ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ С ВИБРАЦИОННОЙ ПОДОВОЙ ПЛАТФОРМОЙ

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
Известна электрическая печь для обжига вермикулита (RU №169510, МПК F27B 9/06, опубликовано 21.03.2017), содержащая противни из огнеупорного материала, установленные под углом, крышки и нагреватели, размещенные под крышками и закрепленные на головках. Печь снабжена подвижным подпружиненным с обеих сторон основанием, установленным на телах качения (платформой) с эксцентриковым приводом.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, установленный под углом, крышка и нагреватели, размещенные под крышкой и закрепленные на головках, подпружиненное с обеих сторон подвижное основание, установленное на телах качения (платформа) с эксцентриковым приводом.
Указанная печь обладает следующим недостатком. Колебания подвижного основания (платформы) являются гармоническими, а в случае установки с одной стороны конических пружин - слабо выраженными негармоническими. Поэтому вермикулит в процессе обжига движется за счет наклонной установки противня, а не за счет вибротранспортного эффекта, который возникает при ярко выраженных негармонических несимметричных колебаниях при горизонтальном расположении на телах качения какой-либо плоской поверхности (Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высш. школа. - 1977. - с. 255.), в данном случае - подвижного основания (платформы). Отсутствие упругого элемента, с характерной ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения подвижного основания (платформы) печи, не позволяет реализовать вибротранспортный эффект при ее горизонтальном положении. Так как горизонтальная установка исключает вибротранспортирование обжигаемого вермикулита, то из-за наклонной установкив пространстве обжига между противнем и крышкой постоянно идет поток воздуха, охлаждающий нагреватели и вермикулит и создающий тепловые потери. Кроме того наклон печи делает ее более громоздкой, менее габаритной и неудобной при техническом обслуживании.
Известна так же электрическая печь для обжига вермикулита (RU №169366, МПК F27B 9/06, С04 В 20/06, опубликовано 15.03.2017), содержащая противни, с крепежными головками и крышками, нагреватели, размещенные под крышками и закрепленные на крепежных головках; противни выполнены в виде наклонно установленных, подпружиненных с обеих сторон и установленных на телах качения подвижных оснований, снабженных приводным валом с эксцентриками и толкателями.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень с крепежными головками и крышкой, нагреватели, размещенные под крышкой и закрепленные на крепежных головках, при этом противень выполнен в виде наклонно установленного, подпружиненного с обеих сторон и установленного на телах качения подвижного основания (платформы), снабженного эксцентриком и толкателем.
Указанная печь обладает тем же недостатком. Колебания подвижного основания (платформы) являются гармоническими, а в случае установки с одной стороны конических пружин - слабо выраженными негармоническими. Поэтому вермикулит в процессе обжига движется за счет наклонной установки противня, а не за счет вибротранспортного эффекта, возникающего при ярко выраженных негармонических и несимметричных колебаниях при горизонтальном расположении на телах качения какой-либо плоской поверхности (Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высш. школа. - 1977. - с. 255.), в данном случае - подвижного основания (платформы).
Отсутствие упругого элемента, с характерной ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения подвижного основания (платформы) печи, не позволяет реализовать вибротранспортный эффект при ее горизонтальном положении. Так как горизонтальная установка исключает вибротранспортирование обжигаемого вермикулита, то из-за наклонной установки в пространстве обжига между противнем и крышкой постоянно идет поток воздуха, охлаждающий нагреватели и вермикулит и создающий тепловые потери. Кроме того наклон печи делает ее более громоздкой, менее габаритной и неудобной при техническом обслуживании.
За прототип принята электрическая печь с вибрационной подовой платформой (RU №166554, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.11.2016), содержащая противень, нагреватели с крепежными головками, термокрышку и вибрационную подовую платформу, которая выполнена горизонтальной, содержит эксцентриковый привод, цилиндрические и конические пружины, установленные с противоположных сторон платформы, оснащенной роликами, размещенными в направляющих рамы.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень, нагреватели с крепежными головками, термокрышка и вибрационная подовая платформа, выполненная горизонтальной, содержащая эксцентриковый привод, цилиндрические и конические пружины, установленные с противоположных сторон и оснащена роликами, размещенными в направляющих рамы печи.
