موقعیت افقی ظرف در لحظه t
yT : موقعیت عمودی ظرف در لحظه t

با توجه به شکل فوق روابط به شکل زیر خواهد بود:

بنابراین ذرات روی سینی، وقتیکه شتاب سینی رو به پایین به g برسد، از روی سینی بلند می شوند:

با جایگذاری در رابطه شتاب در راستای عمودی، لحظه جدا شدن ذره از روی سینی بدست می آید:

ذرات در هنگام پرواز کردن (بلند شدن از روی سینی)، تمایل دارند که یک حرکت سهموی داشته باشند تا در نقطه بعدی مجددا با سینی برخورد نمایند.
هنگام حمل مواد به جلو، کل زمان برخورد کوتاه خواهد بود و میزان سایش abrasive wear باید به حداقل برسد.
برای بهترین راندمان کانوایر نباید در هیچ قسمتی از سیکل حرکت رو به عقب ذرات را داشته باشیم. بنابراین نقطه برخورد باید منطبق بر شروع فاز بلند شدن بعدی باشد.
پارامتر مهم در مدل کردن کانوایر ویبره، نسبت شتاب عمودی به شتاب g است. حداکثر این مقدار که به عنوان ضریب دینامیکی مواد یا ضریب پرتاب Γ تعریف می شود، عبارت است از:

در اولین لحظه بلند شدن ذره yT/g=-1 می باشد، بنابراین اگر مقدار مثبت Γ از یک کوچکتر باشد، مواد سطح ظرف را ترک نخواهد کرد و حرکت رو به جلو کم یا ناچیز خواهد بود.
با استفاده از این رابطه، زمان بلند شدن ذره از روی سطح ظرف مجددا محاسبه می شود:

لحظه برخورد مجدد ذره با کف ظرف کمی پیچیده تر است و این نقطه جایی است که هماهنگ بودن حرکت ذره و ظرف مهم می شود. شکل زیر نمودار جابجایی عمودی ظرف و مولفه شتاب در جهت قائم را نشان می دهد. فازهای بلند شدن ذره و برخورد نیز بطور نوعی نشان داده شده است.

دیگر نکته اساسی در عملکرد کانوایرهای ویبره، رابطه فرکانس و دامنه می باشد. بطور کلی هرچه فرکانس بیشتر باشد، دامنه کمتر است. بیان حداکثر شتاب ظرف نسبت به g راحت تر است، بنابراین داریم:

که K ضریب دینامیکی ماشین یا شماره ماشین است و برابر است با:

رابطه بین فرکانس و دامنه به ازای ضرایب دینامیکی مختلف ماشین در شکل زیر نمایش داده شده است. در عمل کانوایرهای ویبره بگونه ای طراحی می شوند که 4>k و 1<k باشد.



حرکت مواد روی سطح ظرف Motion of bulk material in the trough

وقتیکه شتاب رو به پایین ظرف از شتاب جاذبه کمتر باشد، ذره از روی سطح بلند lift-off خواهد شد. از این لحظه می توان مسیر حرکت ذره را بصورت سهموی (پرتابه) مدل کرد و در طول این زمان ظرف به حرکت رو به پایین و برگشت خود ادامه می دهد تا دوباره ذره با آن برخورد کند.



موقعیت دقیق برخورد ذره با ظرف به مشخصات سیستم بستگی دارد و با تغییر فرکانس و دامنه تا حدی قابل تنظیم است. در صورتیکه کانوایر در شرایط بهینه خود کار کند، نقطه برخورد دقیقا قبل از لحظه بلند شدن اتفاق خواهد افتاد که اجازه کمترین زمان برخورد را می دهد. در طی زمان پرواز Tf ذره رو به جلو حرکت می کند، در حالیکه ظرف در کورس برگشت است. نتیجه حرکت رو به جلوی ذرات در یک سرعت افقی تقریبا پایدار است.

بهتر است یک پارامتر بی بعد n از نسبت زمان پرواز Tf به زمان پریود ارتعاش ظرف TT تعریف شود. این مقدار n نسبت پرواز نیز نامیده می شود و مشخصه شرایط انتقال بوسیله ارتعاش است.

 
می توان نشان داد رابطه بین ضریب دینامیکی مواد Γ و نسبت n به قرار زیر است:

شکل زیر این رابطه را تا نسبت n نمایش می دهد.

