Трехкоординатное винтовое перемешивающее устройство
THREE-COORDINATE SCREW MIXING DEVICE

Область техники, к которой относится устройство.
Данное устройство относится к кормопроизводству и обеспечивает повышение полноты используемости растительного масла в комбикормовом производстве.
Уровень техники для обоснования целесообразности внедрения:
При производстве комбикормов и  при приготовлении кормов для сельскохозяйственных животных и птиц массово используется подсолнечное масло, и по ряду причин, немалое количество масла хранится в складах растительного масла комбикормовых заводов. Так уж сложилось, что для добавления в комбикорма целесообразно использовать не самые высокие сорта подсолнечного масла и по причине присутствия в кормовом масле нежировых и жировых примесей масло содержащееся в емкостях необходимо перемешивать с целью недопущения осаждения примесей и образования густых накоплений на дне емкостей; в противном случае слежавшийся на дне емкостей вязкие накопления из-за процессов автоокисления начинают портиться и возникает необходимость часто их чистить от осадков и утилизировать эти осадки по различным направлениям; получается, для обеспечения полноты использования подсолнечного масла требуется присутствие в емкостях перемешивающих устройств.
Известно множество типов перемешивающих устройств для аналогичных сред, суть решаемых задач у всех примерно одна и та же - это элементарная техническая задача - создавать потоки жидкости в направление противоположном направлению осаждения более плотных, от основной среды, частиц на дно емкости (теория этого вопроса прекрасно описано, в различного рода научных трудах, в том числе и на приведенных в библиографии к этому описанию изобретения, например: 1. - А.И. Рудаков «Механизация приготовления и раздачи кормов на малых свинофермах» Из-во Казанской сельскохозяйственной академии, 1995.; 2. - Дисс. Кандидата технических наук «Совершенствование первичной очистки прессового подсолнечного масла методом фильтрования». Бесспорными прототипами данного типа перемешивающих устройств являются винтовые смесители, ибо гребной винт это самое отработанное и эффективное рабочее колесо для создания потока жидкости в свободной среде).
Как обычно, маслосклады комбикормовых заводов оборудованы горизонтально распложенными сигарообразными емкостями для хранения подсолнечного масла, куда масло перекачивается через маслоприемные точки и по мере необходимости маслонасосами подается в оперативные емкости, расположенные непосредственно в производственных корпусах рядом с устройствами ввода масла и устройствами смешивания с основными компонентами комбикормов. Однако, так уж сложилось, что зачастую, емкости для хранения подсолнечного масла, применяемые в комбикормовом производстве, не имеют устройств для перемешивания содержимого. Когда идет речь о больших объемах, на практике оказалось, что на дне емкостей собирается подсолнечный фуз, который в свою очередь также самостоятельно может применяться как кормовая добавка для животных. Однако, считается, что процентное соотношение фузы в готовом продукте необходимо строго контролировать. Постоянное смешивание содержимого в емкости для хранения подсолнечного масла не дает оседать фузе на дно емкости, поэтому есть мнение, что емкости для хранения подсолнечного масла целесообразно оборудовать перемешивающими устройствами. На практике известно многочисленные схемы исполнения всякого рода перемешивающих устройств, на некоторых типов которых мы ниже остановимся:
1. В различных отраслях производства огромным выбором вариантов используется лопастные мешалки:
