Устройство для перемешивания
MIXING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к комбинированным винто-зубо-рычажным перемешивающим устройствам и может быть использовано в пищевой, медицинской, химической, строительной отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве, как устройство, необходимое для приготовления однородных сред, позволяющее интенсифицировать массо- и теплообменные процессы, выравнивать концентрацию и температуру во всем объеме перемешиваемых веществ путем увеличения поверхности контакта фаз. Кроме того, перемешивающие устройства позволяют обеспечить равномерное распределение энергии в объеме аппарата.
В сельском хозяйстве процесс перемешивания используют при приготовлении различных жидких удобрений повышающих плодородие высевных площадей, ядохимикатов используемых для протравливания семян перед посевом, при сушке зерна и других материалов; в химико-фармацевтической и медицинской промышленности - при приготовлении лекарственных веществ особая роль отводится качественному перемешиванию многокомпонентных составляющих; в пищевой промышленности, при приготовлении сырных масс (V. Guileta, N. Chusovitin. Dispositis de mélange: diplôme d`une médaille d`or. Concours Lépine le salon Europeen de l’invention de Strasbourg. - Strasbourg, 2011), в кондитерском производстве - в целях замещения монотонных ручных операций, например при уваривании конфетных масс; в машиностроении - при изготовлении шлифовальных кругов, когда смешивают алмазный порошок с вяжущим материалом или медный порошок с графитом при изготовлении угольных щёток и так далее; в строительной индустрии - при производстве тонкокерамических изделий из пластичных глин и каолинов, в частности, при создании керамической массы и глазури.
Но, несмотря на то, что большинство конструкций используемых механических перемешивающих устройств создавалось на основе практического опыта без достаточного обоснования, они являются в мировой практике доминирующим типом. Данный факт объясняется универсальностью таких аппаратов, надежностью их конструкций, высоким КПД по сравнению с перемешивающими устройствами других типов.
Известно устройство для перемешивания (патент РФ 2369430 В01F 7/16, В28С 5/16), в основу которого положены четыре двухвершинных подвижных звена, образующие пространственную стационарную кинематическую цепь.
Звенья устройства установлены в следующем порядке: стойка-кривошип-шатун-камень-кулиса-стойка и соединены кинематическими парами, из которых вращательные пары «кривошип - стойка», «кривошип - шатун» параллельны и перпендикулярны оси третьей вращательной пары «камень-шатун», которая в свою очередь перпендикулярна оси кулисы.
Ось винтовой пары «кулиса - камень» параллельна продольной оси кулисы, в верхней части которой установлена сферическая трехподвижная кинематическая пара «кулиса-стойка», смещенная в пространстве относительно пары «кривошип-стойка». В частных положениях звеньев оси вращения кулисы и шатуна могут быть перпендикулярны.
Это устройство для перемешивания работает следующим образом.
Вращение кривошипа относительно стойки инициирует переносное вращение шатуна вокруг оси кривошипа и относительное неполное (колебательное) его вращение вокруг собственной оси. Поскольку сферическая кинематическая пара смещена в пространстве относительно пары «кривошип-стойка», движение шатуна преобразуется в движение камня вдоль кулисы, вследствие чего рабочий орган, прикрепленный к нижней части кулисы, приобретает вращательные движения вокруг трех осей.
В момент смены направления движения камня вдоль кулисы угловые скорости вращения кулисы вокруг своей оси и относительно оси ОХ меняют знак, генерируется гидродинамический удар в перемешиваемых веществах, увеличивается турбулентность потоков смешиваемых веществ, что благоприятно сказывается на качестве выходного продукта.
Однако наличие в механизме сферической кинематической пары накладывает общее ограничение к точности изготовления и монтажа механизма.
Кроме того, вершина кулисы механизма, к консоли которой прикреплен рабочий орган, связана со стойкой, а значит, рабочий орган не имеет относительного движения, а только пространственные, переносные перемещения, представленные его вращением вокруг собственной оси, проходящей через сферическую пару, и вокруг других осей, проходящих через центр указанной пары. Такие кинематические возможности не позволяют найти резервы увеличения производительности и качества выходного продукта.
Также известно устройство для перемешивания (патент РФ 2067535, В28G 5/16), содержащее стойку и пять двухвершинных (простых) подвижных звеньев: кривошип, шатун, камень, кулису (далее винт) и коромысло, связанные низшими одноподвижными кинематическими парами.
