СМЕСИТЕЛЬ-АКТИВАТОР Российский патент 1994 года по МПК B01F11/00 

Изобретение относится к устройствам, в которых одновременно, последовательно или в определенных сочетаниях выполняются различные технологические операции, в частности перемешивание компонентов и активация образующейся смеси, и предназначено для использования в промышленности строительных материалов, в резинотехнической промышленности и других отраслях техники.

Известен смеситель-активатор, содержащий корпус, чашу, привод, через ведущий вал, редуктор и траверсу связанный с катками и лопастями, электромагнитный вибровозбудитель, установленный на днище чаши, и систему управления [1] .

В известном смесителе-активаторе за счет пространственного перераспределения компонентов смеси и дезагрегатирования крупных частиц формируется однородная макроструктура композита, т. е. образуется однородная смесь исходных компонентов.

В широком классе технологий однородные смеси способствуют получению в последующих операциях изделий с повышенной прочностью.

В известном устройстве макроструктура смеси обеспечивает благодаря наличию в нем вращающихся лопастей, катков и вибрирующей в вертикальном направлении чаши.

В ряде технологий (например, при получении бетонных изделий в промышленности строительных материалов) дополнительное повышение прочности изделий обеспечивается за счет формирования микроструктуры композита. Микроструктура влияет на поверхностную активность частиц, т. е. на их способность создавать прочные связи между компонентами смеси на молекулярном уровне.

В известном устройстве микроструктура смеси обеспечивается благодаря ее диспергированию вращающимися катками, обладающими значительной массой, и благодаря вибрации частиц, разрушающей когезионные связи в компонентах смеси и способствующей образованию прочных адгезионных связей между компонентами смеси. Недостатком известного смесителя-активатора является низкая степень диспергирования частиц компонентов смеси, поскольку измельчению подвергается относительно небольшое количество частиц. Недостаток обусловлен тем, что диспергирование осуществляется преимущественно за счет раздавливания частиц вращающимися катками.

Более близким по технической сущности является смеситель-активатор, содержащий корпус, чашу, привод, через ведущий вал, редуктор и траверсу связанный с катками и лопастями, электромагнитные вибровозбудители, установленные по периметру чаши, и систему управления, содержащую ключевые элементы [2] .

В известном устройстве макроструктура композита формируется за счет работы вращающихся лопастей, катков и вибрирующей в вертикальном направлении чаши. Отличительной особенностью устройства является то, что колебания чаше передают поочередно включаемые вибровозбудители, благодаря чему чаша и образующаяся смесь получают сложное пространственное движение. За счет транспортирования смеси в различных направлениях однородность смеси повышается.

В известном смесителе-активаторе микроструктура композита также формируется благодаря диспергированию образующейся смеси вращающимися катками. Однако процессы измельчения протекают более интенсивно, поскольку за счет сложного пространственного движения чаши под катки попадает дополнительное количество частиц образующейся смеси.

Недостатком известного устройства является относительно низкая степень диспергирования частиц компонентов смеси, достигаемая при его работе. Недостаток обусловлен тем, что диспергирование осуществляется преимущественно за счет раздавливания частиц вращающимися катками.

Целью изобретения является повышение степени диспергирования частиц компонентов смеси в смесителе-активаторе.

