Вибратор
VIBRATOR

Область применения
Изобретение относится к вибрационной технике, а именно, к пневматическому классу вибраторов для массообмена или перемещения подвижных масс физических сред. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть использовано на металлургических производствах для подачи сыпучего сырья в аппараты непрерывного производства, например, загрузки глинозема в электролизер для получения алюминия, а также для смешивания различных суспензий, эмульсий и пульп в химической и нефтяной отраслях, например, с помощью турбулентных струй от перфорированных пластин, расположенных в жидкой среде, которые приводят в колебательное движение от вибратора.
Описание известного уровня техники
Для интенсификации процесса производства алюминия разрабатываются варианты устройств автоматического питания электролизеров сырьем, в том числе с применением пневматических вибраторов, призванных для работы в атмосфере абразивной пыли, высоких (от поверхности расплава) и низких (зимой до -40°С) температур, сопутствующих технологии алюминия. Его производство характеризуется большой численностью электролизеров, а количество механизмов, подающих сырье, может достигать нескольких сотен единиц, при этом, эксплуатация ненадежного оборудования становится непреодолимой проблемой. При автоматическом питании сырьем исполнительными устройствами, требуется не только многократный их запуск в работу в течение суток, но и обеспечить работу механизмов без капитального ремонта в условиях многолетнего срока службы электролизеров. Имеет значение также и невысокое энергопотребление вибратором и качество используемого сжатого воздуха. Очевидно, что основными преимуществами разрабатываемого вибратора, должны быть высокая надежность его длительной работы, экономичность и гарантированный низкий шум, а также техническая применимость устройства для других технологических процессов.
Этому кругу технических задач посвящены следующие решения.
По патенту США 3,770,248, B01F 11/00, 06.11.1973 г., вибратор выполняет массообменные функции рабочим органом в потоке бетонной смеси. Он создан на основе электромеханических законов, дорог в изготовлении и эксплуатации, не отличается долговечностью. По патенту РФ №2111800, В06В 1/18, 27.05.1998 г., вибратор содержит корпус, опорную плиту, вывешенную на пружинах сжатия, силовую пневмокамеру, образованную эластичной диафрагмой и опорной плитой, клапан, коммутирующий сжатый воздух, вибрируемый узел, силовую пружину сжатия и устройство снижения шума вибратора. Недостатки этого решения связаны с деградацией, в процессе эксплуатации вибратора, упругих свойств гибкого материала клапана, которая приводит к большому расходу энергоносителя ввиду неудовлетворительного качества герметизации клапана на его седле, а также с отказом автозапуска вибратора, частых поломок силовой пружины и не эффективности применения пористого материала для гашения шума при использовании загрязненного промышленного сжатого воздуха.
Попыткой повышения надежности вибратора и снижения производимого им шума является вибратор по патенту США 5,788,367, B01F 11/00, 04.08.1998 г. (аналогичный патент КАНАДЫ 2,192,743, В06В 1/20, 2000 г.), по которому_
вибратор содержит корпус с крышкой и основанием. Внутри корпуса находится опорная плита, установленная на пружинах сжатия. Она закрыта второй крышкой, ограничивающей внутреннее пространство плиты, которое посредством первой эластичной мембраны, разделено на подмембранную камеру, сообщенную источником сжатого воздуха, и надмембранную камеру, в которой помещен дискообразный опорный элемент. Для передачи колебательного движения рабочему инструменту предусмотрен стяжной элемент, объединяющий в вибрируемый узел посредством клина элементы подвижной части вибратора. Силовая пружина сжатия, определяющая вертикальную ориентацию вибрируемого узла и мощность вибратора, одним концом опирается на опорную плиту, а другим на опорный фланец вибрируемого узла. Предусмотрен эластичный конусообразный клапан, с возможностью его армирования, предназначенный для взаимодействия его с седлом, выполненным в опорной плите, в зоне центрального отверстия. При этом контактную герметизацию клапанной пары обеспечивают упругой деформацией конусообразного эластичного клапана и давлением сжатого воздуха. Предусмотрена камера выхлопа, которая сообщена с надмембранной камерой воздушным трактом, соединенным с периферией крышки опорной плиты, заполненной звукопоглощающим материалом. Пневматическая камера хода рабочего инструмента образована крышкой корпуса и второй эластичной мембраной, защемленной периферией крышки корпуса и верхним фланцем стенки корпуса, и соединена со вторым источником сжатого воздуха.
