Структурный синтез перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов
Автор: Приходько Александр Александрович, Смелягин Анатолий Игоревич
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 4 (83) т.15, 2015 года.
Бесплатный доступ
Целью данной работы является создание перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов, так как они отличаются от других современных аппаратов более высокой интенсивностью и равномерностью перемешивания. Синтез структурных схем исполнительных механизмов проведен с помощью структурных математических моделей. В результате получены рычажные и зубчатые механизмы с одним и двумя независимыми замкнутыми контурами. Шарнирный четырехзвенник и планетарный механизм с эллиптическими зубчатыми колесами при соответствующем выборе размеров звеньев преобразуют вращательное движение в возвратно-вращательное. Применение зубчатой передачи и передачи с гибкой связью позволяет создать множество структурных схем, которые отличаются количеством рабочих органов и их расположением. На основе полученных структурных схем могут быть разработаны и спроектированы высокоэффективные перемешивающие устройства для химических, нефтехимических, пищевых производств. Преимуществом предлагаемых механизмов является то, что они образованы из известных, высоконадежных и хорошо отработанных устройств. Также рабочие органы аппаратов хорошо конфигурируются по всему объему реактора, создавая рациональный тепломассообмен.
Виброперемешивание, возвратно-вращательные перемешивающие устройства, структурный синтез, структурная математическая модель, звено, кинематическая пара, исполнительный механизм
Короткий адрес: https://sciup.org/14250174
IDR: 14250174 | DOI: 10.12737/16072
Текст научной статьи Структурный синтез перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов
Введение. Перемешивание является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии и широко применяется в различных отраслях промышленности для интенсификации тепломассообмена [1]. Современные
Машиностроение и машиноведение
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Исследовательский центр машиностроения, материаловедения, строительства и транс- портных систем».
∗∗∗ The research is done using equipment of the Common Use Centre “Centre of studies in mechanical engineering, material science, construction, and trans- portation systems.”
перемешивающие устройства можно разделить на три типа: классические вращательные аппараты, аппараты со сложным пространственным движением рабочих органов, вибрационные перемешивающие устройства.
Следует отметить, что классические вращательные перемешивающие устройства (наиболее распространенные и исследованные [2, 3]) не всегда позволяют эффективно достичь требуемого тепломассообмена.
Более современные аппараты с планетарным [4, 5] и сложным пространственным движением рабочих органов [6, 7] позволяют обеспечить высокую интенсивность тепломассообменных процессов, однако такие устройства не получили широкого распространения в промышленности. Это обусловлено прежде всего сложностью их конструкции, что приводит к затруднениям как на стадиях расчета и проектирования, так и на стадиях изготовления и эксплуатации.
В последнее время активно исследуются вибрационные перемешивающие устройства (ВПУ) [8-10]. Подбор оптимальной амплитуды и частоты колебаний рабочих органов позволяет сократить время протекания многих процессов в 1,5-2 раза, а удельные капитальные и эксплуатационные затраты — в 1,2-1,8 раза [11]. К недостаткам таких устройств следует отнести значительные вертикальные вибрации, которые передаются в окружающую среду и усложняют работу оператора, а также наличие поступательно движущегося штока, который сложно уплотнять, в результате чего ВПУ ненадежны и не могут использоваться в реакторах, работающих под давлением и с агрессивными средами. Поэтому актуальной задачей является создание перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов, которые:
-
— характеризуются отсутствием вертикальных вибраций;
-
— состоят из высоконадежных и отлаженных механизмов.
Для того чтобы создать возвратно-вращательные перемешивающие устройства, необходимо провести синтез исполнительных механизмов, которые будут преобразовывать вращательное движение в возвратно-вращательное.
Синтез проведем с использованием структурной математической модели механизмов с замкнутыми кинематическими цепями, которая, в соответствии с [12], имеет вид:
f 1 Г 2 )
-
Р = -1 Z tn t + S I ;
-
2 1 1 = T - j J
T
-
n = Z nt;
t = T - j
П - 1
W =z ip , - к П ; (1)
i = i
-
k = p - n;
П - 1
-
p = Z pt;
i = 1
-
T < к + 1 ,
где р — общее число кинематических пар; p i — число кинематических пар i-й подвижности; Т — количество вершин базового звена; t — число вершин звеньев; n — общее число подвижных звеньев; n t — число подвижных звеньев с t вершинами; к — число независимых замкнутых контуров; П — подвижность пространства, в котором синтезируется механизм; S — число присоединений к стойкам; i — целочисленный индекс; j — целочисленный индекс.
