ВИБРАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК B01F11/00 

Изобретение относится к устройствам для перемешивания сыпучих материалов и может быть использовано в комбикормовой, пищевой, строительной, химической и других отраслях промышленности.

Известны устройства для вибрационного перемешивания сыпучих материалов, содержащие смесительную камеру, вибровозбудитель и его привод [1] и [2]. Вибровозбудитель сообщает колебательное движение камере, которая непрерывно загружается сыпучими материалами, подлежащими перемешиванию. Стенки камеры воздействуют на смесь и приводят ее в виброкипящее состояние. В результате сыпучие материалы интенсивно перемешиваются и отводятся из камеры.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является вибрационный смеситель непрерывного действия [3]. Рабочий орган смесителя выполнен в виде цилиндрической камеры, расположенной горизонтально. Камера опирается на цилиндрические пружины, закрепленные на станине. В камере размещена труба, внутри которой установлен вибровозбудитель, представляющий собой вращающийся вал с закрепленным на нем дебалансом. Вал приводится в движение с помощью клиноременной передачи от электродвигателя, установленного на станине. Смешиваемые компоненты загружают через патрубок, закрепленный в одном конце камеры, а выгружают через патрубок, установленный в другом конце камеры. При вращении дебаланса возникает сила инерции, которая сообщает камере круговые колебания в вертикальной плоскости. Стенки камеры воздействуют на смешиваемые компоненты и приводят их в виброкипящее состояние. В результате они интенсивно перемешиваются. Кроме того смесь получает перемещение вдоль камеры вследствие разницы в высоте слоя в местах загрузки и выгрузки.

Указанный смеситель имеет ряд недостатков.

Труба, в которой размещен вибровозбудитель, находясь в камере, уменьшает ее рабочий объем и замедляет циркуляцию смеси за счет трения частиц о поверхность трубы. В результате увеличивается время перемешивания и повышается расход энергии.

Клиноременная передача ограничивает колебания вала вибровозбудителя, поэтому различные участки камеры имеют не одинаковые траектории движения. Размах колебаний камеры возрастает по мере удаления от передачи вдоль оси вала. Это приводит к неравномерному динамическому воздействию поверхности камеры на смесь по всему ее объему, что затрудняет выбор и поддержание амплитудно-частотной характеристики, оптимальной для перемешивания.

С увеличением массы смеси уменьшается амплитуда колебания камеры и вибрационное воздействие на перемешиваемые компоненты, поэтому при неравномерной загрузке камеры качество получаемой смеси резко снижается.

К недостаткам следует отнести и высокую угловую скорость вращения вала с дебалансом, которая повышает динамические нагрузки, способствующие износу подшипников вибровозбудителя.

Цель изобретения - повышение эффективности перемешивания сыпучих материалов путем передачи смесительной камере поступательных колебаний с регулируемой амплитудой.

Указанная цель достигается тем, что в известном вибрационном смесителе, содержащем смесительную камеру, выполненную цилиндрической, вибровозбудитель камеры и приводной редуктор, вибровозбудитель имеет жестко связанный с камерой корпус, в котором установлены две цилиндрические втулки, расположенные горизонтально и параллельно друг другу с возможностью вращения относительно корпуса. Втулки снабжены диаметрально противоположными стойками, соединенными посредством шарнирных тяг с крестовинами, жестко закрепленными на параллельных валах, проходящих внутри втулок. Валы связаны с зубчатым редуктором, который обеспечивает их вращение с поворотом крестовин параллельно друг другу. Между валами и втулками в направлении смещения последних установлены пружины, снабженные устройством регулирования своего положения относительно втулок.

Колебания камеры с сыпучими материалами возникают следующим образом.

