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 № 169366, МПК F27B 9/06, С04B 20/06, опубликовано 15.03.2017), содержащая противни с крепежными головками и крышками, электрические нагреватели, размещенные под крышками и закрепленные на крепежных головках; противни выполнены в виде наклонно установленных на телах качения подвижных относительно электрических нагревателей оснований, снабженных приводным валом с эксцентриками и толкателем.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противни, крепежные головки, крышки, электрические нагреватели, размещенные под крышками и закрепленные на крепежных головках, при этом противни выполнены в виде подвижных оснований, установлены на телах качения и снабжены толкатели и эксцентриковым приводным валом.
Указанная печь обладает следующим недостатком. Эксцентриковый приводной вал возбуждает гармонические колебания каждого подвижного основания с противнями в режиме резонанса или близкого к резонансному.
При этом вибротранспортирование вермикулита по поверхности противней в тепловом поле, создаваемом электрическими нагревателями, происходит за счет их наклона к горизонту. Но при наклонном положении противней в пространстве между противнем и крышкой возникает интенсивное движение воздуха снизу вверх, обусловленное перепадом температур. Поток воздуха охлаждает электрические нагреватели и движущийся навстречу вермикулит и через конвективный теплообмен отводит от них значительную часть тепловой энергии, а это неизбежно снижает энергоэффективность печи и увеличивает потери тепловой и, следовательно, электрической энергии.
Известна также электрическая печь с вибрационной подовой платформой (RU № 166554, МПК F 27 В 9/06, опубликовано 27.11.2016). Она содержит противень из огнеупорного материала (жаростойкой стали), электрические нагреватели и термокрышку, вибрационную подовую платформу и крепежные головки для электрических нагревателей. При этом вибрационная подовая платформа выполнена горизонтальной, имеет эксцентриковый привод, цилиндрические и конические пружины, установленные с противоположных сторон платформы; платформа содержит ролики, размещенные в направляющих рамы, противень установлен на платформе, а термокрышка установлена на раме над противнем. Кроме того, рассматриваемая печь имеет систему натяжения электрических нагревателей с помощью подвесных грузиков.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из жаростойкой стали, электрические нагреватели, термокрышка, крепежные головки для закрепления электрических нагревателей; горизонтально расположенное подвижное основание в виде вибрационной подовой платформы, эксцентриковый привод, цилиндрические пружины, установленные с одной из сторон платформы, которая содержит ролики, размещенные в направляющих рамы, противень установлен на платформе, а термокрышка над противнем.
Указанная печь обладает следующим недостатком. Эксцентриковый привод возбуждает колебания вибрационной подовой платформы с противнем, расположенным горизонтально. Благодаря установке конических пружин с одной стороны при горизонтальном положении колебания должны быть не симметричными и создавать односторонний вибротранспортный эффект (Бауман И. И, Быховский В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М., «Высш. школа», 1977, стр. 74). Но при испытаниях такой платформы с противнем, установленными горизонтально, из-за не ярко выраженного вибротранспортного эффекта движения вермикулита по поверхности противня не происходило. И лишь при наклоне в 18°–19° к горизонту, движение вермикулита возникло, стало устойчивым и ярко выраженным однонаправленным потоком вниз под уклон. Увеличение жесткости конических пружин и их количества ни к чему не привело, поэтому работа рассматриваемой печи возможна только при наклонном положении противня и подовой платформы. Но при наклонном положении в пространстве между противнем и термокрышкой возникает значительное движение воздуха снизу вверх, обусловленное перепадом температур. Поток воздуха охлаждает электрические нагреватели, движущийся навстречу вермикулит и сам противень, и из-за конвективного теплообмена значительная часть тепловой энергии теряется безвозвратно, а это неизбежно снижает энергоэффективность печи, увеличивая энергоемкость процесса обжига вермикулита.