Цель достигается тем, что смеситель-активатор, содержащий корпус, чашу, электропривод, связанный через ведущий вал, редуктор и траверсу с катками и лопастями, четыре электромагнитных вибровозбудителя, установленных по периметру чаши, и систему управления вибровозбудителями, включающую ключевые элементы, соединенные выходами с вибровозбудителями, снабжен закрепленными на корпусе и соединенными с чашей упругими элементами, выполненными в виде равноудаленных друг от друга вертикальных стержней, электромагнитные вибровозбудители установлены горизонтально в тангенциальном направлении и смещены друг относительно друга на угол π/2, в систему управления введены датчик потребляемой электроприводом мощности, генераторы возбуждающих и переключающих импульсов, четыре элемента ИЛИ, два элемента запрета, дифференциатор, пороговый элемент, элемент задержки, контактор с пусковым элементом включения электропривода, причем выход генератора возбуждающих импульсов подключен к сигнальному входу каждого из ключевых элементов, первый выход генератора переключающих импульсов подключен к первому входу первого элемента запрета, выход которого подключен к первым входам первого, второго и третьего элементов ИЛИ и к первому входу первого ключевого элемента, второй выход генератора переключающих импульсов подключен к первому входу второго элемента запрета, выход которого подключен к вторым входам первого и третьего элементов ИЛИ и к первым входам четвертого элемента ИЛИ и второго ключевого элемента, датчик мощности подключен через последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент к входу элемента задержки, вторым входам второго и четвертого элементов ИЛИ, первого и второго элементов запрета, первому входу третьего ключевого элемента и третьему входу третьего элемента ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу третьего ключевого элемента, к второму входу второго ключевого элемента подключен выход второго элемента ИЛИ, выход третьего элемента ИЛИ подключен к входу четвертого ключевого элемента. второй вход первого ключевого элемента подключен к выходу четвертого элемента ИЛИ, выход элемента задержки подключен к входу контактора.

На фиг. 1 изображена функциональная схема механической и электромеханической частей смесителя-активатора; на фиг. 2 - система управления смесителем-активатором; фиг. 3 - схема направления тяговых усилий, создаваемых вибровозбудителями, на этапах формирования микроструктуры и микроструктуры смеси.

Смеситель-активатор (фиг. 1 и 2) содержит установленный на станине 1 корпус 2, на котором смонтирован привод 3, через ведущий вал, редуктор 4 и траверсу 5 связанный с катками 6 и лопастями 7. Катки и лопасти контактируют с чашей 8, жестко соединенной с нижней частью вертикальных упругих стержней 9, верхняя часть которых закреплена на корпусе 2.

По периметру чаши на кронштейнах установлены электромагнитные вибровозбудители - первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13.

Вибровозбудители установлены горизонтально (т. е. создают тяговые усилия в горизонтальной плоскости) и в тангенциальном направлении (т. е. создают тяговые усилия, направленные по касательной к чаше), при этом каждый последующий вибровозбудитель смещен относительно предыдущего на угол π/2.

Смеситель-активатор снабжен загрузочным патрубком 14 и откидным затвором 15 для выгрузки готовой смеси.

Система управления (фиг. 2) содержит четыре ключевых элемента - первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19, выходы которых подключены к соответствующим электромагнитным вибровозбудителям, а сигнальные входы объединены и подключены к генератору 20 возбуждающих импульсов, четыре элемента ИЛИ - первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24, датчик 25 мощности, потребляемой приводом 3, дифференциатор 26, пороговый элемент 27, генератор 28 переключающих импульсов, два элемента запрета - первый 30 и второй 29, элемент 31 задержки, контактор 32 с пусковым элементом 33.

Связи между элементами системы управления (фиг. 2) выполнены таким образом, что первый и второй выходы генератора 28 переключающих импульсов соединены соответственно с первыми входами второго и первого элементов 29 и 30 запрета. Выход первого элемента 30 запрета соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ 21, с первым управляющим входом второго элемента 17, с вторым входом третьего элемента ИЛИ 23 и первым входом четвертого элемента ИЛИ 24, выход второго элемента 29 запрета соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов ИЛИ 21, 22 и 23, а также с первым управляющим входом первого ключевого элемента 16, выход порогового элемента 27 связан с вторыми входами первого и второго элементов 30 и 29 запрета, с входом элемента 31 задержки, с первым управляющим входом третьего ключевого элемента 18, вторым входом второго элемента ИЛИ 22, третьим входом третьего элемента ИЛИ 23 и вторым входом четвертого элемента ИЛИ 24.

Выходы первого, второго, третьего и четвертого элементов ИЛИ 21-24 соединены соответственно с вторым управляющим входом третьего ключевого элемента 18, вторым управляющим входом второго ключевого элемента 17, управляющим входом четвертого ключевого элемента 19 и вторым управляющим входом первого ключевого элемента 16. Датчик мощности привода 3 через дифференциатор 26 соединен с входом порогового элемента 27, а выход элемента 31 задержки и пусковой элемент 33 подключены к первому и второму входам контактора 32.