а) известно, например, смесители с горизонтальным валом, проходящий насквозь емкости, с расположенным на нем лопастями (одновальные смесители - С-2000, С-4000, КВМ-4,6 и двухвальные С-7, С-12 и другие), однако такого типа исполнения для модернизации имеющихся емкостей не приемлемо по нескольким причинам, например: (1) необходимо выполнить необходимые конструктивные изменения основных элементов емкости; (2) появляется узел требующий уплотнения, так как вал, куда прикреплены перемешивающие лопасти проходит через корпус емкости; (3) появляется узел трения, что может являться источником тепловыделения и тем самым с учетом того, что масло подсолнечное является горючим веществом потребуется предусмотреть в устройстве специальные мер по предотвращению возможного возгорания; (4) в емкостях, имеющий соотношение длины к диаметру 2 и более, использование вала с лопастями вообще нецелесообразно, в сигарообразных горизонтальных емкостях двух опорный вал  подвержен к прогибающим силам от силы тяжести самого вала и лопастей;
б) в химическом производстве широко применяется смесители с высокоскоростными вертикальными лопастными валами, однако использование вертикальных валов для горизонтальных емкостей в нашем случае не оправданы, хотя бы по тому что, в маслоскладах емкости не всегда бывают полностью заполнены и поэтому если даже удается вал и привод смонтировать на вспомогательных элементах емкости (на люках, патрубках) при значительных диаметрах цилиндрической емкости (например 2 и более метров) приходится высокосортной вал расположить на двух узлах вращения и один из них оказывается в масляной среде, и сразу появляется все проблемы, которые были отмечены в предыдущем пункте (а);
в) значительный интерес представляют устройства с горизонтально расположенной пропеллерной мешалкой, предназначенные для приготовления кормосмесей: (1) - это просто пропеллерный смеситель - смешивающий пропеллер расположен на нижней части горизонтальной емкости и при высокой частоте вращения, даже при кратковременном включении, за счет высокой турбулентности поднимает со дна весь осадок и интенсивно перемешивает с основной массой; (2) - это установка для смешивания и подачи полужидких кормов по а.с. 1428341 - здесь пропеллерный смеситель, помещенный в нижней желоб основной емкости, не только перемешивает но и работает как осевой насос для создания подпора включенному основному перекачивающему насосу; (3) - это агрегат для приготовления кормов по а.с. 1595434 - здесь пропеллерная мешалка направляет осевой поток не за счет желоба, а за счет переставляемого цилиндрического короба, который в свою очередь расположен на спица  центрального вала; (4) - это устройство для смешивания и подачи кормов по а.с. 1611324 - здесь пропеллерная мешалка направляет осевой поток за счет цилиндрического направляющего образуемого опусканием на дно двух объемных сегментов за счет заполнения пустотелых емкостей жидкости (подъем осуществляется вытеснением жидкости паром или сжатым воздухом).
2) Никакой перспектив не имеет в нашем случае смесители, работающие на принципе воздушного барботажа, так как дополнительная подача воздуха ведет к окислению продукта, разве что использовать вместо воздуха инертные газы с рециркуляцией отработавшего газа.
3) Успешно применяется на различных машинах смесители использующие кинетическую энергию потока жидкости, например:
- гидродинамические смесители (машины для внесения жидких удобрений и различных растворов - используется энергия струи этой же жидкости подаваемое насосом ближе к дну емкости для предотвращения оседания взвешенных частиц раствора); Однако, в вязкой среде энергия струи быстро теряется и поэтому, в геометрически длинных емкостях использование кинетической энергии струи жидкости для подъема осадка со дна представляется не перспективным;
- струйные аппараты типа эжекторы (инжекторы) работают на энергии струи потока вытекающей из активного сопла аппарата и при этом в пассивном сопле создается разрежение и поток входящий в нее увлекается с эжектирующим потоком, затем смешиваются в камере смешивания оба потока и выталкиваются в основной резервуар через диффузор. Данная схема работоспособна если подачу масла в качестве активной среды подать высоконапорным насосом и приемное устройство пассивного сопла постепенно перемещать по дну емкости,  при этом диффузор направить под углом вверх. Однако, следует отметить, что к.п.д. струйных насосов крайне низкое, и использование в качестве перемешивающих устройств в горизонтальных сигарообразных емкостях не только технически сложно, но и энергоемко.
