ГЕНЕРАТОР КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ И СМЕСИТЕЛЬ-ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ НА ЕГО ОСНОВЕ
TORSIONAL VIBRATIONS GENERATOR AND MIXER-GRINDER ON ITS BASE

Изобретение относится к пищевой, микробиологической, косметической, фармацевтической, химической, нефтехимической и другим областям промышленности.
Изобретение может быть использовано при смешении гомо- и гетерогенных многокомпонентных жидких продуктов с высокой вязкостью, смешении высоковязких жидкостей и порошков с возможностью одновременного дробления порошков до нано размеров в среде смешиваемых компонентов.
Технология смешения многокомпонентных жидких продуктов с высокой вязкостью, измельчение порошков, смешение высоковязких жидкостей с порошками и одновременном их измельчении по всему объему, основана на применении привода, работающем в режиме механического резонанса, в виде двухвального электромеханического генератора крутильных колебаний совместно с технологическим устройством в виде смесителя.
В известном изобретении, патент RU 2088324, С1 Кл. B01F 11/02, 27.08.1997 предложен смеситель для получения гомогенных многокомпонентных смесей в вихревой камере, в которой с помощью энергии вихря происходит смешение подаваемых исходных компонентов смеси. Процесс смешения основан на взаимодействии посредством трения жидкостных слоев в образованном вихре.
В изобретении, патент RU 2032325, Кл. A01J 11/16, 10.04.1995 предложен гомогенизатор для многокомпонентных жидких продуктов, в котором для усиления эффекта смешения и гомогенизации применен вихревой генератор с направляющей лопаткой для направления потока жидкого продукта в зону кавитации. Эффект достигается при использовании кинетической энергии радиально-тангенциального потока, а также применением различных вихревых и резонансных камер.
Общим недостатком отмеченных аналогов является то, что использование вихревых генераторов не позволяет гомогенизировать компоненты с высокой степенью вязкости.
В известном способе SU №484070, Кл. В24, В 31/12, В03, В 7/00, 15.09.1975 для транспортировки, активации, смешения жидкостей и многофазных сред, содержащих жидкость, применен привод на базе генератора крутильных колебаний.
Привод содержит упругую стойку-торсион разделенный на две неравнозначные части по длине, узел соединения которых через якоря электромагнитов посредством виброизоляторов опирается на корпус, выполняющий роль фундамента.
На конце длинной части торсиона расположен вибронасос, а на конце короткой части установлена реактивная плита с закрепленными на ней электромагнитами.
К недостаткам представленного метода преобразования энергии электромагнитных импульсов в механические колебания можно отнести то, что возбуждение колебаний осуществляется посредством возбуждения крутильных колебаний в короткой стойке торсиона с реактивной плитой с дальнейшей передачей энергии этих колебаний на более длинную часть стойки торсиона. Это приводит к тому, что согласно представленной динамической схемы трехмассовой колебательной системы место соединения двух частей торсионов не находятся в узловой точке, поэтому имеет отличные от нуля амплитуды крутильных колебаний, которые посредством виброизоляторов передаются на корпус, выполняющий роль фундамента. Кроме того, это приводит к потере механической энергии в виброизоляторе.
Также к недостаткам представленной динамической схемы трехмассовой колебательной системы можно отнести то, что использование электромагнита с якорем, работающим на притяжение, не позволяет работать на больших перемещения якоря, что приводит к неизбежности увеличивать мощность электромагнитов, а также приводит к увеличению, как массогабаритных характеристик, так и к уменьшению коэффициента полезного действия вибрационного насоса в целом.
Задачей группы изобретений является обеспечения смешения гомо- и гетерогенных многокомпонентных жидких продуктов с высокой вязкостью, смешения высоковязких жидкостей и порошков с возможностью одновременного дробления порошков до нано размеров в среде смешиваемых компонентов.
