СПОСОБ ВИБРОВОЗБУЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК B06B1/16 E02D7/18 

Предлагаемое изобретение относится к вибрационной технике интенсификации технологических процессов направленным инерционным вибровоздействием.

При вибровозбуждении происходит интенсивный тепломассоэнергообмен, который определяет следующие показатели технологического процесса:

- время протекания процесса (реакции), то есть длительность;

- коэффициент конверсии (превращения) процесса (реакции);

- однородность и дисперсность выходного продукта;

- показатели качества выходного продукта;

- устойчивость протекания процесса и воспроизводимость его энергодинамических параметров во всем объеме аппарата.

Известен способ гирационного вибровозбуждения, при котором колебания от вращения инерционных масс совмещены с круговыми колебаниями, создаваемыми с помощью эксцентрика [1]. Недостатком этого способа является ограниченность вибровозбуждения обрабатываемого продукта, что снижает интенсификацию технологических процессов.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату является способ реализации центробежным вибровозбудителем асимметричного вибрационного движения колебательной механической системы [2], выбранный в качестве прототипа. Этот способ отличается от предыдущего тем, что организуют непрерывно чередующиеся между собой два режима работы колебательной системы, один из которых характеризуется изменением частоты вынуждающей силы в сторону приближения ее к резонансной частоте, причем первый режим переключают на второй, как только кинетическая энергия колебательной системы станет больше верхнего заданного значения, а второй режим переключают на первый, как только кинетическая энергия станет меньше нижнего заданного значения. Недостатком этого способа является конструктивная сложность осуществления этого способа и ограниченность его применения для различных техпроцессов.

Наиболее близким по конструктивному осуществлению предлагаемого способа является одновальный вибровозбудитель направленного действия [3], выбранный в качестве прототипа для устройства вибровозбуждения. В этом вибровозбудителе валы приводных двигателей соединены с дебалансным валом непосредственно, а дебалансы свободно и жестко посажены на валу, связаны между собой посредством жестко прикрепленных к ним конических зубчатых колес и промежуточных конических зубчатых колес, одна часть последних установлена на неподвижные оси в корпусе вибратора, а другая - на аксиально-подвижные оси, которые оснащены механизмами их поступательного перемещения. Недостатком этого устройства является отсутствие крутильно-качательных колебаний и сложность конструкции.

Одновременное генерирование крутильно-качательных и возвратно-поступательных колебаний позволяет получить колебания колебательной системы в трех измерениях. Это дает возможность построения более эффективных технологических виброорганов и значительно интенсифицировать техпроцессы. Таким образом, целью предлагаемого изобретения является создание одновременно двух видов колебаний: продольного возвратно-поступательного для образования вынуждающей направленной силы и поперечного крутильно-качательного для образования крутящего момента и согласование их максимальных и минимальных значений в фазном и противофазном режимах.

Под термином «возвратно-поступательные колебания» понимается возвратно-поступательные движения виброштока, создающие знакопеременную вынуждающую направленную силу по осевой виброштока. Под термином «крутильно-качательные колебания» понимается возвратно-вращательные движения виброштока вокруг своей оси, создающие знакопеременный крутящий момент. Под термином «колебательная система» понимается совокупность вибровозбудителя и виброштока, снабженного технологическими органами в виде диодных панелей, шнековых элементов, профильных лопастей, статических смесителей и тому подобных элементов, размещенных в продуктовом или сырьевом объеме в виде трубы, реактора и тому подобных устройств.

Технический результат, на который направлено изобретение, достигается тем, что с помощью вращающихся на радиальных осях дебалансов, расположенных по разные стороны относительно осевой виброштока, создают в непрерывно чередующейся последовательности два вида колебаний. Первый вид колебаний - возвратно-поступательный, создающий знакопеременную вынуждающую направленную силу по осевой виброштока. Второй вид колебаний - крутильно-качательный, создающий знакопеременный крутящий момент вокруг осевой виброштока. При этом осуществляют один из следующих режимов вибровозбуждения. Первый режим - устанавливают дебалансы в одинаково направленном исходном положении по циклу таким образом, чтобы при вращении дебалансов было осуществлено возникновение максимального значения вынуждающей направленной силы первого вида колебаний при нулевом значении крутящего момента второго вида колебаний с последующим при вращении циклическим изменением положения дебалансов, создающий максимальное значение крутящего момента второго вида колебаний при нулевом значении вынуждающей направленной силы первого вида колебаний. Второй режим осуществляют при четном количестве диаметрально расположенных осей, при этом все дебалансы, размещенные на нечетных диаметрально расположенных осях, устанавливают в исходном положении первого режима вибровозбуждения, а на четных диаметрально расположенных осях исходное положение дебалансов смещают на угол α=180/n, где n - число диаметральных осей, на которых расположены дебалансы, и увеличивают частоту колебаний системы в n раз. Третий режим осуществляют при любом количестве дебалансов путем смещения любого дебаланса на угол от нуля до 360°. Дополнительно всю колебательную систему вращают вокруг осевой виброштока.