Структурный синтез исполнительных механизмов с одним рабочим органом. Чтобы устройство получилось надежным и компактным, ограничимся синтезом одноподвижных ( W = 1) механизмов с одним ( к = 1) и двумя ( к = 2) независимыми замкнутыми контурами.
Синтез механизма с одним независимым замкнутым контуром проведем при следующих условиях. Механизм должен существовать в трехподвижном пространстве ( П = 3), иметь двухвершинное базовое звено ( Т = 2) и только одноподвижные вращательные кинематические пары ( p = p 1 ). Структурная математическая модель (1) после подстановки в нее условий синтеза примет вид:
p = 2 ( 2 n 2 + S);
-
n = n 2 ;
-
j 1 = p 1 - 3 ; (2)
-
1 = p - n;
-
p = p 1 ;
-
2 < 2 .
Решение системы (2) надо искать при условии, что в синтезируемом механизме число звеньев, кинематических пар и присоединений к стойке должно быть целым и положительным. Корнями модели (2) являются следующие значения: p = p 1 = 4; n = 3; S = 2.
Из найденного решения следует, что синтезируемый механизм должен иметь: четыре одноподвижные вращательные кинематические пары (p 1 = 4); три подвижных звена ( п = 3); два присоединения к стойке ( S = 2). Найденному решению и условиям синтеза соответствует только один механизм — шарнирный четырехзвенник (рис. 1).

Рис. 1. Шарнирный четырехзвенник: 1 — кривошип, 2 — шатун, 3 — коромысло; A, B, C, D — кинематические пары
Итак, в качестве исполнительного механизма перемешивающего устройства может применяться шарнирный четырехзвенник, который при соответствующем выборе длин звеньев преобразует вращательное движение кривошипа 1 в возвратно-вращательное движение коромысла 3.
Синтез механизма с двумя независимыми замкнутыми контурами проведем при следующих условиях. Механизм должен существовать в трехподвижном пространстве ( П = 3), иметь трехвершинное базовое звено ( Т = 3), одно- (p 1 ) и двухподвижные (p2 ) вращательные кинематические пары. Структурная математическая модель (1) после под-
становки в нее условий синтеза примет вид: |
p = 1 ( 3 п 3 + 2 п 2 + S) ; 2 П = п 3 + п 2 ;
|
Целочисленными корнями модели (3) являются следующие значения:
а)pi = 1,p2 = 3,p = 4, пз = 1, П2 = 1, n = 2, S =3;
б)pi = 3,p2 = 2,p = 5, пз = 1, П2 = 2, n = 3, S =3;
в)pi = 5,p2 = 1, p = 6, пз = 1, n2 = 3, n = 4, S =3;
-
г) pi = 7, p2 = 0, p = 7, пз = 1, П2 = 4, n = 5, S =3.
Анализ полученных решений показал, что аппарат с наиболее простой конструкцией должен иметь не более двух двухподвижных кинематических пар ( p 2 < 2 ). При этом общее число кинематических пар не должно превышать пяти ( £ pi < 5 ). Поставленному условию отвечает решение б, которому соответствует планетарный зубчатый механизм [13] (рис. 2).

а) б)
Рис. 2. Планетарный преобразователь вращательного движения в возвратно-вращательное: структурная схема (а); конструктивное исполнение (б)
Машиностроение и машиноведение
Синтезированный механизм (рис. 2, а) имеет:
— три одноподвижные ( A , C , E) и две двухподвижные кинематические пары ( B , D );
— одно трехвершинное звено (2) и два двухвершинных звена (1, 3);
— три присоединения к стойке.
Планетарный исполнительный механизм (рис. 2, б) состоит из: стойки 0; входного вала 1; водила 2; выходного вала 3; центрального круглого неподвижного колеса 4; эллиптического зубчатого колеса 5; круглого зубчатого колеса сателлита 6; эллиптического зубчатого колеса сателлита 7; вала, соединяющего колеса сателлита, 8.
