СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ТЕКУЧИХ СРЕД С ВРАЩАЮЩИМИСЯ ВАЛАМИ И СООТВЕТСТВУЮЩИМ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ УЗЛОМ
MIXER FOR FLUID MEDIA WITH ROTATING SHAFTS AND CORRESPONDING SEALING ASSEMBLY

Настоящее изобретение относится к смесителю для текучих сред с вращающимися валами, оснащенному уплотнительным узлом, служащим для предотвращения утечки смешанной текучей среды. Изобретение относится в целом к смесителям для любого типа текучих сред с адгезивными свойствами, стремящихся к затвердеванию, и, в частности, смесителям для бетона, строительного раствора, цемента или подобных материалов.
Смесители этого типа обычно имеют горизонтальную конструкцию и содержат бак, в котором текучая среда смешивается с помощью двойного вала с лопастями, который вращается внутри бака для смешивания первичных компонентов продукта и обеспечения разнонаправленного перемещения, что позволяет избежать слипания продукта. Упомянутым системам нужна двойная система уплотнения для каждого вращающегося вала.
Идеальное сохранение продукта позволяет избежать загрязнения окружающей среды, что является очень важным вопросом сегодня, и предотвращает потерю жидких фракций перерабатываемого внутри бака продукта, что приводило бы к утрате продуктом качества.
На фиг.1 показан уплотнительный узел в соответствии с известной технологией, подобной той, что раскрыта в патенте EP 1033165 под названием O.M.G. На упомянутой фигуре показан вращающийся вал (1) с горизонтальной осью, проходящей через стенку (2) бака, в котором содержится смешиваемый продукт. Стенка (2) бака содержит опорную стенку (20) с внешней стороны бака и стенку (21) покрытия с внутренней стороны бака.
Стенка (21) покрытия снабжена отверстием (22), диаметр которого больше, чем наружный диаметр вала (1), для обеспечения установки в него вала (1). В связи с вышеизложенным, между внешней поверхностью вала (1) и периметром отверстия (22) имеется кольцевое пространство, образующее впускной канал (23), в который смешанный продукт проникает согласно направлению, указанному стрелкой (F). Функция уплотнительного узла заключается в предотвращении утечек продукта, поступающего во впускной канал (23).
С валом (1) соединена металлическая муфта (3) с помощью конического соединителя (30) и винтов (31), затянутых с определенным моментом затяжки для соединения муфты (3) с валом (1).
Муфта (3) поворотно установлена на опорном фланце (4), прикрепленном к опорной стенке (20) бака. Таким образом, соединенная с валом (1) муфта (3) вращается, будучи поворотно установленной в опорном фланце (4). В опорном фланце (4) проделан канал (40) для введения консистентной смазки между поверхностью качения муфты (3) и внутренней поверхностью опорного фланца (4). Дозирующий насос с емкостью для смазки, оснащенный распределительным устройством последовательности и соответствующими трубками подачи смазки, обеспечивает периодическую дозировку смазки в системе.
Герметизация текучей среды достигается с помощью кольцевого уплотнения (9), закрепленного в опорном фланце (4) выше по потоку от впускного канала (23). Кольцевое уплотнение (9) состоит из эластичного элемента (обычно выполненного из резинового полиуретана), который деформирован и скользит по конической части муфты (3), предотвращая утечку текучей среды, проходящей через впускной канал (23).
Тем не менее, данная система уплотнения имеет многочисленные недостатки, связанные с процессом управления консистентной смазкой:
a) израсходование смазки в баке с последующей работой без смазки в течение некоторого времени, что приводит к повреждениям системы уплотнения,
b) ошибочное срабатывание распределительного устройства и частичное или неправильное распределение смазки с последующим повреждением системы уплотнения с течением времени,
c) в случае длительного простоя машины по разным причинам находящаяся в трубках смазка имеет тенденцию к затвердеванию, тем самым уменьшая или блокируя приток смазки, что ведет к последующему неправильному смазыванию и повреждениям системы уплотнения;
d) независимо от наличия кольцевого уплотнения (9), часть перекачиваемой смазки заливается в бак и смешивается с продуктом; уменьшение износа уплотняющего края требует большого количества смазочного материала (смазки), что заканчивается смешиванием с продуктом и изменением его свойств.