К недостаткам известного вибратора относятся:
1. Деградация упругих свойств клапана во время эксплуатации приводит или к «залипанию» его на седле (при высоких температурах среды) или к «свищу» в клапанной паре, что приводит к отсутствию запуска вибратора в автоматическом режиме, побуждая к повышению давления сжатого воздуха для герметизации клапанной пары, что не надежно и не экономично.
2. Эластичные свойства клапана вносят неопределенность во времени раскрытия клапанной пары, не позволяя конструктивно увеличить частоту вибрации. Армирование эластичного клапана ухудшают динамические свойства вибратора из-за увеличения инерционности клапана. Движение эластичного клапана, жестко не синхронизировано с движением вибрируемого узла, что приводит к сбоям автоколебаний при изменении нагрузки на рабочий орган.
3. При отклонении от вертикальной оси нижнего конца рабочего инструмента принудительно смещается эластичный клапан относительно седла, что приводит его конус к несимметричной деформации, далее к «свищу» и отсутствию автоматического запуска вибратора.
4. Утверждается, что камера выхлопа позволяет изменить характер механических колебаний рабочего инструмента, ускоряя его движение вниз и замедляя вверх. Однако при средней частоте вибрации 30 гц и массе вибрируемой части, примерно, 30 кг, ее инерционность не позволяет достичь заявленного, так как основными техническими параметрами, отвечающими за параметрами колебаний подвижного узла, являются жесткость силовой пружины и масса подвижной части, а не аэродинамическое сопротивление выхлопных камер. Камера выхлопа, а также длинный тракт эвакуации отработанного воздуха, приводит к снижению мощности вибратора из-за большого аэродинамического сопротивления выхлопу отработанного воздуха, для компенсации которого требуется увеличение давления энергоносителя, что не отвечает критерию экономичности.
5. Наличие одной силовой пружины вибратора не обеспечивает необходимую остойчивость вибрируемого узла относительно опорной плиты для нормального функционирования клапанной пары и, соответственно, для автоматического запуска вибратора, снижает надежность силового узла для длительной эксплуатации. Кроме того, одна силовая пружина вибратора ограничивает его одной частотой колебаний.
6. Устройство снижения шума от выхлопа сжатого воздуха работает неудовлетворительно при использовании загрязненного окалиной и капельной влагой сжатого воздуха - заиливается и разрушается выхлопной волной.
7. Защемление мембраны пневматической камеры хода рабочего инструмента на стенке корпуса вибратора ограничивает перемещение опорной плиты в корпусе, а рабочего инструмента в обрабатываемой среде.
8. Выявлен нежелательный поворот в горизонтальной плоскости опорной плиты и связанных с ней элементов вибратора при сжатии пружин подвески опорной плиты.
Целями изобретения являются повышение надежности вибратора, его долговечности и экономичности, возможности изменять частоту колебаний рабочего инструмента и применять в различном технологическом оборудовании. Другой целью является улучшение условий работы обслуживающего персонала за счет упрощения конструкции, снижения и стабильности во времени уровня шума от вибратора.
Описание сущности изобретения
В изобретении предложены принципиальные изменения прототипа, которые позволяют получить существенные технические результаты, обеспечивающие решение проблем связанных с: надежным запуском вибратора, экономичностью, необходимостью изменения частоты вибрации, длительной работой в тяжелых условиях окружающей среды и низкого качества сжатого воздуха, возрастающим при эксплуатации шумовыделением и применением устройства в разных технологических аппаратах, а именно:
1. Замена одной силовой пружины несколькими, с меньшим размером - многопружинное исполнение силового узла повышает его нагрузочную способность, а вариациями количества применяемых пружин и их технических характеристик расширяют настройку частоты и мощности вибратора; приводит к равномерному распределению нагрузки на опорных плоскостях и уменьшает высоту силового узла; практически исключает поломки пружин за счет, применения массовых стандартных изделий (например, автомобильных клапанных пружин, поломка которых крайне редка).