В этом механизме зубчатые колеса 4 и 6 имеют одинаковые диаметры, а эллиптические зубчатые колеса 5 и 7 — одинаковые полуоси, причем межосевые расстояния пары цилиндрических и пары эллиптических колес равны. Возвратно-вращательное движение обеспечивается за счет переменного передаточного отношения пары эллиптических колес [13].
Структурный синтез исполнительных механизмов с несколькими рабочими органами. Синтезированные исполнительные механизмы перемешивающих устройств могут эффективно использоваться в реакторах малого объема, однако для использования в больших объемах промышленных реакторов нецелесообразны, так как наличие лишь одного рабочего органа приводит к образованию застойных зон. Поэтому проведем структурный синтез механизмов для передачи возвратно-вращательного движения нескольким рабочим органам.
Синтезируем одноподвижные механизмы ( W = 1) с одним ( к = 1) и двумя ( к = 2) независимыми замкнутыми контурами.
Синтез механизма с одним независимым замкнутым контуром проведем при следующих условиях. Механизм должен существовать в трехподвижном пространстве ( П = 3), иметь двухвершинное базовое звено ( Т = 2), одно- (p 1 ) и двухподвижные (p2 ) вращательные кинематические пары. Структурная математическая модель после подстановки в нее условий синтеза примет вид:
Р = 1 ( 2 n 2 + S)
n = n 2 ;
, 1 = 2 p 2 + Р 1 - 1 - 3 ; (4)
-
1 = p - n;
Р = Р 1 + Р 2 ;
-
2 > 2 .
Целочисленными корнями модели (4) являются следующие значения:
-
а) р 1 = 0, р 2 = 2, р = 2, n 2 = 1, n = 1, S = 2;
-
б) p 1 = 2, p 2 = 1, p = 3, n 2 = 2, n = 2, S = 2;
в) p 1 = 4, p 2 = 0, p = 4, n 2 = 3, n = 3, S = 2.
Структурные схемы механизмов, соответствующие найденным решениям, приведены на рис. 3.

а) б) в)
Рис. 3. Структурные схемы механизмов с одним независимым контуром: двухзвенный механизм (а), пара прямозубых колес (б), шарнирный четырехзвенник (в); 1, 2, 3 — звенья; A , B , C , D — кинематические пары
Итак, как видно из рис. 3, для передачи возвратно-вращательного движения нескольким рабочим органам может применяться только механизм соответствующий решению б — пара прямозубых колес.
Для синтеза механизма с двумя независимыми контурами примем начальные условия, сформулированные для двухконтурного преобразователя вращательного движения в возвратно-вращательное. Структурная математическая модель для этого случая примет вид (3), решением которой являются следующие значения: p 1 = 3, p2 = 2, p = 5, n3 = 1, n2 = 2, n = 3, S = 3. Найденному решению соответствует схема, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема реечной зубчатой передачи: 1, 3 — двухвершинные звенья (зубчатые колеса);
2 — трехвершинное звено (рейка); A , C, E — одноподвижные кинематические пары; B , D — двухподвижные кинематические пары
Однако в исполнительном механизме перемешивающего устройства неудобно использовать синтезированную реечную передачу, поэтому заменим ее ременной или цепной в соответствии с [12]. Применение гибкой связи дает возможность передавать возвратно-вращательное движение на значительные расстояния, что позволяет реализовать исполнительный механизм в больших объемах промышленных реакторов.
Чтобы получить исполнительные механизмы перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов, объединим синтезированные преобразователи вращательного движения в возвратновращательное и механизмы для передачи движения нескольким рабочим органам (рис. 5).

а)
б)
Рис. 5. Схемы исполнительных механизмов перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов
На рис. 5 показаны варианты схем исполнительных механизмов с одноконтурным (рис. 5, а) и двухконтурным преобразователями (рис. 5, б). Изменяя количество и расположение периферийных рабочих органов, получим исполнительные механизмы для реакторов различных форм и размеров [14].
Заключение. В работе проведен структурный синтез, который позволил найти структурные схемы исполнительных механизмов перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов. Анализ рассмотренных схем показывает, что синтезированные механизмы не имеют избыточных связей и местных степеней свободы, являются достаточно простыми и технологичными, образованы из высоконадежных и хорошо отработанных устройств. Привод таких аппаратов, в отличие от планетарных мешалок, можно разместить в отдельном корпусе вне зоны реактора [14-16], что положительно повлияет на ресурс его работы. В предлагаемых перемешивающих устройствах отсутствуют вертикальные вибрации, применяются стандартные уплотнения, а для устранения застойных зон рабочие органы располагаются равномерно по всему объему реактора.
