МЕШАЛКА ДЛЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
MIXER FOR VISCOUS LIQUIDS

Изобретение относится к аппаратам с мешалкой для вязких жидкостей, используемых в строительной, сельскохозяйственной, химической и других отраслях народного хозяйства.
Известна мешалка для вязких жидкостей, содержащая корпус с крышкой, приводной вал, который посредством универсального шарнира соединен с верхним концом рабочего вала, размещенного в корпусе (Авт. св. СССР №392959. Мешалка для вязких жидкостей. М. кл. B01F 7/16. Заявлено 30.05.1970, опубл. 10.08.1973. Б.И. №33). На рабочем валу закреплены несимметричные относительно его продольной оси перемешивающие органы, например, лопатки.
Недостаток этой мешалки заключается в малой эффективности перемешивания вязких жидкостей. При вращении рабочего вала с лопатками зона их воздействия на перемешиваемую жидкость ограничивается конусом вращения, образующей которого является рабочий вал. Угол, на который отклоняется вал, очень мал, а в верхней части корпуса жидкость практически не перемешивается.
Кроме того, в процессе перемешивания сопротивление жидкости будет изменяться и для устойчивой работы устройства необходимо изменять частоту вращения, т.е. это устройство требует дополнительное следящее устройство, так как при большой высоте емкости и большой частоте вращения нижний конец вала может задевать за стенку корпуса.
3
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран смеситель для вязких жидкостей (Авт. св. №841663 СССР. Смеситель для вязких жидкостей. М. кл B01F 7/16. Заявлено 03.05.1978, опубл. 30.06.1981, Б.И. №24).
Смеситель содержит корпус с крышкой, привод, вал которого посредством кривошипа со скрещивающимися осями шарниров соединен с рабочим валом, на котором закреплены перемешивающиеся органы, например, лопасти. Нижний конец рабочего вала также шарнирно связан посредством кривошипа с корпусом.
Кривошипы определяются двумя параметрами: длиной  (кратчайшим расстоянием между осями шарниров) и углом α скрещивания между осями шарниров (скрещивающиеся оси - это оси, которые не параллельны и нигде не пересекаются между собой).
Угол α скрещивания следует отсчитывать против часовой стрелки, принимая за начало отсчета ось шарнира, обращенного к наблюдателю; угол скрещивания осей шарниров кривошипов может лежать в пределах от 6 до 50° или от 174 до 130°.
Параметры кривошипов  α и длина вала  связаны соотношением  и плоскости вращения кривошипов взаимно перпендикулярны. К недостаткам этого устройства - прототипа относится недостаточная эффективность перемешивания трудно смешиваемых вязких жидкостей по причине того, что рабочим валом с лопастями не весь объем корпуса охватывается движением, следовательно, имеются в корпусе емкости зоны, в которых жидкость не перемешивается. По этой причине качество перемешивания (однородность) смеси не достигается нужной величины, хотя время на процесс перемешивания достаточно продолжительное.
Цель изобретения - интенсификация процесса перемешивания вязких жидкостей посредством охватывания рабочими лопастями всего объема корпуса емкости.
1
3
5
1
4
5
Указанная цель достигается тем, что мешалка, содержащая корпус с крышкой, привод, рабочий вал с лопастями, шарнирно связанный с двумя кривошипами, снабжена вторым рабочим валом, шарнирно соединенным с первым рабочим валом и ведомым кривошипом, при этом угол скрещивания геометрических осей шарниров ведущего кривошипа и второго рабочего вала и кратчайшие расстояния между этими осями одинаковы, т.е. α=α и ; геометрические оси валов вращения ведущего и ведомого кривошипов расположены под углом скрещивания α>α и отстоят на кратчайшем расстоянии , равном кратчайшему расстоянию  между геометрическими осями шарниров ведомого кривошипа; угол скрещивания α геометрических осей шарниров ведомого кривошипа равен разности 180° и угла α, геометрические оси шарниров первого рабочего вала параллельны и расположены друг от друга на расстоянии , и отношение кратчайших расстояний между шарнирами ведущего и ведомого кривошипов равно отношению синусов углов скрещивания геометрических осей их шарниров, т.е. .
Общими признаками прототипа и предложенного устройства мешалки являются наличие корпуса с крышкой, привода, рабочего вала с лопастями и двух кривошипов со скрещенными осями шарниров.
У прототипа кривошипы (ведущий и ведомый) имеют одинаковые параметры: угол α скрещивания геометрических осей шарниров, имеющий значение от 6 до 50° или от 174 до 130°, и кратчайшее расстояние  между геометрическими осями шарниров. Валы вращения кривошипов скрещены под прямым углом и отстоят друг от друга на расстоянии .
