УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
MIXING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к перемешивающим устройствам и может быть использовано в пищевой, медицинской, химической, строительной отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве, как устройство, необходимое для приготовления однородных сред, позволяющее интенсифицировать массо- и теплообменные процессы, выравнивать концентрацию и температуру во всем объеме перемешиваемых веществ путем увеличения поверхности контакта фаз. Кроме того, перемешивающие устройства позволяют обеспечить равномерное распределение энергии в объеме аппарата.
В сельском хозяйстве процесс перемешивания используют при приготовлении различных кормосмесей, а также: при протравливании зерна ядохимикатами перед посевом, при сушке зерна и других материалов; в химико-фармацевтической и медицинской промышленности - при приготовлении лекарственных веществ особая роль отводится качественному перемешиванию многокомпонентных составляющих; в пищевой промышленности, в частности в кондитерском производстве - в целях замещения монотонных ручных операций, например при уваривании конфетных масс; в машиностроении - при изготовлении шлифовальных кругов смешивают алмазный порошок с вяжущим материалом, а также смешивают медный порошок и графит при изготовлении угольных щеток и так далее; в строительной индустрии - при производстве тонкокерамических изделий из пластичных глин и каолинов, в частности, при создании керамической массы и глазури.
Но, несмотря на то, что большинство конструкций используемых механических перемешивающих устройств создавалось на основе практического опыта без достаточного обоснования, они являются в мировой практике доминирующим типом. Данный факт объясняется универсальностью таких аппаратов, надежностью их конструкций, высоким КПД по сравнению с перемешивающими устройствами других типов.
Известно устройство для перемешивания (патент РФ 2369430 B01F 7/16, В28С 5/16), в основу которого положены четыре двухвершинных подвижных звена, образующие пространственную стационарную кинематическую цепь.
Звенья устройства установлены в следующем порядке: стойка-кривошип-шатун-камень-кулиса-стойка и соединены кинематическими парами, из которых вращательные пары «кривошип-стойка», «кривошип-шатун» параллельны и перпендикулярны оси третьей вращательной пары «камень-шатун», которая в свою очередь перпендикулярна оси кулисы.
Ось винтовой пары «кулиса-камень» параллельна продольной оси кулисы, в верхней части которой установлена сферическая трехподвижная кинематическая пара «кулиса-стойка», смещенная в пространстве относительно пары «кривошип-стойка». В частных положениях звеньев оси вращения кулисы и шатуна могут быть перпендикулярны.
Это устройство для перемешивания работает следующим образом.
Вращение кривошипа относительно стойки инициирует переносное вращение шатуна вокруг оси кривошипа и относительное неполное (колебательное) его вращение вокруг собственной оси. Поскольку сферическая кинематическая пара смещена в пространстве относительно пары «кривошип-стойка», движение шатуна преобразуется в движение камня вдоль кулисы, вследствие чего рабочий орган, прикрепленный к нижней части кулисы, приобретает вращательные движения вокруг трех осей.
В момент смены направления движения камня вдоль кулисы угловые скорости вращения кулисы вокруг своей оси и относительно оси ОХ меняют знак, генерируется гидродинамический удар в перемешиваемых веществах, увеличивается турбулентность потоков смешиваемых веществ, что благоприятно сказывается на качестве выходного продукта. Однако наличие в механизме сферической кинематической пары накладывает общее ограничение к точности изготовления и монтажа механизма.
Следует упомянуть и о том, что вершина кулисы механизма, к консоли которой прикреплен рабочий орган, связана со стойкой, а значит, рабочий орган не имеет относительного движения, а только пространственные, переносные перемещения, представленные его вращением вокруг собственной оси, проходящей через сферическую пару, и вокруг других осей, проходящих через центр указанной пары. Такие кинематические возможности не позволяют найти резервы увеличения производительности и качества выходного продукта.
Также известно устройство для перемешивания (патент РФ 2067535, B28G 5/16), содержащее стойку и пять двухвершинных (простых) подвижных звеньев: кривошип, шатун, камень, кулису (далее винт) и коромысло, связанные низшими одноподвижными кинематическими парами.