Указанная задача изобретения решена тем, что в генераторе крутильных колебаний, содержащий корпус, платформу, реактивный диск, основной торсион, разделенный на две неравнозначные части, узловую точку соединения частей основного торсиона, электромагнитную систему, в котором согласно изобретению генератор снабжен дополнительным торсионом и реактивным диском, при этом длинная часть основного торсиона соединена с платформой, реактивный диск расположен на конце короткой части торсиона, а узловая точа жестко соединена с корпусом, причем возбуждение крутильных колебаний осуществлено посредством дополнительного торсиона, подсоединенного одним концом к концу длинной части основного торсиона посредством платформы, а другим - к электромагнитной системе воздействия на дополнительный торсион.
Кроме того, основной торсион выполнен в виде круглой трубы.
Кроме того, дополнительный торсион расположен внутри основного торсиона.
Кроме того, электромагнитная система воздействия на дополнительный вал-торсион осуществляется посредством якоря, электромагнитная система которого взаимодействует с электромагнитной системой статора.
Кроме того, электромагнитная система воздействия на дополнительный вал-торсион выполнена в виде одной или нескольких обмоток статора с магнитопроводом и рамки в виде одной или нескольких обмоток ротора с магнитопроводом и находящихся в магнитном поле статора.
Кроме того, электромагнитная система воздействия на дополнительный вал-торсион выполнена в виде одной или нескольких пар постоянных магнитов, встроенных в магнитопровод статора и рамки в виде одной или нескольких обмоток ротора с магнитопроводом и находящихся в постоянном магнитном поле статора.
Кроме того, электромагнитная система воздействия на дополнительный вал-торсион выполнена в виде одной или нескольких обмоток статора с магнитопроводом, одни из которых создают постоянное магнитное поле, другие переменное магнитное поле, и короткозамкнутых витков обмотки ротора с магнитопроводом.
Указанная задача решена также и в смесителе-измельчителе, содержащем корпус и генератор, в котором согласно изобретению он снабжен механическими телами, обеспечивающими смешение и измельчение исходных компонентов смеси, при этом генератор выполнен в виде генератора крутильных колебаний, корпус выполнен цилиндрическим и установлен на опорах с возможностью вращения посредством колеса, связанного с электродвигателем, по центральной оси корпуса расположен вал, соединенный с генератором и с корпусом посредством подшипников с уплотнениями, и состоящий из трех частей, верхняя часть которого выполнена трубчатой, средняя - цельной, а нижняя - частично трубчатой.
Кроме того, механические тела выполнены в виде колец, между которыми находятся тела качения - шарики, цилиндрические или конические ролики.
Кроме того, механические тела выполнены в виде прижатых друг к другу плоских дисков.
Кроме того, механические тела выполнены в виде штырей, которые имеют форму круга, полукруга, двойного сегмента, треугольника и треугольника с двумя вогнутыми сторонами.
Кроме того, механические тела выполнены в виде прижатых к друг другу штырей с острыми кромками и выполняющими роль ножниц при обработке компонентов с волоконными составляющими.
Перечень фигур и их краткое описание.
Фиг. 1 - динамическая схема трехвальной колебательной системы генератора крутильных колебаний.
Фиг. 2 - устройство электромагнитного возбудителя в сечение F-F.
Фиг. 3 - схема подключения обмоток электромагнитного возбудителя статора и ротора.
Фиг. 4 - устройство электромагнитного возбудителя в сечении F-F с увеличенной силой взаимодействия статора и ротора.
Фиг. 5 - схема подключения обмоток электромагнитного возбудителя статора и ротора с увеличенной силой взаимодействия.
Фиг. 6 - устройство электромагнитного возбудителя в сечении F-F, с двумя постоянными магнитами в статоре.
Фиг. 7 - схема подключения обмотки ротора электромагнитного возбудителя с двумя постоянными магнитами в статоре.
Фиг. 8 - устройство электромагнитного возбудителя в сечении F-F, с четырьмя постоянными магнитами в статоре.
Фиг. 9 - схема подключения обмотки ротора электромагнитного возбудителя с четырьмя постоянными магнитами в статоре.