Точно такие параметры имеет и рабочий вал, его геометрические оси шарниров скрещены под прямым углом и расположены на расстоянии . Длина  вала и параметры кривошипов  и α связаны соотношением .
Отличительными признаками предложенной мешалки для вязких жидкостей от прототипа являются следующие:
- мешалка снабжена вторым рабочим валом;
3
1
3
1
- параметры второго рабочего вала одинаковы с параметрами ведущего кривошипа, т.е. угол α скрещивания геометрических осей шарниров вала равен углу α скрещивания геометрических осей шарниров ведущего кривошипа (α=α) и кратчайшее расстояние  между геометрическими осями шарниров второго вала равно кратчайшему расстоянию  между геометрическими осями шарниров ведущего кривошипа ;
5
1
5
1
- геометрические оси валов вращения ведущего и ведомого кривошипов скрещены под углом α, который должен быть больше угла α т.е. α>α, и отстоят эти оси друг от друга на кратчайшем расстоянии ;
4
5
4
5
- геометрические оси шарниров ведомого кривошипа скрещены под углом α, равным разности 180° и угла α скрещивания валов вращения ведущего и ведомого кривошипов, т.е. α=180°-α и отстоят друг от друга на кратчайшем расстоянии ;
- геометрические оси шарниров первого рабочего вала параллельны и расположены друг от друга на расстоянии ;
- отношение кратчайших расстояний между шарнирами ведущего и ведомого кривошипов равно отношению синусов углов скрещивания геометрических осей их шарниров, т.е. .
Цель изобретения достигается благодаря тому, что мешалка снабжена дополнительным вторым рабочим валом, особым, пространственным расположением в корпусе емкости двух кривошипов и двух рабочих валов, их скрещенными геометрическими осями шарниров, закреплением лопастей на кривошипах и валах.
Такая совокупность признаков обеспечивает движение, как кривошипов, так и рабочих валов по разным траекториям и законам, причем ведущий кривошип имеет постоянную угловую скорость вращения, а два рабочих вала и ведомый кривошип - переменную скорость. Рабочие лопасти охватывают движением весь объем корпуса емкости, застойные зоны здесь полностью отсутствуют.
Дополнительный эффект интенсификации возникает еще от инерционного силового воздействия лопастей двух рабочих валов и ведомого кривошипа, имеющих переменную скорость движения.
Все это позволяет производить смесеобразование любых жидкостей за короткий промежуток времени с высоким качеством (однородностью).
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом, на котором показана кинематическая схема мешалки. (На схеме углы скрещивания и кратчайшие расстояния показаны с некоторым искажением, так как точно изобразить пространственное (трехмерное) расположение элементов мешалки на плоскости затруднительно).
Мешалка для вязких жидкостей содержит ведущий кривошип 1, шарнирно соединенный с первым рабочим валом 2, который шарнирно связан со вторым рабочим валом 3, последний также шарнирно соединен с ведомым кривошипом 4.
Ведущий кривошип 1 и ведомый кривошип 4 своими валами шарнирно установлены в корпусе 5. На кривошипах 1, 4, рабочих валах 2 и 3 закреплены лопасти 6 симметрично и асимметрично. Корпус 5 закрыт крышкой 7.
На корпусе 5 закреплен источник привода 8, вал которого соединен с валом ведущего кривошипа 1.
Особенность кривошипов и валов заключается в значении их параметров: углов скрещивания (скрещивающиеся оси - это оси, которые не параллельны и нигде не пересекаются между собой) геометрических осей шарниров и кратчайших расстояний между этими геометрическими осями шарниров (кратчайшие расстояния у кривошипов и второго рабочего вала измеряются не по телу, а находятся вне тела и подсчитываются с учетом размеров шарниров).
Параметры кривошипов и рабочих валов имеют следующие значения.
1
У ведущего кривошипа 1 геометрические оси шарниров скрещены под углом α и отстоят друг от друга на кратчайшем расстоянии . Значение угла может находиться в пределах от 15 до 60°.
Кратчайшее расстояние  определяется из отношений кратчайших расстояний между шарнирами ведущего и ведомого кривошипов и синусов углов скрещивания геометрических осей их шарниров, т.е. .
Первый рабочий вал 2 имеет расположение геометрических осей шарниров параллельное, т.е. угол между осями равен 0 или 180° и расположены оси друг от друга на расстоянии . Расстояние  измеряется по материальной длине рабочего вала, в отличие от других звеньев мешалки, у которых кратчайшие расстояние между осями шарниров расположены вне тел.