Система управления в целом является неотъемлемой частью смесителя-активатора, поскольку без нее невозможно получение нового технического результата.

Смеситель-активатор работает следующим образом.

В начале цикла приготовления смеси (композита) пусковым элементом 33 включают контактор 32, который подключает привод 3 к источнику питания (цепи питания на фиг. 1 и 2 не показаны) и подает питание на все функциональные элементы устройства.

Привод 3 (фиг. 1) через ведущий вал, редуктор 4 и траверсу 5 сообщает сложное пространственное движение лопастям 7, которые благодаря имеющемуся в траверсе планетарному механизму совершают вращение не только вокруг вертикальной оси смесителя-активатора, но и вокруг собственной вертикальной оси.

Одновременно пространственное перемещение совершают катки 6.

После включения привода 3 через загрузочный патрубок 14 в чашу 8 подают компоненты смеси. Благодаря воздействию лопастей и катков частицы компонентов смеси приобретают сложные траектории, многократно пересекаются между собой, образуя однородную смесь. Дополнительная интенсификация процесса перемешивания компонентов смеси осуществляется благодаря вибрации чаши в горизонтальной плоскости. Совместное воздействие на компоненты смеси лопастей, катков и вибрирующей чаши позволяют эффективно сформировать макроструктуру смеси, т. е. за относительно небольшой промежуток времени получить смесь, обладающую низким коэффициентом неоднородности.

Создание в смесителе-активаторе вибрации чаши в горизонтальной плоскости обусловлено тем, что он должен эффективно формировать и микроструктуру смеси, т. е. за относительно небольшой промежуток времени необходимо осуществить диспергирование как отдельных компонентов смеси, так и образующихся в процессе перемешивания механических соединений. Диспергированные частицы обладают повышенной поверхностной активностью, т. е. способностью создавать прочные связи между компонентами смеси на молекулярном уровне.

В смесителе-активаторе благодаря раздавливанию частиц вращающимися катками и вибрации чаши, разрушающей когезионные связи в компонентах смеси, процесс диспергирования частиц протекает на протяжении всего времени его работы.

Характерной особенностью смесителя-активатора является более эффективное протекание процесса диспергирования, которое достигается благодаря использованию операции перетирания частиц между вращающимися катками и совершающей крутильные колебания чашей.

Экспериментальные исследования смесителя-активатора показывают, что создание крутильных колебаний чаши на протяжении всего времени его работы существенно повышает степень диспергирования частиц. Однако при крутильных колебаниях чаши снижается эффективность формирователя макроструктуры смеси, т. е. увеличивается промежуток времени, в течение которого приобретает однородность смесь. При непрерывных крутильных колебаниях увеличивается коэффициент неоднородности смеси.

Исследования показывают, что при горизонтальных колебаниях чаши эффективность формирования макроструктуры возрастает при колебаниях чаши в радиальном направлении, а эффективность формирования микроструктуры возрастает, когда крутильные колебания передают смеси предельное (наименьшее) значение коэффициента неоднородности.

С учетом этого оптимальный алгоритм работы смесителя-активатора должен быть двухстадийным. На первой стадии за счет работы катков, лопастей и радиальных колебаний чаши формируется преимущественно макроструктура смеси. На второй стадии за счет работы катков, лопастей и крутильных колебаний чаши формируется преимущественно микроструктура смеси. Переход с первой стадии на вторую должен осуществляться при достижении смесью предельного (наименьшего) значения коэффициента неоднородности.

Характерной особенностью смесителя-активатора является то, что радиальные и крутильные колебания чаши создаются одними и теми же электромагнитными вибровозбудителями за счет специфического построения системы управления.

