ВИБРАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
VIBRATION MIXER

Изобретение относится к устройствам для перемешивания многокомпонентных смесей и может быть использовано преимущественно в химической и строительной промышленности, а также в других областях промышленной индустрии, где необходимо производство данного типа смесей.
В настоящее время использование многокомпонентных смесей является одним из наиболее актуальных направлений в различных отраслях промышленности. Технология приготовления данного типа смесей занимает не только один из больших сегментов рынка, но и является перспективной базой для разработок в области технологического оборудования, особое значение в которой отдается различным типам аппаратов для активации многокомпонентных сред. Изучение процессов приготовления материалов на сегодняшний день является особой отраслью технологических знаний, основанных на совокупности различных физических, химических и механических процессов. Анализ различных работ позволяет обнаружить, что наибольший эффект можно ожидать в процессе приготовления многокомпонентных веществ от использования различных виброактиваторов, когда на компоненты осуществляется наибольшее количество воздействий в единицу времени.
Из уровня техники известны различные устройства, реализованные на данной основе. Так, например, известны гравитационные смесители (Патент RU 148474 U1, 10.12.2014, В28С 5/22, B01F 11/00; Патент RU 148526 U1, 10.12.2014, В28С 5/22, B01F 11/00; Патент RU 148529 U1, 10.12.2014, В28С 5/22, B01F 11/00; Патент RU 148597 U1, 10.12.2014, B01F 11/00; Патент RU 148598 U1, 10.12.2014, B01F 11/00; Патент RU 148599 U1, 10.12.2014, B01F 11/00; Патент RU 148600 U1, 10.12.2014, B01F 9/00; Патент RU 148601 U1, 10.12.2014, B01F 11/00; Патент RU 164054 U1, 20.08.2016, В28С 5/00; Патент RU 164055 U1, 20.08.2016, В28С 5/00; Патент RU 164056 U1, 20.08.2016, В28С 5/04; Патент RU 164057 U1, 20.08.2016, В28С 5/16; Патент RU 164193 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164194 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164196 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164197 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164198 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164199 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164200 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164201 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164202 U1, 20.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164372 U1, 27.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164373 U1, 27.08.2016, B01F 11/00; Патент RU 164374 U1, 27.08.2016, B01F 11/00), содержащие вращающийся барабан с лопастями и приводом вращения, установленный в опоре, внутри барабана консольно расположен вибратор с кинематическим возбуждением колебаний и приводом вращения, вибратор выполнен с корпусом, установленным на коленчатом валу так, что его продольная ось составляет с осью барабана 5-10°, один конец корпуса соосно соединен с дном барабана с помощью упругого элемента, а второй опирается посредством сферического подшипника на шатунную опору коленчатого вала, на котором размещен дисбаланс, выполненный с функцией динамической балансировки неуравновешенных масс. При этом корпуса вибраторов выполнены в виде металлических тонкостенных геометрических тел различной формы.
Основным недостатком конструкций данных смесителей является отсутствие обеспечения необходимой виброзащиты элементов конструкции смесителей вследствие использования вибраторов эксцентрикового типа.
Известен также роторно-вибрационный смеситель с кольцевым магнитострикционным преобразователем (Патент RU 2318586 С2, 10.03.2008, B01F 11/00), содержащий камеру смешивания, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, отличающийся тем, что вибратор выполнен в виде излучающей высокочастотные колебания трубы с диском и жестко закреплен в середине камеры смешивания. Основным недостатком данного смесителя является неэффективная вибрационная проработка смеси или ее полное отсутствие в верхних угловых («глухих») зонах камеры смешивания.
Также известен роторный смеситель с механическим вибровозбудителем (Патент RU 2297274 С1, 20.04.2007, B01F 11/00), содержащий камеру смешивания, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, выполненный в виде тарельчатых пружин с резиновыми амортизаторами, и жестко закрепленный в середине камеры смешивания. Вибратор имеет кривошипно-шатунный механизм, с помощью которого тарельчатые пружины возбуждают колебания частиц в горизонтальном направлении. В смесителе имеется возможность регулировать интенсивность вибрации посредством изменения частоты вращения привода кривошипно-шатунного механизма. К основным недостаткам данного смесителя следует отнести значительные энергозатраты на деформирование тарельчатых пружин, высокий процент износа резиновых амортизаторов, а так же недостаточно эффективное тиксотропное разрушение (разжижение) структуры материала вследствие возбуждения в смеси колебаний строго горизонтальной направленности.