3
1
Второй рабочий вал 3 имеет параметры такие же, как и параметры ведущего кривошипа 1, т.е. угол скрещивания геометрических осей шарниров α=α и кратчайшее расстояние между осями шарниров .
4
5
Ведомый кривошип 4 имеет геометрические оси шарниров, скрещенные под углом α=180°-α, и кратчайшее расстояние .
5
5
5
1
Угол α есть угол скрещивания геометрических осей валов вращения ведущего кривошипа 1 и ведомого кривошипа 4 (то же самое угол скрещивания между шарнирами корпуса емкости 5),  - кратчайшее расстояние между геометрическими осями валов вращения ведущего и ведомого кривошипов, соответственно, 1 и 4. Угол α должен удовлетворять условию α>α.
5
Кратчайшее расстояние  и угол α назначают в соответствии с размерами корпуса емкости 5, диаметра и высоты.
В мешалке параметры ведущего и ведомого кривошипов взаимосвязаны через отношение кратчайших расстояний между шарнирами ведущего и ведомого кривошипов и отношение синусов углов скрещивания геометрических осей их шарниров, т.е. .
Следует отметить, что в мешалке все шарнирные соединения кривошипов и рабочих валов оформлены на стандартных подшипниках качения, которые имеют высокий КПД (пара подшипников порядка 0,98-0,99), легко изолируются, надежны и долговечны. Следовательно, устройство имеет и малые энергозатраты.
Мешалка работает следующим образом.
От привода 8 вращение передается ведущему кривошипу 1, который передает движение первому рабочему валу 2, второму рабочему валу 3 и ведомому кривошипу 4. Лопасти 6, закрепленные на двух кривошипах и двух рабочих валах, охватывают движением весь объем корпуса емкости 5. Так, ведущий кривошип 1 с лопастями 6 вращается с постоянной угловой скоростью в правой верхней части объема емкости.
Рабочий вал 2, соединенный с ведущим кривошипом 1, имеет вращение с постоянной скоростью, а другая часть, соединенная со вторым рабочим валом 3, вращается с переменной угловой скоростью, охватывая проработкой жидкости в верхней и центральной частях корпуса емкости.
Второй рабочий вал 3 и ведомый кривошип 4 с лопастями имеют вращение с переменной угловой скоростью, перемешивая жидкость в нижней части емкости.
Кроме интенсификации перемешивания от сложного пространственного движения двух кривошипов и двух рабочих валов на жидкость дополнительно действуют инерционные воздействия от переменной угловой скорости двух рабочих валов и ведомого кривошипа. Таким образом, в емкости возникают объемные турбулентные движения перемешиваемой жидкости, обеспечивая быстрое однородное смесеобразование практически любых жидкостей.
Интенсивность перемешивания регулируется частотой вращения кривошипов и рабочих валов, а также их параметрами.
Технико-экономическая эффективность мешалки выражается в значительном повышении однородности смеси и повышении производительности перемешивания.
Пример конструктивного воплощения устройства
Конструирование мешалки начинается с выбора вместимости корпуса емкости 5. Например, примем диаметр корпуса емкости, равной 700 мм, высоту - 1000 мм. Для такой емкости назначим кратчайшее расстояние  между геометрическими осями валов кривошипов 1 и 4, равное . Соответственно, такое же расстояние будет между геометрическими осями шарниров у ведомого кривошипа, т.е. .
1
5
5
1
5
4
4
5
Примем угол α скрещивания геометрических осей шарниров ведущего кривошипа равным 25°, а угол α должен удовлетворять условию α>α, назначим угол α равным 60°. Тогда угол α скрещивания геометрических осей шарниров ведомого кривошипа 4 определится из условия α=180°-α=180°-60°=120°.
Теперь определяется кратчайшее расстояние  между геометрическими осями шарниров ведущего кривошипа 1, пользуясь взаимосвязью . Из этого выражения определяется .
3
3
1
3
1
Второй рабочий вал 3 имеет такие же параметры, как и параметры ведущего кривошипа 1, т.е. угол α скрещивания геометрических осей шарниров и кратчайшее расстояние   между ними, т.е. α=α и , α=α=25° и .
Первый рабочий вал 2 имеет расположение геометрических осей шарниров параллельное, т.е. угол между осями равен 0 или 180° и расположены оси друг от друга на расстоянии .
3
i
2
4
5
Таким образом, параметры элементов мешалки имеют следующие значения: корпус емкости имеет диаметр 700 мм, высоту - 1000 мм, α=α=25° и , , α=0° или 180°, α=180°-α=180°-60°=120°, .
В таком порядке конструируют мешалки для вязких жидкостей под другие размеры емкостей.