Предлагаемая конструкция планетарного смесителя
На основе данных, полученных в результате анализа конструкций смесителей, тенденций их развития и современных требований промышленности производства сухих строительных смесей, нами была разработана новая конструкция смесителя с планетарным движением рабочих органов.
Помимо производства сухих смесей она также может применяться в других отраслях, например, химической, пищевой и других.Задачами, для решения которых разрабатывалась новая конструкция смесителя, является снижение расхода энергии на приготовление смеси за счет применения в качестве мешалок стержней круглого сечения, движущихся по сложной циклоидальной траектории, а также упрощение конструкции смесителя. Циклоидальное перемещение мешалок создает разность давлений в перемешиваемой среде, а их расположение по спиралевидной кривой на подвижной части устройства обеспечивает полных охват емкости для смешивания, что способствует избеганию наличия застойных зон. Использование в качестве месильных органов стержней круглого сечения позволяет снизить расход электроэнергии за счет снижения внутреннего и внешнего сопротивления перемешиваемой среды [139]. Таким образом, за счет указанных конструктивных особенностей предлагаемого смесителя, достигаются поставленные цели в виде
повышения эффективности процесса смешивания при упрощении конструкции устройства.
Ниже приведены другие конструкции планетарных смесителей, анализ которых выявил их недостатки и использовался для разработки нового смесителя на их основе.
Известен планетарный смеситель вязких материалов [патент RU 2253507 кл. B01F 7/30, дата публикации 10.06.2005] [109], обеспечивающий высокие показатели качества смешения из-за использования вибрации и сложной траектории перемещения рабочих органов за счёт частой смены углов положения балансов относительно сателлитов, пониженных нагрузок на двигатель и на подшипниковые узлы сателлитов по причине баланса сателлитов, уменьшение.
Планетарный смеситель вязких материалов, схема которого представлена на рис. 1.22, работает следующим образом.
Рисунок 1.22. Конструкция планетарного смесителя вязких материалов.
1 - двигатель, 2 - корпус, 3 - зубчатая передача, 4 - вал, 5 - зубчатое колесо, 6 - сателлит, 7 - дебаланс, 8 - пружина, 9 - рабочий орган.
При вращении вала 4 от двигателя 1, сателлиты 6 с рабочими органами 9 совершают внутри корпуса 2 сложное движение. При этом рабочие органы 9 перемещаются в смеси с различной скоростью, что, вследствие зависимости силы вязкого сопротивления от скорости, приводит к появлению переменного момента на балансах 7 и вызывает их крутильные колебания относительно сателлитов 6.
Установка между дебалансами 7 и сателлитами 6 пружин 8 разной жесткости обеспечивает различные амплитуды колебаний рабочих органов 9.
Недостатком данного смесителя является недостаточная однородность готового продукта из-за неполного охвата емкости, содержащей материал, что, в свою очередь ведет к образованию застойных зон и неэффективному перемешиванию материала. Также к недостаткам стоит отнести сложность конструкции уравновешенного относительно оси узла.
Известен аппарат для перемешивания сыпучих и вязких материалов [А.С. СССР №768447, кл. B01F 7/30, дата публ. 07.10.1980] [125], выбранный в качестве прототипа, эффективность работы которого осуществляется созданием дополнительного движение мешалок в радиальном направлении по определённой закономерности, что приводит усложненное движение частиц смеси в объеме смесителя и, следовательно, увеличивает производительности смесителя и качество готовой продукта.
Рисунок 1.23. Аппарат для перемешивания сыпучих и вязких материалов
1 - корпус, 2 - крышка, 3 - двигатель, 4 - мешалка, 5 - приводной вал, 6 - поводок планетарной ступени, 7 - неподвижное зубчатое колесо, 8 - вертикальный вал, 9 - поводок бипланетарной ступени, 10 - сателлитное зубчатое колесо, 11 - центральное зубчатое колесо, 12 - вертикальный вал, 13 - кулиса, 14 - ползун, 15 - сателлитные зубчатые колеса бипланетарной ступени, 16 - ролик, 17 - палец, 18 - загрузочный бункер, 19 - штуцер.
Аппарат, схема которого представлена на рис.