2. Перенос силовой опоры вибрируемого узла с нижней плоскости опорной плиты на внутреннюю поверхность ее крышки - путем концентрического расположения относительно оси вибратора нескольких пружин в гнездах подвижного дискообразного опорного элемента - повышается остойчивость вибрируемого узла с рабочим инструментом относительно опорной плиты; исключается зависимость его автозапуска от отклонения рабочего инструмента от вертикальной оси вибратора; существенно упрощается сборка вибратора на рабочем месте - не требуется специальных приспособлений и избыточных усилий оператора - предварительная нагрузка силовых пружин осуществляется болтами крепления крышки опорной плиты;
3. Отказ от использования при коммутации сжатого воздуха упругих свойств клапана (в виде усеченного гибкого конуса) из его конструкции - путем применения жесткого кольцевого клапана с клапанной подушкой - отсутствует необходимость, при прогнозировании отказов оборудования на длительный срок, учитывать деформацию от знакопеременной нагрузки на клапан, коммутационная пара (клапан/седло) от взаимодействия практически не подвержена изменению во времени, обеспечивая долговечность работы вибратора.
4. Исключение промежуточной камеры выхлопа и сближения клапанного и силового узлов вибратора - путем создания между подмембранной камерой и надмембранной камерой, коммутируемого канала прямого сообщения в виде отверстий выполненных в гнездах силовых пружин дискообразного опорного элемента - это позволяет повысить мощность вибратора при возможности работать на меньших давлениях сжатого воздуха за счет уменьшения сопротивления выхлопу отработанного воздуха.
5. Отказ от использования давления сжатого воздуха для контактной герметизации клапанной пары в подмембранной камере и исключение гибкой связи клапана с вибрируемым узлом, а также перенос клапанного седла на вибрируемый узел - путем вывешивания жесткого кольцевого клапана на клапанной пружине с опорой на фланец клапанной втулки, охватывающей стяжной элемент - пружина обеспечивает непрерывное и достаточное усилие соприкосновения клапана с кольцевым седлом, объединяющим отверстия, которые выполнены в гнездах силовых пружин дискообразного опорного элемента, следствием чего достигается полная независимость герметизации подмембранной камеры от давления сжатого воздуха; отсутствуют утечки энергоносителя и обеспечен гарантированный запуск вибратора при отклонениях штока рабочего инструмента от вертикальной оси вибратора, чему способствует и предложенная многопружинная схема силового узла, и как результат, вибратор запускается и устойчиво работает при низком давлении, менее 0,05 МПа; кроме того, клапанная пружина компенсирует массу клапана и исключает ее влияние на динамику работы клапанного устройства.
6. Замена элемента открытия клапана на вибрируемом узле (опорного, под эластичный клапанный элемент, конусного фланца второй втулки) кольцевым стопором клапана, расположенным в осевом отверстии опорной плиты - приводит к однозначному во времени, без затягивания, открытию и закрытию клапанной пары и обеспечивает, совместно с клапанной пружиной, клапаном и его седлом, естественную синхронизацию работы клапанной пары с движением вибрируемого узла, а это в свою очередь, позволяет конструктивно (повышением жесткости силового узла) увеличивать частоту вибрации и надежность его автозапуска.
7. Сокращение длины выхлопного тракта, исключение из него глушащего агента - путем направления отработанного сжатого воздуха из надмембранной камеры в глушитель, который расположен на вибрируемом узле, соосно ему, и в котором потоку отработанного воздуха последовательно несколько раз меняют направление, с последующим выхлопом его под опорную плиту - это обеспечивает стабильное, не меняющееся во времени, снижение шума ниже санитарной нормы при работе на неочищенном промышленном сжатом воздухе; повышается мощность вибратора за счет уменьшения сопротивления выхлопу отработанного воздуха.
8. Перенос закрепления камеры хода рабочего инструмента на периферию крышки опорной плиты, исполнение ее посредством последовательно соединенных между собой складных гибких элементов (круга и двух колец), и конструктивно не связанной с корпусом вибратора; крышка корпуса является только опорой камеры хода - это обеспечивает плавный ход рабочему инструменту во всем диапазоне сжатия пружин подвески опорной плиты и ограничивает риск порыва камеры хода от превышения давления, уменьшает габарит изделия и расширяет варианты размещения вибратора в имеющихся нишах технологического оборудования, имеющего собственные конструктивные опоры, как для камеры хода, так и для самого вибратора.
9. Использование отработанного в вибраторе сжатого воздуха для наполнения камеры хода рабочего инструмента - позволяет экономить энергоноситель и упрощает аппаратурное управление вибратором за счет устранения дополнительной магистрали для подачи сжатого воздуха на камеру хода; существенно способствует снижению шума за счет уменьшения объема выхлопа воздуха направляемого через глушитель.