Указанная печь обладает следующим недостатком. Хотя вибрационная подовая платформа установлена горизонтально и снабжена цилиндрическими и коническими пружинами с противоположных ее сторон, эффект негармонических и несимметричных колебаниий, при которых реализуется вибротранспортный эффект и однонаправленное перемещение сыпучего материала (в данном случае вермикулита) не проявляется. Это связано с тем, что для сильного проявления зависимости силы упругости от перемещения вибрационной подовой платформы, при котором ярко выражается вибротранспортный эффект, конические пружины не пригодны. Что бы с их помощью получить хорошо выраженные несимметричные колебания, вызывающие вибротранспортный эффект, нужно что бы размах колебаний вибрационной подовой платформы был бы примерно равен длине конических пружин и их деформация происходила бы от полного разжатия до полного сжатия. При размахе колебаний в 4...8 мм, длина конических пружин должна быть примерно равной 4...8 мм или чуть больше. Но даже при небольшой массе вибрационной подовой платформы - 80... 150 кг, диаметр прутков конических пружин должен быть не менее 3...4 мм. Конструкция таких пружин с диаметрами прутков, примерно равных длине пружины невозможна.
При испытаниях вибрационной подовой платформы на четырех конических пружинах, установленных с одной стороны, с диаметром прутков 3 мм длиной 27 мм (пружины были выполнены так, что при полном сжатии они могли полностью уходить сами в себя), несимметрия колебаний хотя и была, но хоть сколько-нибудь заметноговибротранспортного эффекта не было. Потребовалась установка печи под углом 19° к горизонтали, что бы началось установившееся движения вермикулита со временем прохождения по поду платформы примерно за 3 секунды, которые достаточны для обжига вермикулита.
Отсутствие упругого элемента, с ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения вибрационной подовой платформы печи, не позволяет в прототипе реализовать вибротранспортный эффект при ее горизонтальном положении. Так как горизонтальная установка исключает вибротранспортирование обжигаемого вермикулита, то из-за наклонной установки в пространстве обжига между противнем и крышкой постоянно идет поток холодного воздуха, охлаждающий нагреватели и вермикулит и создающий тепловые потери. Кроме того наклон печи делает ее более громоздкой, менее габаритной и неудобной при техническом обслуживании.
Технический результат полезной модели заключается в устранении тепловых потерь из-за потока холодного воздуха в пространстве обжига между противнем и крышкой, габаритности, громоздкости печи при достижении большей ее компактности за счет установки с одной стороны вибрационной подовой платформы упругих элементов с ярко выраженной зависимостью силы упругости от ее перемещения при несимметричных колебаниях, обеспечивающих вибротранспортный эффект.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь с вибрационной подовой платформой, содержащая раму, противень, электрические нагреватели с крепежными головками, размещенными на термокрышке и горизонтально установленную на раме вибрационную подовую платформу, оснащенную роликами, размещенными в направляющих рамы, эксцентриковый привод и цилиндрические пружины с одной стороны, при этом противень установлен на платформе, согласно полезной модели с другой стороны вибрационной подовой платформы закреплен упругий элемент, содержащий корпус с установленными в нем роликами, выполненными с эксцентрично смещенными осями, на раме печи установлен узел, жестко удерживающий упругие пластины, находящиеся в контакте с роликами.
Установка дополнительного упругого элемента со стороны противоположной установке цилиндрических пружин, позволяет создать несимметричные колебания платформы с противнем. Так, при ее движении вправо, ролики прокатываясь по упругим пластинам, отгибают их в стороны и тем сильнее, чем больше смещение платформы. Это приводит к квадратичному увеличению силы упругости со стороны упругих пластин, значительно большему, чем при использовании цилиндрических или конических пружин при одном и том же смещении платформы. Кроме того, благодаря эксцентричной установке роликов, упругая сила возрастает еще больше, так как при том же перемещении платформы, ролики перекатываются по упругим пластинам от одной точки контакта до другой и пластины дополнительно отгибаются из-за увеличения расстояния от оси эксцентричных роликов до точки контакта с пластиной. Таким образом формируется ярко выраженная нелинейная зависимость силы упругости пластин от перемещения платформы и возникает переменная жесткость упругого элемента, возрастающая по мере движения платформы.
Как и любая другая колебательная система, имеющая упругий элемент с указанной выше зависимостью силы упругости от смещения, расположенный с одной стороны, платформа с противнем обладает «мягкой» амплитудно-частотной характеристикой - АЧХ с наклоном влево (Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высш. школа. - 1977. - с. 255). Поэтому в резонансном режиме возникают ярко выраженные несимметричные колебания, при которых создается односторонний вибротранспортный эффект (Бауман И.И., Быховский В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М., «Высш. школа», 1977, стр. 74).