Для практической реализации алгоритма управления и указанной особенности смеситель-активатор снабжен системой управления, на выходе которой установлены первый, второй, третий и четвертый ключевые элементы 16, 17, 18 и 19, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым электромагнитными вибровозбудителями 10, 11, 12 и 13. Сигнальные входы ключевых элементов объединены и подключены к генератору 20 возбуждающих импульсов, на выходе которого формируется последовательность знакопеременных импульсов, имеющих прямоугольную или колокольную форму, причем отрицательные импульсы сдвинуты относительно положительных на π радиан. Частота следования импульсов может регулироваться и устанавливается такой, чтобы колебания вибровозбудителей при поступлении на них возбуждающих импульсов происходили в резонансной области. Это снижает установленную мощность вибровозбудителей и повышает их амплитуду колебаний. Ключевые элементы 16, 17 и 18 снабжены двумя управляющими входами. При появлении на первом управляющем входе сигнала логической единицы на выход ключевого элемента проходят положительные возбуждающие импульсы, а при появлении сигнала логической единицы на втором входе на выход ключевого элемента поступают отрицательные возбуждающие импульсы.

Соответственно на π радиан изменяется фаза колебаний электромагнитного вибровозбудителя, подключенного к выходу ключевого элемента.

Появление сигналов логической единицы на управляющих входах ключевых элементов зависит от того, на какой стадии работает смеситель-активатор - на первой, когда преимущественно осуществляется процесс перемешивания компонентов, или на второй, когда преимущественно осуществляются процессы диспергирования образующейся смеси и повышения активности составляющих ее компонентов. Поэтому дальнейшую работу смесителя-активатора целесообразно рассмотреть поэтапно.

Стадия формирования макроструктуры смеси.

На этом этапе вращаются катки, лопасти, а чаша совершает колебания в радиальном направлении. Установлено, что для уменьшения времени получения однородной массы и снижения коэффициента неоднородности смеси (за счет устранения мертвых зон и усложнения траекторий частиц компонентов смеси) целесообразно периодически изменять направление радиальной вибрации чаши 8. В смесителе-активаторе направление радиальной вибрации периодически изменяется на угол, равный π /2.

Периодическим изменением направления радиальной вибрации управляют генератор 28 переключающих импульсов, первый и второй элементы 30 и 29 запрета. Генератор 28 переключающих импульсов снабжен двумя выходами. Когда на его первом выходе появляется сигнал логической единицы, на втором выходе сигнал соответствует логическому нулю и наоборот. Поскольку на первой стадии работы смесителя-активатора сигнал на выходе порогового элемента 27 равен логическому нулю, сигналы с выхода генератора 28 переключающих импульсов без изменений поступают на выходы первого и второго 30 и 29 элементов запрета.

Если сигнал логической единицы появляется на выходе второго элемента 29 запрета, то через первый элемент ИЛИ 21 он поступает на второй управляющий вход третьего ключевого элемента 18, непосредственно - на первый управляющий вход второго ключевого элемента 17, через третий элемент ИЛИ 23 - на второй управляющий вход четвертого ключевого элемента 19, и через четвертый элемент ИЛИ 24 - на второй управляющий вход первого ключевого элемента 16.

При этом третий и второй ключевые элементы 18 и 17 пропускают к третьему и второму вибровозбудителям 12 и 11 положительные возбуждающие импульсы, а четвертый и первый ключевые элементы 19 и 16 пропускают к четвертому и первому вибровозбудителям 13 и 10 отрицательные возбуждающие импульсы, сдвинутые относительно положительных на π радиан. Если за положительное направление тяговых усилий, создаваемых электромагнитными вибровозбудителями, принять направление против часовой стрелки, то эпюры тяговых усилий в некоторый фиксированный момент времени будут иметь вид, показанный на фиг. 3б (тяговые усилия отображены стрелками, примыкающими к вибровозбудителям 10, 11, 12 и 13).