10. Использование для подвески опорной плиты в гнездах по ее диагоналям парных пружин, прямой и обратной навивки, - это исключает поворот опорной плиты в горизонтальной плоскости при ее перемещении вниз и обратно, сохраняя установленную ориентацию рабочего инструмента.
11. Упрощение конструкции - уменьшает габариты устройства, по его высоте и диаметру, снижает объем металлообработки, отсутствует приспособление для сжатия силовой пружины при сборке вибратора (минимальный набор ремонтного инструмента - один торцовый ключ и тяжелый молоток для клиновых соединений).
Технический результат достигается тем, что вибратор, содержит корпус, его крышку, под которой расположена пневматическая камера хода рабочего инструмента, и основание с центральным отверстием. На основании соосно вертикальной центральной оси размещена и свободно установлена на пружинах сжатия и, имеющая отверстие соосное отверстию в основании, опорная плита с крышкой, ограничивающей внутреннее пространство опорной плиты. Это пространство посредством эластичной мембраны, с закрепленным на ней подвижным дискообразным элементом, разделено на надмембранную камеру и подмембранную камеру, где размещена клапанная пара для коммутации поступающего в вибратор сжатого воздуха, эвакуация которого из надмембранной камеры выполнена через глушитель, а подвижный дискообразный элемент объединен клинообразным элементом с втулками и стяжным элементом в осевой вибрируемый узел, который подпружинен относительно опорной плиты. В предложенном решении вибрируемый узел вибратора образован, охватывающими стяжной элемент, первой втулкой и дискообразным опорным элементом, между ними соосно установлены распорка и клапанная втулка, которая примкнута к дискообразному опорному элементу. Вибрируемый узел предварительно нагружен с упором на крышку опорной плиты силовыми пружинами сжатия, последние расположены в гнездах дискообразного опорного элемента, концентрически относительно вертикальной оси. Клапанная пара размещена соосно на вибрируемом узле, образована с возможностью контакта кольцевым седлом отверстий, выполненных в гнездах силовых пружин дискообразного опорного элемента, и подушкой кольцеобразного жесткого клапана, который подпружинен с опорой на фланец клапанной втулки, при этом кольцевой стопор клапана установлен в осевом отверстии опорной плиты. Выхлоп сжатого воздуха в надмембранную камеру предусмотрен через отверстия в гнездах силовых пружин, напрямую из подмембранной камеры, которая ограничена в нижней части осевого отверстия опорной плиты гибкой кольцевой перегородкой, последняя защемлена по ее внешнему диаметру опорной плитой и фланцем кольцевого стопора клапана, а по ее центральному отверстию клапанной втулкой и фланцем глушителя, который размещен на вибрируемым узле, между первой и клапанной втулками, выполнен, соосно охватывая стяжной элемент, кольцевыми камерами. Они образованы распоркой и вертикальными трубчатыми перегородками, которые последовательно расположены друг за другом. Соединения между ними выполнены их радиальными отверстиями, посредством которых совместно с осевым каналом и радиальными отверстиями стяжного элемента последовательно меняют направление в этих камерах отработанному воздуху из надмембранной камеры в атмосферу, а выходной поток его направлен под опорную плиту.
Пневматическая камера хода рабочего инструмента образована гибким кругом, он закреплен по периферии с гибким кольцом, внутренняя часть которого фиксирована с внутренней частью подобного ему другого гибкого кольца, внешний диаметр последнего защемлен обжимным кольцом по периферии крышки опорной плиты, посредством которой замкнут ее объем. Камера хода сообщена через трехлинейный канал в крышке опорной плиты с надмембранной камерой и атмосферой, Для перемещения вниз вибрируемого рабочего органа камеру хода заполняют отработанным при вибрации воздухом, а заполнение камеры хода отработанным при вибрации воздухом для перемещения вниз вибрируемого рабочего органа регулируют пневматическим краном, который соединен с атмосферой.
Пружины опорной плиты установлены по диагоналям основания парно, с прямой и обратной навивкой. Исполнение вибратора предусматривает его корпус - при мобильном варианте, или замещение его нишей основного технологического оборудования, конструктивно имеющей основание для пружин сжатия опорной плиты и упор для пневматической камеры хода рабочего инструмента.