К достоинствам применения низших одноподвижных пар следует отнести: легкую компенсацию их износа благодаря соответствующим регулировочным устройствам, малые затраты на производство и обслуживание таких пар, их высокий моторесурс. Пары достаточно надёжны при изменяющихся размерах звеньев: например, при просадке фундамента (стойки), температурных воздействиях; замены износившихся деталей и остаточных деформациях при авариях. Они способны воспринимать ударные нагрузки, имеют малый коэффициент трения, обладают высокой нагрузочной способностью и долговечностью. Конструкция одноподвижных пар обеспечивает достаточную площадь опорных поверхностей и отсутствие или, по крайней мере, уменьшение изгиба оси шарнира при передаче усилия.
Кроме того, использование в механизмах низших кинематических пар не требует дополнительных устройств, обеспечивающих постоянное замыкание звеньев.
Кривошип механизма приводится в движение асинхронным двигателем и образует со стойкой и шатуном вращательные кинематические пары с параллельными осями, установленные с любой пространственной ориентацией. Винт и камень образуют винтовую кинематическую пару с осью, совпадающей с осью винта.
Применение такого вида подвижного соединения звеньев в механизмах позволит получить вращательное движение с большим выигрышем в силе.
Коромысло, будучи присоединенным к верхней части винта посредством соосной ей третьей вращательной кинематической пары, образует со стойкой четвертую вращательную кинематическую пару с осью движения, параллельной осям пар шатун - кривошип - стойка.
Конструктивно в устройство для перемешивания между камнем и кривошипом введено дополнительное связующее звено - шатун, необходимое для реализации движения звеньев механизма в параллельных плоскостях, а также, для равномерного распределения усилий между заходами винта. Пятая вращательная кинематическая пара образована камнем и шатуном, ось которой перпендикулярна винту и расположена в плоскости, параллельной плоскости движения кривошипа.
Рассмотрим последовательность передачи движения между звеньями данного механизма.
Перманентное вращение ведущего звена - кривошипа через шатун передается камню, который двигаясь поступательно вдоль винта, принуждает его к вращению с переменными по знаку и направлению скоростями. Глубина погружения и углы входа винта рабочего органа, прикрепленного к свободной консоли, являются переменными величинами. Число простейших видов движений, совершаемых рабочим органом механизма, равно четырем.
В таком механизме рабочий орган, вращаясь вместе с винтом (относительное движение), перемещается по дуге постоянного радиуса (переносное движение), равного квадратному корню суммы квадратов необходимого размера кулисы, найденного из условия проворачиваемости (существования) кривошипа (правило Ф. Грасгофа) и коромысла.
Недостатком данного устройства являются низкая производительность, качество выходного продукта и продолжительность рабочего цикла, что обусловлено противоречиями между критериями эффективности движения рабочего органа в относительном и переносном движениях.
Известно устройство для перемешивания (Патент РФ 2478473 В28С 5/16), являющееся одноподвижным пространственным рычажным механизмом, состоящим из семи звеньев: кривошипа, шатуна, камня, винта, кулисы, качающегося ползуна и стойки, соединенных семью одноподвижыми и одной двухподвижной кинематическими парами.
С параллельными осями вращательные пары, образованные кривошипом с шатуном и стойкой, качающимся ползуном и стойкой, имеют оси, перпендикулярные оси винта, к нижней консоли которого присоединен рабочий орган. Шатун и камень соединены вращательной парой, ось которой перпендикулярна продольной оси вращения винта. Кулиса образует три кинематические пары: поступательную пару с качающимся ползуном, вращательную пару с винтом, соосную паре винт-камень, и двухподвижную (траекторную) пару со стойкой.
Движение кривошипа относительно стойки, обусловленное вращением вала двигателя, инициирует переносное перемещение шатуна вокруг оси кривошипа и относительное, неполное его движение (качательное) вокруг оси пары шатун-кривошип. Движения шатуна передаются камню, который движется вдоль винта, тем самым принуждает его к вращению вокруг продольной его оси и оси крепления механизма к стойке.
Рабочий орган, присоединенный к винту, имеет два вида переносных движений: первый вид, это вращение относительно пары качающийся ползун - стойка; второй - поступательное движение в плоскости, перпендикулярной оси указанной пары. Вращение винта вокруг своей продольной оси является относительным движением.
α
Изменение размера кулисы при движении кривошипа обусловлено углом  -const, образованным винтом и кулисой, при этом движение вершины кулисы ограничено геометрией траекторного паза, а также местоположением качающегося ползуна и образованных им кинематических пар.