1.23, содержит корпус 1, крышку 2, на которой установлен электродвигатель 3, несколько мешалок 4 и бипланетарный зубчато-рычажно-кулачковый механизм, связывающий мешалки 4 с центральным приводным валом 5, который жестко соединен с поводком 6 планетарной ступени.На поводке 6 помещены неподвижные зубчатые колеса 7 бипланетарной ступени и подвижные вертикальные валы 8, с которыми жестко соединены поводки 9 бипланетарной ступени, выполненные в виде кулачков с профильными пазами и сателлитные зубчатые колеса 10 планетарной ступени находящиеся в зацеплении с центральным зубчатым колесом 11, неподвижно расположенным на крышке 2. На поводках 9 установлены подвижные вертикальные валы 12, к которым жестко прикреплены кулисы 13 с расположенными на них ползунами 14 и сателлитные зубчатые колеса 15 бипланетарной ступени, находящиеся в зацеплении с зубчатыми колесами 7 поводка 6. В профильные пазы плоских кулачков 9 вставлены ролики 16, шарнирно соединенные с пальцами 17, неподвижно закрепленными на ползунах 14, которые жестко связаны с мешалками 4. Аппарат снабжен загрузочным бункером 18 и выгрузочным штуцером 19.
К недостаткам приведенной конструкции стоит отнести невозможность радиального движения перемешивающих органов, а также высокий расход энергии на преодоление сопротивлений среды, а также довольно сложную конструкцию приводной части.
Схема новой конструкции смесителя планетарного типа [107] представлена на рисунке 1.24. Планетарный смеситель содержит загрузочное устройство 1, крышку 2, электродвигатель 3, соединенный выходным валом 4, на котором закреплён поводок 5. Шестерня 6 закреплена подвижно с помощью подшипника на оси закреплённой на поводке и находится в зацеплении с зубчатым венцом 8, установленным с помощью сварки в корпусе 9. С противоположной стороны от шестерни установлен противовес 7. На шестерне по спиралевидной кривой жестко закреплены мешалки 11 . Выгрузка материала осуществляется из ёмкости 10 через разгрузочное устройство 1 2.
Устройство работает следующим образом.
Компоненты для перемешивания поступают в ёмкость 10 через загрузочное устройство 1. Одновременно с подачей материала включают электродвигатель 3. Вращение от электродвигателя 3 через выходной вал 4 передается поводку 5. При этом шестерня 6 перекатывается по зубчатому венцу 8, закрепленному на корпусе 9 смесителя. За счет этого мешалки 11 совершают сложное циклоидальное движение, создавая разность давлений в перемешиваемой среде. После перемешивания смеси производится разгрузка смесителя через устройство 12.
Рисунок 1.24. Схема планетарного смесителя
1 - загрузочное устройство; 2 - крышка корпуса; 3 -двигатель; 4 - выходной вал; 5 - поводок; 6 - шестерня; 7 - противовес; 8 - зубчатый венец; 9 - корпус; 10 - емкость; 11 - мешалка; 12 - разгрузочное устройство
Разработка конструкции планетарного смесителя велась с помощью CAD/CAM/CAE системы автоматизированного проектирования NX [169]. После разработки первоначальных эскизов конструкции, на их основе была создана
электронно-цифровая модель смесителя в приложениях «Моделирование» [41] и «Сборки» системы NX [159] (рис. 1.25).
Использование САПР позволило значительно упростить процесс проектирования разрабатываемой конструкции за счет инструментов анализа зазоров и пересечения геометрии [160], вычисления массы отдельных элементов и т.д. Одной из ключевых особенностей новой конструкции смесителя является уменьшение застойных зон в его рабочей емкости, которое достигается за счет особого расположения перемешивающих стержней, установленных на подвижной части [10,11].
Разработка данной сборочной единицы велась при помощи средств кинематического анализа CAD/CAM/CAE системы автоматизированного проектирования NX.
Рисунок 1.25. Электронно-цифровая модель смесителя.
В ходе проведения кинематического анализа на основе трехмерной модели оборудования создается виртуальный механизм, который позволяет провести симуляцию работы разрабатываемого устройства. Результатом анализа является широкий спектр выходных данных, на основе которых инженерами принимается решение о дальнейших направлениях разработки механизма. Применение
кинематического анализа в процессе проектирования позволило значительно сократить затраты на лабораторные эксперименты.
Рабочей гипотезой исследований является повышение эффективности процесса смешивания сухих компонентов в усовершенствованной конструкции планетарного смесителя периодического действия.
Научная идея исследований заключается в ликвидации застойных зон внутри корпуса планетарного смесителя и определении аналитических зависимостей, позволяющих установить взаимосвязь конструктивных и технологических параметров смесителя с его потребляемой мощностью.
1.7.