Устройство для смешивания, измельчения и активации с балансировкой

Заявляемое изобретение относится к устройствам смешивания и измельчения материалов и может быть использовано в строительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Устройство содержит вращающуюся цилиндрическую рабочую емкость 1, внутри которой на роторе 5 равномерно установлены с помощью кронштейнов 4 лопатки 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13. С одной стороны рабочей емкости установлено загрузочное устройство 16 для загрузки обрабатываемого материала, а с другой стороны - устройство 17 для выгрузки материала. Лопатки образуют, по крайней мере, одну группу из четырех лопаток, в которой вторая и третья лопатки повернуты относительно первой на 180°, а четвертая лопатка установлена аналогично первой лопатке. Лопатки в других группах могут быть расположены так же, как и первые четыре лопатки, или повернуты относительно первой группы на любой угол. Рабочая емкость установлена на подшипниках 2 и на дополнительном подшипнике 19, расположенном между группами лопаток. Обеспечивается повышение надежности и долговечности устройства за счет исключения дисбаланса рабочей емкости и ротора с лопатками, снижение статических и динамических нагрузок на подшипниковые узлы. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к устройствам смешивания и измельчения и предназначено для приготовления и очистки смесей сыпучих материалов и может быть использовано в строительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Аналогом заявляемого изобретения является центробежно-лопаточная машина для приготовления стержневых и формовочных смесей в литейном производстве, например, Афанасьев А.Г. Кандидатская диссертация. «Разработка и анализ способа приготовления формовочных и стержневых смесей в центробежно-лопаточном смесителе» - Рыбинск: РГАТА, 2005. - 205 с. Смеситель выполнен в виде приводной цилиндрической рабочей камеры с установленной в ней неподвижно параллельно оси камеры лопаткой. При вращении камеры с радиусом r со скоростью ω, создающей фавитационный коэффициент К_g более 5 (ω=(gК_g/r)^0,5), доза материала из зернистых пылевидных, вязких и жидких компонентов срезается лопаткой и при движении по ней перемешивается.

Недостатком аналога является несбалансированность рабочей емкости за счет смещения центра масс обрабатываемого материала относительно оси вращения рабочей емкости, что приводит к увеличению нагрузок на подшипниковые опоры и их преждевременному износу и разрушению.

Прототипом заявляемого изобретения является устройство для смешивания и измельчения, содержащее корпус, поворотную раму, на которой установлена ось, вращающаяся рабочая емкость с закрепленной на ней крышкой и приводом, по крайней мере, один кронштейн с лопаткой, имеющей сменное режущее лезвие, который установлен на полой оси, имеющей не менее одного сквозного отверстия, соединяющего внутреннюю полость рабочей емкости с внешней средой, оснащенного вентилем, при этом кронштейн с лопаткой выполнены полыми и, по крайней мере, одно сквозное отверстие оси соединено поперечным отверстием с полостью кронштейна, а, по крайней мере, одно другое сквозное отверстие соединено, по крайней мере, одним поперечным отверстием с внутренней полостью рабочей емкости, при этом режущее лезвие закреплено в щелевом продольном отверстии на торце лопатки, соединенном с полостью лопатки и кронштейна так, что образует щелевой зазор на поверхности лопатки, по которой движется обрабатываемый материал (Заявка на изобретение №2012136247, В22С 5/04, д.п. 27.02.2014 г.).

Недостатками прототипа являются несбалансированность рабочей емкости за счет смещения центра масс обрабатываемого материала относительно оси вращения рабочей емкости, а также в случае, когда на роторе расположена одна неуравновешенная лопатка, появляются вибрация и дополнительные нагрузки на подшипниковые узлы ротора с лопатками.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и долговечности устройства за счет исключения дисбаланса рабочей емкости и ротора с лопатками, снижение статических и динамических нагрузок на подшипниковые узлы.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для смешивания, измельчения и активации обрабатываемого материала, содержащем корпус, вращающуюся цилиндрическую рабочую емкость, установленную на подшипниках корпуса, с лопатками, установленными с помощью кронштейнов на вращающемся роторе, при этом с одной стороны рабочей емкости установлено загрузочное устройство для загрузки материала, а с другой стороны - устройство для выгрузки материала, а лопатки с кронштейнами равномерно установлены на вращающемся роторе, при этом лопатки равномерно установлены на вращающемся роторе с образованием, по крайней мере, одной группы из четырех лопаток, вторая и третья лопатки каждой из которых повернуты относительно первой и четвертой на 180°. Группы из четырех лопаток расположены аналогично первой группе из четырех лопаток или повернуты относительно нее на любой угол. Рабочая емкость дополнительно опирается на, по крайней мере, один дополнительный подшипниковый узел, расположенный между группами из четырех лопаток. Дополнительный подшипниковый узел между группами из четырех лопаток смонтирован на вращающемся роторе. Корпус дополнительного подшипникового узла рабочей емкости выполнен в виде диска с отверстиями.

Устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства для смешивания, измельчения и активации с балансировкой.

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.

На фиг. 4 - схема движения обрабатываемого материала.

На фиг. 5 - схема расположения лопаток и корректирующих плоскостей.

Устройство для смешивания, измельчения и активации с балансировкой (Фиг. 1) содержит цилиндрическую рабочую емкость 1 с горизонтальной осью вращения, установленную на подшипниках 2 корпуса 3. Внутри цилиндрической рабочей емкости 1 с помощью кронштейнов 4 равномерно вдоль оси вращения на роторе 5 установлены лопатки 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13. Ротор 5 установлен на подшипниковых опорах 14 и приводится во вращение приводом 15, обладающим свойством самоторможения. С одной стороны рабочей емкости 1 расположено загрузочное устройство 16, с другой стороны расположено устройство 17 для выгрузки материала. Рабочая емкость 1 приводится во вращение приводом 18.

Лопатки 6, 7, 8 и 9 с кронштейнами 4, равномерно установленные на роторе 5, образуют группы из четырех лопаток, при этом общее количество лопаток, установленных на роторе 5, должно быть кратно четырем. После каждой четвертой лопатки группы на роторе 5 установлен дополнительный подшипниковый узел 19, корпус которого выполнен в виде диска с отверстиями 20, жестко соединенного с внутренней поверхностью рабочей емкости 1 (Фиг. 2).

Лопатки 6, 7, 8, 9 с кронштейнами 4 образуют первую группу лопаток, закрепленных на роторе 5. Лопатки 10, 11, 12 и 13 с кронштейнами 4, равномерно установленные на роторе 5, образуют вторую группу из четырех лопаток. Вторая (лопатки 7 и 11) и третья (лопатки 8 и 12) лопатки, каждая из которых повернута относительно первой (лопатки 6 и 10) и четвертой (лопатки 9 и 13) на 180° (Фиг. 3).

Устройство для смешивания, измельчения и активации с балансировкой работает следующим образом.

В начале работы устройства для смешивания, измельчения и активации с балансировкой включают привод 18 с помощью, например, зубчатой передачи, разгоняют рабочую емкость 1 до требуемой угловой скорости ω_б. Величина требуемой угловой скорости ω_б рабочей емкости 1 определяется физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и техническими требованиями к готовому продукту. После этого включают привод 15 ротора 5 с кронштейнами 4 и установленными на них лопатками 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13. Величина угловой скорости вращения ротора также определяется технологическим режимом обработки материала. После этого в загрузочное устройство 16 подают обрабатываемый материал, который попадает внутрь рабочей емкости 1.

При вращении рабочей емкости 1 подаваемый обрабатываемый материал под действием центробежных сил прижимается к внутренней поверхности рабочей емкости 1 и за счет сил трения разгоняется до угловой скорости ω_б. При совместном вращении с рабочей емкостью обрабатываемый материал находится под воздействием центробежных сил, величина которых зависит от частоты вращения рабочей емкости 1 и толщины слоя материала, и может достигать значительных величин, сопоставимых с механической прочностью материала.

С помощью лопаток 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 обрабатываемый материал отделяется от внутренней поверхности рабочей емкости 1, при этом создающийся поток обрабатываемого материала в поперечном сечении представляет собой полукольцо, как показано на фиг. 4. При движении потока обрабатываемого материала внутри рабочей емкости 1 можно выделить несколько этапов - этап движения материала совместно с рабочей емкостью, этап движения материала в зоне резания (отделение обрабатываемого материала лопатками от внутренней поверхности рабочей емкости 1), этап движения материала по лопатке, этап свободного полета материала, этап падения материала на внутреннюю поверхность рабочей емкости 1.