К достоинствам применения низших одноподвижных пар следует отнести: легкую компенсацию их износа благодаря соответствующим регулировочным устройствам, малые затраты на производство и обслуживание таких пар, их высокий моторесурс. Пары достаточно надежны при изменяющихся размерах звеньев: например, при просадке фундамента (стойки), температурных воздействиях; замены износившихся деталей и остаточных деформациях при авариях. Они способны воспринимать ударные нагрузки, имеют малый коэффициент трения, обладают высокой нагрузочной способностью и долговечностью. Конструкция одноподвижных пар обеспечивает достаточную площадь опорных поверхностей и отсутствие или, по крайней мере, уменьшение изгиба оси шарнира при передаче усилия.
Кроме того, использование в механизмах низших кинематических пар не требует дополнительных устройств, обеспечивающих постоянное замыкание звеньев.
Кривошип механизма приводится в движение асинхронным двигателем и образует со стойкой и шатуном вращательные кинематические пары с параллельными осями, установленные с любой пространственной ориентацией. Винт и камень образуют винтовую кинематическую пару с осью, совпадающей с осью винта.
Применение такого вида подвижного соединения звеньев в механизмах позволит получить вращательное движение с большим выигрышем в силе.
Коромысло, будучи присоединенным к верхней части винта посредством соосной ей третьей вращательной кинематической пары, образует со стойкой четвертую вращательную кинематическую пару с осью движения, параллельной осям пар шатун-кривошип-стойка.
Конструктивно в устройство для перемешивания между камнем и кривошипом введено дополнительное связующее звено - шатун, необходимое для реализации движения звеньев механизма в параллельных плоскостях, а также для равномерного распределения усилий между заходами винта. Пятая вращательная кинематическая пара образована камнем и шатуном, ось которой перпендикулярна винту и расположена в плоскости, параллельной плоскости движения кривошипа.
Рассмотрим последовательность передачи движения между звеньями данного механизма.
Перманентное вращение ведущего звена - кривошипа через шатун передается камню, который двигаясь поступательно вдоль винта, принуждает его к вращению с переменными по знаку и направлению скоростями. Глубина погружения и углы входа винта рабочего органа, прикрепленного к свободной консоли, являются переменными величинами. Число простейших видов движений, совершаемых рабочим органом механизма, равно четырем.
В таком механизме рабочий орган, вращаясь вместе с винтом (относительное движение), перемещается по дуге постоянного радиуса (переносное движение), равного квадратному корню суммы квадратов необходимого размера кулисы, найденного из условия проворачиваемости (существования) кривошипа (правило Ф. Грасгофа) и коромысла.
Путь, пройденный частицами смешиваемых веществ до стенок емкости для перемешивания при воздействии на них рабочего органа, различен, что поддерживает турбулентность в течении смешиваемых веществ, созданную рабочим органом с переменными скоростями в относительном и переносном движениях, что позволяет повысить производительность технологического процесса получения однородного выходного продукта, улучшить показатели качества перемешивания, сократить время технологического процесса и энергозатраты.
Теоретическое исследование и компьютерное моделирование, проведенное на кафедре «Прикладная механика» НГТУ г. Новосибирск, показало, что качество перемешивания зависит, в том числе, и от критериев эффективности движения рабочего органа, равных отношениям его скоростей к пройденным путям. Принятые критерии позволяют провести количественную оценку величины энергии, распределяемой рабочим органом в слоях перемешиваемых веществ с учетом протяженности совершаемого им пути в относительном и переносном движениях.
Были получены противоречащие друг другу условия, устанавливающие соотношения длин звеньев, при выполнении которых критерии эффективности движения рабочего органа достигают максимальных значений. Конструктивно реализовать данные показатели в исследуемом механизме не представляется возможным. То есть один из критериев эффективности движения рабочего органа в таком механизме не достигает максимальных значений при достижении максимума другим критерием, и наоборот. А значит, резерв увеличения производительности и качества перемешивания, а также сокращения времени рабочего цикла, ограничен.
Известно устройство для перемешивания (Патент РФ 2478473), являющееся прототипом предлагаемого изобретения.
Прототип является одноподвижным пространственным рычажным механизмом, состоящим из семи звеньев: кривошипа, шатуна, камня, винта, кулисы, качающегося ползуна и стойки, соединенных семью одноподвижными и одной двухподвижной кинематическими парами.
С параллельными осями вращательные пары, образованные кривошипом с шатуном и стойкой, качающимся ползуном и стойкой, имеют оси, перпендикулярные оси винта, к нижней консоли которого присоединен рабочий орган. Шатун и камень соединены вращательной парой, ось которой перпендикулярна продольной оси вращения винта. Кулиса образует три кинематические пары: поступательную пару с качающимся ползуном, вращательную пару с винтом, соосную паре винт-камень, и двухподвижную (траекторную) пару со стойкой.