Результирующее тяговое усилие в некоторый фиксированный момент времени будет радиальным и направленным вдоль оси Y (фиг. 3б). Поскольку в электромагнитных вибровозбудителях имеются упругие элементы, а также учитывая, что чаша 8 установлена на вертикальных упругих стержнях 9 (фиг. 1), результирующее тяговое усилие периодически будет изменять знак, а колебания чаши 8 во времени будут происходить по оси Y (фиг. 3б). Если сигнал логической единицы появляется на выходе первого элемента 30 запрета, то через первый элемент ИЛИ 21 он поступает на второй управляющий вход третьего ключевого элемента 18, через второй элемент ИЛИ 22 - на второй управляющий вход второго ключевого элемента 17, через третий элемент ИЛИ 23 - на управляющий вход четвертого ключевого элемента 19 и непосредственно на первый управляющий вход первого ключевого элемента 16. При этом третий и первый ключевые элементы 18 и 16 пропускают к третьему и четвертому вибровозбудителям 12 и 10 положительные возбуждающие импульсы, а второй и четвертый ключевые элементы 17 и 19 пропускают к второму и четвертому вибровозбудителям 11 и 13 отрицательные возбуждающие импульсы, сдвинутые относительно положительных на π радиан. Эпюры тяговых усилий в некоторый фиксированный момент времени будут иметь вид, показанный на фиг. 3в.

Результирующее тяговое усилие в некоторый фиксированный момент времени будет направлено вдоль оси Х, а колебания чаши 8 во времени будут происходит по оси Х (фиг. 3в).

Длительности периодов колебаний чаши 8 по осям Y и X равны и определяются настройкой генератора 28 переключающих импульсов. Длительности периодов колебаний чаши 8 по осям Х и Y устанавливают такими, чтобы они в 6-10 раз превосходили время одного оборота траверсы и в 50-100 раз - длительность периодов возбуждающих импульсов. Частота следования возбуждающих импульсов составляет 20-30 Гц.

Элементы ИЛИ 21, 22, 23 и 24 осуществляют развязку выходов первого и второго элементов 30 и 29 запрета и порогового элемента 27.

Стадия формирования микроструктуры смеси.

На этом этапе вращаются катки, лопасти и чаша совершает крутильные колебания в горизонтальной плоскости.

Поскольку по результатам исследований переход к второму этапу целесообразен, когда макроструктура смеси в основном сформировалась, в смесителе-активаторе используется известная для смесителей зависимость мощности, потребляемой приводом 3, от времени перемешивания.

Согласно этой зависимости в конце процесса перемешивания, когда стабилизируется вязкость смеси, мощность перестает изменяться, что позволяет определить окончание процесса по нулевой скорости изменения мощности.

Для использования указанной зависимости в смесителе-активаторе установлен датчик 25 мощности привода 3, который через дифференциатор 26 управляет пороговым элементом 27. Когда мощность привода 3 перестает изменяться, сигнал на выходе дифференциатора 26 принимает значение логического нуля, а на выходе порогового элемента 27 - значение логической единицы.

Сигнал логической единицы с выхода порогового элемента 27 поступает на вторые входы первого и второго элементов 30 и 29 запрета, в результате чего сигналы на выходе этих элементов принимают значение логического нуля. Управление ключевыми элементами по сигналам генератора 28 переключающих импульсов прекращается. Одновременно сигнал логической единицы с выхода порогового элемента 27 поступает на вход элемента 31 задержки, определяющего длительность второй стадии работы смесителя-активатора, непосредственно на первый управляющий вход третьего ключевого элемента 18, через второй элемент ИЛИ 22 - на второй управляющий вход второго ключевого элемента 17, через третий элемент ИЛИ 23 - на управляющий вход третьего ключевого элемента 18 и через четвертый элемент ИЛИ 24 - на второй управляющий вход первого ключевого элемента 16.

При этом первый, второй, третий и четвертый ключевые элементы 16-19 пропускают к соответствующим вибровозбудителям 10-13 отрицательные возбуждающие импульсы с генератора 20 возбуждающих импульсов. Эпюры тяговых усилий, создаваемых вибровозбудителями, в некоторый фиксированный момент времени будут иметь вид, показанный на фиг. 3а. К чаше 8 прикладывается две пары противоположно направленных сил, под действием которых она во времени будет совершать крутильные колебания в горизонтальной плоскости.

Смесь, находящаяся между вращающимися катками 6 (фиг. 1) и совершающий крутильные колебания чашей 8, интенсивно перетирается, что способствует формированию микроструктуры смеси. Поскольку вращающиеся лопасти 7 систематически подают смесь под катки 6, диспергированию подвергается весь объем смеси.