В выше отмеченных устройствах по а.с. 1428341, а.с. 1595434 и а.с. 1611324, где в качестве активного элемента мешалки используется гребной винт, дополнительно используется, кроме как перемешивания, другие свойства от работы гребного винта при добавлении дополнительных механизмов для достижения многофункциональности агрегатов. Практические и теоретически выкладки по винтовым перемешивающим устройствам были освещены в нескольких трудах с участием авторов, так например: 1. Винтовой смеситель кормов /Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. //Информ. Листок Татарского ЦНТИ. 1988. №22-88. 2. Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. Пропеллерный смеситель кормов. /Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1988. -№3. 3. Повышение эффективности использования подводимой энергии при приготовлении, транспортировании и раздачи влажных кормов /Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. // Тез. Докл. Региональной научно-технической конференции. -Волгоград: 1988. 4. Определение минимальной мощности потребной для смешивания кормов в винтовом смесителе /Рудаков А.И., Сулейманов Р.З.// Сборник научных трудов Горьковского сельскохозяйственного института. Горький 1990. С.58-63. 5. Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. Классификация и анализ устройств для тепловой обработки пищевых отходов. Деп. во ВНИИТЭИагропром №420 ВС-88 Деп.
Также известно, группа машин, где созданы условия для перемещения устройства или насадки по подаче теплоносителя, используемое для приготовления кормов, в том числе за счет вращательного движения в нескольких плоскостях, например устройство по А.С. №1253583 СССР, МКИ А23N 17/00. Смеситель-запарник кормов /Сулейманов Р.З. (СССР). №3861051/30-15. Заявл. 23.03.85. Опубл. 30.08.86. Бюлл. №32/, в котором теплоноситель подается через эжектор, в котором происходит теплопередача энергии пара кормам, причем эжектор вращается вместе с основным валом смесителя и вокруг оси стояка главного вала смесителя;
4. Известно большое множество смесителей  в основу которых положено пространственные механизмы, которые обеспечивают сложное пространственное перемещение рабочего элемента по всему смешиваемому объему. Следует отметить то, что в них интенсивное смешивание, как правило, происходит при  весьма сильных изменениях направлений движения потоков жидкости и рабочих органов и в этом случае механизмы претерпевают огромные перегрузки и поэтому для использования в емкостях для хранения растительного масла не всегда оправдано.
Получается, что для более полного обеспечения эффективного перемешивания с целью недопущения осаждения частиц подсолнечного масла при хранении ее в частности, в сигарообразных горизонтальных емкостях, технического решения в доступных средствах информации нами не найдено, ибо при использовании приемлемых технических устройств, смонтированных в сигарообразные горизонтальные емкости для хранения масла не полностью обеспечивается условия недопущения осаждения, имеющихся различного рода примесей и по этой причине создание трехкоординатного винтового перемешивающего устройства, обеспечивающего более полное воспроизводство восходящих потоков основного продукта по всей поперечной площади сигарообразной горизонтальной емкости является целью данной разработки.
Основная суть принципа работы трехкоординатного винтового перемешивающего устройства следующая:
Трехкоординатное винтовое перемешивающее устройство, включающее расположенный в горизонтальной емкости погруженный в перемешиваемый продукт гидромотор, вал которого соединен через демпферную втулку с гребным винтом, гидромотор закреплен на вертикальной стойке, имеющей сопряжение с емкостью через подшипник скольжения, и выполненной с возможностью вертикального перемещения по направляющим, благодаря силовому воздействию штока гидроцилиндра, и поворота вокруг своей оси, при помощи кривошипного механизма с приводом от электродвигателя, при этом к гидромотору при помощи гибких гидрошлангов подается высоконапорный поток гидравлической жидкости от насосного агрегата, состоящего из гидронасоса с электроприводом, гидробака, масляного фильтра и устройства для охлаждения гидравлической жидкости, а работу гидроцилиндра обеспечивает вспомогательная гидростанция.
В ниже представленных фигурах к описанию изобретения показаны основные элементы конструкции трехкоординатного винтового перемешивающего устройства на примере реального экспериментального устройства.
На Фиг. 1 - общая схема трехкоординатного винтового перемешивающего устройства, вмонтированного в горизонтально расположенную сигарообразную емкость.
На Фиг. 2 показан вид спереди основных рабочих органов и механизмов трехкоординатного винтового перемешивающего устройство вмонтированного в емкость.
