An Analysis of the Efficiency of Using a Planetary Vibrodrive with Kinematically Unbalanced Masses in a Vibratory Apparatus for Mixing Liquid Media

Full Text

Введение В последние годы широкое применение в вибрационных устройствах различного технологического назначения находят планетарные виброприводы с кинематически неуравновешенной массой. Новый класс планетарных виброприводов [9-11] по сравнению с распространенными моделями электромагнитных, эксцентриковых и центробежных виброприводов обладает бóльшими возможностями в управлении параметрами стабильного вибрационного воздействия на технологическую среду и при этом обеспечивает широкий диапазон частот и вынуждающей силы, плавность переходных процессов и возможность синхронизации колебательных процессов. Благодаря их использованию расширены технологические возможности вибрационных машин для измельчения материалов, перемещения и ориентирования деталей, формования и уплотнения формовочных смесей, перемешивания жидких сред [6; 17]. В частности, был разработан и внедрен на производстве аппарат с вибромешалкой, позволяющий интенсифицировать процессы получения высокодисперсных эмульсий и повышать качественные характеристики готового продукта [12]. Спектр применения аппарата достаточно широкий, так как технологии машиностроительной, пищевой, текстильной, лакокрасочной и других отраслей промышленности, связаны с переработкой дисперсных систем с учетом их свойств [2]. В машиностроении «при приготовлении и регенерации смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) основу технологического процесса составляет процесс перемешивания, который используют для получения дисперсных растворов или для интенсификации химико-технологических процессов массо- и теплопереноса» [14]. В пищевой промышленности при введении различных пищевых добавок в продукты требуется получать средне- и высокодисперсные эмульсии с различным агрегатным состоянием дисперсионной среды. При этом дисперсные фазы могут быть как жидкие, так и твердые, которые измельчаются и перемешиваются в дисперсионной жидкой среде. Применение в рассматриваемом аппарате планетарного вибропривода с кинематически неуравновешенной массой, исполнительный орган которого является непосредственно и рабочим органом аппарата, передающим вибрационные поля на перемешиваемую среду, «позволило управлять траекториями вращающихся встречных затопленных струй, перераспределяя радиальную и осевую составляющую скорости их движения, тем самым увеличивая длину пути перемешивания» [7]. Одновременно с этим в процессе перемешивания были обеспечены и «вибромеханические эффекты: виброструйный, повышения турбулизации жидкой среды и вибрационного поддержания вращения рабочего органа (хула-хуп)» [Там же]. В данном аппарате вращаемый вал с коническими дисками прижимается поверхностью торцового диска на конце вала к плоской поверхности неподвижного опорного тела и при вращении получает радиально-осевые колебания с частотой, превышающей частоту вращения [4]. При этом «величину и направление турбулентных затопленных струй можно изменять в зависимости от параметров вибрации, конфигурации дисков и вида их перфорации» [15]. Других аналогичных машин для перемешивания жидких сред, в которых технологической среде наряду с вращательным движением передаются радиальные и осевые колебания на сегодняшний день не существует. Использование в аппарате планетарного вибропривода с кинематически неуравновешенной массой позволяет «сократить время приготовления эмульсии и увеличить время расслаивания, тем самым повысить производительность процессов перемешивания, а, следовательно, увеличить их эффективность» [7]. Однако применение этих аппаратов ограничивается невозможностью использования, когда требуется проводить перемешивание при низких вибрационных частотах и когда для получения эмульсий с различной дисперсией жидкой фазы требуется изменять амплитуду радиально-осевых колебаний при постоянной их частоте. Также эти аппараты не исключают полностью наличие застойных зон, особенно в зоне соприкосновения неуравновешенной массы вращаемого