После срабатывания элемента 31 задержки, настройка которого определяет длительность второй стадии работы смесителя-активатора, на его выходе появляется сигнал логической единицы, который отключает контактор 32. Смеситель-активатор отключается от источников питания и его работа прекращается.

Настройка элемента 31 задержки определяется гранулометрическим составом исходных компонентов, конструктивными параметрами катка и другими факторами. Длительность второй стадии работы смесителя-активатора определяется в каждом конкретном случае экспериментальным путем.

Готовая смесь удаляется через откидной затвор 15.

Конструктивные и схемные особенности смесителя-активатора выгодно отличают его от известных устройств. Благодаря горизонтальной установке вибровозбудителей и особенностям системы управления обеспечивается эффективное диспергирование компонентов смеси. Подвеска чаши на вертикальных стержнях обеспечивает постоянство зазора между катком и днищем чаши, что стабилизирует процесс диспергирования компонентов смеси и дополнительно его интенсифицирует.

Получение смеси с повышенной активностью ее компонентов происходит без увеличения конечного значения коэффициента неоднородности смеси.

Использование: промышленность строительных материалов, резинотехническая промышленность и др. отрасли техники. Сущность: смеситель-активатор содержит корпус, на котором смонтирован привод, связанный с катками и лопастями. Катки и лопасти контактируют с чашей, установленной на вертикальных упругих стержнях. По периметру чаши горизонтально, в тангенциальном направлении, на равном расстоянии друг от друга установлены четыре электромагнитных вибровозбудителя. Смеситель-активатор снабжен системой управления, обеспечивающей двухстадийный процесс его работы. На первом этапе преимущественно происходит образование однородной смеси за счет вращения и перемещения катков и лопастей и колебаний чаши в радиальном направлении. На втором этапе преимущественно осуществляется активация компонентов за счет вращения и перемещения катков и лопастей и крутильных колебаний чаши. Активация компонентов на втором этапе осуществляется путем перетирания смеси катками и вибрирующей чашей. 3 ил.

СМЕСИТЕЛЬ-АКТИВАТОР, содержащий корпус, чашу, электропривод, связанный через ведущий вал, редуктор и траверсу с катками и лопастями, четыре электромагнитных вибровозбудителя, установленных по периметру чаши, и систему управления вибровозбудителями, включающую ключевые элементы, соединенные выходами с вибровозбудителями, отличающийся тем, что он снабжен закрепленными на корпусе и соединенными с чашей упругими элементами, выполненными в виде равноудаленных друг от друга вертикальных стержней, электромагнитные вибровозбудители установлены горизонтально в тангенциальном направлении и смещены относительно друг друга на угол π / 2 , в систему управления введены датчик потребляемой электроприводом мощности, генераторы возбуждающих и переключающих импульсов, четыре элемента ИЛИ, два элемента запрета, дифференциатор, пороговый элемент, элемент задержки, контактор с пусковым элементом включения электропривода, причем выход генератора возбуждающих импульсов подключен к сигнальному входу каждого из ключевых элементов, первый выход генератора переключающих импульсов подключен к первому входу первого элемента запрета, выход которого подключен к первым входам первого, второго и третьего элементов ИЛИ и первого ключевого элемента, второй выход генератора переключающих импульсов подключен к первому входу второго элемента запрета, выход которого подключен к вторым входам первого и третьего элементов ИЛИ и к первым входам четвертого элемента ИЛИ и второго ключевого элемента, датчик мощности подключен через последовательно соединенные дифференциатор и пороговый элемент к входу элемента задержки, вторым входом второго и четвертого элементов ИЛИ, первого и второго элементов запрета, первому входу третьего ключевого элемента и к третьему входу третьего элемента ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу третьего ключевого элемента, к второму входу второго ключевого элемента подключен выход второго элемента ИЛИ, выход третьего элемента ИЛИ - к входу четвертого ключевого элемента, второй вход первого ключевого элемента - к выходу четвертого элемента ИЛИ, выход элемента задержки - к входу контактора.