1
В указанном устройстве рациональные условия перемешивания будут реализовываться в течение одного цикла, когда при вращении ведущего звена на угол ϕ>2π рабочий размер кулисыизменяется от расчетной максимальной до минимальной величины. Указанные изменения определяют поочередное достижение рабочим органом механизма максимальных значений критериев эффективности движения в относительном перемещении и в переносном, соответственно.
Однако, вершина винта, скользящая по траекторному пазу, не возвращается в исходное положение; переносное движение винта, к которому присоединен рабочий орган, является плоским, что в совокупности не позволяет реализовать рациональные условия перемешивания, а значит повысить качество перемешивания и производительность при сокращении времени рабочего цикла. Также отметим, что наличие поступательных пар в цепи механизма при пространственном движении винта относительно гайки приводит к заклиниванию его звеньев.
Прототипом предлагаемого изобретения является комбинированный, стационарный, винто-зубчато-рычажный механизм (Патент РФ №2548087 В01F 7/14).
В структурную схему прототипа входят: кривошип, шатун, гайка, винт, к нижней оконечности которого прикреплен рабочий орган а к верхней цилиндрической консоли жестко присоединен сателлит принадлежащий интегрированному в прототип планетарному механизму Джеймса. Опорное (корончатое) зубчатое колесо механизма Джеймса образует поступательную пару с гладким участком зубчатой рейки. На валу водилы установлена шестерня, соединенная с зубчатой рейкой, закрепленной на стойке сферической трехподвижной кинематической парой. В прототипе, при вращении кривошипа инициируется сложные пространственные перемещения винта.
Рейка является направляющей в относительном поступательном движении опорного (корончатого) колеса и при этом совершает вращательное движение в пространстве, а значит, может быть обозначена термином - кулиса, обычно используемым при обозначении звеньев рычажных механизмов. С учетом сказанного выше, шестерню установленную на водиле и образующую зубчатое зацепление с рейкой следует принимать как камень.
Звенья механизма соединены шестью одноподвижными вращательными кинематическими парами, одной поступательной и винтовой парами. Также в состав механизма входят три высшие двухподвижные (зубчатые зацепления) и одна низшая трехподвижная кинематические пары.
Вращательные пары образованы: кривошипом со стойкой и шатуном, шатуном с гайкой, водилом с солнечным колесом и с винтом (сателлитом), солнечным с корончатым колесом.
Опорное (корончатое) зубчатое колесо и гладкий участок рейки образуют поступательную пару; а гайка и винт (сателлит), соответственно, винтовую пару.
Двухподвижные кинематические пары перемешивающего устройства представлены: внутренним эвольвентным зубчатым зацеплением винта (сателлита) с опорным (корончатым) зубчатым колесом, внешними зацеплением центрального зубчатого колеса механизма Джеймса с винтом (сателлитом) и шестерня с рейкой.
Вращательные пары кривошип - стойка, кривошип - шатун имеют параллельные оси. Им перпендикулярна ось вращательной пары кривошип - гайка, которой, в свою очередь, перпендикулярна ось винтовой пары гайка - винт (сателлит). Однако это условие взаимной пространственной ориентации указанных кинематических пар не означает, что оси пар кривошип-стойка и кривошип-шатун будут перпендикулярны оси гайка - винт (сателлит).
Подвижные соединения водило-солнечное колесо-опорное (корончатое), имеющие общую ось вращения, расположены параллельно соосных вращательной и винтовой пар, соответственно, винт (сателлит) - водило, - гайка.
Установлено, что повысить качество перемешивания, производительность при сокращении времени рабочего цикла реализацией рациональных условий перемешивания обеспечивающих критериям эффективности движения рабочего органа одновременную достижимость максимальных значений не возможно ввиду значительного числа подвижных звеньев, наличию поступательной пары, при возникающей картине распределения усилий приводящей к заклиниванию звеньев механизма.
Технический результат состоит в создании устройства, конструктивные особенности которого позволят увеличить качество перемешивания, производительность при сокращении времени рабочего цикла, что реализуется сокращением числа подвижных звеньев механизма, исключением из кинематической цепи механизма поступательных пар.