вала вибропривода с опорной поверхностью. Устранение этих недостатков является актуальной задачей в связи с использованием в технологических процессах большого разнообразия эмульсий высокого качества и с различными свойствами, необходимостью использования для их получения универсального аппарата, позволяющего обеспечить быстроменяющиеся требования к используемым жидким средам. Способ решения рассмотренной задачи Аппарат для перемешивания жидких сред может быть эффективно усовершенствован путем применения в нем планетарного вибропривода с кинематически неуравновешенной массой, который отличается от реализованного в рассматриваемом аппарате возможностью принудительного реверсивного вращения опорного тела (диска), сопрягаемого с раздельно вращаемым валом рабочего органа аппарата. Планетарный вибропривод с вращаемым опорным телом [5] основан на способе возбуждения колебаний [10], в котором вращаемый вал 1 (рис. 1) массой m и длиной l прижимают торцовым диском 2 к вращаемому опорному диску 3 регулируемой осевой силой Pос. При этом вращаемый вал и опорный диск одновременно вращают в разных направлениях и с различными угловыми скоростями ωвв и ωвд соответственно. При этом «кинематически неуравновешенный центр масс вращаемого вала начинает совершать круговые поперечные колебания амплитудой ρ с частотой ω и создавать вращающуюся центробежную силу F, которая вызывает колебания исполнительного органа» [9]. Рис. 1. Схемы планетарного вибропривода с вращаемым опорным диском: а - динамическая; b - статическая Fig. 1. Schemes of a planetary vibrodrive with a rotatable mounting plate: a - dynamic; b - static В установившемся режиме частота и амплитуда круговых колебаний вращаемого вала вибропривода связаны зависимостями: (1) (2) где j - жесткость вращаемого вала; ωв = ωвв ± ωвд. (3) В выражении (3) ставится знак «+» при противоположном направлении вращения вала и опорного диска, а знак «-» при одностороннем вращении. Вследствие независимых вращений вала и опорного диска в одном или различных направлений параметры колебаний вибропривода зависят от суммарной относительной скорости обоих вращаемых тел ωв, при этом увеличивается диапазон частот генерируемых колебаний и достигается возможность изменения амплитуды ρ радиально-осевых колебаний при постоянной их частоте ω. Предлагаемое конструкторское решение На основании вышеизложенного предлагается модернизированный аппарат для перемешивания жидких сред (рис. 2). В нем в качестве вибропривода используется планетарный вибропривод с вращаемым опорным диском. Рис. 2. Схема предлагаемого аппарата для перемешивания жидких сред Fig. 2. A scheme of the proposed apparatus for mixing liquid media Конструкция аппарата представляет собой емкость 1, внутри которой размещен вращаемый вал 2 (рабочий орган) с коническими дисками 3. На конце вращаемого вала закреплен торцовый диск 4, которым вращаемый вал прижимается к поверхности опорного диска 5 регулируемой силой прижима. Сила прижима создается и регулируется с помощью пружины сжатия в блоке 6 опорного диска. Вращаемый вал и опорный диск получают вращение от независимых мотор-редукторов 7 с двигателями постоянного тока. Для регулировки скоростей вращения вала и опорного диска посредством изменения напряжения питания используются управляемые выпрямители 8. При этом опорный диск имеет возможность изменения направления вращения (реверса). Изменение направления вращения осуществляется изменением полярности [1]. На каждом коническом диске выполнены конические отверстия, расположенные по радиальным окружностям. Расположение конических дисков на вращаемом вале обеспечивает направленность конических отверстий навстречу друг другу с образованием между ними встречных затопленных струй, которые способствуют интенсивному перемешиванию. На смежных поверхностях торцового диска вала и опорного диска выполнены «равномерно расположенные по окружностям сквозные щелевые отверстия, служащие для создания гидроударных импульсов различной силы, вызываемых перепадами давлений при периодическом перекрывании щелей торцового и опорного