Установка упругого элемента позволяет создавать транспортирование обжигаемого вермикулита в пространстве обжига между противнем и крышкой при горизонтальном положении печи, устранить охлаждение нагревателей и вермикулита (так как воздушная тяга при горизонтальном положении противня и крышки в пространстве обжига не возникает), устранить связанные с этим тепловые потери, уменьшить габаритность и громоздкость печи при большей ее компактности.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели является упругий элемент закрепленный с другой стороны вибрационной подовой платформы, содержащий корпус с установленными в нем роликами, выполненными с эксцентрично смещенными осями, на раме печи установлен узел, жестко удерживающий упругие пластины, находящиеся в контакте с роликами.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 показана электрическая печь с вибрационной подовой платформой.
На фиг. 2 показан упругий элемент с ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения вибрационной подовой платформы.
На фиг. 3 показана амплитудно-частотная характеристика вибрационной подовой платформы с противнем.
На фиг. 4. показан график виброперемещения вибрационной подовой платформы.
Электрическая печь с вибрационной подовой платформой, показанная на фигурах 1 и 2, содержит противень 1 из жаростойкой стали, электрические нагреватели 2, термокрышку 3, вибрационную подовую платформу 4 (в дальнейшем платформа) с эксцентриковым приводом, содержащим эксцентрик 5, цилиндр 6 плунжер 7 с пружиной 8. Цилиндрические пружины 9 установлены с левой стороны платформы 4, снабженной осями 10 и роликами 11, размещенными в направляющих 12 рамы 13. Термокрышка 3 установлена на раме 13 с помощью шарнира 14 и продольных балок 15 над противнем 1 с возможностью ее открывания для получения доступа к электрическим нагревателям 2. Крепежные головки 16 установлены на термокрышке 3 через диэлектрические прокладки и имеют зажимы в виде пластин с помощью которых, резьбовым соединением электрические нагреватели 2 закреплены на нижней стороне термокрышки 3. Кроме того, электрические нагреватели 2 удерживаются в горизонтальном положении за счет фиксаторов 17, установленных вдоль каждого электрического нагревателя 2 с заданным шагом.
С правой стороны платформы 4 закреплен упругий элемент с ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения x вибрационной подовой платформы (в дальнейшем - упругий элемент).
Упругий элемент (фиг. 2) содержит корпус 18 с установленными в нем роликами 19, выполненными с эксцентрично смещенными на величину е осями 20. На упоре рамы 3 установлен узел 21, жестко удерживающий с помощью резьбового соединения 22 упругие пластины 23, входящие в контакт с роликами 19.
Электрическая печь с вибрационной подовой платформой работает следующим образом. Электрические нагреватели 2 подключают к сети и прогревают рабочее пространство печи между противнем 1 и внутренней поверхностью термокрышки 3.
1
2
После прогрева включают привод эксцентрика 5 (на фиг. 1 не показан), который задает возвратно-поступательное движение плунжеру 7 сжимающего-разжимающего пружину 8 с частотой возбуждения ƒ (Гц), благодаря чему возбуждаются колебания x платформы 4 с противнем 1 и находящимся на нем вермикулитовым концентратом, подаваемым по лотку. Платформа совершает колебания на роликах 11. Совокупная жесткость пружин 8 и 9, жесткость упругого элемента и масса платформы 4 определяют собственную частоту ее колебаний ƒ(Гц).
1
2
При вращении эксцентрика 5 с частотой ƒ, равной частоте собственных колебаний, ƒ платформой 4 с противнем 1 вводится в резонанс. Учитывая, что с правой стороны платформы 4 закреплен упругий элемент с ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения x вибрационной подовой платформы, возникают ярко выраженные несимметричные колебания.
уп
При движении платформы 4 вправо, ролики 19 (фиг. 2), прокатываясь по упругим пластинам 23, отгибают их в стороны и тем сильнее, чем больше увеличивается смещение х платформы 4. Это приводит к непропорционально большему (квадратичному) увеличению силы упругости F при смещении платформы на величину x. Такое же смещении x платформы 4 в случае, если бы вместо упругого элемента стояла простая цилиндрическая пружина, привело бы к пропорциональному и намного меньшему увеличении силы ее упругости.