واضح است که هرچه n بیشتر، Γ بیشتر خواهد بود، که بنوبه خود به معنی شتاب بیشتر ظرف است. اما ملاحظات استحکام بدنه این مقدار را محدود می کند. در عمل برای فیدرها و کانوایرهای ویبره، مقدار n را زیر یک می گیرند، که یعنی زمان پرواز ذره در محدوده یک پریود حرکت ظرف اتفاق می افتد.
طبق شکل روبرو، مقدار عملی 3.3>Γ می باشد.

سرعت متوسط حمل

احتمالا مهمترین پارامترها برای یک مهندس در طراحی کانوایرهای ویبره n,β,Γ  باشد. اما از آنجاییکه سرعت واقعی ذرات در سرتاسر ظرف متغیر است، سرعت متوسط برای محاسبه نرخ حمل مواد مهم می باشد. جابجایی افقی و سرعت ظرف به قرار زیر می باشد:

سرعت متوسط ذرات جامد در طول ظرف بر اساس این ماکزیمم سرعت به قرار زیر می باشد:

که ƞu راندمان انتقال است و تابعی از Γ ضریب دینامیکی مواد، β زاویه ارتعاش، µf ضریب اصطکاک بین مواد و سطح ظرف، عمق لایه مواد روی ظرف، شیب ظرف(اگر افق نباشد) و خواص جریان مواد flow properties می باشد. با توجه به پیچیدگی رابطه بین این پارامترها، با استفاده از آزمایشها و مقادیر تجربی نمودار زیر برای پیدا کردن راندمان انتقال و استفاده در معادله بالا بدست می آید:

برای استفاده از این نمودار باید ضریب اصطکاک (مثلا بین ماسه و فولاد حدود 0.5 است)، ضریب دینامیکی و زاویه ارتعاش مشخص باشد.
حداکثر Γ برابر 3.3 است، ولی برای آنکه کانوایرهای ویبره را در محدوده قابل قبولی نگهدارید، معمولا Γ> 1.5 و Γ< 2 توصیه می شود. که به ازای این مقادیر β طبق شکل زیر در محدوده 30 تا 50 درجه می باشد.

رابطه سرعت متوسط انتقال ذرات را می توان با وارد کردن فاکتورهایی اصلاح نمود:

که:
Fm : ضریب مشخصه مواد، باید تجربی تعیین شود. اما برای مواد معمول:
    کمتر از یک برای مواد با دانسیته کم و گرانولهای ریز
    0.8-0.9 برای مواد سنگین، گرانولی و خشک
    0.1-0.8 برای موادی که بیشتر از 20 % زیر 300 μm است
    صفر برای ذرات کوچکتر از 60 μm (یعنی هیچگونه انتقالی صورت نمی پذیرد)

Fh : فاکتور عمق مجاز مواد روی ظرف(تغار)، که مقدار آن متغیر است:
    از 1 برای مواد با عمق کم
    تا 0.75 برای عمق حدود 300 mm

Fj : فاکتور شیب مجاز ظرف
    1 برای سطح افقی و شیب بالارونده تا 15 درجه
    برای شیب بالارونده بیش از 15 درجه به شدت کاهش می یابد
    1-1.8 برای شیب های سرازیری تا 15 درجه
توجه: بسیار متاثر از اصطکاک سطح ظرف و مواد است.

در نهایت نرخ مواد یا ظرفیت کانوایر با رابطه زیر بدست می آید که متناسب با سطح مقطع و دانسیته مواد می باشد:

تاثیر پارامترهای طراحی:
   

تحقیقات نشان داده است سرعت انتقال رابطه عکس با فرکانس دارد. بنابراین برای ظرفیتهای بالا حتی الامکان فرکانس را کاهش می دهند. البته توجه داشته باشید برای اینکه شتاب ثابت داشته باشید، باید دامنه افزایش یابد. افزایش شتاب یعنی افزایش ضریب دینامیکی ماشین K که منجر به کاهش زاویه بهینه نوسان و افزایش سهمی از سیکل که مواد در پرواز می باشد. بنابراین ممکن است به نظر برسد که افزایش شتاب باعث افزایش سرعت انتقال مواد می شود که البته تا یک نقطه درست است. اما شتاب زیادی ظرف باعث ناپایداری عملیات بعلت جابجایی نقطه برخورد مواد و ظرف و به تبع آن بالا و پایین رفتن نامنظم bouncing مواد می شود.

روشن است زاویه اصطکاک روی سرعت انتقال کانوایر تاثیرگذار است. مقدار کم β به معنی میزان اندک اصطکاک بین ظرف و مواد می باشد، چون مولفه عمودی شتاب کوچک است. برعکس مقدار زیاد β به معنی مولفه کوچک حرکت رو به جلو می باشد.