дисков» [8]. Количество щелей на торцовом и опорном дисках одинаково. Реализуемые эффекты При использовании в аппарате для перемешивания жидких сред планетарных виброприводов с кинематически неуравновешенной массой, вращаемый вал привода при работе вращается вокруг своей оси симметрии и одновременно совершает радиально-осевые колебания, которые передаются и коническим дискам с отверстиями, выполняющим перемешивание. При этом вибромеханические эффекты, возникающие в аппарате, у которого вибропривод оснащен вращаемым опорным диском, реализуются и у аппарата с виброприводом без вращаемого опорного диска (рис. 3). Однако при использовании вибропривода с вращаемым опорным диском возникает еще и зона кавитации, благодаря которой происходит многофакторное импульсное воздействие на обрабатываемую среду, что в первую очередь позволит исключить наличие застойных зон. Рис. 3. Схема реализации эффектов Fig. 3. Effect simplementation scheme При совместном вращении вала и опорного диска в различных направлениях с суммарной частотой вращения ωв каждое из n отверстий на торцовом диске вала периодически совпадает с отверстием на смежной поверхности опорного диска. В период времени, когда отверстия на торцовом диске вала перекрыты опорным диском, над торцовым диском возрастает давление жидкости, а в период времени, когда отверстия на торцовом диске начинают совмещаться с отверстиями на опорном диске, давление жидкости резко падает. В результате между торцовым и опорным дисками (при выходе жидкости из отверстия торцовом диске в отверстие на опорном диске) возникает поле кавитационных импульсов, часть которого выносится в рабочую полость [13]. В простейшем частном случае с одной парой смежных отверстий, на выходе из отверстия на опорном диске будет поочередно генерироваться пульсация вращающегося потока жидкости, а на поверхности торцового диска - пульсация радиального потока жидкости. Направление первой пульсации совпадет с направлением вращения опорного диска, а второй - совпадет с направлением радиальных колебаний торцового диска. В результате со всех отверстий двух сопрягаемых тел (торцового и опорного дисков) будут создаваться вращающиеся и радиальные пульсации жидкости, а в плоскости контакта торцового и опорного дисков направления этих потоков жидкости пересекутся, и произойдет гидравлический удар [16]. Частота пульсаций на опорном диске зависит от частоты вращения опорного диска υ = ωвдn, на торцовом диске - от частоты колебаний υ = ωn. В случае совпадения частоты колебаний с частотой собственных колебаний частицы дисперсной фазы возникнет эффект резонанса, который положительно повлияет на процесс разрушения частицы. Также между торцовом и опорным дисками при вращении возникают большие сдвиговые деформации. Поверхности торцового и опорного дисков будут «воздействовать на жидкую среду за счет механического контакта, создавая срезывающие и сдвиговые усилия» [18]. Для сравнительного анализа эффективности применения в аппарате для перемешивания жидких сред планетарного вибропривода с вращаемым опорным диском проведено компьютерное моделирование кинематических характеристик виброперемещений конических дисков, посредством которых в жидкой среде образуются встречные затопленные струи (рис. 4). Для исследования использовалась система компьютерной алгебры Mathcad Prime [3]. Рис. 4. Кинематическая модель аппарата для перемешивания жидких сред c планетарным виброприводом: а - в аксонометрической проекции; b - в плоскости xy Fig. 4. A kinematic model of an apparatus for mixing liquids with a planetary vibrodrive: a - in axonometric projection; b - in the xy plane На периферии конического диска будут определяться амплитудные максимальные значения координатных составляющих скорости движения точек по следующим формулам: где Rк - радиус конического диска; Rт - радиус торцового диска; ar, az - амплитуды радиальных и осевых колебаний конических дисков, соответственно; ω, ρ - частота и амплитуда радиальных колебаний вала, определяемые по формулам (1) и (2); l1 - расстояние между торцовым и коническим