Поставленная задача достигается тем, что замкнутую пространственную стационарную (с двумя присоединениями к стойке) винто-зубчато-рычажную кинематическую цепь звеньев, установленных последовательно: стойка, кривошип, шатун, гайка, винт-сателлит, водило, центральное зубчатое колесо и вращательных кинематических пар с параллельными осями: кривошип-стойка, кривошип-шатун и при этом, перпендикулярными оси вращательной пары гайка-шатун, которая в свою очередь перпендикулярна осям винтовой пары гайка-винт, вращательным парам винт-водило, водило- центральное зубчатое колесо, двухподвижной пары зубчатого зацепления: сателлит - центральное зубчатое колесо, при этом в него введена двухподвижная сферическая кинематическая пара с пальцем образованная центральным зубчатым колесом и стойкой, геометрия траекторного паза которой исключает относительное вращение центрального зубчатого колеса вокруг своей оси симметрии, которая параллельна оси винта, и допускает вращения вокруг осей перпендикулярных оси пары винт-гайка.
На чертеже представлен внешний вид устройства для перемешивания. Устройство содержит замкнутую пространственную кинематическую цепь состоящую из звеньев, установленных в следующем порядке стойка 1, кривошип 2, шатун 3, гайка 4, винт 5 к верхней части которого плотно присоединен сателлит 6, центральное зубчатое колесо 7, водило 8, рабочий орган 9, пяти пространственно расположенных вращательных кинематических пар, а именно: с параллельными осями: кривошип-стойка 10, кривошип-шатун 11; с ортогональной им осью вращательная пара шатун-гайка 12, с перпендикулярными ей осями винтовая и вращательные пары: гайка-винт 13, винт-водило 14, водило-солнечное колесо 15, соответственно, и высшей двухподвижной пары 16 (зубчатое зацепление сателлита 6 и центрального зубчатого колеса 7), введена двухподвижная низшая сферическая кинематическая пара 17 с пальцем устанавливаемая в качестве второй опоры устройства и необходимая для примыкания колеса 7 к стойке.
Геометрия траекторного паза 17 такова, что вращение звена 7, возможно исключительно вокруг осей перпендикулярных продольной оси 7 и эти движения являются рефлекторными к изменению положения звена 6.
Отметим, что в частных положениях звеньев оси вращения винта 5 и шатуна 3 могут быть не перпендикулярны, аналогично тому, как выполнено взаимное положение соответствующих звеньев в патенте РФ №2359430.
Винт 5 и присоединенный к нему рабочий орган 9 совершает пространственные переносные движения, представленные совокупностью вращений вокруг осей Y, X и Z с переменными угловыми и линейными скоростями.
Винт 5 перемещается одновременно: вокруг своей продольной оси, т.е. совершает относительное движение и вокруг центральной оси (переносное движение), встроенного в устройство планетарного механизма с ведущим сателлитом 6, то есть он перемещается в пространстве имея переменный тангаж и рысканье тем самым изменяется глубина его погружения в перемешиваемую среду рабочего органа, в следствии чего обоснованно увеличивает качество перемешивания и производительность, сокращает время технологического процесса.
Устройство для перемешивания работает следующим образом: перманентное вращение кривошипа 2 в вертикальной плоскости YOX передается через шатун 3 гайке 4, которая совершает поступательное относительное движение вдоль винта 5, непрерывность движения, которых обусловлена вращательными 10, 11, 12 и винтовой 13 парами.
К верхней части винта 5 плотно присоединен сателлит 6, который образует, например, внешнее зубчатое зацепление 16 с зубчатым колесом 7, при этом, как указывалось выше, оси вращения звеньев 6 и 7 параллельны оси винта 5.
Условие существования пары 16 обусловлено наличием звена 8 (водило) удерживающим звено 6 на фиксированном расстоянии равном сумме делительных радиусов колес 6 и 7.
Водило 8, образует вращательные пары 14, 15 с гладким участком винта 5 и с колесом 7, соответственно.
К кинематическим особенностям механизма следует отнести то, что вращение винта 5 вокруг своей продольной оси, обусловлено относительным поступательным перемещением вдоль него гайки 4 и наличием винтовой пары 13 между ней и винтом. Вращение винта передается сателлиту 6, который приходит во вращение вокруг центральной оси 15 зубчатого механизма. При бесспорном чередования направления движения гайки 4 по винту 5, с опускания на подъем, и наоборот, на винте-сателлите возникают реверсы.
Пространственное перемещение рабочего органа 9 механизма обеспечено сферической кинематической пары 17 с пальцем, образованной колесом 7 и опорой 1. При вращении сателлита 6 планетарного механизма вокруг продольной оси 4, он приобретает вращательное переносное движение вокруг оси колеса 7 и оси вращения водила 15.
Таким образом, при вращении ведущего звена - кривошипа 2, рабочий орган 9 механизма, присоединенный к консоли винта 5, совершает сложное пространственное перемещение с переменными угловыми и линейными скоростями вокруг и вдоль трех координатных осей. Непрерывно меняются глубины погружения в среду и углы наклона рабочих поверхностей 9.