Поток обрабатываемого материала оказывает на разных этапах движения различное силовое воздействие на рабочую емкость 1. На этапе движения по поверхности лопатки и в свободном полете материал не оказывает силового воздействия на поверхность рабочей емкости 1.

При падении материала на поверхность рабочей емкости 1 поток материала оказывает силовое воздействие в результате напора, при этом направление силы напора F_H совпадает с вектором скорости потока V на этапе свободного полета (Фиг. 4). В зоне резания при отделении смеси от поверхности рабочей емкости силу резания можно разделить на две составляющие, одна из которых направлена вдоль поверхности лопатки и оказывает воздействие на поверхность рабочей емкости 1 (сила F_РЛ). В первом приближении будем считать, что F_H=F_РЛ. Полукольцо материала, движущегося совместно с поверхностью рабочей емкости, имеет центр масс, смещенный относительно центра вращения рабочей емкости и расположенный в точке С (Фиг. 4). Ввиду того, что лопатки 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 вращаются вместе с ротором 5, точка С - центра масс полуколец также совершает вращательное движение с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения ротора 5. При вращении центра масс полукольца обрабатываемого материала возникает неуравновешенная (несбалансированная) центробежная сила F_u. Наличие несбалансированной быстровращающейся массы обрабатываемого материала приводит к появлению вибрации и дополнительных нагрузок на подшипниковые опоры 14. Так как в предлагаемой конструкции в каждом сечении плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора 5, совпадающей с серединами лопаток 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, расположена только одна лопатка, то лопатки 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 с кронштейнами 4 также могут создавать неуравновешенность (дисбаланс) ротора 5. Этот дисбаланс ротора 5 может быть устранен путем размещения в каждой плоскости двух и более лопаток, симметрично расположенных друг относительно друга. Но это приводит к усложнению конструкции и ухудшению условий смешивания, измельчения и активации обрабатываемого материала. Таким образом, при работе предлагаемого устройства для смешивания, измельчения и активации с балансировкой возникают два неуравновешенных объекта - это рабочая емкость 1 с полукольцами обрабатываемого материала и ротор 5 с кронштейнами 4 и лопатками 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13.

Полная статическая и динамическая балансировка ротора 5 с лопатками 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, распределенными вдоль оси вращения, а также рабочей емкости 1 с неуравновешенными массами полуколец обрабатываемого материала возможна путем поворота лопаток друг относительно друга, то есть фактически поворотом направления вектора дисбаланса, соответствующих полуколец обрабатываемого материала и вектора дисбаланса, создаваемого неуравновешенной массой лопаток 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 с кронштейнами 4.

Для выполнения балансировки ротора 5 с лопатками 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и рабочей емкости 1 с неуравновешенными полукольцами обрабатываемого материала в качестве первой корректирующей плоскости 24 выбираем плоскость четвертой лопатки группы (лопатки 9 и 13), а в качестве второй корректирующей плоскости выберем плоскость 21, в которой расположены лопатки (6 и 10) (Фиг. 5).

Проведенные исследования и расчеты показали, что полная балансировка ротора возможна в том случае, когда количество неуравновешенных вдоль оси вращения масс равно или больше четырех. По результатам расчетов было выявлено, что только при количестве неуравновешенных масс, равном четырем или кратным четырем, реакции в подшипниковых опорах 14 от несбалансированных масс равны нулю. Во всех остальных случаях при достижении полной балансировки роторов величина реакций в подшипниковых опорах больше нуля. Для определения угла установки лопаток и соответственно относительного углового расположения полуколец обрабатываемого материала были получены аналитические зависимости.

Расстояние до плоскостей, в которых расположены середины лопаток, определяем по формуле

l_i=(i-1)·l,

где i - порядковый номер лопатки,

l - расстояние между лопатками.

Условие моментной балансировки ротора будет иметь вид

где D_Mi=m_ir_il_i - моментная неуравновешенность (дисбаланс).