дисками. В процессе компьютерного моделирования последовательно варьировались угловые скорости ωвв вращаемого вала и ωвд опорного диска привода. При этом согласно математическим моделям (1-4) получали графические зависимости частоты и амплитуды колебаний вращаемого вала (рис. 5) и движения точек на периферии конического диска вращаемого вала: зависимости Vt и Vr от времени t (рис. 6) и визуализация траектории движения в плоскости tr (рис. 7). При вращении вращаемого вала и опорного диска привода в разные стороны изменение частоты вращения вала практически не влияет на частоту колебаний. Такой эффект колебательного процесса достигается при определенном значении частоты вращения опорного диска и его можно использовать для регулирования амплитуды колебаний независимо от их частоты. Таким образом, появится возможность увеличивать радиальную и осевую составляющие скорости движения переферийных точек конических дисков при неизменной тангенциальной составляющей скорости и обеспечивать тем самым равномерное объемное перемешивание жидкости. Рис. 5. Амплитудно-частотные графические зависимости амплитуды ρ (мм) и частоты ω (с-1 × 102) при: 1 - ωвв = 50 с-1; 2 - ωвв = 35 с-1; 3 - ωвв = 20 с-1 Fig. 5. Amplitude-frequency graphical dependences of the amplitude ρ (mm) and frequency ω (s-1 × 102) at: 1 - ωrs = 50 s-1; 2 - ωrs = 35 s-1; 3 - ωrs = 20 s-1 Рис. 6. Графические зависимости составляющих скоростей течения жидкости (м/с × 10-2): Vt при ωвв = 25 с-1; Vr1 при ωвд = -25 с-1; Vr2 при ωвд = 0; Vr3 при ωвд = 25 с-1 Fig. 6. Graphical dependences of the components of the fluid flow velocities (m/s×10-2): Vt at ωrs = 25 s-1; Vr1 at ωrd = - 25 s-1; Vr2 at ωrd = 0; Vr3 at ωrd = 25 s-1 Рис. 7. Визуализация траектории движения в плоскости tr Fig. 7. Visualization of the motion path in the tr plane При вращении вращаемого тела и опорного диска вибропривода в одну сторону с равной частотой вращения колебания, связанные с кинематической неуравновешенностью, в системе будут отсутствовать, и аппарат будет работать как обычная центробежная мешалка. При частоте вращения опорного диска ωвд = 0 вибропривод будет работать как вибропривод с неподвижной опорной поверхностью, а частотой колебаний можно будет управлять только изменением осевой силы прижатия Pос. Выводы Сравнительный анализ применения в аппарате для перемешивания жидких сред планетарных виброприводов с кинематически неуравновешенной массой показал, что вибропривод с вращаемым опорным диском дает следующие преимущества: расширяет диапазон генерируемых параметров колебаний рабочего органа аппарата; обеспечивает возможность независимого регулирования амплитуды и частоты колебаний; позволяет реализовать гидродинамическую кавитацию в системе; повышает интенсивность создаваемых вибромеханических эффектов вследствие увеличения диапазона параметров колебаний; добавляет дополнительные факторы воздействия на жидкую среду (пульсации давления и потока жидкости, ударные волны, эффекты резонанса, высокие сдвиговые и срезывающие напряжения); обеспечивает равномерное распределение скоростей движения перемешиваемой жидкости; исключает наличие в емкости застойных зон. Заключение Применение в аппарате для перемешивания жидких сред планетарного вибропривода с вращаемым опорным телом повышает технологические возможности процесса перемешивания жидких смесей при незначительных изменениях в конструкции аппарата, позволяет перемешивать вещества с различными свойствами дисперсной фазы, повышает эффективность технологического процесса и одновременно увеличивает качественные показатели получаемых эмульсий и суспензий.

About the authors

Rodion G. Zakirov

South Ural State University

Email: zakirovrg@susu.ru
Cand. Sci. (Eng.); associate professor at the Department of Engineering, Technology and Construction Chelyabinsk, Russian Federation

Vladimir G. Nekrutov

South Ural State University

Email: nekrutovvg@susu.ru
Cand. Sci. (Eng.); associate professor at the Department of Engineering, Technology and Construction Chelyabinsk, Russian Federation

References

Supplementary files