РОТОРНО-ВИБРАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ
ROTARY VIBRATION MIXER

Изобретение относится к перемешивающим устройствам роторно-вибрационного типа и позволяет интенсифицировать процесс перемешивания высококонцентрированных дисперсных смесей, например коллоидных полимерцементных растворов, орехового масла, зубных паст и т.п.
Известен смеситель [SU 1301476, B01F 11/00, 1987], содержащий перемешивающий орган, выполненный в виде вращающегося лопастного ротора, и глубинный (то есть погружаемый в смесь) вибратор с кинематическим возбуждением колебаний, установленный коаксиально лопастям ротора. Вибратор выполнен в виде полого цилиндра, установленного на быстро вращающемся коленчатом валу с помощью сферических подшипников, и крепится консольно к приводу возбуждения. Вся конструкция размещается в камере смешивания, в которую загружают смешиваемые компоненты. В результате совмещения процессов конвективного перемешивания, осуществляемого с помощью ротора, и вибрационного разрушения структуры смеси, приводящего к уменьшению ее вязкости, ускоряется процесс смешивания и снижаются энергозатраты.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является смеситель [патент RU 2033324, B28C 5/14, 1995], содержащий перемешивающий орган, выполненный в виде ротора с винтовыми и очистной лопастями, и глубинный вибратор с кинематическим возбуждением колебаний, установленный коаксиально внутри ротора. Вибратор выполнен в виде полого цилиндра, установленного на быстро вращающемся коленчатом валу с помощью сферических подшипников, и крепится консольно к приводу возбуждения. С помощью данного смесителя также достигается одновременное вибрационное воздействие на смесь, приводящее к снижению ее вязкости, и конвективное перемешивание смеси.
Эффективность работы таких роторно-вибрационных смесителей в значительной степени зависит от эффективности работы вибратора. В свою очередь, эффективность работы вибратора зависит от степени нарушения сплошности смеси, происходящей при ее перемешивании. Это связано с тем, что возникающие воздушные переходы между слоями смеси резко гасят механические колебания вибратора. Поэтому основным недостатком смесителей, имеющих перемешивающий орган в виде плоских (SU 1301476) или винтовых (RU 2033324) лопастей, является низкая эффективность работы вибратора, связанная с тем, что в результате вращения перемешивающего органа сплошность смеси нарушается.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанного недостатка за счет создания нового перемешивающего органа, который обеспечит конвективный перенос смеси в камере смешивания, не нарушая ее сплошности.
В соответствии с заявляемым изобретением роторно-вибрационный смеситель включает перемешивающий орган роторного типа и глубинный вибратор, при этом перемешивающий орган выполнен в виде обечайки воронкообразной формы, имеющей цилиндрическую и коническую части, а глубинный вибратор установлен коаксиально внутри перемешивающего органа так, что свободный конец вибратора размещен в цилиндрической части перемешивающего органа.
Благодаря указанному выполнению перемешивающего органа и расположению относительно него вибратора достигается следующий технический результат. Перемешивающий орган выполняет одновременно две функции. Во-первых, он образует в пространстве между вибратором и внутренней поверхностью своей цилиндрической части зону эффективного вибрационного смешивания, в которой происходит ускоренная гомогенизация и диспергирование агрегатов смеси, то есть их разрушение, и во-вторых, обеспечивает последующий перенос смеси, подвергшейся вибрационному воздействию, за пределы внутреннего пространства перемешивающего органа, что достигается за счет центробежных сил, возникающих при его вращении, -смесь поднимается по внутренней конической поверхности вращающегося перемешивающего органа и опускается уже под действием гравитационных сил в камеру смешивания. При таком перемешивании смеси не происходит нарушения ее сплошности, которое было характерно для известных смесителей.
Заявляемое изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На Фиг.1 показан пример выполнения роторно-вибрационного смесителя в соответствии с изобретением.
На Фиг.2 показана конструктивная схема известного центробежного перемешивающего органа применительно к заявляемому изобретению.
На Фиг.3 показана конструктивная схема перемешивающего органа роторно-вибрационного смесителя в соответствии с изобретением.
Заявляемый роторно-вибрационный смеситель (Фиг.1) состоит из перемешивающего органа 1 роторного типа, выполненного в виде обечайки воронкообразной формы, имеющей цилиндрическую часть 2 и коническую часть 3 и соединенной посредством спиц 4 с пустотелым приводным валом 5. Внутри перемешивающего органа 1 размещен глубинный вибратор 6, выполненный в виде полого цилиндра 7, установленного на коленчатом валу 8 с помощью шатунных подшипников 9. Хвостовик (приводная часть) коленчатого вала 8 размещен внутри вала 5. Цилиндр 7 соединен с валом 5 посредством резиновой муфты 10, которая обеспечивает герметичность этого соединения и возможность свободного радиального перемещения цилиндра 7. Для динамической балансировки неуравновешенных масс вибратора 6 служат противовесы 11, закрепленные на коленчатом валу 8. Также на Фиг.1 показана камера смешивания 12, заполненная перемешиваемой смесью 13, в которую погружен заявляемый смеситель.
