Перемешивающее устройство с неравномерным движением рабочего органа
MIXING DEVICE WITH IRREGULAR MOVEMENT OF WORKING BODY

Изобретение относится к перемешивающим устройствам и может применяться в химической, строительной, пищевой промышленности как устройство, необходимое для интенсификации тепломассообменных процессов, для выравнивания концентраций и температур во всем объеме жидкой среды.
Известно устройство для перемешивания (Патент на полезную модель № RU 152110 U1, кл. B01F 7/16), состоящее из реактора, двигателя, рабочего органа и исполнительного механизма, который установлен на крышке корпуса. Исполнительный механизм состоит из кривошипно-коромыслового механизма, содержащего кривошип, шатун и коромысло. Вал коромысла через муфту соединен с валом, на котором закреплен рабочий орган.
Однако примененный в указанном устройстве кривошипно-коромысловый механизм имеет большие габариты и малый коэффициент использования объема привода.
Известно перемешивающее устройство с внутрицикловым изменением угловой скорости рабочего органа (Торубаров Н.Н., Малышев P.M. Перемешивающие устройства со сложным законом движения мешалок // Известия МГТУ «МАМИ». - 2014. - №2(20). - С. 88-91), содержащее электродвигатель с валом, водило, сателлиты, кривошипы, шатуны, ведомый вал, неподвижное колесо, мешалку, корпус и крышку аппарата, а также загрузочный и выгрузочный штуцеры. Движение от вала электродвигателя передается водилу и сателлитам, которые одновременно вращаются вокруг собственной оси в результате взаимодействия с зубьями неподвижного колеса. При этом кривошипы, жестко закрепленные на сателлитах, описывают гипотрохоиду, которая характеризуется неравномерной скоростью движения кривошипов относительно оси колеса. Шатуны передают неравномерное движение в одном направлении ведомому валу, на котором закреплена мешалка. Таким образом, мешалка получает сложный закон движения с переменной частотой вращения внутри одного цикла работы.
Недостатком такой конструкции является использование в системе привода смесителя рычажных механизмов, которые имеют большие габариты и невысокий коэффициент использования объема привода. Также следует отметить сложность настройки коэффициента неравномерности вращения мешалки во время эксплуатации.
Известен механизм с остановками выходного звена (Prikhodko А.А., Smelyagin A.I., Tsybin A.D. Kinematics of planetary mechanisms with intermittent motion // Procedia Engineering. - 2017. - T. 206. - C. 380-385), который может применяться в качестве привода перемешивающего устройства и является прототипом предлагаемого изобретения, содержащий корпус, входной вал, водило, центральное цилиндрическое неподвижное зубчатое колесо, сателлит, состоящий из цилиндрического зубчатого колеса, вала и эллиптического зубчатого колеса, и выходной вал с закрепленным на нем эллиптическим зубчатым колесом. При этом в рассматриваемом механизме оси вращения эллиптических зубчатых колес проходят через фокусы делительного эллипса.
Недостатками конструкции с использованием двух внешних зацеплений являются невысокая прочность и КПД механизма. В прототипе реализуется частный случай неравномерного движения - движение с остановками, но при этом не показывается возможность изменения коэффициента неравномерности движения выходного звена.
Таким образом, задачей изобретения является создание перемешивающего устройства с неравномерным движением рабочего органа, характеризующегося высокими эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом является обеспечение возможности настройки коэффициента неравномерности вращения рабочего органа.
Технический результат достигается тем, что перемешивающее устройство с неравномерным движением рабочего органа содержит реактор, двигатель, крышку, корпус исполнительного механизма, в котором соосно установлены входной и выходной валы, центральное неподвижное зубчатое колесо с внутренними зубьями, жестко закрепленное на корпусе соосно входному валу, сателлит, состоящий из цилиндрического зубчатого колеса и эллиптического зубчатого колеса сателлита, расположенных на валу сателлита, водило, установленное на входном валу и соединенное через вращательную кинематическую пару с валом сателлита, эллиптическое зубчатое колесо, закрепленное на выходном валу, при этом эллиптические зубчатые колеса имеют одинаковые размеры и установлены на валах таким образом, что ось вращения каждого вала проходит через точку, называемую фокусом делительного эллипса эллиптического зубчатого колеса, которая расположена на большой полуоси делительного эллипса на расстоянии с от центра делительного эллипса, определяемом по формуле:
где а и b - большая и малая полуоси делительного эллипса соответственно,
и таким образом достигается непрерывность их зацепления; рабочий орган, жестко закрепленный на выходном валу.