Для реализации заявляемого способа предлагается устройство вибровозбуждения, содержащее виброшток, корпус с установленным на нем держателем дебалансов, размещенных на конических шестернях и кинематически связанных между собой промежуточной шестерней, при этом конические шестерни с дебалансами размещены на радиальных осях, расположены по разные стороны относительно осевой виброштока, а промежуточная шестерня кинематически связана с приводом. Держатель дебалансов связан с корпусом и дополнительно кинематически связан с приводом вращения колебательной системы.

По результатам проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации аналогичный способ и устройство для его осуществления не выявлены. Это дает основание полагать, что заявляемый способ вибровозбуждения и устройство вибровозбуждения представляют собой техническое решение, обладающее новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью.

Техническая сущность способа вибровозбуждения и конструкция поясняются чертежами, где:

- на фиг.1 условно показана вибросистема, поясняющая способ, с дебалансами в четырех положениях цикла на осях Х и Y;

- на фиг.2 условно показана вибросистема с дебалансами в четырех положениях на оси Y;

- на фиг.3 изображены эпюры значений вынуждающей силы Р и крутящего момента М радиальных колебаний вибросистемы, изображенной на фиг.2;

- на фиг.4 изображены эпюры значений вынуждающей силы Р и крутящего момента М радиальных колебаний вибросистемы, изображенной на фиг.1;

- на фиг.5 показана таблица переходных значений Р и М вибросистемы, изображенной на фиг.1 в разных положениях цикла;

- на фиг.6 условно показана конструкция вибровозбудителя;

- на фиг.7 условно показана конструкция вибровозбудителя, вид сверху.

Устройство вибровозбуждения состоит из следующих частей (фиг.6 и 7): корпус 1, на котором жестко закреплены нижнее приводное колесо 2 и крестообразный (пространственный или плоский) держатель 3 (начало системы координат X, Y, Z совпадает с центром держателя). На полуосях держателя 3 подвижно установлены конические шестерни: по оси Х - шестерни 4, по оси Y - шестерни 5, с закрепленными на них дебалансами 6, все они связаны кинематически с промежуточной шестерней 7, подвижно установленной с возможностью вращения на полуоси держателя 3 по оси Z и кинематически жестко связанной с верхним приводным колесом 8, вращающегося от верхнего привода 9. Нижнее приводное колесо 2 кинематически связано с нижнем приводом 10, что позволяет конструкции вращаться вокруг оси Z вместе с виброштоком 11. Описанная конструкция, реализованная по схеме фиг.1, может быть выполнена и по схеме фиг.2. На фиг.1 положение дебалансов показано условными знаками:

- исходное положение дебалансов при угле 0° (360°) относительно вертикали;

- положение дебалансов при угле поворота на 90° относительно вертикали;

- положение дебалансов при угле поворота на 180° относительно вертикали;

- положение дебалансов при угле поворота на 270° относительно вертикали.

При этом на фиг.4 эпюра изменения значений вынуждающей направленной силы Р обозначена сплошной линией, а крутящего момента М вокруг оси Z - пунктирной линией. На фиг.2 показан частный случай, когда на плоском крестообразном держателе 3 установлены шестерни с дебалансами на одной оси с теми же условными обозначениями положений дебалансов, на фиг.3 показаны эпюры значений Р и М.

Рассмотрим более подробно вариант, представленный на фиг.2. При вращении промежуточной шестерни 7 в исходном положении дебалансов - вынуждающие силы Р_Y действуют вниз и происходит направленный удар по оси Z через держатель 3 на виброшток 11, при этом крутящий момент отсутствует. При дальнейшем вращении промежуточной шестерни 7 дебалансы занимают положение - и возникает крутящий момент М_кр, a P_Y=0, при этом, как видно на эпюре фиг.3, максимальному значению Р_Y всегда соответствует минимальное значение М_КР и наоборот. В следующем положении дебалансов - возникает Р_Y, а М_КР=0. В положении дебалансов присутствует М_КР, а Р_Y=0. Таким образом, за один оборот дебалансов происходит два удара вынуждающей силы (+)Р и (-)Р, а между ними в чередующем порядке возникают два крутящих момента (+)М_КР, и (-)М_КР, которые передают через держатель 3 крутильно-качательные колебания. Одновременно с помощью нижнего привода 10 и нижнего приводного колеса 2 можно вращать весь вибратор вокруг оси Z.

Рассмотрим более подробно схему, представленную на фиг.1 и фиг.4. Обратим внимание, что по оси Y шестерни 5 с дебалансами установлены в том же положении - , что и на фиг.2, но кроме этого на оси Х дополнительно установлены две шестерни 4 с дебалансами, которые развернуты по циклу в разные стороны на 90° по отношению к дебалансам на оси Y и также обозначены - . На фиг.1 видно, что в исходном положении дебалансов - , действуют одновременно два фактора: по оси Y - вынуждающая сила Р, а по оси Х - крутящий момент М_КР. Дальнейшее чередование значений Р и М_КР по циклу указаны в таблице фиг.5, из которой видно, что за один оборот дебалансов возникают четыре раза Р и четыре раза М_КР, то есть происходит двойное увеличение частоты вибрации. При этом, как видно из фиг.4, происходит попарно следование Р и М_КР, попарно изменение их направления и при этом с помощью нижнего привода 10 и нижнего приводного колеса 2 можно вращать всю колебательную систему. Такое сочетание вибровозбуждающих факторов дает возможность осуществить более интенсивное воздействие на тепломассоэнергообменные процессы, разработать новые эффективные виброорганы и аппараты. Таким образом, можно реализовать два вида режима вибровозбуждения: первый режим показан на фиг.2 и фиг.3, второй режим показан на фиг.1 и фиг.4 с двойной частотой колебаний. Следует отметить, что, если в схеме на фиг.1 все дебалансы привести в однонаправленное положение, как на фиг.2, то вибровозбудитель будет работать без двойной частоты в первом режиме по схеме фиг.2, но с удвоенной вынуждающей силой Р и удвоенным моментом М_КР.