За прототип принята электрическая печь с вибрационной подовой платформой (RU № 186746, МПК F27B 9/08, F27B 0/08 опубликовано 31.01.2019),  содержащая раму с направляющими, горизонтально установленную на раме вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом с установленными с одной ее стороны цилиндрическими пружинами и с роликами, расположенными в направляющих рамы, установленный на вибрационной подовой платформе противень, установленную на раме термокрышку с электрическими нагревателями с крепежными головками, расположенными на термокрышке, при этом она снабжена упругим элементом, закрепленным с другой стороны вибрационной подовой платформы и содержащим корпус, в котором установлены ролики с эксцентрично смещенными осями, и упругие пластины, расположенные в контакте с роликами упомянутой платформы и жестко закрепленные на раме посредством резьбового соединения.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются рама с направляющими, горизонтально установленная на раме вибрационная подовая платформа с эксцентриковым приводом и установленными с одной ее стороны цилиндрическими пружинами и роликами, расположенными в направляющих рамы, установленный на вибрационной подовой платформе противень, установленная на раме термокрышка с электрическими нагревателями и крепежными головками, расположенными на термокрышке и упругий элемент, закрепленный с противоположной стороны вибрационной подовой платформы.
Печь, принятая за прототип и содержащая описанный упругий элемент, имеет недостаток, заключающийся в значительной сложности конструкции упругого элемента, за счет которого достигается вибротранспортный эффект. При работе печи эксцентриковый привод возбуждает не симметричные колебания вибрационной подовой платформы с противнем. Благодаря установке упругого элемента с одной стороны платформы при горизонтальном ее положении, создаются не симметричные колебания и ярко выраженный односторонний вибротранспортный эффект (Бауман И. И, Быховский В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М., «Высш. школа», 1977, стр. 74). В отличие от рассмотренных выше аналогов, в прототипе при горизонтальном положении противней не возникает потока воздуха, который мог бы охлаждать электрические нагреватели и движущийся по противню вспучивающийся вермикулит. Тем не менее, использование упругих элементов, содержащих корпуса с роликами с эксцентрично смещенными осями и упругими пластинами, усложняет конструкцию вибрационной подовой платформы и печи в целом, при том, что такой же результат может быть достигнут более простыми средствами. Более сложная конструкция приводит и к удорожанию печи, и к снижению ее надежности.
Заявляемая полезная модель при том же результате позволяет значительно упростить конструкцию печи с вибрационной подовой платформой.
Технический результат полезной модели заключается в упрощении конструкции и, как следствие, в повышении ее надежности и уменьшении стоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь с вибрационной подовой платформой, содержащая раму с направляющими, горизонтально установленную на раме вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом и цилиндрическими пружинами, установленными с одной ее стороны и роликами, расположенными в направляющих рамы, закрепленный на вибрационной подовой платформе противень, установленную на раме термокрышку с электрическими нагревателями и крепежными головками, расположенными на термокрышке, содержит дополнительный упругий элемент, закрепленный с другой стороны вибрационной подовой платформы между торцом платформы и регулировочной пластиной, связанной с упором рамы винтом, выполненный из рессорно-пружинной стали в виде сплюснутого до некоторого начального размера кольца, изменяемого упомянутыми регулировочной пластиной с винтом, при этом цилиндрические пружины также снабжены винтами для регулирования заданного исходного положения платформы.
Установка дополнительного упругого элемента с другой относительно цилиндрических пружин стороны позволяет создать несимметричные колебания вибрационной подовой платформы вместе с противнем, причем такие, что при движении платформы вправо на величину х, начальный размер сплюснутого кольца уменьшается, его жесткость из-за уменьшения радиуса кривизны возрастает, что вызывает увеличение силы упругости со стороны дополнительного упругого элемента по степенной зависимости, а при ее движении влево на величину х, начальный размер сплюснутого кольца увеличивается, его жесткость из-за увеличения радиуса кривизны снижается и это вызывает уменьшение силы упругости со стороны упомянутого упругого элемента. Таким образом формируется ярко выраженная нелинейная зависимость силы упругости дополнительного упругого элемента от перемещения вибрационной подовой платформы х и возникает переменная жесткость упругого элемента.
Как и любая другая колебательная система, имеющая упругий элемент со степенной зависимостью силы упругости от его деформации, расположенный с одной стороны, платформа с противнем обладает, так называемой, «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) и вспучиваемый вермикулит движется по противню со стороны загрузки вертикулитового концентрата в стороны выхода вспученного готового продукта.
Благодаря регулировочным пластинам, связанным через винт с упором рамы, обеспечивается регулирование начального размера сплюснутого кольца, что позволяет изменить начальное значение его жесткости, а следовательно и начальное значение собственной частоты колебаний системы «платформа и пружины с упругим элементом», что в конечном итоге обеспечивает возможность изменять положение резонансного пика АЧХ относительно оси частот и управлять (совместно с эксцентриковым приводом) частотой колебаний вибрационной подовой платформы. При этом винты цилиндрических пружин позволяют после изменения начального размера сплюснутого кольца установить платформу в исходное положение.