Краткое описание чертежей
Цели и преимущества изобретения станут более понятны из конкретных примеров выполнения чертежей, на которых:
фиг. 1 - вибратор, согласно изобретению, в разрезе, в исходном положении; питающий сжатым воздухом пневмоклапан закрыт,
фиг. 2 - вибратор согласно изобретению, в фазе выхлопа; пневматическая камера хода рабочего инструмента наполнена отработанным сжатым воздухом из надмембранной камеры, опорная плита с вибрируемым узлом и связанный с ним рабочий инструмент находятся в крайней нижней точке;
фиг. 3 - глушитель вибратора, на стяжном элементе, в разрезе, в увеличенном масштабе.
Направления воздушных потоков указаны стрелками.
Подробное описание изобретения
Пневматический вибратор (фиг. 1) содержит корпус 1 с основанием 2 и крышкой 3 корпуса 1. Внутри корпуса 1 соосно вертикальной центральной оси 0-0 размещены опорная плита 4, свободно установленная на пружинах 5 сжатия, опирающихся на основании 2. Для предотвращения смещения опорной плиты 4 и ее расположения относительно основания 2, на нем предусмотрены фиксаторы 7 с ответными гнездами 6 выполненными в нижней части опорной плиты 4, в которых пружины 5 установлены по диагоналям основания 2 парно, с прямой 5 и обратной 5' навивкой - для исключения поворота ее в горизонтальной плоскости.
Основание 2 имеет центральное отверстие 8, соосное выполненному в опорной плите 4 центральному отверстию 9. Опорная плита 4 закрыта крышкой 10, ограничивающей внутреннее пространство плиты 4, которое посредством эластичной мембраны 11, защемленной по ее периметру между опорной плитой 4 и ее крышкой 10, разделено на подмембранную камеру 12, сообщенную посредством канала 13 с источником 14 сжатого воздуха, и надмембранную камеру 15. Эластичная мембрана 11 зафиксирована ее центральным отверстием соосно на дискообразном опорном элементе 16 посредством кольцевой в нем проточки 17.
Для передачи колебательного движения рабочему инструменту 18 предусмотрен стяжной элемент 19, который одним концом оперт на дискообразный опорный элемент 16, а другой свободный его конец выходит за пределы корпуса и имеет радиальное сквозное отверстие 20. Для создания единого вибрируемого узла вибратора между дискообразным опорным элементом 16 и первой втулкой 21, расположены клапанная втулка 22, которая примкнута к дискообразному опорному элементу 16, и распорка 23, составная часть сборки глушителя 24, а стяжным элементом 19 соосно образована жесткая их связь посредством клинообразного элемента 25, размещенного в отверстии 20 стяжного элемента 19 и в сквозном отверстии 26 первой втулки 21, ось которого смещена относительно оси отверстия 20 стяжного элемента 19 в сторону его свободного конца. Для соединения с рабочим инструментом 18 в первой втулке 21 предусмотрен клиновый замок 27, а в отверстии 28 закреплен штифт 29, который уперт в площадку 30 стяжного элемента 19 для исключения его проворота.
Клапанная втулка 22, имеет, обращенный к дискообразному опорному элементу 16, опорный фланец 31, на котором установлена, охватывающая клапанную втулку 22, клапанная пружина 32 с опорой второго ее конца в кольцевую выемку 33 кольцевого клапана 34, имеющего подушку 35.
Сборка глушителя 24, состоит (рис. 3) из распорки 23 с радиальными отверстиями 36, образующей со стяжным элементом 19, в зоне расположения глушителя 24, кольцевую камеру 37, она сообщена с надмембранной камерой 15 посредством осевого канала 38 и радиальных отверстий 39 стяжного элемента 19, а также фланца 40 и трех (достаточных для ограничения шума ниже санитарных норм), объединенных резьбовым соединением, соосно охватывая распорку 23, трубчатых, последовательно расположенных друг за другом, перегородок 41, 42 и 43 с кольцевыми между ними, а также, распоркой 23, камерами 44, 45, 46. Эти камеры имеют сообщения между собой, с надмембранной камерой 15 и атмосферой посредством радиальных отверстий 39, 36, 47, 48 и 49, которые последовательно меняют направление отработанному воздуху в упомянутых камерах 37, 44, 45, 46 на противоположное, а его выходной поток эвакуируют в атмосферу, под опорную плиту 4.