Корпус вибровозбудителя постоянно производит давление на цилиндрические втулки от действия силы тяжести камеры с сыпучими материалами. При вращении валов посредством редуктора составляющие сил давления, направленные вдоль пружин, периодически меняются по величине. Шарнирные тяги позволяют цилиндрическим втулкам одновременно смещаться относительно валов в направлении пружин, поэтому под действием составляющих сил давления корпус вибровозбудителя вместе с камерой также периодически движется вдоль пружин, оставаясь параллельным самому себе. Изменение эксцентриситета втулок относительно валов происходит по гармоническому закону с частотой, равной угловой скорости вращения валов. Амплитуда колебания эксцентриситета зависит от суммарной массы камеры с сыпучими материалами и вибровозбудителя, а также жесткости пружин и их демпфирующих свойств. При увеличении массы путем загрузки камеры или навешиванием на нее дополнительных грузов возрастает амплитуда колебания камеры. Втулки вращаются с той же угловой скоростью, что и валы, поэтому направление колебания камеры с корпусом относительно валов периодически меняется. В результате камера получает движение в вертикальной плоскости по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Все точки камеры имеют одинаковые траектории. Если положения пружин относительно втулок отрегулированы так, что статический эксцентриситет втулок относительно валов равен нулю, то после запуска вибровозбудителя все точки камеры будут двигаться равномерно по окружности. Частота обращения камеры по окружности в два раза больше угловой скорости вращения валов. Следовательно, в этом случае загруженная камера совершает круговые колебания в вертикальной плоскости. Если втулкам относительно валов задан статический эксцентриситет, то после запуска вибровозбудителя камера движется по более сложным траекториям, чем окружность.

С увеличением массы сыпучих материалов, находящихся в камере и подлежащих перемешиванию, возрастает составляющая сила давления, направленная вдоль пружин. Она приводит к росту амплитуды изменения эксцентриситета цилиндрических втулок и увеличению траектории, по которой движется камера. Одновременно возрастают силы инерции, действующие на частицы смеси, что позволяет поддерживать виброкипение сыпучих материалов для перемешивания на оптимальном уровне. К тому же, как показано с целью интенсификации перемешивания с учетом физико-механических свойств сыпучих материалов возможно изменение вида траектории движения камеры регулированием положения пружин относительно втулок.

Независимо от массы смеси, частоты и траектории камеры вибровозбудитель позволяет изменять размеры траектории и подбирать ее оптимальной для эффективного перемешивания. Достигается это путем навешивания на смесительную камеру или съема с нее дополнительных грузов.

В результате поиска по источникам технической и патентной литературы не обнаружено технических решений с признаками, сходными с признаками заявляемого технического решения, поэтому считаем, что изобретение отвечает критерию "существенность отличий".

На фиг. 1 изображен вибрационный смеситель, общий вид; на фиг.2 - вибровозбудитель со смесительной камерой в одном из рабочих положений, общий вид; на фиг.3, 4, 5 - различные траектории движения смесительной камеры.

Вибрационный смеситель содержит смесительную камеру 1 цилиндрической формы с загрузочным 2 и выгрузным 3 патрубками и вибровозбудитель, корпус 4 которого выполнен с возможностью жесткого крепления на нем камеры 1 в горизонтальном положении. В корпусе 4 параллельно камере 1 размещены цилиндрические втулки 5, 6 с возможностью вращения относительно корпуса. Внутри втулок 5, 6 расположены параллельно валы 7, 8, связанные с зубчатым редуктором и установленные вместе с ним на раме 9, жестко закрепленной на станине 10. Цилиндрическая втулка 5 выполнена с внутренним отверстием, большим, чем диаметр вала 7, и снабжена внутри диаметрально противоположными стойками 11, 12. На валу 7 перпендикулярно его оси вращения жестко закреплена крестовина 13, концы которой соединены со стойками 11, 12 шарнирными тягами 14, 15, позволяющими эксцентрично смещаться втулке 5 относительно вала 7. Между втулкой 5 и валом 7 в направлении смещения установлены пружины 16, 17, положение которых относительно втулки 5 регулируется винтовыми пробками 18, 19. Цилиндрическая втулка 6 выполнена с внутренним отверстием, большим, чем диаметр вала 8, и снабжена внутри диаметрально противоположными стойками 20, 21. На валу 8 перпендикулярно его оси вращения жестко закреплена крестовина 22, концы которой соединены со стойками 20, 21 шарнирными тягами 23, 24, позволяющими эксцентрично смещаться втулке 6 относительно вала 8. Между втулкой 6 и валом 8 в направлении смещения установлены пружины 25, 26, положение которых относительно втулки 6 регулируется винтовыми пробками 27, 28. Втулки 5 и 6, стойки 11, 12 и 20, 21, шарнирные тяги 14, 15 и 23, 24, крестовины 13 и 22 соответственно имеют одинаковые размеры. Последние установлены параллельно друг другу. На валах 7, 8 жестко закреплены ведомые зубчатые колеса 29, 30 редуктора, выполненные одинакового размера и находящиеся в зацеплении с ведущим колесом 31. Привод колеса 31 осуществляется электромотором 32. Для регулирования массы подвижной части вибровозбудителя имеются съемные грузы 33, жестко устанавливаемые на торцевых частях смесительной камеры 1.