Таким образом, установка дополнительного упругого элемента между торцом вибрационной подовой платформы и регулировочной пластиной, позволяет создавать вибротранспортирование вермикулита в пространстве обжига между противнем и крышкой при горизонтальном положении печи, при этом устройство дополнительного упругого элемента отличается предельной простотой конструкции по сравнению с упругим элементом прототипа.
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 плат-формой.
На фиг. 2 показан фрагмент сплюснутого кольца, как расчетная схема кривого бруса.
На фиг. 3. показана схема к расчету и построению упругой характеристики сплюснутого кольца упругого элемента
На фиг. 4 показан график зависимости силы упругости сплюснутого кольца от его абсолютной деформации.
На фиг. 5 показана «мягкая» амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) платформы с противнем электрической печи.
На фиг. 6 показаны несимметричные колебания подовой платформы печи.
Электрическая печь с вибрационной подовой платформой, показанная на фиг. 1, содержит противень 1 из жаростойкой стали, электрические нагреватели 2, термокрышку 3, вибрационную подовую платформу 4 (далее платформа) с эксцентриковым приводом, содержащим эксцентрик 5, плунжер 6, размещенный в цилиндре и пружину 7. Цилиндрические пружины 8 установлены с левой стороны платформы 4, снабженной роликами 9, размещенными в направляющих 10 рамы 11. Термокрышка 3 установлена на раме 11 над противнем 1, а крепежные головки 12 зафиксированы на термокрышке 3 через диэлектрические прокладки (на фиг. 1 не показаны) и имеют зажимы в виде пластин 13 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 14, закрепленных на термокоышке 3 через диэлектрические прокладки, и установленных вдоль каждого электрического нагревателя 2 с заданным шагом.
С правой стороны платформы 4 установлен упругий элемент 15, выполненный из рессорно-пружинной стали в виде сплюснутого до некоторого начального размера кольца и закрепленный с другой стороны вибрационной подовой платформы 4 между торцом платформы и регулировочной пластиной 16, связанной с упором рамы 17 винтом 18. Цилиндрические пружины 8 также снабжены винтами 19 для регулирования заданного исходного положения платформы 4.
Электрическая печь с вибрационной подовой платформой работает следующим образом, фиг. 1. Электрические нагреватели 2 подключают к сети и прогревают рабочее пространство между противнем 1 и нижней поверхностью термокрышки 3. После прогрева включают привод эксцентрика 5 (на фиг. 1 не показан), который задает возвратно-поступательное движение плунжеру 6 сжимающего-разжимающего пружину 7 с угловой частотой возбуждения щ (рад/с), благодаря чему возбуждаются колебания х платформы 4 с противнем 1, закрепленным на ней, и находящимся на нем вермикулитовым концентратом, подаваемым по лотку (сырье). Платформа совершает колебания, перекатываясь своими роликами 9 по направляющим 10 рамы 11.
0
0
Суммарная жесткость пружин 7 и 8, жесткость упругого элемента 15 и масса платформы 4 с противнем 1 определяют собственную частоту ее колебаний щ (рад/с). При вращении эксцентрика 5 с частотой щ, равной частоте собственных колебаний щ, платформа 4 с противнем 1 вводятся в резонанс.
С правой стороны платформы 4 закреплен упругий элемент 15, выполненный из рессорно-пружинной стали в виде сплюснутого до некоторого начального размера кольца и закрепленный с другой (правой) стороны платформы 4, который обладает ярко выраженной зависимостью силы упругости от перемещения х подовой платформы 4.
Изображения на фиг. 2 и 3 это схемы к расчету сплюснутого кольца (кривого бруса [http://soprotmat.ru/kriv.htm]) и к построению упругой характеристики упругого элемента 15.
Расчет горизонтального перемещения т. а производится по формуле:
(1)
4
где д – горизонтальное перемещение сечения кривого бруса в т. а (м), фиг. 2, F – сила упругости, действующая в т. а (Н), с – радиус кривизны бруса (м), зависящий от положения т. а, Е – модуль упругости материала кривого бруса (сплюснутого кольца) кольца (Па), I – момент инерции сечения относительно центральной оси, параллельной нейтральной линии (м).
