БАРАБАННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
DRUM MIXER

Изобретение относится к области машиностроительной, медицинской (фармацевтической), сельскохозяйственной, строительной (деревообрабатывающей) и других отраслей промышленности, в частности для перемешивания сухих и жидких компонентов смеси.
Известен смеситель (авторское свидетельство СССР №762949, МПК B01F 9/02, 1980), содержащий барабан с приводом, выполненным в виде пространственного шарнирно-рычажного механизма, который снабжен балансиром, выполненным в виде качающейся рамы, при этом барабан установлен на раме.
Основным недостатком этого смесителя является ограниченность траекторий движения смешиваемых частиц в барабане только вращением барабана вокруг его горизонтальной оси и качанием в вертикальной плоскости.
Известен также смеситель (Решетов Л.Н. Конструирование рациональных механизмов. - М.: Машиностроение, 1972, с.142-147), использующий шестизвенный механизм с двойным пространственным шарниром, в котором функцию промежуточного вала выполняет барабан, укрепленный в вилках шарнира на диаметрально взаимно-перпендикулярных геометрических осях. При этом расстояние между диаметрально взаимно-перпендикулярными осями барабана равно расстоянию между осями каждой из вилок шарнира, а валы в станине укреплены параллельно друг другу на расстоянии a=l√3, где l - расстояние между осями каждой из вилок или барабана.
Недостатками данного смесителя являются малые амплитуды колебаний барабана при вращении его из одного крайнего положения в другое, а также само наличие крайних положений с точки зрения динамики процесса (отсутствие уравновешенности).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому барабанному смесителю и взятому в качестве прототипа является смеситель (патент RU №2077941 C1), содержащий ведущий и ведомый валы, укрепленные в одной плоскости на станине и связанные с двойным посредственным шарниром, в котором функцию промежуточного вала выполняет барабан. Барабан укреплен в вилках шарнира на диаметрально-перпендикулярных геометрических осях.
Недостатками данного смесителя являются:
1. Конструктивная сложность данного смесителя, связанная с большим количеством звеньев базового механизма устройства, из которых 2 звена выполнены в виде вилок, охватывающих барабан, в результате чего геометрические размеры барабана и амплитуда перемещения рабочего органа ограничены, что ведет к снижению эффективности.
2. Анализ макета данного устройства а также анимации на программах барабанного смесителя 3D моделирования показывают, что из-за того, что вилки имеют углы скрещивания осей шарниров, равные 90 градусам, это приводит к резким изменениям линейных и угловых ускорений барабана. Это, в свою очередь, вызывает резкое возрастание вредных сил инерции. Из-за этого шарнирные узлы быстро изнашиваются, нарушаются согласованные расчетные размеры звеньев и механизм заклинивает, что в свою очередь делает базовый механизм смесителя неработоспособным. Также конструкция данного смесителя из-за наличия двух вилок со скрещивающимися под углом 90 градусов осями резко ограничивает размеры и особенно пространственную сложную форму траекторий движения точек барабана, что снижает качество перемешивания.
Решаемой технической задачей изобретения является повышение эффективности путем упрощения конструкции с одновременным повышением качества перемешивания и увеличения амплитуд перемещения рабочего органа.
Технический результат достигается тем, что в барабанном смесителе, содержащем мотор-редуктор, ведущий кривошип, ведущий шатун, барабан, стойку, шарнирно связанные между собой, введен пространственный мотыль, пространственный пруток, последовательно шарнирно соединенные между кривошипом и шатуном, связанные каждый своим мотор-редуктором, на осях шарниров установлены барабаны, причем оси отверстий кривошипа и прутка выполнены скрещивающимися в пространстве под одинаковыми углами и с одинаковыми кратчайшими расстояниями между этими осями, а оси отверстий мотыля и ведущего шатуна выполнены скрещивающимися под одинаковыми прямыми углами и с одинаковыми кратчайшими расстояниями между осями, при этом вал кривошипа соединен напрямую со своим мотор-редуктором, а полый вал шатуна связан со своим мотор-редуктором через пару зубчатых колес, причем вал ведущего кривошипа установлен на полый вал ведущего шатуна с возможностью вращения, который в свою очередь установлен на стойке, с возможностью вращения один относительно другого, сообщая сложные планетарно-пространственные движения с переменными скоростями и ускорениями барабанам, установленных на осях шарниров.
Новизна
1
3
1
3
2
4
2
4
1
2
3
4
Сущность изобретения: барабанный смеситель для сыпучих и жидких веществ содержит пространственный кривошип и пространственный пруток, оси отверстий которых скрещиваются в пространстве под углом α=α и с кратчайшим расстоянием между этими осями l=l, пространственный мотыль и ведущий пространственный шатун с двумя отверстиями, оси которых скрещиваются под прямым углом α=α=90° и с кратчайшим расстоянием между этими осями l=l, концы этих отрезков l-l-l-l совпадают и установлены на вал любого из соединений (см. на фиг.1 - звенья установлены на соединение А). На валы соединений B, C, D жестко установлены барабаны для размещения перемешиваемых компонентов.
Для пояснения технической сущности предлагаемого барабанного смесителя представлен чертеж.