В FR 2626645 раскрыто устройство с уплотнительной прокладкой с боковым трением, содержащее вращающееся уплотнительное кольцо и фиксированное уплотнительное кольцо. Упомянутое устройство, в частности, находит свое применение в насосах для загруженного продукта.
В US 3070378 раскрыто антифрикционное роторное уплотнение, содержащее два уплотнительных кольца, используемых во вращающемся валу для предотвращения утечки текучих сред.
Целью настоящего изобретения является устранение недостатков известного уровня техники путем создания смесителя для текучих сред с вращающимися валами, оснащенного уплотнительным узлом, которое отличается эффективностью, надежностью и требует минимального технического обслуживания.
Другой целью настоящего изобретения является создание смесителя для текучих сред с уплотнительным узлом, отличающегося простотой установки и управления.
Эти цели достигаются с помощью настоящего изобретения, признаки которого заявлены в независимом пункте 1.
Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.
Смеситель для текучих сред согласно изобретению содержит:
- бак, используемый для хранения смешиваемой текучей среды,
- вращающийся вал, который проходит через отверстие, просверленное в стенке бака, что создает канал между внешней поверхностью вала и периметром отверстия стенки бака, по которому текучая среда поступает из бака в камеру за пределами бака, в котором вращается вал, и
- уплотнительный узел, служащий для предотвращения утечки текучей среды за пределы камеры.
Уплотнительный узел содержит первое уплотнительное кольцо, установленное на вращающемся валу, и второе уплотнительное кольцо, установленное на опорном фланце, жестко прикрепленном к стенке бака, таким образом, что первое уплотнительное кольцо скользит в тесном контакте со вторым уплотнительным кольцом, предотвращая проникновение текучей среды за пределы камеры.
Преимущества смесителя, согласно настоящему изобретению, становятся очевидными в силу ликвидации системы смазки.
Уплотнительный узел преимущественно выполнен таким образом, чтобы максимизировать отношение объема к поверхности камеры, в которой содержится текучая среда выше по потоку от впускного канала, чтобы избежать затвердевания текучей среды в такой камере.
Дополнительные характеристики изобретения станут понятны из нижеследующего подробного описания, которое является только иллюстративным, по не ограничивающим варианты осуществления, показанные на сопровождающих чертежах, на которых:
фиг.1 - вид в осевом разрезе участка смесителя для текучих сред с уплотнительным узлом согласно известной технологии;
фиг.2 - вид в осевом разрезе участка смесителя для текучих сред с уплотнительным узлом согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - увеличенная деталь, заключенная в отображенном прерывистой линией эллипсе Z на фиг.2, которая иллюстрирует впускной канал для текучей среды и соответствующую камеру, содержащую текучую среду;
фиг.4 - частично обрезанный вид в осевом разрезе, на котором представлен усовершенствованный вариант смесителя для текучих сред, показанный на фиг.3; и
фиг.5 - увеличенная деталь фиг.4, показывающая объемы камеры, в которой содержится текучая среда, поступающая из впускного канала.
Для устранения проблемы управления смазкой заявитель попытался реализовать уплотнительный узел таким образом, как изображено на фиг.2, на которой элементы, идентичные или соответствующие тем, что изображены на фиг.1, обозначены теми же ссылочными позициями, при этом их подробное описание опущено.
Втулка (5) соединена с валом (1) с помощью фиксирующих штифтов (51). На втулке (5) установлен кольцевой ползун (7), скользящий в осевом направлении. Ползун (7) оснащен первым уплотнительным кольцом (6А).
Первое уплотнительное кольцо (6А) перемещается параллельно направлению оси вращения вала (1) относительно второго уплотнительного кольца (6В), установленного на неподвижной опоре (42), жестко прикрепленной к опорному фланцу (4) с помощью винтов (43). Пружинное средство (8) расположено между круговым задним элементом (70), соединенным с втулкой (5), и ползуном (7), оснащенным первым уплотнительным кольцом (6А). Пружинное средство (8) равномерно распределено по окружности вокруг втулки (5) в целях обеспечения равномерного осевого усилия ползуна (7). Таким образом, первое уплотнительное кольцо (6А) перемещается относительно второго уплотнительного кольца (6В) в осевом направлении. Первое уплотнительное кольцо (6А) вращается вместе с валом (1) и скользит по второму уплотнительному кольцу (6В), которое остается фиксированным. Осевое усилие пружинного средства (8) обеспечивает непрерывный скользящий контакт между дорожками уплотнительных колец (6А, 6В), получая, таким образом, герметизацию текучей среды, поступающей во впускной канал (23) из бака и текущей к уплотнительным кольцам (6А, 6В).