Из уровня техники известен также роторный смеситель с электромеханическим вибровозбудителем (Патент RU 2292943 С1, 10.02.2007, B01F 11/00), содержащий камеру смешивания, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, выполненный в виде сильфона с диском, жестко закреплен в середине камеры смешивания. Вибратор имеет электромагнит, с помощью которого сильфон возбуждает колебания частиц в горизонтальном направлении. В смесителе имеется возможность регулировать интенсивность вибрации посредством изменения частоты переменного тока, подаваемого на обмотку электромагнита.
К недостаткам данного устройства можно отнести неэффективную вибрационную проработку смеси или ее полное отсутствие в верхних угловых («глухих») зонах камеры смешивания вследствие выполнения геометрии сильфонов строго цилиндрической формы, а так же неоднородные амплитудные значения перемещений, убывающих от места силового воздействия к месту закрепления сильфона, на каждом отдельно взятом участке сильфона, вследствие чего колебания от места силового воздействия к месту закрепления сильфона будут иметь затухающий характер, что приводит к снижению эффективности вибрационных воздействий на смесь в нижней части камеры смешивания. Наиболее близкими аналогами являются вибрационные смесители (Патент RU 2494795 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494796 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494797 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494798 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494799 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494800 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494801 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494802 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494803 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494804 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494805 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2494862 С1, 10.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2495710 С1, 20.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496562 С1, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496563 С1, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496564 С2, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496565 С2, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496566 С2, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496567 С1, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496568 С1, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2496569 С1, 27.10.2013, B01F 11/00; Патент RU 2497665 С1, 10.11.2013, В28С 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2497666 С1, 10.11.2013, В28С 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2497667 C2, 10.11.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500523 C1, 10.12.2013, B28C 5/00; Патент RU 2500524 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500525 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500526 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500527 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500528 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500529 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2500530 C1, 10.12.2013, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2513931 C1, 20.04.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2513932 C1, 20.04.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2515480 C1, 10.05.2014, B01F 11/02; Патент RU 2515838 C1, 20.05.2014, B01F 11/02; Патент RU 2516569 C1, 20.05.2014, B01F 11/02; Патент RU 2519234 C1, 10.06.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2519426 C1, 10.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2519430 C1, 10.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2519436 C1, 10.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2519437 C1, 10.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2519439 C1, 10.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2519444 C1, 10.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2520103 C2, 20.06.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2520445 C2, 27.06.2014, B01F 11/00; Патент RU 2522073 C2, 10.07.2014, B01F 11/00; Патент RU 2524726 C1, 10.08.2014, B28C 5/00, B01F 11/00; Патент RU 2524729 C1, 10.08.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2524783 C1, 10.08.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2524942 C1, 10.08.2014, B01F 11/00; Патент RU 2525075 C1, 10.08.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2525077 C1, 10.08.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2525081 C1, 10.08.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2528847 C2, 20.09.2014, B01F 11/00; Патент RU 2528850 C1, 20.09.2014, B01F 11/00; Патент RU 2529223 C1, 27.09.2014, B01F 11/00; Патент RU 2533730 C2, 20.11.2014, B01F 11/00; Патент RU 2533787 C2, 20.11.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2533788 C2, 20.11.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2533791 C2, 20.11.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2534113 C2, 27.11.2014, B01F 11/00; Патент RU 2534117 C2, 27.11.2014, B01F 11/00; Патент RU 2534278 C2, 27.11.2014, B28C 5/16, B01F 11/00; Патент RU 2547881 C1, 10.04.2015, B28C 5/48; Патент RU 2548417 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548419 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548424 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548426 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548429 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548431 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548432 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2548434 C1, 20.04.2015, B01F 11/00; Патент RU 2550747 C1, 10.05.2015, B28C 5/48; Патент RU 2556595 C1, 10.07.2015, B28C 5/48; Патент RU 2559989 C1, 20.08.2015, B28C 5/48; Патент RU 2560398 C1, 20.08.2015, B01F 11/00; Патент RU 2560399 C1, 20.08.2015, B01F 11/00, B28C 5/00; Патент RU 2560400 C1, 20.08.2015, B01F 11/00, B28C 5/00; Патент RU 2560401 C1, 20.08.2015, B01F 11/00, B28C 5/00), содержащие камеру смешивания с окнами загрузки и выгрузки материалов и ротор с лопастями. В нижней или в нижней и верхней частях камер смешивания по центру жестко закреплены один или два вибратора, выполненные в корпусах, с возбуждением вибрационных полей посредством нижнего или нижнего и верхнего кривошипно-шатунных механизмов. При этом корпуса вибраторов выполнены в виде металлических гофрированных оболочек с различной геометрией тел вращения.