На Фиг. 3 показан разрез В-В на Фиг. 2.
На Фиг. 4 показан вид сверху сборочной единицы - поворотного соединителя.
На Фиг. 5 показан разрез А-А на Фиг. 4.
На Фиг. 6 показан вид Е на Фиг. 2.
На Фиг. 7 показан разрез Б-Б на Фиг. 2.
На Фиг. 8 показан разрез Г-Г на Фиг. 2.
На Фиг. 9 показан разрез Д-Д на Фиг. 2.
Трехкоординатное винтовое перемешивающее устройство показанная на вышеупомянутых фигурах в конкретном исполнении возможно реализовано согласно описанию в нижеприведенном виде.
Основной рабочий орган - гребной винт 10 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 9) расположен внутри емкости 11 (Фиг. 1) и приводится во вращение гидромотором 12 (например, ОМТ-250 (ОМТ-160) фирмы DANFOS), закрепленным на подвижной стойке 13, к гидромотору при помощи гибких гидрошлангов 14 подается высоконапорный поток гидравлической жидкости (и обязательно гидравлическая жидкость должна быть с пищевым допуском) с насосного агрегата, в свою очередь состоящий из гидронасоса с электроприводом 15 (например, в качестве гидронасоса - аксиально-поршневой, массово производимый, насос марки NP-90.MNL), гидробака 16, масляного фильтра 17 и устройства для охлаждения гидравлической жидкости 18. На Фиг. 1 также показана вспомогательная гидростанция 19, обеспечивающая работу механизмов трехкоординатного винтового перемешивающего устройства, к примеру гидроцилиндра 20 (Фиг. 3) (имеющего  основные узловые детали: корпус 21, заднюю крышку 22, переднюю крышку 23 и шток 24), расположенного внутри опорной трубы 25 и закрепленного задней крышкой 22 к проушине опорной трубы 26 (Фиг. 3, Фиг. 6) при помощи болтового соединения 27, в свою очередь опорная труба при помощи фланца закреплен нижней  частью к верхней платформе 28 механизма подъема и поворота 29, который в своем составе имеет 4 единицы стойки-направляющие 30, которые объединяют между собой верхнюю платформу 28, нижнюю платформу 31 и подъемный стол 32, причем, нижняя платформа и верхняя платформа закреплены к стойкам-направляющим 29 через фланцы 33 при помощи болтового соединения 34 и свою очередь подъемный стол снабжен 4-мя фланцами 35 которые имеют возможность двигаться по стойкам-направляющим; на подъемном столе 32 расположены элементы привода для осуществления поворота стойки гребного винта в составе редуктора (с большим передаточным числом) первой ступени 36, первичный вал которого подсоединен к электродвигателю 37, вторичный вал имеет механическое соединение с первичным валом редуктора второй ступени 38, на вторничном валу которого закреплен кривошип 39 (Фиг. 3) четырехзвенного механизма, имеющие в своем составе кроме кривошипа 39, еще шатун 40 и коромысло 41, последнее закреплен с втулкой 42 поворотного соединителя, в состав которого кроме втулки 42 входит цапфа 43 соединенное с втулкой 42 (Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 8) через шпоночное соединение и удерживаемое от осевого перемещения болтом 44, цапфа имеет возможность поворота вокруг оси на подшипнике скольжения 45, который в свою очередь зафиксирован на месте монтажа в корпус подшипника 46 (Фиг. 4, Фиг. 5) крышкой подшипника 47; цапфа прикреплена к фланцу 48, фланец 48 при помощи болтовых соединений закреплен к дистанционной гильзе 49, которая в свою очередь жестко закреплен к стойке 13 гребного винта 10, стойка имеет возможность поворота и линейного перемещения по направляющей 50, которая закреплена совместно с нижней платформой 31 к люку 51 емкости. Для того чтобы обеспечить линейное перемещение подъемного стола, во втулку 42 ввинчен шток 24 гидроцилиндра 20.