Фиг. 10 - устройство электромагнитного возбудителя в сечении F-F с короткозамкнутым ротором.
Фиг. 11 - схема подключения обмоток статора электромагнитного возбудителя с короткозамкнутым ротором к источнику постоянного и переменного тока.
Фиг. 12 - устройство электромагнитного возбудителя в сечении F-F с короткозамкнутым ротором с увеличенной силой взаимодействия электромагнитных систем статора и ротора.
Фиг. 13 - схема подключения обмоток статора электромагнитного возбудителя с короткозамкнутым ротором к источнику постоянного и переменного тока.
Фиг. 14 - блок схема устройства смесителя-измельчителя на базе трехвального электромеханического генератора крутильных колебаний для смешения с порошками многокомпонентных жидких продуктов с высокой вязкостью.
Фиг. 15 - устройство для смешения трех компонентов - двух жидких и одного порошкообразного с одновременным измельчением последнего.
Фиг. 16 - устройство измельчителя-смесителя, работающего на трении скольжения при различных формах дисков в пакетах.
Фиг. 17 - диски с обращенными во внутрь штырями.
Фиг. 18 - диски с обращенными наружу штырями.
Фиг. 19 - форма штыря в виде круга.
Фиг. 20 - форма штыря в виде полукруга.
Фиг. 21 - форма штыря в виде сегмента.
Фиг. 22 - форма штыря в виде двойного сегмента.
Фиг. 23 - форма штыря в виде треугольника.
Фиг. 24 - форма штыря в виде треугольника с двумя вогнутыми сторонами.
Указанных недостатков лишена представленная на Фиг. 1 динамическая схема трехвальной колебательной системы генератора крутильных колебаний. По этой схеме в соединении двух частей торсиона, выполненных в виде трубы, находится узловая точка, что позволяет жесткое соединение этого места валов к корпусу или к фундаменту, а применение дополнительного торсиона позволяет оказывать прямое воздействие на технологическое устройство или другие узлы и агрегаты. В качестве электромагнитного возбудителя применена система рамки-якоря в магнитном поле статора, позволяющая осуществлять большие угловые перемещения.
По аналогии с прототипом, в динамической схеме трехвальной колебательной системы крутильных колебаний (Фиг. 1) торсион разделен на две неравнозначные части; 2 - больший по длине торсион, соединенный с платформой 3 служащей приводом для технологического устройства и короткий торсион 9 на конце которого находится реактивный диск 10. Сечение соединения 7 этих двух торсионов является узловой точкой, которая обеспечивается настройкой реактивной опоры состоящей из короткого торсиона 9 и реактивного диска 10.
Угловые колебания платформы 3 возбуждаются обмоткой рамки 4 находящейся в магнитном поле электромагнитной системы 6 с магнитопроводом статора 5 посредством дополнительного торсиона 1.
Узловая точка 7 соединения торсионов 2 и 9 жестко связана с корпусом 8 устройства генератора крутильных колебаний. Так же жестко связана с корпусом 8 электромагнитная система 6 с магнитопроводом статора 5.
Трехвальный электромеханический генератор крутильных колебаний работает следующим образом.
Подаваемые на электромагнитную системы 6 с некоторой частотой электрические импульсы синусоидальной формы через магнитопровод 5 воздействуют на обмотку рамки 4, которая механически воздействует на последовательно соединенные торсионы 1 и 2.
С учетом моментов инерций масс обмотки рамки 4 и платформы 3 (с присоедимненной подвижной массы технологического устройства) крутильные колебания платформы имеют механический резонанс равный частоте подаваемых электрических импульсов.
Регуляторами тонкой настройки выхода на механический резонанс крутильных колебаний платформы являются такие факторы как частота электрических импульсов, моменты инерции платформы 3 и реактивного диска 10.
На фиг. 2, представлено сечение F-F устройство электромагнитного возбудителя. Электромагнитная система возбудителя состоит из статора, включающего в себя обмотки 20, 21 с магнитопроводом 24, и ротора, включающего в себя обмотку рамки 23 с магнитопроводом 22.