Однако основным недостатком конструкций смесителей является отсутствие обеспечения совокупностью существенных признаков данных устройств нового свойства, заключающегося в создании вибрационного поля или вибрационных полей, соответствующего или соответствующих в отдельности по форме гофрированному контуру трехмерного тела вращения, образующего в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника.
Технический результат - заключается в расширении арсенала технических средств и обеспечении достижения новых свойств заявляемыми объектами. То есть обеспечивается реализация возможности создания по всему объему камеры смесителя на смешиваемые компоненты смеси двух различных по частоте вибрационных полей, соответствующих в совокупности по форме гофрированному контуру трехмерного тела вращения, образующего в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника, с одновременным образованием в двухчастотном диапазоне разнонаправленных колебаний, полностью исключающих наличие в камере смешивания «глухих» зон, однородного амплитудного распределения вибрационного воздействия в камере смешивания и качественной интенсификацией процесса перемешивания этих компонентов в целом.
Технический результат достигается тем, что вибрационный смеситель, содержащий камеру смешивания с окнами загрузки и выгрузки материалов соответственно, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, выполненный с гофрированным корпусом и жестко закрепленный в середине камеры смешивания, вибратор выполнен с функцией возбуждения двух одинаковых по амплитуде и различных по частоте вибрационных полей посредством верхнего и нижнего кривошипно-шатунных механизмов, внутри корпуса вибратора по центру в горизонтальной плоскости жестко закреплен диск с цилиндрическим выступом, выполненным с возможностью вставки и закрепления по внутреннему диаметру пружины, установленной с функцией свободного сжатия/разжатия в стакане, к центру верхней внутренней части которого жестко закреплен шатун с приводом от верхнего кривошипно-шатунного механизма, а к центру верхней внешней части - толкатель, жестко закрепленный другим концом к внутренней верхней части гофрированного корпуса и выполненный с функцией возбуждения колебаний от верхней части корпуса вибратора через шатун посредством верхнего кривошипно-шатунного механизма. При этом диск, функцией которого является создание равномерного распределения по всему объему камеры смешивания вибрационного поля от верхней к нижней части корпуса посредством создания однородных амплитудных значений перемещений каждой точки внешней образующей гофр корпуса, выполнен с возможностью возбуждения колебаний от центральной части корпуса вибратора с помощью четырех толкателей, верхней частью симметрично закрепленных к нижней части диска, а нижней частью соединенных в узел подвижного шарнира шатуна нижнего кривошипно-шатунного механизма. Причем корпус вибратора выполнен в виде металлической гофрированной оболочки, представляющей собой гофрированное тонкостенное тело вращения, образующее в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника, и выполненной с возможностью создания двухчастотных вибрационных полей, соответствующих в совокупности по форме гофрированному контуру данного тела вращения, с разнонаправленными колебаниями. Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена схема вибрационного смесителя; на фиг. 2 - увеличенная схема вибратора вибрационного смесителя.