Фланец 40 сборки глушителя 24 совместно с фланцем 31 клапанной втулки 22 защемляет центральное отверстие гибкой перегородки 50. Внешняя периферия гибкой перегородки 50, изолируя подмембранную камеру 12 от атмосферы, зафиксирована на фланцем 51, расположенного в отверстии 9 опорной плиты 4, кольцевого стопора 52, который служит для остановки кольцевого клапана 34 с его подушкой 35 при движении вибрируемого узла вверх.
Вибрируемый узел вибратора предварительно нагружен посредством крышки 10 опорной плиты 4 концентрически расположенными в гнездах 53 дискообразного опорного элемента 16 пружинами сжатия 54 (условно 6 шт.). Для образования клапанной пары в пружинных гнездах 53 выполнены отверстия 55 с кольцевым их седлом 56 необходимым для динамического контакта и контакта перед запуском вибратора с подушкой 35 кольцеобразного жесткого клапана 34, которые при работе вибратора коммутируют поток поступающего в вибратор сжатого воздуха из подмембранной камеры 12 в надмембранную камеру 15. При этом, как видно из фиг. 1, подмембранная камера 12 изолирована от атмосферы, а клапанная пружина 32 подгружена дискообразным опорным элементом 16, обеспечивая замыкание клапанной пары (подушки 35 кольцевого клапана 34 и кольцевого седла 56).
Предусмотрена пневматическая камера хода 57 рабочего инструмента 18, которая размещена в корпусе 1 (или нише технологического оборудования) и сообщена через трехлинейный канал 58, выполненный в крышке 10 опорной плиты 4, с надмембранной камерой 15 и атмосферой. Объем заполнения ходовой камеры 57 отработанным воздухом из надмембранной камеры 15 регулируют пневматическим краном 59, который связан с атмосферой. Камера хода 57 образована гибким материалом (например, транспортерная лента) и состоит из круга 60, кольца 61, закрепленного с кругом 60 по их периферии, внутренняя часть кольца 61 закреплена с внутренней частью подобного ему гибкого кольца 62. Камера хода 57 имеет внешнее ограничение посредством крышки 3 корпуса 1 и крышки 10 опорной плиты 4, на которой она защемлена по внешней периферии гибкого кольца 62 обжимным кольцом 63.
На основании 2 корпуса 1, охватывая глушитель 24, свободно лежит кольцо 64, отделяя элементы вибратора от внешней среды, а также играет роль пассивного глушителя.
Вибратор, согласно изобретению, работает следующим образом.
От источника 14 (фиг. 2) сжатый воздух поступает по трубопроводу 13 в подмембранную камеру 12, создавая в ней избыточное давление, под действием которого создается цодъемная сила, воздействующая на эластичную мембрану 11, перемещая ее вверх, в направлении от опорной плиты 4. Мембрана 11 перемещает в том же направлении жестко связанную между собой посредством клинообразных элементов 25 и 27 сборку элементов вибратора включающую зафиксированный центральным отверстием мембраны 11 дискообразный опорный элемент 16, клапанную втулку 22, сборку глушителя 24, первую втулку 21, стяжной элемент 19, пружину 32 клапана, жесткий кольцевой клапан 34 с подушкой 35 и рабочий инструмент 18. Преодолевая под крышкой 10 опорной плиты 4 силу сжатия пружин 54, концентрически расположенных в гнездах 53 дискообразного опорного элемента 16, и силу тяжести выше перечисленных составляющих общей сборки вибрируемого узла, дискообразный опорный элемент 16 еще больше сжимает силовые пружины 54, в которых происходит накопление потенциальной энергии. Вариациями жесткости пружин 54 и их количеством выбирают необходимую мощность и технологическую частоту колебаний рабочего инструмента 18. При этом, диаметр опорной области силовых пружин 54 на внутренней поверхности крышки 10 опорной плиты 4 больше, по сравнению с прототипом, примерно, в три раза, а высота сборки силового узла с пружинами 54, примерно, в два раза меньше, что обеспечивает, относительно опорной плиты 4, высокую остойчивость вибрируемого узла с закрепленным на нем рабочим инструментом 18. Предварительно поджатая дискообразным опорным элементом 16 (посредством клапанной пары - подушки 35 кольцевого клапана 34 и кольцевого седла 56), клапанная пружина 32 обеспечивает во время сжатия опорных пружин 54 непрерывное, не зависящее от величины давления сжатого воздуха в подмембранной