Технический результат достигается за счет использования планетарной передачи с одним внутренним и одним внешним зацеплением. Данный вид передачи имеет возможность настройки коэффициента неравномерности движения рабочего органа путем варьирования радиусов цилиндрических и эксцентриситетов эллиптических зубчатых колес. На фиг. 1 показана схема перемешивающего устройства с неравномерным движением рабочего органа, на фиг. 2 показан разрез А-А, на фиг. 3 показан разрез Б-Б, на фиг. 4-6 показаны примеры исполнительных механизмов с различными радиусами цилиндрических зубчатых колес, на фиг. 7 показаны графики зависимостей угла поворота выходного вала от угла поворота входного вала при различных радиусах цилиндрических зубчатых колес, на фиг. 8-10 показаны примеры исполнительных механизмов с различными эксцентриситетами эллиптических зубчатых колес, на фиг. 11 показаны графики зависимостей угла поворота выходного вала от угла поворота входного вала при различных эксцентриситетах эллиптических зубчатых колес, на фиг. 12 показана зависимость коэффициента неравномерности вращения выходного вала от соотношения радиусов цилиндрических зубчатых колес для исполнительных механизмов с различными эксцентриситетами эллиптических зубчатых колес.
Перемешивающее устройство с неравномерным движением рабочего органа состоит из реактора 1, двигателя 2, крышки 3, корпуса исполнительного механизма 4, в котором соосно установлены входной 5 и выходной 6 валы, центрального неподвижного зубчатого колеса с внутренними зубьями 7, жестко закрепленного на корпусе соосно входному валу 5, сателлита, состоящего из цилиндрического зубчатого колеса 9 и эллиптического зубчатого колеса 10, расположенных на валу сателлита 11, водила 12, установленного на входном валу 5 и соединенного через вращательную кинематическую пару с валом сателлита 11, эллиптического зубчатого колеса 8, закрепленного на выходном валу 6. Эллиптические зубчатые колеса 8 и 10 имеют одинаковые размеры и установлены на валах таким образом, что ось вращения каждого вала проходит через точку, называемую фокусом делительного эллипса эллиптического зубчатого колеса, которая расположена на большой полуоси делительного эллипса на расстоянии с от центра делительного эллипса  где а и b - большая и малая полуоси делительного эллипса соответственно, и таким образом достигается непрерывность их зацепления. На выходном валу закреплен рабочий орган 13, который помещен в реактор 1.
Перемешивающее устройство работает следующим образом.
Двигатель 2 сообщает входному валу 5 вращательное движение, которое передается водилу 12, благодаря чему цилиндрическое зубчатое колесо 9 обкатывается по неподвижному зубчатому колесу с внутренними зубьями 7. Вращательное движение цилиндрического колеса 9 передается валу сателлита 11 и эллиптическому зубчатому колесу 10, которое приводит в движение эллиптическое зубчатое колесо 8 и соответственно выходной вал 6, который благодаря переменному передаточному отношению пары эллиптических зубчатых колес совершает неравномерное вращательное движение. Так как выходной вал 6 совершает неравномерное вращательное движение, то движение рабочего органа 13 также будет неравномерным. Неравномерное движение рабочего органа приводит к перемешиванию продукта в реакторе.
1
2
Коэффициент неравномерности вращения рабочего органа перемешивающего устройства зависит от следующих параметров: радиусов цилиндрических зубчатых колес R и R, а также эксцентриситета е пары эллиптических зубчатых колес. Для изменения коэффициента неравномерности могут изготавливаться комплекты сменных цилиндрических зубчатых колес 7 и 9 различных радиусов и эллиптических зубчатых колес 8 и 10 с различными эксцентриситетами.
1
2
1
2
1
2
Зависимость коэффициента неравномерности вращения выходного вала, на котором закреплен рабочий орган, от радиусов цилиндрических зубчатых колес 7 и 9 показана на трех примерах (фиг. 4-6). Эксцентриситеты пары эллиптических зубчатых колес 8 и 10 одинаковы для всех трех примеров (е=0.5). Радиусы цилиндрических зубчатых колес 7 и 9 варьируются и составляют R=60, R=10 (фиг. 4); R=70, R=20 (фиг. 5); R=80, R=30 (фиг. 6) для первого, второго и третьего механизмов соответственно. На фиг. 7 показаны графики зависимостей угла поворота выходного вала и, соответственно, рабочего органа от угла поворота входного вала для трех механизмов.
1
2
Зависимость коэффициента неравномерности вращения выходного вала, на котором закреплен рабочий орган, от эксцентриситета эллиптических зубчатых колес показана также на трех примерах (фиг. 8-10). Радиусы цилиндрических зубчатых колес 7 и 9 одинаковы для всех трех примеров (R=70, R=20). Эксцентриситет пары эллиптических зубчатых колес 8 и 10 варьируется и составляет е=0.28 (фиг. 8), е=0,475 (фиг. 9) и е=0.6 (фиг. 10) для первого, второго и третьего механизмов соответственно. На фиг. 11 показаны графики зависимостей угла поворота выходного вала и, соответственно, рабочего органа от угла поворота входного вала для трех механизмов.
2
1
На фиг. 12 показана зависимость коэффициента неравномерности вращения δ выходного вала 6 и, соответственно, рабочего органа 13 от соотношения радиусов цилиндрических зубчатых колес R/R для механизмов с различными эксцентриситетами эллиптических зубчатых колес (е=0.28, 0.475 и 0.6). Таким образом, путем подбора размеров цилиндрических и эллиптических зубчатых колес, можно регулировать неравномерность вращения рабочего органа перемешивающего устройства в широких пределах.