На фиг. 3 представлен вариант подключения обмоток 20 и 21 статора и обмотки ротора 23.
ст
рот
Обмотки 20 и 21 статора подключены к источнику постоянного тока (U) таким образом, чтобы образовавшиеся при этом магнитные полюса, обращенные к ротору имели противоположные наименования, а обмотка рамки 23 ротора подключены к источнику переменного тока (f, U).
Взаимодействие постоянного магнитного поля статора и переменного ротора приводит к возбуждению крутильных колебаний ротора.
На фиг. 4 представлено сечение F-F устройство электромагнитного возбудителя с увеличенной силой взаимодействия электромагнитных систем статора и ротора за счет размещения в корпусах ротора и статора дополнительных обмоток. Здесь статор состоит из магнитопровода 38 с четырьмя обмотками 31, 32, 33 и 34, а ротор - из двух обмоток 35 и 36 с магнитопроводом 37.
На фиг. 5 представлен вариант последовательного подключения обмоток 31, 32, 33 и 34 статора и обмоток ротора 35 и 36.
На фиг. 6 представлено сечение F-F устройство электромагнитного возбудителя, где с целью повышения эффективности потребления электроэнергии вместо электромагнитов постоянного магнитного поля используются постоянные магниты.
Электромагнитная система возбудителя состоит; из статора, включающего в себя постоянные магниты 40, 41 с магнитопроводом 43, и ротора, включающего в себя обмотку рамки 44 с магнитопроводом 42.
На фиг. 7 представлен один из вариантов подключения обмотки ротора 44.
На фиг. 8 представлена электромагнитная система возбудителя с увеличенной силой взаимодействия электромагнитных систем статора и ротора за счет размещения в корпусах ротора дополнительных обмоток, а в корпусе статора дополнительных постоянных магнитов. Здесь ротор состоит из магнитопровода 56 с двумя обмотками 54 и 55, а статор - из четырех постоянных магнитов 50, 51, 52 и 53 с магнитопроводом 56.
На фиг. 9 представлен один из вариантов последовательного подключения обмоток 54 и 55 ротора.
С целью исключения подвижных контактов подключения обмоток ротора, представлены варианты устройства электромагнитного возбудителя с короткозамкнутым ротором.
Так на фиг. 10 электромагнитная система возбудителя состоит; из статора, включающего в себя обмотки 60, 61, 62 и 63 с магнитопроводом 64, и ротора, включающего в себя рамку с короткозамкнутой обмоткой 66 и магнитопроводом 65.
2ст
1ст
На фиг. 11 представлен один из вариантов последовательного подключения обмоток статора 62 и 60 к источнику постоянного тока (U) и последовательного подключения обмоток 61 и 63 к источнику переменного тока (f, U).
Принцип действия такого возбудителя крутильных колебаний заключается в том, что наведенное переменное магнитное поле в магнитопроводе ротора индуцирует в кротко замкнутых витках встречное магнитное поле в магнитопроводе ротора, что приводит к его колебаниям.
На фиг. 12 представленная электромагнитная система возбудителя с увеличенной силой взаимодействия электромагнитных систем статора и ротора за счет размещения в корпусе статора дополнительных обмоток. Здесь статор состоит из шести обмоток 70, 71, 72, 73, 74 и 75 с магнитопроводом 77. Обмотка ротора 78 также содержит большее количество короткозамкнутых витков.
2ст
1ст
На фиг. 13 представлен один из вариантов последовательного подключения обмоток статора 70, 75, 72, 73, к источнику постоянного тока (U) и последовательного подключения обмоток 74 и 71 к источнику переменного тока (f, U).
С целью повышения эффективности (уменьшения энергозатрат) возможны варианты замены одной пары электромагнитов создающие постоянное магнитное поле статора на пару постоянных магнитов.