камере 12, надежное контактное сопровождение подушкой 35 клапана 34 кольцевого седла 56 до момента взаимодействия подушки 35 клапана 34 с закрепленным в отверстии 9 опорной плиты 4 кольцевым стопором 52. В результате, подушка 35 кольцевого клапана 34, не меняя своей формы, отрывается от кольцевого седла 56 концентрических отверстий 55, через которые происходит сообщение подмембранной камеры 12, напрямую, с надмембранной камерой 15. Это приводит к резкому падению давления в подмембранной камере 12 и перемещению вибрируемого узла в направлении опорной плиты 4 и обрабатываемой рабочим инструментом 18 среды под действием потенциальной энергии силовых пружин 54 и силы тяжести вибрируемых элементов вибратора. Суммарное сечение отверстий 55 кратно больше подводящего сечения трубопровода 13, поэтому они не создают сопротивления выхлопу отработанного воздуха и не снижают мощность вибратора. При дальнейшем движении дискообразного опорного элемента 16 в направлении опорной плиты 4 кольцевое седло 56 отверстий 55 садится на, остановленную кольцевым стопором 52, подушку 35 кольцевого клапана 34, изолируя подмембранную камеру 12 от надмембранной камеры 15, при этом контактную герметизацию клапанной пары вновь обеспечивают клапанной пружиной 32. Поскольку подмембранная камера 12 постоянно соединена с источником 14 сжатого воздуха, то цикл движения вибрируемого узла с закрепленным на нем рабочим инструментом повторяется, обеспечивая устойчивые автогенераторные колебания рабочего инструмента 18. Исполнение клапана 34 в виде жесткого подпружиненного кольца не требует специфических гибких свойств от материала клапанной подушки 35 при динамических и температурных воздействиях на него. Величина давления сжатого воздуха также не отражается на качестве работы клапана и его физическом износе, что позволяет механизму надежно работать как на большей мощности, так и на малой, а клапанная пара практически не подвержена изменению во времени от длительного взаимодействия. Усилием клапанной пружины 32 компенсируют массу клапана 34 с подушкой 35, практически исключают учет его инерционности в работе вибратора и обеспечивают естественную синхронизацию работы клапанной пары с движением вибрируемого узла, а значит, отсутствуют сбои автоколебаний вибрируемого узла при изменении нагрузки на рабочий орган 18. Кроме того, закрепление на опорной плите 4 кольцевого стопора 50, взаимодействующего с подпружиненным жестким кольцевым клапаном 34, приводит к геометрически точному и однозначному во времени, без затягивания, открытию и закрытию клапанной пары. Это в свою очередь, позволяет конструктивно (изменением жесткости силового узла, путем вариаций характеристиками пружин и их количеством) влиять на частоту вибрации.
Для снижения шума от работы вибратора отработанный сжатый воздух из надмембранной камеры 15 направляют в глушитель 24, где воздушный пульсирующий поток из надмембранной камеры 15, проходя по камерам глушителя 37, 44, 45, 46, теряет энергию в результате многократной смены его направления в них на противоположное с выхлопом под опорную плиту 4. Выбрасываемый в атмосферу, в зоне центрального отверстия 9 опорной плиты 4, отработанный воздух имеет энергию пульсаций значительно ниже санитарных требований. В результате, понижают не только уровень шума, но и охлаждают гибкую перегородку 50 подмембранной камеры 12, тем самым обеспечивают пассивную защиту ее от возможного постороннего теплового воздействия. Короткий тракт эвакуации отработанного воздуха до глушителя и через него позволяет повысить мощность вибрации за счет уменьшения сопротивления выхлопу и без проблем работать на неочищенном промышленном сжатом воздухе, с окалиной и капельной влагой, т.е. на дешевом воздухе, по сравнению, например, с требованием к воздухоподготовке для пневмоцилиндров. Учитывая, что изнашиваемых и забиваемых загрязнениями деталей в конструкции выхлопного тракта нет, то по мере эксплуатации сопротивление выхлопу отработанного энергоносителя не возрастает и не уменьшается, а уровень шума вибратора остается неизмененным. При дополнительных ограничениях по шуму вибратора количество трубчатых перегородок глушителя 24 увеличивают.