Работает предлагаемая конструкция следующим образом. При вращении верхнего приводного колеса 8 с помощью верхнего привода 9, начинает вращаться коническая промежуточная шестерня 7 вокруг оси Z, а вместе с ней шестерни 4 и 5 вокруг осей Х и Y с дебалансами 6, выставленными по схеме, представленной на фиг.1. Возникают в чередующем порядке два вида колебаний: продольные возвратно-поступательные и поперечные радиально-качательные. Вращение всей колебательной системы создается с помощью нижнего привода 10, но иногда оно возможно и без привода, за счет авторотации.

Предлагаемый способ вибровозбуждения и устройство для его осуществления могут быть использованы для интенсификации различных процессов эмульгирования, прессования, экструзии полимеров и вязко упругих дисперсных композиций, отжима масла, соков, пюре, перфорации отверстий, сушки, грохочения, а также при свайных и буровых работах.

Источники информации

1. Н.А.Буренков. Интенсификация технологических процессов в пищевой промышленности при помощи низкочастотных колебаний. Изд. «Техника», Киев, 1969, стр.44-46.

2. Патент РФ 2113919, МКИ: 6 В 06 В 1/16, опубликован БИ №18, 27.06.98.

3. Патент РФ 2008101, МКИ: 6 В 06 В 1/16, E 02 D 7/18, опубликован БИ №4, 28.02.94.

4. Варсанофьев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. М.: Химия, 1985, стр.14-21.

Изобретение относится к вибрационной технике интенсификации технологических процессов направленным инерционным вибровоздействием. Сущность: с помощью вращающихся на радиальных осях дебалансов, расположенных по разные стороны относительно осевой виброштока, создают в непрерывно чередующейся последовательности два вида колебаний. Устройство вибровозбуждения содержит виброшток с установленным на нем держателем дебалансов, размещенных на конических шестернях и кинематически связанных между собой промежуточной шестерней. При этом конические шестерни с дебалансами размещены на радиальных осях и расположены по разные стороны относительно осевой виброштока, а промежуточная шестерня кинематически связана с приводом. Технический результат: создание одновременно двух видов колебаний: продольного возвратно-поступательного для образования вынуждающей направленной силы и поперечного крутильно-качательного для образования крутящего момента и согласование их максимальных и минимальных значений в фазном и противофазном режимах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ вибровозбуждения колебательной механической системы с помощью вращающихся дебалансов, отличающийся тем, что с помощью вращающихся на радиальных осях дебалансов, расположенных по разные стороны относительно осевой виброштока, создают в непрерывно чередующейся последовательности два вида колебаний, первый вид колебаний возвратно-поступательный, создающий знакопеременную вынуждающую направленную силу по осевой виброштока, второй вид колебаний крутильно-качательный, создающий знакопеременный крутящий момент вокруг осевой виброштока, при этом осуществляют один из следующих режимов вибровозбуждения: при первом режиме устанавливают дебалансы в одинаково направленном исходном положении по циклу таким образом, чтобы при вращении дебалансов было осуществлено возникновение максимального значения вынуждающей направленной силы первого вида колебаний при нулевом значении крутящего момента второго вида колебаний с последующим при вращении циклическим изменением положения дебалансов, создающий максимальное значение крутящего момента второго вида колебаний при нулевом значении вынуждающей направленной силы первого вида колебаний, при втором режиме осуществляют при четном количестве диаметрально расположенных осей, при этом все дебалансы, размещенные на нечетных диаметрально расположенных осях, устанавливают в исходном положении первого режима возбуждения, а на четных диаметрально расположенных осях исходное положение дебалансов смещают на угол α=180/n, где n - число диаметральных осей, на которых расположены дебалансы, третий режим осуществляют при любом количестве дебалансов путем смещения любого дебаланса на угол от нуля до 360°.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что всю колебательную систему вращают вокруг осевой виброштока.3. Устройство вибровозбуждения, содержащее виброшток, корпус с установленным на нем держателем дебалансов, размещенных на конических шестернях и кинематически связанных между собой промежуточной шестерней, отличающееся тем, что конические шестерни с дебалансами размещены на радиальных осях, расположены по разные стороны относительно осевой виброштока, а промежуточная шестерня кинематически связана с приводом.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что держатель дебалансов связан с корпусом и дополнительно кинематически связан с приводом вращения колебательной системы.