ПРИВОДНОЙ МЕХАНИЗМ МЕШАЛКИ

Полезная модель относится к цикловым приводным механизмам мешалок, которые преобразуют вращательное движение кривошипа в поворотно-колебательное или в плоскопараллельное движение рабочих звеньев, и может быть использована в машинах для приготовления однородных смесей и растворов.
Проблемой цикловых приводных механизмов мешалок, используемых для размешивания изначально неоднородных сред, является неравномерное распределение в пределах цикла энергозатрат на перемещение рабочих звеньев в размешиваемой среде и увеличенная продолжительность процесса размешивания до получения однородных смесей и растворов.
Известен приводной механизм мешалки [1, с.93], который содержит стойку, два сцепляющихся зубчатых колеса, кулису с ползуном, кривошип и два шатуна. Звенья механизма расположены в вертикальной плоскости. Центры зубчатых колес и один конец кулисы шарнирно связаны со стойкой. Другой конец кулисы шарнирно связан со средней точкой второго шатуна. Кривошип жестко прикреплен к первому зубчатому колесу. Один конец кривошипа совпадает с осью вращения первого зубчатого колеса, другой его конец шарнирно связан с ползуном кулисы. Первый шатун одним концом шарнирно связан со вторым зубчатым колесом, другим - с верхним концом второго шатуна. Нижний конец второго шатуна погружен в размешиваемую среду.
Механизм работает следующим образом. Вращение кривошипа и жестко связанного с ним первого зубчатого колеса приводит в движение кулису и второе зубчатое колесо. Поворачивание этих звеньев вызывает движение первого и второго шатунов. При этом нижний конец второго шатуна описывает в вертикальной плоскости сложную траекторию, состоящую из двух петель 8-образной формы каждая. Одна из этих "восьмерок" расположена горизонтально, другая - вертикально в средней части горизонтальной "восьмерки". За первую половину цикла нижний конец второго шатуна проходит левый верхний участок горизонтальной "восьмерки", половину вертикальной "восьмерки" и правый нижний участок горизонтальной "восьмерки". Во второй половине цикла нижний конец второго шатуна проходит по оставшимся участкам петлеобразной траектории.
При размешивании среды с малыми локальными уплотнениями известный приводной механизм мешалки не создает перегрузок в работе. Это обусловлено следующим. Движение нижнего конца второго шатуна по петлеобразной траектории в среде с малыми локальными уплотнениями дает ему возможность контактировать с каждым локальным уплотнением то с одной, то с другой его стороны и перемещать уплотнение то вправо, то влево. При этом энергии на деформацию локальных уплотнений расходуется мало. Малый расход энергии на деформацию локальных уплотнений такой среды приводит к равномерному в пределах цикла распределению энергии на
перемещение звеньев приводного механизма, к исключению перегрузок в работе мешалки.
Однако, использование этого приводного механизма для размешивания сред с большой изначальной неоднородностью приводит к неравномерному распределению энергии в пределах цикла, к значительным перегрузкам в работе мешалки. Это обусловлено следующим. В средах с большой изначальной неоднородностью локальные уплотнения образуют значительные по объему комки уплотнений с различной связанностью составных частей. Петлеобразная траектория нижнего конца второго шатуна проходит через такие комки. Движение конца шатуна по траектории неизбежно влечет за собой смещение каждого встретившегося комка уплотнений. Этому препятствуют соседние комки и стенки емкости, в которой находится размешиваемая среда. В результате движение нижнего конца второго шатуна приводит к деформации и разрезанию комков. Существенно, что конец шатуна не может обойти эти комки, так как его траектория установлена заранее. Деформация и разрезание комков с большой связанностью составных частей приводит к резкому увеличению сопротивления движению конца шатуна в размешиваемой среде. В связи с этим происходит скачкообразный прирост расходуемой энергии на перемещение приводного механизма мешалки, возникают перегрузки в ее работе.