Следует отметить, что уплотнительные кольца (6А, 6В) не требуют смазывания консистентной смазкой, что исключает проблемы, связанные с управлением смазыванием.
Как показано на фиг.2 и 3, в соответствии с известной технологией геометрическая форма и расположение неподвижной опоры (42) и втулки (5) были разработаны таким образом, чтобы сохранить текучую среду на возможно большем удалении от скользящих поверхностей уплотнительных колец (6А, 6В). По существу, камера (24) размещена выше по потоку от впускного канала (23), за пределами бака, заполненного текучей средой до возникновения контакта с уплотнительными кольцами (6А, 6В). Чтобы свести к минимуму контакт текучей среды с уплотнительными кольцами (6А, 6В), размеры камеры (24) были уменьшены в максимально возможной степени.
Кроме того, должно быть обеспечено эффективное охлаждение тепла, возникающего от трения между уплотнительными кольцами (6А, 6В), путем создания каналов (44) (фиг.2) в опорном фланце (4) для охлаждения текучей среды уплотнительных колец (6А, 6В).
Как показано на фиг.3, впускной канал (23), образованный между валом (1) и отверстием (22) стенки (21) покрытия бака, переходит в камеру (24) с текучей средой, имеющую первый L-образный участок (24а) в осевом сечении, находящийся между стенкой (21), соединительной втулкой (5) и неподвижной опорой (42). Первый участок (24А) камеры переходит:
- во второй участок (24В) камеры, образованный между соединительной втулкой (5) и вторым уплотнительным кольцом (6В), и
- третий участок (24С) камеры, образованный между соединительной втулкой (5) и первым уплотнительным кольцом (6А).
Следует отметить, что из-за небольшой величины отношения объема текучей среды к влажной поверхности, поступающая в камеру (24) текучая среда легко затвердевает, что приводит к следующим проблемам:
a) слипание втулки (5) с неподвижной опорой (42) из-за затвердевания материала на первом участке (24А) камеры,
b) слипание втулки (5) со вторым уплотнительным кольцом (6В) из-за затвердевания материала на втором участке (24 В) камеры, и
c) слипание втулки (5) с первым уплотнительным кольцом (6А) из-за затвердевания материала на третьем участке (24С)камеры.
При перезапуске смесителя после продолжительного простоя, затвердевшая текучая среда легко разламывается на первом и втором участке камеры (24А, 24В) между втулкой (5) и неподвижной опорой (42), оснащенной вторым уплотнительным кольцом (6В). По существу, втулка (5) вращается относительно неподвижной опоры (42).
Однако удаления затвердевшей текучей среды, содержащейся на третьем участке (24С) камеры между втулкой (5) и первым уплотнительным кольцом (6А), не происходит, поскольку и втулка (5), и первое уплотнительное кольцо (6А) вращаются вместе с валом (1). По этой причине затвердевшая текучая среда на третьем участке (24С) камеры блокирует осевое эластичное движение ползуна (7), происходящее под воздействием пружинного средства (8), при этом больше нет контакта между скользящими дорожками уплотнительных колец (6А, 6В) и нарушается эффект герметизации.
При затвердевании материала на третьем участке (24С) камеры необходимо разобрать уплотнительный узел, разблокировать его, удалив материал, содержащийся в пространстве (24С), и промыть его, что вызывает экологические проблемы.
Неудобства, которые устраняются наличием уплотнительного узла (то есть потери текучей среды во время смешивания), периодически возникают из-за необходимости промывания и ремонта уплотнения для восстановления его работоспособности. Эта проблема возникает постоянно из-за частых остановок и из-за короткого времени застывания бетона.