Движение кривошипа относительно стойки, обусловленное вращением вала двигателя, инициирует переносное перемещение шатуна вокруг оси кривошипа и относительное, неполное его движение (качательное) вокруг оси пары шатун-кривошип. Движения шатуна передаются камню, который движется вдоль винта, тем самым принуждает его к вращению вокруг продольной его оси и оси крепления механизма к стойке.
Рабочий орган, присоединенный к винту, имеет два вида переносных движений: первый вид, это вращение относительно пары качающийся ползун-стойка; второй - поступательное движение в плоскости, перпендикулярной оси указанной пары. Вращение винта вокруг своей продольной оси является относительным движением.
Изменение размера кулисы при движении кривошипа обусловлено углом α-const, образованным винтом и кулисой, при этом движение вершины кулисы ограничено геометрией траекторного паза, а также местоположением качающегося ползуна и образованных им кинематических пар.
1
В прототипе рациональные условия перемешивания будут реализовываться в течение одного цикла, когда при вращении ведущего звена на угол φ=2π рабочий размер кулисы изменяется от расчетной максимальной до минимальной величины. Указанные изменения определяют поочередное достижение рабочим органом механизма максимальных значений критериев эффективности движения в относительном перемещении и в переносном, соответственно.
Однако было установлено, что вершина винта, скользящая по траекторному пазу, ожидаемо не возвращается в исходное положение; переносное движение винта, к которому присоединен рабочий орган, является плоским, что в совокупности не позволит реализовать рациональные условия перемешивания, а значит повысить качество перемешивания и производительность при сокращении времени рабочего цикла.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и качества перемешивания при сокращении времени рабочего цикла.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для перемешивания, представленное пространственной стационарной кинематической цепью звеньев: стойка-кривошип-шатун-гайка-винт, и вращательных кинематических пар с параллельными осями, кривошип-стойка, кривошип-шатун, и при этом перпендикулярными оси вращательной пары гайка-шатун, которая в свою очередь перпендикулярна оси винтовой пары гайка-винт, введен планетарный механизм Джеймса с осями зубчатых колес, параллельными оси винта. Верхняя консоль винта жестко соединена с сателлитом, к нижней консоли присоединен рабочий орган. Водило планетарного механизма образует вращательную пару с гладким участком винта и с центральной шестерней, соединенной в блок с зубчатым колесом, образующим двухподвижную кинематическую пару с зубчатой рейкой, присоединенной к опоре сферической кинематической парой. Корончатое колесо (кулиса) планетарного механизма образует поступательную пару с гладким участком рейки и зубчатое зацепление с сателлитом.
На чертеже представлено предлагаемое устройство для перемешивания, относящееся к пространственным, комбинированным, зубчато-рычажным стационарным механизмам и состоящее из восьми подвижных звеньев: кривошипа 1, шатуна 2, гайки 3, винта 4 с жестко присоединенным к его верхней цилиндрической консоли сателлита 5, опорного зубчатого колеса 6, блока зубчатых колес 7-8, водила 9 и рейки 10. К нижней оконечности винта прикреплен рабочий орган 11.
Рейка 10 является направляющей в поступательном движении опорного или корончатого колеса 6 и при этом совершает вращательное движение в пространстве, а значит, может быть обозначена термином - кулиса, обычно используемым при обозначении звеньев рычажных механизмов, а колесо 6, соответственно, камнем.
Указанные звенья механизма соединены 8-ю одноподвижными кинематическими парами, шесть из которых вращательные, винтовая и поступательная пары. Также в состав механизма входят три высшие двухподвижные (зубчатые зацепления) и одна низшая трехподвижная кинематические пары.
Вращательной паре, образованной кривошипом 1 со стойкой 12, присвоено обозначение 13. Соединение кривошипа 1 и шатуна 2  обозначено 14. Шатун 2 и гайка 3 образуют вращательную пару 15. Блок зубчатых колес 7-8 с водилом 9 - пару 16. Блок зубчатых колес 7-8 и камень 6 - пару 17. Водило 9 и гладкий участок винта-сателлита 4-5 - пару 18.
Камень 6 и гладкий участок рейки 10 образуют поступательную пару 19; а гайка 3 и винт-сателлит 4-5, соответственно, винтовую пару 20.