Из формулы (1) можно получить зависимость силы упругости F от горизонтального перемещения д сечения кривого бруса (фиг. 2) в т. а:
При деформировании исходного круглого кольца, фиг. 3, до сплюснутого состояния силу упругости F надо определять по формуле:
(2)
так как на сжатие работают два кривых бруса (два фрагмента сплюснутого кольца), фиг. 2.
Если учесть, фиг. 3, что:
д = 2R – 2 с,
где R – радиус исходного кольца, то:
Тогда формула (2) примет следующий вид:
(3)
По формуле (3) строим зависимость силы упругости F сплюснутого кольца упругого элемента подовой платформы от задаваемой абсолютной деформации д, показанную на фиг. 4.
6
2
4
При построении указанной зависимости были заданы следующие значения: R = 10 см, Е = 2,1·10 кгс/см, I = 0,0162 см, при этом момент инерции сечения определялся по формуле:
где b – ширина сечения сплюснутого кольца (6 см), h – толщина сечения сплюснутого кольца (0,3 см).
График, показанный на фиг. 4 отражает зависимость силы упругости сплюснутого кольца упругого элемента 15 платформы 4 (фиг. 1), выполненного из рессорно-пружинной стали, от его (кольца) абсолютной деформации д.
Очевидно, что представленная зависимость является существенно нелинейной, поэтому, когда при движении платформы 4 вправо (фиг. 1 и 3), увеличивается смещение х, то это приводит к непропорционально бульшему (степенному) увеличению силы упругости F. Такое же смещении х платформы 4 вправо в случае, если бы вместо упругого элемента 15 в виде сплюснутого кольца стояла простая цилиндрическая пружина, привело бы к пропорциональному и намного меньшему увеличении силы упругости F.
Учитывая, что с правой стороны платформы 4 закреплен упругий элемент 15 с ярко выраженной нелинейной зависимостью силы упругости от перемещения х вибрационной подовой платформы 4, возникают ее ярко выраженные несимметричные колебания.
Таким образом, из-за ярко выраженной нелинейной зависимости силы упругости F от перемещения х платформы 4 формируется переменная жесткость упругого элемента 15, возрастающая по мере увеличения х при ее движении вправо.
0
При вращении эксцентрика 5 с угловой частотой щ, равной частоте собственных колебаний щ, платформа 4 с противнем 1 вводится в резонанс и совершает несимметричные колебания, формирующиеся за счет переменной жесткости упругого элемента 15. Любая колебательная система, имеющая упругий элемент с указанной выше зависимостью F = f (д), расположенный с одной стороны (в данном случае справа) 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) и имеющей вид, показанный на фиг. 5.
0
0
Вход в резонансный режим происходит в точке а в момент, когда частота возбуждения щ станет равной собственной частоте колебаний платформы 4 щ. В этот момент платформа 4 будет совершать колебания с амплитудой, соответствующей точке А на амплитудно-частотной характеристике. После входа в резонанс можно изменять амплитуду резонансных колебаний за счет расстройки частоты вращения эксцентрика 5 (частоты возбуждения щ) с собственной частотой щ. При этом амплитуда колебаний А платформы 4 будет определяться положением точек б, в, А, г и других на АЧХ, показанной на фиг. 6.
График виброперемещения х для платформы 4 с противнем 1, находящихся в резонансе и имеющих односторонний упругий элемент в виде сплюснутого кольца только с правой стороны, будет имеет вид, показанный на фиг. 6.
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.  Если   максимум ускорения
Вправо   больше (как в данном случае), чем максимум ускорения влево
,
и при этом будет выполняться условие
> fG / m> ,
где f – 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.
2
Изменяя частоту возбуждения щэксцентриком 5 после начала резонансных колебаний в пределах от точки б до точки г, можно управлять виброперемещением х, амплитудой виброскорости щА и амплитудой виброускорения щА платформы 4, 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, поэтому не возникает потока воздуха, который мог бы охлаждать электрические нагреватели 2 и движущийся по противню 1 вспучивающийся вермикулит, а сложный по устройству упругий элемент из корпуса с роликами с эксцентрично смещенными осями и упругими пластинами, устраняется на простой – в виде сплюснутого кольца, что позволяет значительно упростить конструкцию печи с вибрационной подовой платформой.
Так достигается технический результат полезной модели, заключающийся в упрощении конструкции, приводящей к повышению ее надежности и уменьшению стоимости.