Вибрационный смеситель работает следующим образом.

Включается электромотор 32 и смесь сыпучих материалов, подлежащих перемешиванию, начинает поступать через загрузочный патрубок 2 в смесительную камеру 1. Корпус вибровозбудителя вместе с загруженной камерой 1, находясь под действием сил тяжести, давит на цилиндрические втулки 5, 6. Составляющие сил давления, направленные вдоль пружин 16, 17, 25, 26, меняются по гармоническому закону в зависимости от угла поворота валов 7, 8. Они достигают максимального значения два раза за один оборот валов, когда направления смещения втулок 5, 6 вдоль пружин совпадают с вертикалью. Зубчатое колесо 31, ось которого связана через муфту с валом электромотора 32, вращает колеса 29, 30 в одном направлении, поэтому при любом угле поворота валов 7, 8 крестовины 13, 22 устанавливаются параллельно друг другу и под действием составляющих сил давления шарнирные тяги 14, 15 и 23, 24 обеспечивают одинаковое радиальное смещение втулок 5, 6 в направлении валов 7, 8. Втулки 5, 6, преодолевая упругость пружин 16, 17, 25, 26, также периодически меняют эксцентриситет по гармоническому закону в зависимости от угла поворота валов 7, 8. В установившемся движении смесителя максимальная величина эксцентриситета зависит от суммарной массы колеблющихся частей смесителя, жесткости пружин и их демпфирующих свойств. При этом циклическая частота изменения эксцентриситета равна угловой скорости вращения валов 7, 8. Таким образом, при установившейся работе смесителя втулки 5, 6 совершают сложное движение: вращаются вместе с валами 7, 8 и смещаются радиально относительно их осей по гармоническому закону. Корпус 4 вибровозбудителя, шарнирно охватывающий втулки 5, 6, движется поступательно в вертикальной плоскости так, как центры втулок 5, 6. Смесительная камера 1, жестко связанная с корпусом 4, оставаясь параллельной самой себе, перемещается по тому же закону. Такое движение камеры 1 можно представить как колебательное по двум взаимно перпендикулярным направлениям в вертикальной плоскости.

Если до запуска смесителя положения пружин 16, 17, 25, 26 относительно втулок 5, 6 были отрегулированы перемещением винтовых пробок 18, 19, 27, 28 так, что статический эксцентриситет втулок относительно валов 7, 8 равнялся нулю, то после его запуска траектория движения камеры 1 есть окружность 34 (фиг.2) радиуса
R = , где М - суммарная масса корпуса 4, втулок 5, 6 и камеры 1 с технологической нагрузкой, кг;
g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;
с - коэффициент жесткости пружин, H/м;
ω - угловая скорость вращения валов, с^-1;
μ - коэффициент внутреннего сопротивления пружин, с.

Период движения камеры 1 по этой окружности (фиг.3) в два раза меньше, чем время одного оборота валов 7, 8. Направление движения камеры по траектории происходит в направлении вращения валов. Смеситель работает в режиме перемешивания, если
ω<2 ,, ω² R > g.

В случае, когда до запуска смесителя положения пружин 16, 17, 25, 26 относительно втулок 5, 6 были отрегулированы перемещением винтовых пробок 18, 19, 27, 28 так, что статический эксцентриситет втулок 5, 6 относительно валов 7, 8 не равнялся нулю, то после его запуска траектория движения камеры 1 есть кривая более высокого порядка, чем окружность (фиг.4). Ее форма меняется в зависимости от значения выставленного статического эксцентриситета (фиг.5).