Таким образом, недостатком известного приводного механизма мешалки являются значительные перегрузки в работе из-за необходимости обеспечивать движение конца шатуна по фиксированной траектории, которая устанавливается заранее без учета фактического сопротивления его перемещению в размешиваемой среде.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является приводной механизм мешалки [2, с.22-23], который содержит стойку с двумя парами ограничительных упоров, кривошип, поводок, два идентичных шатуна и два идентичных коромысла. Звенья механизма расположены в вертикальной плоскости. Кривошип одним концом шарнирно связан со стойкой, другим - с верхним концом поводка. Нижний конец поводка связан с верхним концом каждого идентичного шатуна посредством соответствующего шарнира. Оба эти шарнира расположены на одной оси, то есть шарниры сосны. Нижний конец каждого идентичного шатуна шарнирно связан с верхним концом соответствующего идентичного коромысла. Нижний конец каждого идентичного коромысла связан со стойкой посредством соответствующего шарнира, оба шарнира сосны. Ограничительные упоры расположены на стойке так, что оба идентичных коромысла в их наивысшем положении прижаты к верхней паре упоров, а при их нижнем положении - к нижней паре упоров. Вертикальная прямая, проходящая через шарнирные соединения стойки с кривошипом и с идентичными коромыслами, является осью симметрии приводного механизма мешалки.
Механизм работает следующим образом. В начале цикла кривошип находится в верхнем положении и совмещен с осью симметрии приводного механизма мешалки, оба идентичных коромысла прижаты к верхней паре
ограничительных упоров, углы между продольными осями коромысел и осью симметрии механизма равны и минимальны по величине. Движение кривошипа через поводок и идентичные шатуны передается идентичным коромыслам. При этом углы между продольными осями коромысел и осью симметрии механизма увеличиваются. Равенство этих углов сохраняется при движении коромысел в однородной размешиваемой среде, в которой сопротивление движению левого и правого коромысел одинаково. В этом случае после поворота кривошипа на 180 градусов (половина цикла) оба идентичных коромысла одновременно прижмутся к нижней паре ограничительных упоров, а при повороте еще на 180 градусов (конец цикла) - к верхней паре ограничительных упоров. Далее циклы работы приводного механизма мешалки повторяются.
Движение звеньев механизма в неоднородной среде происходит иначе. Если в какой-то момент первой половины цикла сопротивление движению левого коромысла станет больше, чем сопротивление движению правого коромысла, то, несмотря на сохраняющееся вращение кривошипа, левое коромысло остановится, а правое коромысло продолжит движение до его прижатия к нижнему ограничительному упору. Это произойдет до того, как закончится первая половина цикла, то есть прежде, чем кривошип займет крайнее нижнее положение. Завершение первой половины цикла происходит при неподвижном правом коромысле и движущемся левом коромысле. В конце первой половины цикла левое коромысло прижато к нижнему ограничительному упору Движение кривошипа во второй половине цикла приводит к отходу коромысел от нижних ограничительных упоров, а затем к возвращению всех звеньев механизма в положение, соответствующее началу цикла. Первым прижмется к верхнему ограничительному упору то коромысло, у которого меньшее сопротивление движению в размешиваемой среде. Это произойдет до того, как закончится цикл, то есть прежде, чем кривошип займет крайнее верхнее положение. Завершение цикла происходит при неподвижном первом коромысле и движущемся втором коромысле. В конце цикла второе коромысло прижато к верхнему ограничительному упору. Далее циклы работы механизма повторяются.
Достоинством приводного механизма мешалки является более равномерное по сравнению с аналогом распределение в пределах цикла энергозатрат на перемещение звеньев механизма и снижение перегрузок в работе при размешивании изначально неоднородной среды. Это обусловлено тем, что механизм имеет два размешивающих звена - два идентичных коромысла, движение которых варьируется в зависимости от фактического сопротивления движению каждого из них. При одинаковых сопротивлениях движутся и одновременно заканчивают каждый полуцикл оба идентичных коромысла. При разных сопротивлениях первым заканчивает каждый полуцикл то коромысло, у которого меньшее сопротивление движению; затем вся энергия привода направляется на завершение полуцикла вторым коромыслом с большим сопротивлением движению. За счет этого исключаются большие скачки в расходах энергии за цикл, снижаются перегрузки в работе мешалки.