На фиг. 14 представлена блок схема устройства на базе трехвального электромеханического генератора крутильных колебаний для смешения гомогенных многокомпонентных жидких продуктов с высокой вязкостью, смешения высоковязких жидкостей и порошков с возможностью одновременного дробления порошков до нано размеров в среде смешиваемой жидкости.
Блок схема устройства состоит из измельчителя-смесителя I, привода крутильных колебаний II, поворотного привода III, систем подачи IY, Y, YI нескольких (в данном случае трех) компонентов жидких продуктов А и С и порошков Б для их смешения с одновременным измельчением порошков.
Полученный продукт переработки А+Б+С методом воздействия крутильных колебаний и наложенного вращательного движения отводится из измельчителя-смесителя по трубопроводу YII.
КР
ВР
Подводимая энергия крутильных колебаний генератора II обозначена как L, а энергия перемешивания приводом III как L.
На фиг. 15 представлен измельчитель-смеситель, принцип действия которого основан на удлинении (с одновременным утонением) струй потоков поступающих компонентов смеси с дальнейшим их многократным прерыванием в течение которого осуществляется перемешивание на микро уровне с измельчением порошков если они входят в состав смеси.
Измельчитель-смеситель состоит из круглого цилиндрического корпуса 95 по центральной оси которого расположен вал, состоящий из трех частей. Верхняя часть вала 90 - трубчатая, средняя 96 - цельная и нижняя часть 99 - частично трубчатая.
Корпус 95 установлен на опорах (опоры не показаны) посредством подшипников 102 и 106. Для вращения корпуса 95 на нем установлено колесо 103, которое приводится во вращение, например, ременной передачей со шкива привода (электродвигателя). Шкив, электродвигатель и ремень не показаны.
Вал 90 соединен с корпусом 95 посредством подшипников 102 и 106, например скольжения, с уплотнителями 101 и 107.
Верхняя часть вала 90 (над корпусом 95) трубчатая, позволяющая транспортировать компоненты смеси по осевому отверстию вала и далее через радиальные каналы внутрь корпуса 95.
В полость верхней части вала могут поступать несколько жидких компонентов смеси (в данном случае два - А и С) через круглый кольцевой коллектор 91, имеющий подвижные соединения 92 и 108 (например, подшипники скольжения и уплотнением) с валом.
Порошкообразный компонент В поступает в полость вала 90 с верхнего торца. Подвижный подсоединительный узел для компонента В не показан.
Выход обработанной смеси из компонентов А+Б+С осуществляется из нижней полости корпуса 95 также через радиальные каналы нижней части трубчатого вала 99 в его полость и далее также через радиальные каналы вала в круглый кольцевой коллектор 98, имеющий подвижные соединения, например, в виде подшипников скольжения с уплотнениями по аналогии с коллектором 91.
Нижняя часть вала 99 имеет узел 100 для подсоединения вала к генератору крутильных колебаний II, как показано на фиг. 14.
В полости измельчителя-смесителя, образованной внутренней круглой цилиндрической поверхностью корпуса 95 и поверхностью вала 90 размещены несколько систем твердых тел в виде колец, как для тонкого перемешивания, так и перетирания порошков. Такими системами тонкого перемешивания являются подшипники скольжения или качения различных конфигураций.
На фиг. 15 изображен вариант такой системы, где в качестве колец представлены обоймы радиально-упорных подшипников качения в количестве четырех штук.
Наружная обойма 94 запрессована в корпусе 95, а внутренняя обойма 109 посажена на вал 96. Между обоймами имеются ролики 93 конической или цилиндрической формы.
Технологическое пространство между наружными и внутренними обоймами обеспечиваются кольцами 104 и 105, соответственно.
Работает измельчитель-смеситель следующим образом.
Согласно фиг. 14, измельчитель-смеситель потребляет два вида механической энергии, это энергия, подводимая от генератора крутильных колебаний II к валу измельчителя-смесителя и энергия вращения, подводимая от электродвигателя III к корпусу измельчителя-смесителя.
