УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
MIXER

Изобретение относиться к машиностроению, в частности к перемешивающим устройствам, и может быть использовано в пищевой, медицинской, химической, строительной отраслях промышленности и сельском хозяйстве как устройство, необходимое для приготовления однородных сред, позволяющее интенсифицировать массо- и теплообменные процессы, выравнивающее концентрацию и температуру во всем объеме перемешиваемых веществ.
Известно устройство для перемешивания (Кожевников С.Н. Элементы механизмов. - М., Оборонгиз. 1950 г. стр.90), структурная схема которого состоит из трех подвижных звеньев связанных четырьмя одноподвижными кинематическими парами. Траектории движения звеньев устройства для перемешивания параллельны.
Ведущим звеном устройства для перемешивания является кривошип, который приводится в движение асинхронным двигателем. Кривошип образует со стойкой и кулисой две вращательные кинематические пары с параллельными осями. Верхняя часть кулисы движется поступательно относительно качающегося ползуна связанного со стойкой. Ось кулисы перпендикулярна осям вращательных пар кулиса - кривошип - стойка.
Рабочий орган присоединен к нижней части кулисы и движется в вертикальной плоскости по траектории, близкой к дуге окружности на участке движения кривошипа от крайнего левого положения, когда он перпендикулярен кулисе, до крайнего правого положения по отношению к кинематической паре кривошип - стойка. При движении кривошипа от крайнего правого до крайнего левого траектория рабочего органа спрямляется и близка к прямой линии.
Недостатками устройства для перемешивания является то, что кулиса и закрепленный на ней рабочий орган имеет плоскопараллельное движение. Качество выходного продукта в таком случае невысокое вследствие низкой интенсивности перемешивания.
Известно устройство для перемешивания (А.С. СССР №863378 В28G 5/16), содержащее емкость для перемешивания - дежу и исполнительный механизм.
В состав исполнительного механизма входят два кривошипа, один из которых ведущий, а также шатун и балансир.
Ведомый кривошип закреплен на деже с помощью балансира. Рабочий орган исполнительного механизма установлен на валу, который образует вращательную кинематическую пару с ведомым кривошипом. Ведущий и ведомый кривошипы соединены шатуном. При вращении кривошипов изменяется положение вала рабочего органа, который приводиться во вращательное движение отдельным приводом.
Оси вращения кривошипов перпендикулярны оси балансира и удалены от нее на одинаковое расстояние, равное половине длины шатуна.
Рабочее движение получено как сумма двух независимых движений - вращения вала и возвратно-качательного движения балансира.
Указанное устройство для перемешивания требует двух приводов, один из них установлен на подвижном звене, что вызывает дополнительные динамические нагрузки как на подвижные соединения, так и на звенья механизма.
Рабочий орган имеет постоянную угловую скорость вращения, что не позволяет достигать необходимого качества и производительности при перемешивании.
Кроме того, известно устройство для перемешивания (патент РФ 2067535, B28G 5/16), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее стойку и пять двухвершинных подвижных звеньев: кривошип, шатун, камень, кулису и коромысло, связанные низшими одноподвижными кинематическими парами.
Кривошип приводится в движение асинхронным двигателем и образует со стойкой и шатуном первую и вторую вращательные кинематические пары с параллельными осями, установленные в любой пространственной ориентацией. Кулиса и камень образуют винтовую передачу с осью, совпадающей с осью кулисы. Коромысло присоединено к верхней части кулисы посредством сосной ей третьей вращательной кинематической пары и к стойке - четвертой вращательной кинематической парой 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, и пятая вращательная кинематическая пара камень - шатун, ось которой перпендикулярна кулисе и расположена в плоскости параллельной плоскости движения кривошипа.
Движение кривошипа передается через шатун, камню, который, двигаясь поступательно вдоль кулисы, принуждает ее к вращению с переменными по знаку и направлению скоростями. Глубина погружения и углы входа прикрепленного к свободной вершине кулисы рабочего органа являются переменными величинами. Число простейших движений, совершаемых рабочим органом механизма, являющегося прототипом предлагаемого изобретения, равно четырем.
Рабочий орган, вращаясь вместе с кулисой, перемещается по дуге постоянного радиуса, равного квадратному корню суммы квадратов необходимого размера кулисы, найденного из условия проворачиваемости кривошипа (правило Ф. Грасгофа) и коромысла. Поскольку путь, пройденный частицами смешиваемых веществ до стенок дежи при воздействии на них рабочего органа, различен, происходит образование застойных зон, что снижает качество выходного продукта.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества получаемой среды.