Недостатком анализируемого механизма является большая продолжительность процесса размешивания до получения однородной среды. Это обусловлено тем, что в окрестности, близкой к шарнирному соединению идентичных коромысел со стойкой, размешивание среды происходит с низкой интенсивностью из-за малых перемещений коромысел в этой области, а замена нижних участков размешиваемой среды на верхние участки и наоборот не производится. В результате общая продолжительность процесса размешивания до получения однородной среды устанавливается завышенной, увеличиваются общие затраты энергии на размешивание.
Задача, решаемая изобретателем, заключается в разработке приводного механизма мешалки для размешивания изначально неоднородных сред, у которого при сохранении равномерного распределения в пределах цикла энергозатрат на перемещение рабочих звеньев уменьшается общая продолжительность процесса размешивания до получения однородной среды за счет увеличения интенсивности размешивания во всех участках среды благодаря введению в состав приводного механизма мешалки рабочих звеньев с плоскопараллельным движением.
Для решения поставленной задачи в известном приводном механизме мешалки, содержащем стойку с двумя парами ограничительных упоров, кривошип, поводок, два идентичных шатуна, два идентичных коромысла, при этом звенья механизма расположены в вертикальной плоскости, кривошип одним концом шарнирно связан со стойкой, другим - с верхним концом поводка, нижний конец которого шарнирно соединен с верхним концом каждого шатуна, нижний конец каждого шатуна шарнирно соединен с верхним концом соответствующего коромысла, нижние концы которого шарнирно соединены между собой и со стойкой, каждое коромысло дополнительно снабжено плечом и стержнем, при этом каждое коромысло с соответствующим плечом является рычагом первого рода, а стержни обоих коромысел шарнирно соединены между собой и с соответствующими плечами коромысел.
Выполнение каждого коромысла в виде рычага первого рода, шарнирное соединение дополнительного плеча каждого коромысла с соответствующим стержнем и объединение стержней в диаду позволяет уменьшить общую продолжительность процесса размешивания. Это обусловлено тем, что дополнительно введенные звенья и шарниры в совокупности со звеньями и шарнирами известного приводного механизма мешалки реализуют плоскопараллельное движение стержней, при котором происходят значительные вертикальные смещения стержней вместе с участками размешиваемой среды. Тем самым увеличивается область перемещения каждого стержня, осуществляется замена нижних участков среды верхними участками и наоборот с одновременным вовлечением в движение всех слоев размешиваемой среды. В результате повышается интенсивность размешивания, сокращается время на приготовления однородных смесей и растворов.
На фиг. изображена схема предлагаемого приводного механизма мешалки. Звенья механизма в произвольном положении изображены сплошными
линиями, в одном из крайних положений - штриховыми линиями, в другом крайнем положении - штрихпунктирными линиями.
Приводной механизм мешалки состоит из стойки 1 с парой нижних 2 и парой верхних 3 ограничительных упоров, кривошипа 4, поводка 5, идентичных шатунов 6 и 7, идентичных двуплечих коромысел 8 и 9, стержней 10 и 11. Ось х является осью симметрии механизма.
Кривошип 4 соединен шарниром 12 со стойкой 1, а шарниром 13 - с поводком 5. Поводок 5 соединен соосными шарнирами 14 и 15 с шатунами 6 и 7. Шатуны 6 и 7 соединены шарнирами 16 и 17 соответственно с коромыслами 9 и 8. Каждое двуплечее коромысло 8 или 9 является рычагом первого рода. Коромысла 8 и 9 соединены соосными шарнирами 18 и 19 со стойкой 1. а шарнирами 20 и 21 соответственно со стержнями 10 и 11. Стержни 10 и 11 соединены между собой шарниром 22. Стержни 10 и 11 погружены в размешиваемую среду.