При включении генератора крутильных колебаний II, его колебания передаются на вал 96 с размещенными на нем внутренними кольцами подшипников 109, а при включении электродвигателя III, фиг. 14, приводится в движение вращения посредством ременной передачи и колеса 103 корпус 95 измельчителя-смесителя.
Вектор скорости движения осей роликов 93 в обойме при сложении вращательного и колебательного воздействий носит пульсирующий характер и в зависимости от режимов воздействия могут принимать как положительные, так и отрицательные значения.
На фиг. 15 представлено устройство для смешения компонентов А, В и С, где А и С жидкие компоненты, а В порошкообразный, с одновременным измельчением последнего.
Жидкие компоненты А и С подаются из устройств регуляторов расхода (устройства регуляторов расхода не показаны) в коллектор 91.
Далее через верхнюю часть трубчатого вала 90 и радиальные отверстия в вале продвигаются к периферии внутренней поверхности корпуса 95, образуя при этом тонкие слои компонентов.
Аналогичным образом движется порошкообразный компонент В и его начальное смешение с жидкими компонентами А и С начинается в коллекторе 91. Благодаря крутильным колебаниям вала порошки ведут себя также как жидкости, поэтому струя порошка также равномерно распределяется в общем потоке, как и струи жидкостей.
При продвижении к периферии корпуса 95 струи компонентов под воздействием колебательного и вращательного движений локально утончаются, что приводит к предварительному их перемешиванию.
Попадая под катящиеся и колеблющиеся ролики 93, предварительно перемешанная смесь подвергается контактному воздействию при ее захвате роликами 93 и обоймами 94 и 109 и выдавливании с зоны контакта, в результате чего образуется тонко перемешанная и перетертая смесь.
Также в месте контакта происходит тонкое измельчение порошка в среде потока жидкой смеси.
Применением двух и более подшипников в корпусе 95 достигается надежное измельчение и перемешивание компонентов смеси до уровня нано размера.
Отвод продукта измельчения и перемешивания (А+В+С) отводится с нижней части полого вала 99 по радиальным каналам и далее через коллектор 98.
На фиг. 16 представлено одно из разновидностей устройства изображенного на фиг. 15 в котором могут реализоваться два крайних варианта работы измельчителя-смесителя.
По первому варианту используется для перемешивания, измельчения и смешения компонентов смеси только трение скольжения.
Для этого в корпусе измельчителя-смесителя установлены два типа цельных, чередующихся и прижатых друг к другу плоских дисков, одни из которых жестко закреплены на валу 96, а другие так же жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса 95. Места поверхностей дисков находящихся в контакте имеют шероховатую поверхность, например, неровность различной глубины, оставленную при обработке дисков резцом на токарном станке.
При этом наружный диаметр дисков закрепленных на валу 96 меньше внутреннего диаметра корпуса 95, а внутренний диаметр дисков закрепленных на внутренней поверхности корпуса 95 больше диаметра вала 96. Это позволяет подводящим компонентам А, В, и С передвигаться между движущимися дисками по сложной траектории от центра к периферии и от периферии к центру претерпевая измельчение и смешение от воздействия двух и более дисков по всей поверхности при их механическом контакте.
По второму варианту в качестве дисков используются обращенные во внутрь штыри 122, фиг. 17 и штыри, обращенные наружу, фиг. 18 различного сечения, собранные на двух и более кольцах 113 и 114, одни из которых закреплены на внутренней поверхности корпуса смесителя, а другие, соответственно, на валу.
Предложены возможные сечения штырей.
На фиг. 19 представлено сечение штыря в виде круга, на фиг. 20 в виде полукруга, на фиг. 21 в виде сегмента, на фиг. 22 в виде двойного сегмента, на фиг. 23 в виде треугольника и на фиг. 24 в виде треугольника с двумя вогнутыми сторонами.
Стрелками показано движение штырей.
Применение различных конфигураций сечений штырей позволяет расширить технологические возможности измельчителя-смесителя, например, измельчать и смешивать с другими компонентами волокнистые материалы.