Машиностроение и машиноведение
Список литературы Структурный синтез перемешивающих устройств с возвратно-вращательным движением рабочих органов
- Брагинский, Л. Н. Перемешивание в жидких средах: физические основы и инженерные методы расчета/Л. Н. Брагинский, В. И. Бегачев, В. М. Барабаш. -Ленинград: Химия, 1984. -336 с.
- Hemrajani, R.-R. Mechanically stirred vessels/R.-R. Hemrajani, G.-B. Tatterson//Handbook of industrial mixing: science and practice. -Hoboken: Wiley-Interscience, 2004. -P. 345-390.
- Food mixing: Principles and applications/ed. P.-J. Cullen. -Singapore: Wiley-Blackwell, 2009. -292 p.
- Dimensional analysis for planetary mixer: mixing time and Reynolds numbers/G. Delaplace //Chemical Engineering Science. -2007. -Vol. 62, is. 5. -P. 1442-1447.
- Granular flow in a planetary mixer/M.-J.-P. Hiseman //Chemical Engineering Research and Design. -2002. -Vol. 80, is. 5. -P. 432-440.
- Мудров, А. Г. Разработка пространственных перемешивающих устройств нового поколения, применяемых в сельском хозяйстве и промышленности: дис. … д-ра техн. наук/А. Г. Мудров. -Казань, 1999. -493 с.
- Устройство для перемешивания: патент 2113897 Рос. Федерация: МКИ В 28 С 5/16/А. И. Смелягин, В. Г. Сачков, Н. А. Чусовитин; Новосиб. гос. техн. ун-т. -№ 96109653; заявл. 13.05.1996; опубл. 27.10.98, Бюл. № 18. -1 с.
- Смелягин, А. И. Структурный синтез и кинематический анализ простых исполнительных механизмов виброперемешивающих устройств/А. И. Смелягин, И. В. Юхневич//Омский научный вестник. -2012. -№ 3 (113). -C. 72-75.
- Ткаченко, Р. Н. Влияние вибрационной обработки мезги винограда на химический состав виноматериалов/Р. Н. Ткаченко, В. Т. Христюк, А. И. Смелягин//Хранение и переработка сельхозсырья. -2011. -№ 10. -C. 52-55.
- Study on vibromixing for polymer solutions/C. Ibanescu //Iranian polymer journal. -1998. -Vol. 7, is. 2. -P. 129-135.
- Смелягин, А. И. Структурный и параметрический синтез исполнительных механизмов виброперемешивающих устройств/А. И. Смелягин, И. В. Юхневич//Изв. вузов. Пищевая технология. -2013. -№ 2/3. -C. 93-96.
- Смелягин, А. И. Структура механизмов и машин/А. И. Смелягин. -Москва: Высшая школа, 2006. -304 с.
- Зубчатый преобразователь вращательного движения в возвратно-вращательное: патент 2528493 Рос. Федерация: МПК F 16 H 19/08/А. И. Смелягин, И. В. Юхневич; Кубан. гос. техн. ун-т. -№ 2012135364/11; заявл. 16.08.2012; опубл. 20.09.2014, Бюл. № 26. -8 с.
- Перемешивающее устройство: заявка 2014150126 Рос. Федерация: МПК В 01 F 7/18/А. А. Приходько, А. И. Смелягин; Кубан. гос. тех. ун-т. -Заявл. 10.12.2014.
- Перемешивающее устройство: патент 2528843 Рос. Федерация: МПК F 01 F 7/18/А. А. Приходько, А. И. Смелягин; Кубан. гос. техн. ун-т. -№ 2013121535/05; заявл. 07.05.2013; опубл. 20.09.2014, Бюл. № 26. -5 с.
- Перемешивающее устройство: патент 152110 Рос. Федерация: МПК F 01 F 7/16/А. А. Приходько, А. И. Смелягин; Кубан. гос. тех. ун-т. -№ 2015103695/05; заявл. 04.02.2015; опубл. 10.05.2015, Бюл. № 13. -2 с.