При работе приводного механизма мешалки вращение кривошипа 4 через поволок 5, шатуны 6 и 7, коромысла 8 и 9 передается стержням 10 и 11, которые осуществляют размешивание среды.
В начале цикла кривошип 4 находится в верхнем положении и совмещен с продолжением оси х. Поводок 5 совмещен с осью х. Шатуны 6 и 7 занимают верхнее положение, а коромысла 8 и 9, стержни 10 и 11 - нижнее положение. При этом коромысла 8 и 9 прижаты у ограничительным упорам 2 и образуют с осью х наименьшие углы.
В однородной среде звенья механизма движутся следующим образом. В первой половине цикла при повороте кривошипа 4 вокруг оси шарнира 12 соосные шарниры 14 и 15 смещаются по оси х в положительном направлении, а шарнир 22 - в противоположном направлении. Соответственно перемещаются поводок 5, шатуны 6 и 7, коромысла 8 и 9, стержни 10 и 11. При этом угол между осью х и каждым коромыслом увеличивается. В конце первой половины цикла кривошип 4 совмещается с осью х, соосные шарниры 14 и 15 занимают на оси х крайнее нижнее положение, коромысла 8 и 9 прижаты к ограничительным упорам 3 и образуют с осью х наибольшие углы. Во второй половине цикла вращение кривошип 4 вызывает подъем соосных шарниров 14 и 15 и опускание шарнира 22 по оси х. Этот полуцикл заканчивается возвращением звеньев механизма в положение, соответствующее началу цикла.
При размешивании неоднородной среды приводной механизм мешалки движется иначе. Если в какой-то момент первой половины цикла сопротивление движению стержня 10 станет больше, чем сопротивление движению стержня 11, то стержень 10 и коромысло 8 остановятся, а стержень 11 и коромысло 9 продолжат движение до прижатия коромысла 9 к верхнему ограничительному упору 3. Это произойдет до того, как закончится первая половина цикла. Завершение полуцикла происходит при неподвижном коромысле 9 и неподвижном стержне 11, в этот же период стержень 10 и коромысло 8 движутся вверх до прижатия коромысла 8 к верхнему ограничительному упору 3 в конце полуцикла. Во второй половине цикла вращение кривошипа
приведет вначале к отходу коромысел 8 и 9 от верхних ограничительных упоров 3, а затем к возвращению механизма в положение, соответствующее началу цикла. Первым прижмется к нижнему ограничительному упору 2 то коромысло, соответствующий стержень которого имеет меньшее сопротивление движению в размешиваемой среде. Это произойдет до того, как кривошип 4 займет крайнее верхнее положение. Завершение цикла происходит при неподвижных первом коромысле и соответствующем стержне, тогда как второе коромысло с соответствующим стержнем продолжат движение до прижатия этого коромысла к нижнему ограничительному упору 2. Далее циклы работы механизма повторяются. При непрерывном вращении кривошипа 4 стержни 10 и 11 совершают плоскопараллельное движение, вызывая интенсивное перемешивание среды по всему ее объему.
Использование заявляемого решения для приготовления однородных смесей и растворов позволит увеличить межремонтный период в работе мешалки за счет снижения перегрузок при размешивании неоднородных сред, в два раза уменьшить общий расход энергии на получение однородных смесей и растворов за счет уменьшения продолжительности процесса размешивания.
Источники информации, принятые во внимание
1. Кожевников С.Н. Механизмы. Справочник: изд. 4-е, перераб. и доп. / С.Н.Кожевников, Я.И.Есипенко, Я.М.Раскин. - М.: Машиностроение, 1976. - 784 с.
2. Доронин В.И. Силовая адаптация механизмов с двумя степенями свободы и парадокс профессора К.С.Иванова / Бюллетень научных сообщений №9. Сб. научн. тр. под ред. В.И.Строганова. Хабаровск. Изд-во ДВГУПС. 2005. - 93 с.