На фиг.1 изображена структурная схема барабанного смесителя с двумя приводами, где:
1
3
1
3
2
4
2
4
1
2
3
4
1 - пространственный кривошип; 2 - пространственный мотыль; 3 - пространственный пруток; 4 - пространственный шатун; 5 - полый вал; 6 - мотор-редуктор кривошипа; 7 - вал ведущего кривошипа; 8 - стойка; 9, 10 - зубчатые колеса; 11 - вал; 12 - мотор-редуктор шатуна; 13, 14, 15 - барабаны для размещения перемешиваемых компонентов; барабанный смеситель (фиг.1) состоит из пространственного кривошипа 1 и пространственного прутка 3, оси отверстий которых скрещиваются в пространстве под одинаковыми углами α=α и с одинаковыми кратчайшими расстояниями между этими осями l=l; из пространственного мотыля 2 и ведущего пространственного шатуна 4 с двумя отверстиями, оси которых скрещиваются под одинаковыми прямыми углами α=α=90° и с одинаковыми кратчайшими расстояниями между этими осями l=l; для высокоэффективного перемешивания различных компонентов с переменными скоростями и ускорениями звеньев соединены вращательными парами по следующей последовательности: пространственный кривошип 1 - пространственный мотыль 2 - пространственный пруток 3 - ведущий пространственный шатун 4 так, что концы указанных отрезков l-l-l-l совпадают и установлены на вал любого из этих соединений A, B, C, D (на фиг.1 указанные звенья установлены на соединение A). На валы соединений B, C, D жестко установлены барабаны 13, 14, 15 для размещения перемешиваемых компонентов.
Вал пространственного кривошипа 1 установлен внутри полого вала 5 ведущего шатуна 4 и может вращаться относительно него. В свою очередь полый вал 5 ведущего шатуна 4 подвижно установлен на стойку 8 при помощи вращательной пары и, следовательно, может вращаться относительно стойки 8. Вал ведущего кривошипа соединен с первым мотор редуктором 6 напрямую, а на полый вал ведущего шатуна 4 жестко закреплено зубчатое колесо 9, которое входит в зацепление с зубчатым колесом 10, установленным подвижно на стойку 8 через вал 11, получающий вращательное движение от второго мотор редуктора 12.
1
Таким образом, ведущий кривошип и ведущий шатун получают независимые вращательные движения относительно шарнира A, сообщая сложные планетарно-пространственные движения с переменными скоростями и ускорениями барабанам 13, 14, 15, установленных на оси шарниров B, C, D через пространственный мотыль 2 и пространственный пруток 3. Предлагаемый барабанный смеситель имеет пять звеньев (m=5: пространственный кривошип 1, пространственный мотыль 2, пространственный пруток 3, пространственный шатун 4 и стойка 8) и пять вращательных кинематических пар с одной степенью подвижности каждая (p=5: одинарные вращательные пары в соединениях B, C, D и двойная вращательная пара в соединении A). Поэтому степень подвижности (W) механизма барабанного смесителя по известной формуле Малышева-Сомова с учетом числа согласованных размеров (s=3) определяется:
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mn>6</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>5</mn><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>S</mi><mo>=</mo><mn>6</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>5</mn><mo>∗</mo><mn>5</mn><mo>+</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><mn>2.</mn><mtext>   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Итак, W=2 показывает, что механизм может иметь два ведущих звена. В нашем предлагаемом барабанном смесителе - это ведущий кривошип 1 и ведущий шатун 4.
Для обеспечения многорежимности работы и предотвращения потери энергии в начале запуска барабанного смесителя, оба мотор-редуктора (6 и 12) могут быть снабжены частотными преобразователями, управляемыми через компьютер (на фиг.1 не указаны) для плавного регулирования частоты вращения валов ведущего кривошипа 1 и ведущего шатуна 4.
Барабанный смеситель (фиг.1) работает следующим образом.
Вращательное движение от мотор-редуктора 6 через вал 7 передается пространственному кривошипу 1. Пространственный кривошип 1 через вращательный шарнир B приводит в движение пространственный мотыль 2, который при помощи вращательной пары C сообщает сложное пространственное движение с переменными скоростями и ускорениями пространственному прутку 3. В свою очередь пространственный пруток 3 совершает планетарно-пространственное движение вокруг пространственного шатуна 4 через вращательный шарнир D. Пространственный шатун 4 вокруг соединения A получает вращательное движение относительно стойки 8. Через зубчатое колесо 9, которое входит в зацепление с зубчатым колесом 10. Последнее колесо получает вращательное движение от второго мотор редуктора 12.
Таким образом, барабан 14 смесителя, установленный на вал соединения C совершает наиболее сложное планетарное пространственное движение с переменными скоростями и ускорениями, а барабаны 13 и 15 совершают планетарные движения в пространстве, что и обеспечивает высокую степень эффективности и однородности перемешивания различных компонентов, из-за разных инерционных массовых параметров перемешиваемых компонентов.
По своим технико-экономическим преимуществам, по сравнению с известными аналогами, заявляемый барабанный смеситель позволяет высокоэффективно производить перемешивание сухих и жидких компонентов смеси за счет упрощения конструкции устройства с одновременным повышением качества, благодаря предложенной конструктивной особенности во-первых, из-за меньшего количества подвижных звенев барабанного смесителя и последовательного соединения их только вращательными парами, упрощается конструкция;
во-вторых, барабаны смесителя для размещения перемешиваемых компонентов смеси получают сложное пространственное движение с переменными скоростями и ускорениями, что обеспечивает высококачественное и однородное перемешивание;
в-третьих, неохваченность габаритов барабанов смесителя другими звеньями увеличивает производительность перемешивания.