Двухподвижные кинематические пары 21, 22 и 23 перемешивающего устройства представлены внутренним эвольвентным зубчатым зацеплением винта-сателлита 4-5 с опорным зубчатым колесом 6, внешними зацеплениями: зубчатого колеса 7 с винтом-сателлитом 4-5, колесом 8 с рейкой 10, соответственно.
Сферическую пару 24, относящуюся к третьему классу, образует рейка 10 и стойка 12.
Положение вращательных пар 13 и 14 с параллельными осями таково, что их оси вращения перпендикулярны оси пары 15, которая в свою очередь перпендикулярна оси винтовой пары 20. Однако это условие взаимной пространственной ориентации указанных кинематических пар не означает, что оси пар 13 и 14 будут перпендикулярны оси 20 (см. чертеж).
Подвижные соединения 16 и 17 звеньев, имеющие общую ось вращения, расположены параллельно соосных вращательной 18 и винтовой 20 парам.
Устройство для перемешивания работает следующим образом: перманентное вращение кривошипа 1 в вертикальной плоскости YOX передается через шатун 2 гайке 3, которая совершает поступательное относительное движение вдоль винта-сателлита 4-5. Указанные звенья связаны вращательными парами 13, 14, 15 и винтовой парой 20.
К верхней части винта присоединено цилиндрическое колесо - сателлит 5, который образует внутреннее зубчатое зацепление 21 с камнем (опорное колесо) 6, и внешнее зацепление 22 с центральной шестерней 7, при этом, как указывалось выше, оси вращения звеньев 6 и 7 совпадают и параллельны оси винта 4.
Взаимное положение колес 5, 6 и 7 удовлетворяет условию сборки и соосности планетарных механизмов. Установленный блок зубчатых колес 7-8 образует вращательные пары 16, 17 с колесом 6 и, соответственно, с водилом 9, который соединен посредством вращательной пары 18 с гладким участком винта-сателлита 4-5, расположенным между сателлитом 5 и окончанием элемента винтовой линии пары 20.
Вращение в механизме Джеймса, введенном в кинематическую цепь предлагаемого устройства для перемешивания, снимается с сателлита 5 и передается колесу 7, которое образует внешнее зацепление 23 с кулисой-рейкой 10. Пространственное перемещение механизма Джеймса и кулисы 10 обусловлено наличием сферической кинематической пары 23, образованной кулисой и опорой. При вращении колеса 8 планетарного механизма относительно кулисы 10, он смещается вдоль нее. Такое движение, в том числе, обусловлено поступательной парой 19, образованной гладким участком кулисы 10 и камнем - опорным корончатым колесом 6.
Таким образом, при вращении ведущего звена - кривошипа 1, рабочий орган 11 механизма, присоединенный к консоли винта 4, совершает сложное пространственное перемещение с переменными угловыми и линейными скоростями вокруг и вдоль трех координатных осей.
У звеньев механизма 4-5, 6, 7-8, 9, 10 существует местная подвижность относительно сферической пары 24 и вращательных 14 и 15, синтезированных звеньями 1 и 2, 2 и 3, соответственно.
К кинематическим особенностям механизма следует отнести то, что движение винта 4 вокруг своей оси, обусловленное перемещением вдоль него звена 3, передается сателлиту 5, который приходит в движение вокруг центральной оси 17 зубчатого механизма. Генерированное вращение винта-сателлита передается колесу 8, вследствие чего зубчатые колеса перемещаются вдоль кулисы в определенном направлении, например, от пары 24. Отметим, что винт-сателлит вращается вокруг пришедшей в движение центральной оси зубчатой части механизма и собственной оси симметрии. При смене направления движения камня 3 по винту 4, с опускания на подъем, направление движения сателлита также изменится, что обусловит перемещение звеньев вдоль кулисы в направлении, противоположном описанному выше, а именно к паре 24.
1
10
В предлагаемом устройстве рациональные условия перемешивания выполняются при вращении кривошипа на угол φ=2π, в пределах которого принужденное циклическое изменение рабочего размера кулисы l, обусловленное конструкцией устройства, инициирует поочередное достижение критериями эффективности движения рабочего органа максимальных величин в относительном и в переносном перемещениях, что в совокупности позволит повысить производительность и качество перемешивания.