В данном случае сила упругости равна:
уп
х
F=2N
х
В
y
гдеN - горизонтальная составляющая нормальной реакции N точках контакта роликов 19 и пластин 23, N - ее вертикальная составляющая (фиг. 2).
уп
Конструкция упругого элемента такова, что благодаря эксцентричной установке роликов 19, упругая сила возрастает еще больше за счет того, что при том же перемещении х платформы 4, ролики 19 перекатываются по пластине 23 от точки контакта а до новой точки контакта b+b'. При этом перекатывании от точки а до точки b, за счет эксцентриситета е, радиус ab становится больше, чем радиус oa, а это дополнительно отгибает пластины 23 и еще больше увеличивает силу упругости F упругого элемента, закрепленного с правой стороны платформы 4.
уп
Таким образом, из-за ярко выраженной (нелинейной) зависимости силы упругости F от перемещения x платформы 4 формируется переменная жесткость упругого элемента, возрастающая по мере увеличения x при ее движении вправо.
1
2
уп
1
2
1
2
При вращении эксцентрика 5 с частотой ƒ, равной частоте собственных колебаний ƒ, платформа 4 с противнем 1 вводится в резонанс и совершает несимметричные колебания, формирующиеся за счет переменной жесткости упругого элемента. Любая колебательная система, имеющая упругий элемент с указанной выше зависимостью F от x, расположенный с одной стороны обладает, так называемой «мягкой» амплитудно-частотной характеристикой - АЧХ (Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высш. школа. - 1977. - с. 255). В данном случае платформа 4 с противнем 1 также имеет мягкую АЧХ, показанную на фиг. 3. Вход в резонансный режим происходит в точке а в момент, когда частота возбуждения ƒ станет равной частоте собственной ƒ. В этот момент платформа 4 будет совершать колебания с амплитудой, соответствующей точке А. После входа в резонанс можно изменять амплитуду резонансных колебаний за счет расстройки частоты вращения эксцентрика 5 (частоты возбуждения ƒ) с собственной частотойƒ. При этом амплитуда колебаний А платформы будет определяться положением точек б, в, А,г и других на АЧХ, показанной на фиг. 3. График изменения виброперемещениях для платформы 4 с противнем 1, находящейся в резонансе и имеющей упругий элемент только с правой стороны, имеет вид, показанный на фиг. 4.
Очевидно, что это несимметричные колебания, при которых, как известно, создается односторонний вибротранспортный эффект (Бауман И.И., Быховский В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М., «Высш. школа», 1977, стр. 74). Они характеризуются тем, что максимальное абсолютное ускорение, направленное вправо не равно максимальному абсолютному ускорению, направленному влево.
Еслимаксимум ускорениявправо  больше (как в данном случае), чем
максимум ускорения влево  , и при этом будет выполняться условие:
Где ƒ - коэффициент трения вермикулита по металлической поверхности противня 1, m - масса вермикулитовой частицы (кг) и G- вес вермикулитовой частицы (Н), то частица и весь поток вермикулитовых зерен будет двигаться вправо без отрыва от поверхности противня 1, при этом движение будет иметь однонаправленный пульсирующий характер.
Вспучивающийся вермикулит, за счет несимметричных колебаний платформы движется слева направо и из печи выходит готовый вспученный продукт.
1
2
Изменяя частоту возбуждения ƒ эксцентриком 5 после начала резонансных колебаний в пределах от точки б до точки г, можно управлять виброперемещением x, амплитудой виброскорости ωА и амплитудой виброускорения ωА платформы 4 (ω=2πƒ), обеспечивая изменение средней скорости движения вермикулита по противню 1 и управление временем обжига.
Так вибротранспортирование обжигаемого вермикулита в пространстве обжига между противнем 1 и крышкой 3 теперь достигается при горизонтальном положении печи, это позволяет устранить охлаждение нагревателей 2 и вермикулита (так как воздушная тяга при горизонтальном положении противня и крышки в пространстве обжига не возникает), устранить связанные с этим тепловые потери, уменьшить габаритность и громоздкость печи при большей ее компактности.
Так достигается технический результат полезной модели, а именно -устранение тепловых потерь из-за отсутствия потока холодного воздуха в пространстве обжига между противнем и крышкой, уменьшение габаритности и громоздкости печи при достижении большей ее компактности за счет установки с одной стороны вибрационной подовой платформы упругих элементов с ярко выраженной зависимостью силы упругости от ее перемещения при несимметричных колебаниях, обеспечивающих вибротранспортный эффект.