Для увеличения зоны перемещения/смешивания обрабатываемой среды от вибрации создают рабочему инструменту 18 осевое возвратно-поступательное движение в направлении зоны обработки (фиг. 2). Для этого часть отработанного при вибрации воздуха из надмембранной камеры 15 вибратора через трехлинейный канал 58, выполненный в крышке 10 опорной плиты 4, направляют в пневматическую камеру хода 57, расположенную между крышкой 3 корпуса и крышкой 10 опорной плиты 4. Этот воздух обладает как избыточным его объемом, так и достаточной энергией (давлением) для сжатия камерой хода 57 опорных пружин 5. Объем поступаемого отработанного воздуха из надмембранной камеры 15 в камеру хода 57 регулируют, в зависимости от необходимой величины перемещения вниз рабочего инструмента 18, пневматическим краном 59, путем сброса в атмосферу излишек воздуха. Такое решение наполнения сжатым воздухом камеры хода 57 не только экономит энергоноситель, но и снижает объем и, соответственно, интенсивность пульсации отработанного воздуха, эвакуируемого через глушитель 24, дополнительно уменьшая шум, а также не требует отдельной магистрали с источником сжатого воздуха редуцированного (пониженного) давления.
При отключении источника 14 подачи сжатого воздуха вибратор прекращает работу, а под действием усилия, развиваемого опорными пружинами 5, опорную плиту 4, и связанные с ней элементы с рабочим инструментом 18, плавно возвращают в исходное положение (рис. 1). Из камеры хода 57 воздух вытекает посредством трехлинейного канала 58 как через пневматический кран 59, постоянно связанный с атмосферой, так и через надмембранную камеру и воздушный тракт стяжного элемента 19 и глушителя 24.
Затем цикл вибрации и поступательного перемещения рабочего органа 18 повторяют подачей сжатого воздуха от источника 14.
Свободно лежащее кольцо 64 на основании 2, охватывающее глушитель 24, обеспечивает пассивную защиту вибратора от негативного влияния внешней среды (пыли, пламени, брызг от обрабатываемой зоны и др.), а также играет роль дополнительного глушителя.
Фиксация камеры хода 57 рабочего инструмента 18 на крышке 10 опорной плиты 4 позволяет отказаться от индивидуального корпуса, что расширяет конструктивные варианты интеграции вибратора в технологические аппараты.
Кроме того, опускание под действием камеры хода 57 опорной плиты 4 вниз на ее пружинах 5, установленных по диагоналям основания 2 парно, с прямой 5 и обратной 5' навивкой, взаимно противодействующих, не приводит к повороту ее в горизонтальной плоскости, обеспечивая постоянную ориентацию рабочего инструмента 18.
Изобретение реализовывает заявленные цели практически, обладает существенно большей надежностью работы его клапанной пары и силового узла для длительной эксплуатации без ремонтных работ, меньшими конструктивными размерами, стабильно низким во времени шумом. Данное изобретение энергетически более эффективно, по сравнению с прототипом. Экономичность вибратора определяется отсутствием утечек сжатого воздуха через клапанную пару и меньшим аэродинамическим сопротивлением, обеспечивая надежный запуск и устойчивую автогенераторную работу вибратора при очень низких давлениях сжатого воздуха, а также попутной утилизацией отработанного воздуха в камере хода при перемещении рабочего инструмента. Вариациями технических характеристик пружин и их количеством расширяют диапазон настройки частоты и мощности вибратора. В диапазоне давлений энергоносителя 0,05-0,2 МПа, достигается не только большой размах автоколебаний рабочего инструмента с частотой, примерно, до 50 Гц, но и плавный его подъем в пределах 2-30 мм, что необходимо для перемещения сыпучих материальных потоков и массообменных процессов в жидких средах и недостижимо для большинства типов вибраторов. Изобретение позволяет использовать его в полевых условиях, при обеспечении сжатым воздухом от маломощных компрессорных устройств, без очистки сжатого воздуха и при наличии в нем капельной влаги. Закрепление камеры хода рабочего инструмента на крышке опорной плиты дает возможность отказа от индивидуального корпуса, а легкая сборка устройства расширяет сферу возможностей интеграции вибратора в технологические аппараты массообменных процессов.
Высокая конструкционная надежность устройства, его возможность к адаптации в различном технологическом оборудовании, в том числе и к необходимой технологической частоте вибрации, стабильный во времени низкий шум, минимальная цена используемого сжатого воздуха и низкое энергопотребление - как результат технических предложений, наряду с отсутствием у вибратора пар механического трения, позволяет изобретению, согласно заявленным целям, соответствовать, в большом приближении, принципу - «поставь и забудь», особенно при работе его в естественных климатических условиях.