Считая, что m_i - масса и r_i - радиус дисбаланса для всех лопаток или полуколец одинаковы, уравнение 1 имеет вид:

Решение этого векторного уравнения представляет собой нахождение углов поворота лопаток 7, 8, 9 в корректирующих плоскостях 22, 23, 24 относительно положения лопатки 6 в корректирующей плоскости 21 (Фиг. 5).

Решение этого уравнения может быть выполнено как аналитически, так и графически и в этом случае представляет собой сумму коллинеарных векторов.

Условием статической балансировки с использованием в качестве корректирующей плоскости 21 плоскость первой лопатки 6 будет

где D_ci=DM_i*r_i - статический дисбаланс.

Тогда решением векторного уравнения (5), обеспечивающим полную динамическую балансировку рабочей емкости 1 и ротора 5 устройства для смешивания, измельчения и активации с балансировкой будет являться вектор , удовлетворяющий условию (6). Искомым параметром при решении уравнения (5) будет являться угол установки лопатки 6 в плоскости 21.

Проведенные расчеты показали, что полная динамическая балансировка рабочей емкости 1 и ротора 5 возможна тогда, когда расположение в первой группе лопаток 6 и лопаток 9 совпадают, а лопатки 7 и 8 должны быть развернуты относительно них на 180° (Фиг. 3). Полная балансировка во второй группе лопаток достигается аналогично, то есть положение лопаток 10 и 13 совпадает, а лопатки 11 и 12 развернуты относительно них на 180°. Отсутствие реакции в опорах от четырех несбалансированных масс позволяет при проектировании разбивать неуравновешенные массы на группы, состоящие из четырех неуравновешенных масс. При этом между каждой группой могут быть установлены дополнительные подшипниковые узлы 19, корпус которых выполнен в виде дисков с отверстиями 20. Кроме этого каждая группа из четырех неуравновешенных масс (лопаток или полуколец) может быть повернута на любой угол относительно других групп, при этом общая балансировка ротора 5 и рабочей емкости 1 не нарушается.

В процессе последовательного воздействия лопаток 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 на обрабатываемый материал, движущийся совместно с рабочей емкостью 1, происходит измельчение, смешивание и активация материала за счет относительного движения слоев материала на этапе резания и этапе движения по поверхности лопатки. Активное перемешивание и активация обрабатываемого материала происходит в зоне соударения потока обрабатываемого материала с внутренней поверхностью рабочей емкости 1. Продольное перемещение материала вдоль оси рабочей емкости 1 в зону выгрузки осуществляется за счет формы поверхности и конструкции лопаток 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13. Перемещение обрабатываемого материала внутри рабочей емкости 1 между группами из четырех лопаток обеспечивается наличием отверстий 20 в диске подшипникового узла 19. Выгрузка обрабатываемого материала из рабочей емкости 1 осуществляется с помощью лопатки 13 или за счет конструкции устройства для выгрузки 17.

Таким образом, для достижения полной балансировки рабочей емкости 1 и ротора 5 в устройстве для смешивания, измельчения и активации с балансировкой необходимо и достаточно располагать внутри рабочей емкости лопатки группами из четырех лопаток, при этом в каждой группе направления расположения первой и четвертой, второй и третьей лопаток попарно совпадают и развернуты друг относительно друга на 180°.

1. Устройство для смешивания, измельчения и активации обрабатываемого материала, содержащее корпус, вращающуюся цилиндрическую рабочую емкость, установленную на подшипниках корпуса, с лопатками, установленными с помощью кронштейнов на вращающемся роторе, при этом с одной стороны рабочей емкости установлено загрузочное устройство для загрузки материала, а с другой стороны - устройство для выгрузки материала, причем лопатки с кронштейнами равномерно установлены на вращающемся роторе, отличающееся тем, что лопатки равномерно установлены на вращающемся роторе с образованием, по крайней мере, одной группы из четырех лопаток, вторая и третья лопатки каждой из которых повернуты относительно первой и четвертой на 180°.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что группы из четырех лопаток расположены аналогично первой группе из четырех лопаток или повернуты относительно нее на любой угол.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая емкость дополнительно опирается на, по крайней мере, один дополнительный подшипниковый узел, расположенный между группами из четырех лопаток.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что дополнительный подшипниковый узел между группами из четырех лопаток смонтирован на вращающемся роторе.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что корпус дополнительного подшипникового узла рабочей емкости выполнен в виде диска с отверстиями.