Заявителем обнаружено, что упомянутые неисправности вызваны малыми размерами камеры (24). Фактически, чем меньше расстояние между поверхностями камеры (24) (которую для простоты можно рассматривать как цилиндрическую камеру), тем большие поверхности, находящиеся в контакте с текучей средой, будут соприкасаться с объемом текучей среды, содержащейся в камере (24).
Если рассматривать твердое тело, то чем меньше размеры твердого тела, тем больше будет отношение между поверхностями, которые содержат твердое тело, и объемом твердого тела, что способствует увеличению поверхностных сил в отношении объемных сил количества текучей среды, содержащейся в камере.
В связи с вышеизложенным, тенденция к затвердеванию, что отличает текучую среду в этой небольшой кольцевой области, будет пересиливать ситуацию, в которой объем текучей среды имеет тенденцию к увеличению. Тенденция к затвердеванию пропорциональна контактным поверхностям текучей среды, при этом она связана с теплообменом через контактные поверхности. Выработка тепла, связанная с преобразованиями текучей среды, пропорциональна объему (массе текучей среды, содержащейся в камере (24)), при этом теплообменная способность пропорциональна поверхности камеры (24). Если с уменьшением размеров камеры (24) отношение поверхности к объему имеет тенденцию к увеличению, тенденция текучей среды к затвердеванию имеет тенденцию к увеличению (теплообмен через поверхности увеличивается по отношению к выработанному внутри), вместе с прилипанием текучей среды к тем же поверхностям.
В связи с вышеизложенным, заявитель пришел к выводу, что объем текучей среды в камере (24) выше по потоку от уплотнительных колец (6А, 6В) должен быть достаточно большим, чтобы избежать тенденции текучей среды затвердевать и прилипать к поверхностям.
Для достижения упомянутого результата заявитель изменил уплотнительный узел на фиг.2 и разработал усовершенствованный уплотнительный узел, показанный на фиг.4 и 5.
В соответствии с улучшенным уплотнительным узлом, вращающийся вал (1) имеет втулку с манжетой (10), расположенной на некотором расстоянии от стенки (21) бака. Втулка с манжетой (10) прикреплена к соединительной втулке (5), оснащенной первым уплотнительным кольцом (6А).
Имеется круговой ползун (7), аксиально скользящий внутри фланца (4), жестко прикрепленного к опорной стенке (20) бака. Ползун (7) оснащен вторым уплотнительным кольцом (6В), которое перемещается относительно первого уплотнительного кольца (6А). Ползун (7) перемещается к первому уплотнительному кольцу (6а) под воздействием пружины (8), расположенной между ползуном (7) и задним элементом (70), прикрепленным к фиксированному фланцу (4).
Следует отметить, что первое уплотнительное кольцо (6А) установлено на конце соединительной втулки (47), на удалении от стенки (21) покрытия бака. Второе уплотнительное кольцо (6В) установлено на конце ползуна (7) около стенки (21) покрытия бака.
Распределение силы упругости по окружности ползуна (7) является еще одним важным элементом для следующих параметров:
a) сила упругости должна быть достаточно большой для создания эффективного давления между скользящими дорожками уплотнительных колец (6А, 6В) для обеспечения герметизации текучей среды;
b) сила упругости должна быть равномерно распределена по окружности ползуна (7), чтобы гарантировать непрерывный равномерный контакт также при перекосе между осью уплотнительных колец (6А, 6В) и осью отверстия, в которое вставлен уплотнительный опорный фланец; эта проблема может быть решена путем установки нескольких пружин (8) по окружности ползуна (7), обеспечивающих усиление упругого осевого усилия и равное распределение той же силы упругости по всей окружности ползуна (7).
Уплотнительный узел предварительно собран с помощью четырех установленных с предварительным натягом штифтов (71), размещенных под углом 90°, которые блокируют элемент (70) на втулке с манжетой (10) для сжимания пружины (8). При сборке уплотнительного узла на машине, после того как узел прикреплен к стенке (20) покрытия и валу (1) с помощью гаек и штифтов, четыре установленных с предварительным натягом штифта (71) ослабляют для высвобождения элемента (70) из втулки с манжетой (10), соединенной с валом (1).