У звеньев механизма 5,6-7-8 существует местная подвижность относительно сферической пары с пальцем 17 и вращательными парами 11 и 12.
1
В устройстве рациональные условия перемешивания выполняются при вращении кривошипа на угол ϕ>2π, в пределах которого принужденное циклическое изменение рабочего размера кулисы, обусловленное конструкцией устройства, инициирует поочередное достижение критериями эффективности движения рабочего органа максимальных величин в относительном и в переносном перемещениях, что в совокупности позволит повысить производительность и качество перемешивания.
Поскольку в положениях смены направления движения гайки 4 угловые скорости вращения винта вокруг своей оси симметрии (ось Y) и вокруг колеса 7 (вращение относительно оси Х и Z) меняют знак, создаются гидродинамические удары в перемешиваемых веществах и, следовательно, увеличивается турбулентность их потоков, что повысит качество готового продукта.
Кроме того, функция угловой скорости вращения винта вокруг своей оси (относительное движение) достигает экстремумов в положениях, когда кривошип 2 перпендикулярен винту 5. Тем самым, создаются интенсивные потоки перемешиваемых веществ, направленные в отдаленные, угловые, периферийные области реактора (емкости для перемешивания).
В положениях звеньев механизма, определяемых крайними верхнем и нижнем положениями гайки 4, переносная скорость винта максимальна, что оказывает размывающее действие на осадок тяжелых фракций смешиваемых веществ, скапливающихся вследствие действия гравитационных сил, у дна реактора, и значит, увеличивается производительность устройства для перемешивания.
При выборе длин звеньев устройства для перемешивания учтено дополнительное параметрическое условие, регламентирующее размер стойки: он (размер стойки) должен быть больше проекции кривошипа на неё. В таком случае переносное движение винта ограничено до необходимого качательного движения.
В предлагаемом устройстве для перемешивания движения звеньев механизма совмещаются в пространственное перемещение рабочего органа со скоростью, переменной по величине и направлению как вокруг, так и вдоль трех координатных осей.
Выполнение перечисленных выше рациональных условий перемешивания в механизме предлагаемой конструкции обуславливает создание неравномерных пространственных сдвиговых деформаций обрабатываемого материала. Это свидетельствует о реализации условий перемешивания, при которых обеспечиваются критерии эффективности движения рабочего органа, а также, придание винту пространственных переносного и относительного движений, что улучшит качество перемешивания и производительность, сокращает время рабочего цикла.
Кроме того, рабочий орган, присоединенный к свободной нижней консоли винта, имеет максимально возможное число реверсов, равное двенадцати (по числу видов движений: по шесть вращательных и шесть поступательных движений вокруг и вдоль, соответственно, трех осей). А значит, скорости вращения рабочего органа, его ориентация в перемешиваемой среде и глубина погружения - переменны. В связи с чем сокращаются застойные зоны, исключаются такие негативные факты при перемешивании как воронкообразование и разбрызгивание. Следует отметить, что уменьшение числа подвижных звеньев (подвижных масс) по сравнению с прототипом снижает величину затрачиваемой работы непосредственно на функционирование устройства, что благоприятно сказывается на величине КПД.
Переменная глубина погружения и расположение (ориентация) рабочего органа 9 в смешиваемых веществах исключает радиально-осевое перемешивание (насосное действие мешалки), которое обуславливает образование воронки вследствие действия гравитационных сил. Известно, что образующаяся воронка вызывает падение мощности перемешивания, возникновение дополнительных динамических нагрузок ввиду нарушения сплошности среды, вызванной подсосом воздуха через поверхность центральной воронки. В случае достижении глубины воронки рабочего органа, он будет испытывать удары о жидкость, что отрицательно отразится на продолжительности, как технологического цикла перемешивания, так и на рабочем ресурсе всего механизма.
r
r
r
6
7
Относительные положения винта 5 можно представить как образующие конусов переменной высоты, так как расстояние между 13 и 14 изменяется при движении 4 вдоль 5, а направляющая конусов - окружность радиусом =+,являющаяся траекторией движения центра сателлита 5. Вершиной конуса является подвижный центр гайки 4
Корме того при использовании предлагаемого изобретения, заключается в упрощении кинематической схемы механизма путем сокращения числа подвижных звеньев (перемещающихся масс) и исключении поступательных пар, что позволит повысить его надежность.