На фиг.3, 4, 5 ось y направлена вертикально вниз, а начало координат x, y совпадает со статическим положением камеры 1.

Перемешивание смеси в камере обусловлено циркуляционными и диффузионными процессами. Первые возникают вследствие вибрационного воздействия на смесь стенок камеры и перемещения смеси вдоль камеры к месту выгрузки. Вторые происходят в результате относительного движения частиц перемешиваемых компонентов из-за неравномерности действия на них сил инерции, а также уменьшения сил трения и сцепления по всему объему смеси. Действительно, в процессе движения смесительной камеры частицы сыпучих материалов приобретают переносное ускорение, поэтому на них кроме гравитационных сил действуют и силы инерции. Последние периодически меняются по направлению в вертикальной плоскости. Это создает условие для нарушения связей между частицами смеси и приводит их в неустойчивое состояние относительно друг друга, что является необходимым условиeм для перемешивания.

Циркуляционные и диффузионные процессы перемешивания протекают удовлетворительно, если с увеличением массы перемешиваемых компонентов, поступивших в камеру, возрастает ее траектория движения. Вибрационный смеситель в отличие от прототипа автоматически поддерживает необходимую величину траектории движения камеры. Происходит это следующим образом. С увеличением массы технологической нагрузки возрастают составляющие сил давления, направленные вдоль пружин. Это приводит к увеличению амплитуды колебания эксцентриситета цилиндрических втулок и, следовательно, траектории, по которой движется камера. Пропорционально возрастают силы инерции, действующие на частицы смеси, что приводит вибрационное воздействие к необходимому уровню. Кроме этого, при постоянных массе смеси и частоте колебаний вибрационный смеситель позволяет увеличивать или уменьшать траекторию движения камеры и подбирать ее оптимальной для перемешивания путем навешивания или съема с нее дополнительных грузов 33. Отмеченные условия регулирования движения смесительной камеры полностью сохраняются при изменении ее траектории путем перемещения винтовых пробок относительно цилиндрических втулок. Поэтому технологические возможности предложенного вибрационного смесителя по перемешиванию различных сыпучих материалов значительно выше, чем у прототипа.

Вынос вибровозбудителя за пределы смесительной камеры увеличивает ее рабочий объем и улучшает протекающие в ней циркуляционные и диффузионные процессы. В результате уменьшается время перемешивания, возрастает производительность и снижается расход энергии.

Независимо от положения вибровозбудителя относительно камеры ее участки имеют одинаковые траектории движения. Это приводит к равномерному динамическому воздействию поверхности камеры на смесь, что позволяет подбирать оптимальную траекторию движения для интенсивного перемешивания и получения однородной смеси.

Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы с регулируемой траекторией увеличивает производительность процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси.

Сущность изобретения: устройство содержит приводной редуктор, смесительную камеру и вибровозбудитель. Последний состоит из корпуса, в котором шарнирно установлены цилиндрические втулки, расположенные параллельно и снабженные диаметрально противоположными стойками, связанными посредством шарнирных тяг с крестовинами, жестко закрепленными на горизонтальных валах, проходящих внутри втулок. Привод валов осуществляется редуктором, установленным на раме и обеспечивающим вращение валов с установкой крестовин параллельно друг к другу. Между цилиндрическими втулками и валами закреплены пружины, которые снабжены средством регулирования своего положения относительно втулок. 5 ил.

ВИБРАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, содержащий смесительную цилиндрическую камеру, вибровозбудитель и приводной редуктор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности перемешивания сыпучих материалов путем передачи камере поступательных колебаний с регулируемой амплитудой, он снабжен жестко связанным с камерой корпусом вибровозбудителя с установленными с возможностью вращения внутри него двумя цилиндрическими втулками, расположенными горизонтально и параллельно друг другу, при этом втулки снабжены диаметрально противоположными стойками и крестовинами, соединенными между собой посредством шарнирных тяг, причем крестовины жестко закреплены на параллельных валах, проходящих внутри втулок и связанных с ними пружинами, которые снабжены средством регулирования своего положения относительно втулок.