مقدار واقعی زاویه بهینه به شتاب ظرف و ضریب اصطکاک بین مواد و سطح ظرف بستگی دارد. چون هرچه بیشتر مواد به کف ظرف چسبیده باشد، اجازه زاویه نوسان کمتری را میدهد که در ضمن حرکت رو به جلو مطلوبی را نیز می دهد.
بطور طبیعی نیز پوشاندن سطح ظرف با یک لاینر اصطکاک بالا مثل لاستیک به همین دلیل باعث بهبود عملکرد می شود.
در ضمن افزایش عمق بستر مواد نیز باعث افزایش نیروی اصطکاک و بنابراین افزایش سرعت حمل مواد می شود که البته در عمل ثابت نشده است.


حرکت دوفازی ظرف

به لحاظ ثابت بودن زاویه نوسان، بطور معمول عملکرد کانوایرهای ویبره محدود می شود. این محدودیت را می توان اینطور برطرف نمود که ظرف در جهت های عمودی و افقی بطور مستقل ویبره می شود.
با یک فرکانس ولی با دامنه و فاز متفاوت قابل تنظیم، منجر به یک حرکت بیضوی در یک نقطه روی ظرف می شود.
ادعا شده که سیستم های دوفازی نرخ حمل را در سیستم های معمول افزایش می دهد.
ماکزیمم نرخ حمل مواد در یک زاویه فاز بهینه رخ می دهد که وابسته به طبیعت مواد مورد حمل و شرایط ویبره می باشد.
با استفاده از حرکت دوفازی سرعت حمل 50  % تا 300  % بیشتر از سرعتهای معمول بدست می آید.

کاربردهای کانوایرهای ویبره

    مواد گرانولی granular بهتر از مواد پودری pulverized حمل می شوند.
    ذرات با شکل های تخت یا نامنظم بهتر از اشکال کروی حمل می شوند.
    موادی که در هوا شناور می مانند aerate و مواد با دانسیته کم، برای حمل ویبره مشکل دارند، چون مقاومت هوا در مسیر پرتابه تاثیرگذار است.
    مواد ترد مثل گرانولهای پودر شیر یا قهوه فوری به آرامی با این روش حمل می شوند تا کاهش کیفیت degradation اتفاق نیافتد.
    مواد خیلی ساینده نیز خیلی مشکل ایجاد نمی کنند، چون زمان تماس با کف ظرف کم است. اما در هر صورت به آسانی می توان کف ظرف لاینر نصب نمود.
    معمولا برای حمل افقی بکار می رود، ولی در صورت نیاز در حمل در سرازیری مشکلی ندارد و حمل در سربالایی تا 15 درجه برای بیشتر مواد امکانپذیر است.
    می توان کانوایرهایی طراحی نمود که چند ورودی و خروجی داشته باشد.
    برای انواع فرایندهای پروسسی قابل تطبیق هستند، مثل:
    سرند کردن screening
    آبگیری dewatering
    خنک کردن و گرم کردن با استفاده از هوای سرد و گرم
    خشک کردن
    در صورت نگرانی از تولید غبار و یا جلوگیری از آلوده شدن، می توانید روی کانوایر را بپوشانید.
    برای کاربردهای بهداشتی می توان از ظرف های پلاستیکی یا فولاد استنلس استیل استفاده نمود.
    جدایش ذرات ریز و درشت segregation یا مخلوط کردن مواد mixing ، ممکن است در ظرف ویبره اتفاق بیافتد و همیشه نمی توان پیش بینی کرد که کدام اثر در یک شرایط غالب خواهد بود. گاهی جدایش موادی که قبلا همزده شده اند، ممکن است ایجاد مشکل کند. اما در موارد دیگر، این پدیده می تواند روش موثر و ساده ای برای خارج کردن آلاینده ها باشد، مثل:
    گرفتن لایه ناخواسته از روی سطح مواد
    برای مواد درشت تر، برداشتن دستی مواد زائد راحت تر است.
    برای حذف فلزات آهن دار می توان به راحتی مگنت سپراتور گذاشت.
    عملیات سرند کردن برای جدایش ذرات درشت یا ریز
    برخورد دادن مواد با گاز یا مایع با ویبره کردن در یک ظرف که مثلا کناره یا کف آن ورق سوراخدار باشد.

منبع:
Bulk solids handling, An introduction to the practice and technology, 1987