Трехкоординатное винтовое перемешивающее устройство работает в представленное в вышеприведенных фигурах работает следующим образом:
Погруженный в перемешиваемую среду гребной винт 10 за счет гидромотора 12 может вращаться в обоих направлениях с изменяемой частотой вращения в зависимости от положения органов управления управляемого аксиально-поршневого гидронасоса. Энергия потока жидкости насосного агрегата (в составе гидронасоса с электроприводом 15, гидробака 16, масляного фильтра 17 и устройства для охлаждения гидравлической жидкости 18) доставляется к гидромотору 12 за счет подсоединенных к гидромотору гидрошлангов 14. При необходимости более интенсивного смешивания при помощи управления производительностью гидронасоса повышается частота вращения гребного винта 10, а при повороте стойки 13, к которому закреплен гидромотор 12, посредством четырехзвенника изменяется вектор следа скоростного потока. Поворот целесообразно осуществлять на угол -45 - +45 градусов, что означает изменения угла между линиями образующий емкости и вектора следа скоростного потока от вращения винта в жидкой среде, вследствие чего уменьшаются объемы зон недостаточного воздействия скоростного потока жидкой среды и еще более они уменьшаются при изменениях высоты  расположения рабочего органа (гребного винта) в толще перемешиваемой жидкости. Высота расположения гребного винта изменяется за счет подъема-опускания подъемного стола 32 гидроцилиндром 20, управляемое через гидростанцию 19.
Список библиографии
1. А.С. № 1253583 СССР, МКИ A23N 17/00. Смеситель-запарник кормов /Сулейманов Р.З. (СССР). №3861051/30-15, Заявл. 01.03.85. Опубл. 30.08.86. Бюл. №32.
2. А.С. на изобретение №1428341 СССР, МКИ A23N 17/00. Устройство для смешивания и подачи кормов. /Сулейманов Р.З., Рудаков А.И. (СССР). №4168573/30-15, Заявл. 02.12.85. Опубл. 07.10.88., Бюл. №37.
3. А.С. на изобретение №1437083 СССР, МКИ 4 В 01 F 5/04. Установка для приготовления аммиачной воды /А. И. Рудаков, А.И. Семенов, Р.З. Сулейманов (СССР). - № 4243341/31-26. Заявл. 11.04.87; опубл. 15.11.88, бюлл. № 42. - 3 с.
4. А.С. на изобретение №1503870 СССР, МКИ 4 В 01, F 5/04. Эжекторный смеситель 1 А.И. Рудаков, А.И. Семенов, Р.З. Сулейманов (СССР). - № 4381067/30-26. Заявл. 19.11.87; опубл. 30.08,89, бюлл. № 32. - 4 с.
5. А.С. на изобретение №1611324 СССР, МКИ A23N 17/00. Устройство для приготовления и подачи кормов./ Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. (СССР). №4647521/30- 15, Заявл. 09.02.89. Опубл. 07.12.90., Бюл. №45.
6. Винтовой смеситель кормов / Рудаков А.й., Сулейманов Р.З. информационный листок Татарского ЦНТИ.- 1988.- № 22-88.-2 с.
7. Корсаков А.Г., Сулейманов Р.З. Расширение сферы применения гидропривода с целью снижения энергоемкости и использования в случаях аварийных отключений электроэнергии: // Сб. науч. тр. - Казань: изд-во КГСХА, 1996. - С. 126 - 135.
8. Определение минимальной мощности потребной для смешивания кормов в винтовом смесителе /Рудаков А.И., Сулейманов Р.З.// В сб. научных трудов Горьковского сельскохозяйственного института. - Горький, 1990, с. 56-63.
9. Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. Пропеллерный смеситель кормов. //Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1988. -№3.
10. Рудаков А.И., Сулейманов Р.З. Классификация и анализ устройств для тепловой обработки пищевых отходов. КСХИ им. Горького. М., 1988.12 с. - Деп. Во ВНИИТЭИАгропром 23.10.88, №10379.
11. Установка для смешивания и подачи кормов. /Сулейманов Р.З., А.И. Рудаков.// Информ. Листок Татарского ЦНТИ -1989 №411 -89.