Внутренняя поверхность фиксированного фланца (4) имеет соответствующую форму для максимального увеличения камеры (24) для текучих сред. По существу, начинаясь от стенки (21) бака, внутренняя поверхность фланца (4) имеет цилиндрическое отверстие (45) с большим диаметром, переходящее в усеченно-коническое отверстие (46) с уменьшающимся диаметром, заканчивающееся круговым отверстием (47), в котором установлен аксиально перемещающийся ползун (7).
Как показано на фиг.5, камера (24) для текучих сред содержит:
- первый тороидальный объем (V), образованный между стенкой (21) бака, концом втулки с манжетой (10) вала и соединительной втулкой (5), установленной на втулке с манжетой (10),
второй тороидальный объем (Vb), образованный между стенкой (21) бака, цилиндрическим отверстием (45) с большим диаметром фланца (4) и соединительной втулкой (5),
третий усеченно-конический тороидальный объем (Vc), образованный между усеченно-коническим отверстием (46) фланца (4), соединительной втулкой (5) и первым уплотнительным кольцом (6А),
- четвертый тороидальный объем (Vd), образованный между цилиндрическим отверстием (47) с нижним диаметром фланца, концом ползуна (7) и вторым уплотнительным кольцом (6В).
Объемы (V, Vb, Vc) находятся в контакте с поворотной частью, состоящей из вала (1), втулки с манжетой (10), соединительной втулки (5) и первого уплотнительного кольца (6А). Таким образом, текучая среда, содержащаяся в объемах (Va, Vb, Vc), легко удаляется. Важную часть представляет собой текучая среда, содержащаяся в объеме (Vd).
Ряд испытаний, проведенных с различными размерами объема текучей среды (Va, Vb, Vc, Vd), достигающей уплотнительных колец (6А, 6В), позволил определить следующие величины:
А - длина цилиндрического отверстия (45) фланца (4);
В - расстояние между внешней поверхностью соединительной втулки (5) и поверхностью цилиндрического отверстия (45) фланца (4);
С - расстояние от конца соединительной втулки (5) около стенки бака и контактной поверхностью первого уплотнительного кольца (6А), удаленного от стенки бака;
Dna - номинальный диаметр вала (1) и
α - конический угол усеченно-конического отверстия (46) фланца (4).
В частности:
- А, В, С и а определяют объем текучей среды в камере (24) вверх по потоку от уплотнительных колец (6А, 6В);
- С определяет контактную поверхность между поворотной частью (5, 6А) и текучей средой, через которую при перезапуске вала переданный крутящий момент разламывает и приводит в движение затвердевшую текучую среду, содержащуюся в объеме (Va, Vb, Vc, Vd);
- при вращении поворотной части (5, 6А) угол α способствует полному заполнению камеры (24) текучей средой до двух уплотнительных колец (6А, 6В).
Согласно настоящему изобретению, камера (24), образованная объемами (Va, Vb, Vc, Vd), должна быть достаточно большой для уменьшения прилипания текучей среды, содержащейся внутри камеры, к поверхностям той же камеры с последующей меньшей степенью застывания. Путем соответствующего подбора размеров вращающихся поверхностей, пропорциональных расстоянию (С) (при перезапуске вала (1)), переданный крутящий момент разламывает твердый продукт (из-за его более низкой механической прочности) и в результате запускает вал.
После запуска новая текучая среда, поступающая во впускной канал (23) и камеру (24), смешивается с сухим материалом в камере (24) (который был разломан при запуске вала) и становится частью готового продукта.
Такое решение устраняет проблему, возникающую, когда материал приклеивается к уплотнительному кольцу, размещенному на ползуне (7), что предотвращает осевое скольжение ползуна под воздействием пружин (8) и контакт скользящих дорожек уплотнительных колец (6А, 6В).
На основании экспериментальных результатов были определены следующие конструктивные ограничения во избежание вышеупомянутых явлений приклеивания.
α>15 угловых градусов,
A/Dna>0,1;
B/Dna>0,1;
C/Dna>0,2.
В настоящих вариантах осуществления изобретения специалистом в данной области техники могут быть сделаны многочисленные изменения и модификации, которые находятся в пределах объема изобретения, заявленного в приложенных пунктах формулы изобретения.