Поставленная задача достигается тем, что в замкнутой одноконтурной пространственной кинематической цепи известного устройства для перемешивания, состоящей из простых звеньев, установленных в следующем порядке: стойка - кривошип - шатун - камень - кулиса - коромысло - стойка, вращательных кинематических пар с параллельными осями кривошип - стойка, кривошип - шатун, перпендикулярными оси вращательной пары камень - шатун, которая, в свою очередь, перпендикулярна оси кулисы, и винтовой пары кулиса - камень, ось которой параллельна продольной оси кулисы, установлена сферическая кинематическая пара кулиса - стойка, смещенная в пространстве относительно пары кривошип - стойка.
На фиг.1 в пространственной координатной системе XYZ приведены два положения звеньев устройства, одно из которых здесь и на других рисунках показано пунктиром; на фиг.2 - вид сбоку звеньев устройства в двух положениях; на фиг.3 - вид спереди звеньев устройства в двух положениях.
Предлагаемое устройство для перемешивания (фиг.1) относится к рычажным механизмам и состоит из пяти звеньев: кривошипа 1, шатуна 2, камня 3, кулисы 4 и стойки 5, соединенных пятью низшими кинематическими парами различной подвижности. Одноподвижные, с параллельными осями вращательные пары 6, 7 образованны соответственно кривошипом 1 со стойкой 5 и с шатуном 2. Шатун 2 и камень 3 соединены вращательной парой 8, ось которой перпендикулярна оси кулисы 4 и осям пар 6 и 7. Ось винтовой одноподвижной кинематической пары 9, установленной между камнем 3 и кулисой 4, параллельна продольной оси симметрии кулисы 4. Сферическая, трехподвижная кинематическая пара 10 смещена в пространстве относительно пары кривошип - стойка 6 и необходима для подвижного соединения кулисы 4 со стойкой 5. Рабочий орган устройства для перемешивания присоединен к свободной, нижней части кулисы 4. Отметим, что в частных положениях звеньев оси вращения кулисы 4 и шатуна 2 могут быть перпендикулярны.
Устройство для перемешивания, работает следующим образом.
Вращение кривошипа 1 относительно стойки 5 инициирует переносное вращение шатуна 2 вокруг оси кривошипа 1 и относительное неполное его вращение (колебательное) вокруг собственной оси. Сферическая кинематическая пара 10 смещена в пространстве относительно 6, поэтому движение шатуна 2 преобразуется в движение камня 3 вдоль кулисы 4, вследствие чего рабочий орган, прикрепленный к нижней части кулисы, приобретает вращательные движения вокруг трех осей.
В момент смены направления движения камня 3 вдоль кулисы 4 (фиг.2) угловые скорости вращения кулисы 4 вокруг своей оси и относительно оси ОХ меняют знак, возникает гидродинамический удар у перемешиваемых веществ, увеличивается турбулентность потоков смешиваемых веществ, что повышает качество выходного продукта.
Функция угловой скорости вращения кулисы вокруг своей оси достигает экстремумов в крайних положениях, когда кривошип 1 перпендикулярен кулисе 4 (фиг.3). Тем самым создаются интенсивные течения перемешиваемых веществ, которые размывают застойные зоны, как правило, расположенные в углах емкости перемешивания.
При выборе длин звеньев параметрическое условие, согласно которому размер стойки 5 больше проекции кривошипа 1 на нее, ограничит движение кулисы 4 до колебательного.
В положениях, когда скорость вращения кулисы 4 вокруг собственной оси имеет экстремальное значение (фиг.3), ее угловая скорость относительно OZ и ОХ равна или близка к нулю, и наоборот, достигает своих экстремумов в положении, когда скорость вращения кулисы 4 вокруг собственной оси равна нулю. Кулиса 4 в таких положениях «разметает» возможный тяжелый осадок перемешиваемых веществ в направлениях осей OZ и ОХ, скапливающийся у дна дежи.
В предлагаемом устройстве для перемешивания (фиг.1) плоские движения звеньев механизма совмещаются в пространственное движение рабочего органа с переменной по величине и направлению скоростями.
Такой характер движения рабочего органа устройства для перемешивания обеспечивает высокую интенсивность перемешивания за счет создания неравномерных пространственных сдвиговых деформаций обрабатываемого материала, этим самым будет повышаться качество выходного продукта за счет равномерного распределения энергии рабочего органа в слоях перемешиваемых веществ.
Устройство для перемешивания является пространственным механизмом, его подвижность определена по формуле Сомова-Малышева и равна единице, рабочий орган имеет шесть не совпадающих по возникновению реверсов, переменные скорости вращения, углы входа в перемешиваемую среду и глубины его погружения, что позволяет ликвидировать застойные зоны, исключать воронкообразование и разбрызгивание, что также повышает качество выходного продукта.
Кроме того, выбор низших одноподвижных кинематических пар для соединения звеньев в механизм определило то, что контакт их элементов происходит по поверхности, а следовательно, при одинаковой нагрузке в ней возникают меньшие удельные давления, чем в высшей, а износ при прочих равных условиях пропорционален удельному давлению, поэтому низшие пары изнашиваются медленнее, что и обуславливает их приоритет в отношении к высшим.