Заявляемый роторно-вибрационный смеситель снабжается приводом коленчатого вала 8 (на Фиг.1 не показан), вращающим вал 8 с частотой ω, и приводом перемешивающего органа 1 (на Фиг.1 не показан), вращающим последний с частотой Ω. Конструктивно упомянутые приводы могут быть выполнены закрепленными на камере смешивания 12. Также эти приводы могут быть выполнены отдельно от камеры 12 - в виде ручного инструмента, при этом заявляемый смеситель может быть подсоединен к упомянутым приводам как стационарно, так и разъемно - в виде сменной насадки.
Заявляемый смеситель работает следующим образом. При вращении коленчатого вала 8 цилиндр 7 вибратора 6 совершает колебательные движения по круговой траектории и осуществляет тем самым вибрационное воздействие на смесь 13, находящуюся в пространстве между вибратором 6 и перемешиваемым органом 1. В наибольшей степени вибрационное воздействие проявляется в зоне цилиндрической части 2 перемешивающего органа 1. Под действием центробежных сил, возникающих за счет вращения перемешивающего органа 1, смесь 13 из упомянутой зоны начинает подниматься по внутренней поверхности конической части 3 перемешивающего органа 1 и, достигнув ее торца, перетекает в камеру смешивания 12. Одновременно новая порция смеси 13 снизу под действием гидростатического давления поступает в зону вибрационного воздействия между вибратором 6 и цилиндрической частью 2 перемешивающего органа 1. Направление перемещения смеси 13 показано на Фиг.1 стрелками.
При соприкосновении с вибратором 6 структура смеси 13 разрушается, снижается ее вязкость, что способствует диспергированию агрегатов смеси 13 и повышению ее однородности (гомогенизации). В процессе работы за счет своего вращения перемешивающий орган 1 обеспечивает конвективный перенос смеси 13 в камере смешивания 12, не нарушая при этом сплошности смеси 13. Таким образом, смесь 13 приобретает торообразное движение и интенсивно перемешивается.
В качестве вибратора 6 может быть использован глубинный вибратор иного типа, например дебалансный [Гольдштейн Б.Г., Петрунькин Л. П. Глубинные вибраторы для уплотнения бетона. - М.: Машиностроение, 1966, стр.25, рис.15] или с планетарным вибрационным механизмом [см. там же, стр.30, рис.21 и рис.22].
Следует отметить, что является известным применение вращающейся конической поверхности для конвективного перемещения смеси, например, как это описано в кн.: Кавецкий Г.Д. Оборудование для производства пластмасс. - М.: Химия, 1986, с.172, рис.8.2. Однако в сочетании с вибрационным воздействием применение перемешивающего органа, состоящего только из конической части, не дает желаемого результата. Так, на Фиг.2 представлена конструктивная схема описанного в указанной кн. Г.Д. Кавецкого центробежного перемешивающего органа 14 в виде конической обечайки применительно к заявляемому смесителю. Чтобы добиться результата - центробежного выноса высоковязкой смеси 13 за пределы перемешивающего органа 14, необходимо увеличивать скорость вращения последнего. Однако в этом случае смесь 13, находящаяся внутри перемешивающего органа 14, начинает принимать форму глубокой воронки (см. Фиг.2), вследствие чего резко уменьшается зона контакта смеси 13 с вибратором 6. В итоге снижающаяся при увеличении скорости вращения перемешивающего органа 14 эффективность вибрационного разрушения смеси 13 приводит к тому, что для такого типа роторно-вибрационных смесителей применить известный центробежный перемешивающий орган 14 не удается. В сравнении с этим воронкообразная (с цилиндрической частью) форма перемешивающего органа заявляемого смесителя (см. Фиг.3) обеспечивает необходимый контакт смеси 13 с вибратором 6.
Для опытной проверки работоспособности заявляемого изобретения и достижения указанного результата был изготовлен и испытан опытный образец роторно-вибрационного смесителя, имеющий следующие основные технические характеристики:
осевая длина перемешивающего органа - 400 мм, включая длину цилиндрической части - 130 мм и длину конической части - 270 мм;
диаметр цилиндрической части перемешивающего органа - 250 мм;
диаметр торца конической части перемешивающего органа - 550 мм;
диаметр вибратора - 160 мм;
частота вращения перемешивающего органа Ω=15 рад/с;
частота вращения коленчатого вала ω=260 рад/с;
амплитуда радиального перемещения вибратора - 2 мм.
Использовалась камера смешения в форме перевернутого усеченного конуса высотой - 600 мм, диаметром большего основания - 900 мм, меньшего основания - 400 мм. Камера рассчитана на объем готового замеса 80 литров.
Результат испытаний. Для приготовления пастообразной смеси из порошковой глины в количестве 120 кг и воды в количестве 25 кг, загруженных в камеру смешения, потребовалось около 3 минут работы смесителя. В сравнении с аналогичными испытаниями известных смесителей, имеющих перемешивающий орган с винтовыми лопастями, время приготовления смеси сокращается примерно в два раза.
Испытания подтвердили указанный результат от применения новой конструкции перемешивающего органа - отсутствие нарушения сплошности перемешиваемой смеси в зоне вибрационного воздействия. Благодаря значительному снижению вязкости смеси в зоне между вибратором и цилиндрической частью перемешивающего органа обеспечивается высокая гомогенизация смеси. За счет последующего центробежного ее перемещения достигается высокая "кратность циркуляции" смеси. В совокупности это существенно уменьшает время ее приготовления. Кроме того, примерно в два раза снижается потребляемая мощность установки.