Вибрационный смеситель содержит камеру 1 смешивания с окнами загрузки 2 и выгрузки 3 материалов соответственно, ротор 4 с приводом 5 вращения, выполненный с лопастями 6, 7, вибратор 8, выполненный с гофрированным корпусом 9 и жестко закрепленный в середине камеры смешивания, вибратор 8 выполнен с функцией возбуждения двух одинаковых по амплитуде и различных по частоте вибрационных полей посредством верхнего 10 и нижнего 11 кривошипно-шатунных механизмов. Внутри корпуса 9 вибратора 8 по центру в горизонтальной плоскости жестко закреплен диск 12 с цилиндрическим выступом 13, выполненным с возможностью вставки и закрепления по внутреннему диаметру пружины 14, установленной с функцией свободного сжатия/разжатия в стакане 15, к центру верхней внутренней части которого жестко закреплен шатун 16 с приводом от верхнего 10 кривошипно-шатунного механизма, а к центру верхней внешней части - толкатель 17, жестко закрепленный другим концом к внутренней верхней части гофрированного корпуса 9 и выполненный с функцией возбуждения колебаний от верхней части данного корпуса 9 вибратора 8 через шатун 16 посредством верхнего 10 кривошипно-шатунного механизма. При этом диск 12, функцией которого является создание равномерного распределения по всему объему камеры 1 смешивания вибрационного поля от верхней к нижней части корпуса 9 посредством создания однородных амплитудных значений перемещений каждой точки внешней образующей гофр корпуса 9, выполнен с возможностью возбуждения колебаний от центральной части корпуса 9 вибратора 8 с помощью четырех толкателей 18, верхней частью симметрично закрепленных к нижней части диска 12, а нижней частью соединенных в узел подвижного шарнира 19 шатуна 20 нижнего 11 кривошипно-шатунного механизма. Причем корпус 9 вибратора 8 выполнен в виде металлической гофрированной оболочки, представляющей собой гофрированное тонкостенное тело вращения, образующее в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника, и выполненной с возможностью создания двухчастотных вибрационных полей, соответствующих в совокупности по форме гофрированному контуру данного тела вращения, с разнонаправленными колебаниями.
Устройство работает следующим образом: вначале составляющие смеси, состав которой подбирается предварительно, через окно загрузки 2 послойно загружаются в камеру смешивания 1 в следующей последовательности: на дно смесителя укладывается песок, затем цемент, после чего щебень, в последнюю очередь равномерно на всю загрузку подается необходимое количество воды. Затем включаются приводы вибратора 8 и привод 5 вращения ротора 4 с лопастями 6, 7. Привод 5 вращает ротор 4 и лопасти 6, 7, тем самым перемешивая приготавливаемую смесь. Толкатель 17 через стакан 15 пружины 14 и шатун 16 посредством верхнего кривошипно-шатунного механизма 10 совершает возвратно-поступательные движения, тем самым, возбуждая колебания верхней части корпуса 9, выполненного в виде металлической гофрированной оболочки, представляющей собой тело вращения, образующее в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника. При этом диск 12, функцией которого является создание равномерного распределения по всему объему камеры 1 смешивания вибрационного поля от верхней к нижней части корпуса 9 посредством создания однородных амплитудных значений перемещений каждой точки внешней образующей металлической гофрированной оболочки, возбуждает колебания центральной части корпуса 9 вибратора 8 с помощью четырех толкателей 18, верхней частью симметрично закрепленных к нижней части диска 12, а нижней частью соединенных в узел подвижного шарнира 19 шатуна 20 нижнего 11 кривошипно-шатунного механизма. По истечении заданного времени привод 5 ротора 4 и приводы кривошипно-шатунных механизмов 10, 11 отключаются и готовая смесь через окно 3 корпуса 1 смесителя выгружается. В целом устройство обеспечивает реализацию возможности создания по всему объему камеры смесителя на смешиваемые компоненты смеси двух различных по частоте вибрационных полей, соответствующих в совокупности по форме гофрированному контуру трехмерного тела вращения, образующего в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника, с одновременным образованием в двухчастотном диапазоне разнонаправленных колебаний, полностью исключающих наличие в камере смешивания «глухих» зон, однородного амплитудного распределения вибрационного