Поскольку в положениях смены направления движения гайки угловые скорости вращения винта вокруг своей оси симметрии (ось Y) и вокруг колеса 7 (вращение относительно оси X и Z) и движения вдоль кулисы (ось X) меняют знак, создаются гидродинамические удары в перемешиваемых веществах и, следовательно, увеличивается турбулентность потоков смешиваемых веществ.
Функция угловой скорости вращения винта вокруг своей оси (относительное движение) достигает экстремумов в положениях, когда кривошип перпендикулярен винту. Тем самым создаются интенсивные течения перемешиваемых веществ, которые размывают застойные зоны, как правило, расположенные в углах емкости для перемешивания.
В положениях звеньев механизма, определяемых крайними верхнем и нижнем положениями гайки, переносная скорость винта максимальна, что оказывает размывающее действие на осадок тяжелых фракций смешиваемых веществ, скапливающихся вследствие действия гравитационных сил, у дна реактора (емкости для перемешивания), и значит, позволит увеличить производительность устройства для перемешивания.
При выборе длин звеньев устройства для перемешивания учтено дополнительное параметрическое условие, регламентирующее размер стойки: он (размер стойки) должен быть больше проекции кривошипа на нее. В таком случае переносное движение винта ограничено до необходимого качательного движения.
В предлагаемом устройстве для перемешивания движения звеньев механизма совмещаются в пространственное перемещение рабочего органа со скоростью, переменной по величине и направлению.
Выполнение перечисленных выше рациональных условий перемешивания в механизме предлагаемой конструкции обуславливает создание неравномерных пространственных сдвиговых деформаций обрабатываемого материала. Это свидетельствует о реализации условий перемешивания, при которых обеспечиваются критерии эффективности движения рабочего органа, а также, придание винту пространственных переносного и относительного движений, что улучшает качество перемешивания и производительность, сокращает время рабочего цикла.
Кроме того, рабочий орган, присоединенный к свободной нижней консоли винта, имеет максимально возможное число реверсов, равное двенадцати (по числу видов движений: по шесть вращательных и шесть поступательных движений вокруг и вдоль, соответственно, трех осей). А значит, скорости вращения рабочего органа, его ориентация в перемешиваемой среде и глубина погружения переменны. В связи с чем сокращаются застойные зоны, энергозатраты на перемешивание, исключаются воронкообразование и разбрызгивание.
Переменная глубина погружения и расположение (ориентация) рабочего органа 11 в смешиваемых веществах исключает радиально-осевое перемешивание (насосное действие мешалки), которое обуславливает образование воронки вследствие действия гравитационных сил. Известно, что образующаяся воронка вызывает падение мощности перемешивания, возникновение дополнительных динамических нагрузок ввиду нарушения сплошности среды, вызванной подсосом воздуха через поверхность центральной воронки. В случае достижении глубины воронки рабочего органа, он будет испытывать удары о жидкость, что отрицательно отразится на продолжительности как технологического цикла перемешивания, так и на рабочем ресурсе всего механизма.
8
5
7
8
5
7
Проекция на горизонтальную плоскость (ZOX) пространственной траектории центра сателлита 5, а значит, вершины винта 4, может быть представлена как трансцендентной кривой - укороченной трохоидой, если нормаль r от оси вращения колес 7-8 до кулисы 10 равна сумме радиусов сателлита 5 (r) и колеса 7 (r), так и удлиненной, в случае, если r<r+r.
5
7
Относительные положения винта 4 можно представить как образующие конусов переменной высоты, так как расстояние между 15 и 17 изменяется при движении 3 вдоль 4, а направляющая конусов - окружность радиусом r=r+r, являющаяся траекторией движения центра сателлита 5.
Таким образом, в относительном движении винт совершает пространственные перемещения, принудительно попеременно смещаясь к опоре либо от нее. В переносном движении, винт и присоединенный к нему рабочий орган вращаются вокруг собственной оси симметрии и вокруг центральной оси встроенного в устройство планетарного механизма Джеймса, то есть движутся в пространстве, а значит, обоснованно увеличивают качество перемешивания и производительность, сокращая время рабочего цикла.
Введение планетарного механизма в выделенную рычажную кинематическую цепь прототипа, а также связующих их звеньев и кинематических пар, позволяет получить рациональное пространственное перемещение рабочего органа, максимально охватывающего объем вещества, находящегося в емкости для перемешивания с реализацией условий, при которых обеспечиваются критерии эффективности движения рабочего органа.