УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Одним из самых распространенных смесителей в мире является конструкция «Турбула» швейцарской фирмы Вилли А. Баховен. В смесителе использована структурная схема шестизвенного пространственного механизма с вращательными шарнирами, одно из звеньев которого является емкость, совершающая сложное движение и который начал использоваться для перемешивания материалов с 1984 г. В нашей стране многие предприятия выпускают аналогичную конструкцию под названием лабораторный смеситель С 2 Турбула, например, фирма «Вибротехник». Однако за 35-летний срок использования конструкция смесителя ни за рубежом, ни у нас в стране не претерпела никаких серьезных усовершенствований, улучшающих эксплуатационные и производственные свойства смесителя. Данная статья посвящена разработкам конструкции в трех вариантах, значительно расширяющим и улучшающим функциональные возможности смесителя. Для устранения недостатков смесителя Турбула нами предложена конструктивная схема смесителя «Турбула-КСХА», в котором опора второй вилки сделана подвижной и регулируемой по высоте. Используя базу смесителя Турбула, нами разработаны три новых более совершенных конструкций смесителей «Турбула-КСХА» на базе семизвенного пространственного механизма с вращательными шарнирами, у которых из двух стоек - одна подвижная. Смесители могут иметь емкости различного объема, работать в непрерывном режиме, изготавливаться и проводить сборку с меньшей точностью, существенно интенсифицировать процесс перемешивании материалов как в сменных контейнерах, так и непрерывно. Можно надеяться, что это только начальный этап практического использования механизма в технике.
смеситель Турбула, сложное пространственное движение емкости, вращательные шарниры
Пространственные механизмы используются в самых различных разделах техники: приборах, счетно-решающих устройствах, сельскохозяйственных машинах, автомобилях и др. В состав кинематических пар механизмов, как правило, входят различные их комбинации: вращательные, поступательные, шаровые (сферические), шаровые с пальцем и др.[1,2]. Однако наличие шаровых пар не только снижает силовые возможности передачи, усложняет технологию изготовления и конструктивное оформление механизмов, но и значительно сокращает срок службы и ограничивает сферу их применения. Предпочтительнее в пространственных механизмах использовать только вращательные шарниры, оформляемые стандартными подшипниками качения или скольжения, которые имеют высокий КПД и другие преимущества перед другими типами кинематических пар. Такие механизмы были известны в небольшом количестве и имеют сложную и трудную историю исследования и особенно практического применения в технике.
Первый механизм с вращательными шарнирами был описан еще древнеегипетским ученым Филоном в его «Механике», написанной приблизительно в 250 г. до новой эры, но не изготовил ни в модели, ни в металле [3].
Спустя 1800 лет (1550 г.) итальянский математик Джероламо Кардано применил этот механизм для подвеса морских компасов, еще через 150 лет английский ученый Роберт Гук применил этот механизм для передачи движения. Теперь этот механизм широко используется в технике.
Поскольку преимущества вращательных шарниров в пространственных механизмах не вызывали сомнения, ученые и практики многократно пытались образовать другие пространственные механизмы этого типа. Но, увы, обычной комбинацией звеньев никому создать другие механизмы не удавалось.
Удачнее получилось с использованием структурной схемы механизма Кардана-Гука в оригинальном устройстве, созданном швейцарскими конструкторами фирмы Вилли А. Баховен на базе этого механизма, известным во всем мире под названием смеситель Турбула [4]. Кинематическая схема смесителя показана на рисунке 1. Он включает источник привода 1, установленный на станине 2 и соединенный с валом 3. Вал 3 шарнирно соединен с вилкой 4, которая охватывает смесительную емкость 5. Другая вилка 6 охватывает емкость с другого конца и соединена шарнирно с валом 7, последний соединен со стойкой 2 Вилка 4, барабан 5 и вилка 6 имеют перпендикулярно расположенные на одинаковом расстоянии ℓ оси шарниров, а валы 3 и 7 параллельны и отстоят друг от друга на расстоянии, равном произведению длин рычагов на корень из трех (ℓ
В смесителе размеры вилок зависят от габаритов барабана, что сдерживает конструирование смесителей с большей по объему емкостью.
При включении источника привода 1, вращение передается валу 3, вилке 4, емкости 5, второй вилке 6 и валу 7. В результате емкость 5 имеет сложный пространственный характер движения, что способствует активному смешению компонентов, а также безразмерной обработке деталей, полировке поверхностей деталей и т.п.
Конструкция этого смесителя основана на базе шестизвенного пространственного механизма с одной избыточной связью и имеет ряд
существенных недостатков. Смеситель требует высокой точности изготовления кратчайших расстояний ℓ между осями шарниров звеньев и прямых углов, которые находятся в прямой зависимости от размера емкости, несоблюдение которых ведет к появлению «мертвых» положений, либо к заклиниванию, либо к затратам большой мощности на выход из «мертвых» положений.
Вместимость емкости ограничена объемом не более 2-3 дм3, поэтому он используется только в лабораторных исследованиях.
Закон движения емкости не регулируется, следовательно, не регулируется интенсивность процесса смешения или обработки поверхностей деталей.
1. Теория механизмов и машин: учеб. для вузов /К.В. Фролов и др.-М.: Высшая школа, 2005.-496 с.
2. Коровин Ю.В. Теория механизмов и машин. - Казань: Издательство Фэн, 2003. -396 с.
3. Шуваев Д.Н. История и методология механики.- Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2017. -59 с.
4. Вилли А. Бахофен. Турбула - смеситель. Рекламный проспект, Швейцария, Базель, 1965.
5. Авт.св. СССР № 297797 Смеситель, М. кл. В 28С 5/18, заявл. 17.11.1969, опубл. 15.01.1971, Бюл. № 5.
6. Авт. св. СССР № 505430 Смеситель, М. кл. В 01 F 11/00, В 28 С 5/04, заявл.01.06.72, опубл.05.03.76, Бюл. №9.
7. Авт. св. СССР № 341513 Смеситель, М. кл. В 01 F 11/00, заявл. 26.10.1970, опубл. 14.06.1972, Бюл. №19.
8. Авт. св. СССР № 795958 Смеситель, М. кл. В 28 С 5/18, заявл. 26.03.1979, опубл. 15.01.1981, Бюл. №2.
9. Авт. св. СССР № 1701556 Смеситель, М. кл. В 28 С 5/18, заявл. 18.05.1989, опубл. 30.12.1991, Бюл. №48.
10. Авт.св. СССР № 1611431 Смеситель М. кл. В 01 F 9/06, заявл. 18/03/1988, опубл. 07.12.1990, Бюл. №45.