воздействия в камере смешивания и качественной интенсификацией процесса перемешивания этих компонентов в целом. Это объясняется тем, что, во-первых, корпус вибратора, выполненный в виде металлической гофрированной оболочки, представляющей собой гофрированное тонкостенное тело вращения, образующее в сечении вертикальной плоскости по точкам вершин гофр сложную усеченную геометрическую фигуру, состоящую в совокупности из равных полуокружностей, крайние точки пересечения которых образуют вершины правильного шестиугольника, и выполненной с возможностью создания двухчастотных вибрационных полей, соответствующих в совокупности по форме гофрированному контуру данного тела вращения, позволяет, с одной стороны, реализовать возможность создания по всему объему камеры смесителя на смешиваемые компоненты смеси вибрационного воздействия, полностью исключающего наличие в камере смешивания «глухих» зон, а с другой - исключить вибрационное воздействие на привод вибратора, максимально реализовать защиту подшипниковых узлов привода вибратора от попадания в них мелких частиц перемешиваемых материалов, а так же реализовать возможность полной передачи «полезного» вибрационного воздействия на обрабатываемый материал. Во-вторых, реализация в конструкции вибратора двух механизмов, включающих: толкатель, стакан, пружину, шатун верхнего кривошипно-шатунного механизма и диск с четырьмя толкателями, выполненными с подвижным шарниром шатуна нижнего кривошипно-шатунного механизма, обеспечивает создание однородных амплитудных значений перемещений каждой точки внешней образующей металлической гофрированной оболочки, тем самым позволяет осуществить однородное распределение вибрационного поля в камере смешивания, позволяет реализовать качественную интенсификацию процесса перемешивания компонентов смеси при многочастотном вибрировании, заключающимся в одновременном воздействии на смесь колебаний двух и более частот и позволяющее при наложении друг на друга кривых колебаний увеличивать скорость движения частиц смеси, что в свою очередь повышает эффективность вибрации. Многочастотное вибрирование, исходя из того, что каждой величине зерна соответствует собственная частота колебаний, может рассматриваться как средство воздействия на наибольшее количество зерен, т.е. интенсивность многочастотного вибрирования выше, чем интенсивность каждого из составляющих его колебаний, что тем самым позволяет сократить цикл перемешивания смесей. И, в-третьих, конструкция смесителя позволяет реализовать повышение производительности, снижение затрат энергии на процесс смешивания, повышение подвижности и турбулизации смеси, обусловленных однородным тиксотропным разрушением структуры материала во всем пространстве камеры смешивания, проявляющегося в уменьшении удельного сопротивления движению лопасти в смеси по сравнению с удельным сопротивлением движению лопасти неразрушенного материала. В связи с этим уменьшается сопротивление перемещению лопастей и потребляемая мощность привода вращения ротора. Вместе с тем достигается эффект виброкипения смеси под действием колебательных процессов корпуса вибратора, большая турбулизация и более интенсивная циркуляция частиц смеси, в результате чего сокращается время смешивания, повышается производительность смесителя. Заявляемое изобретение проявляет новые свойства, не известные в технике. Существенные признаки носят технический характер и идентифицируемы. Совокупность существенных признаков заявленного устройства необходима и достаточна для получения требуемого технического результата. Заявляемая совокупность признаков обеспечивает получение неожиданного, необычного сверхсуммарного технического результата, который превосходит технический результат, получаемый от каждого существенного признака в отдельности применительно к объектам указанного назначения. Заявляемый объект обеспечивает изменение известного уровня техники неочевидными средствами, придает объектам новые положительные свойства, удовлетворяет долговременный спрос и повышает конкурентоспособность объекта патентования. Между существенными признаками заявленного решения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Совокупность существенных признаков заявляемого решения обеспечивает новый необычный принцип действия объектов, который является в максимальной степени эффективным для объектов указанного назначения.