WO2018161204A1 - 一种利用间歇共振的混合物封闭搅拌器及方法 - Google Patents

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李晖
李上青
王慧慧
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Abstract

一种利用间歇共振的封闭搅拌器及方法。封闭搅拌器包括：两对平行的拉力弹簧（1）、固定支架（2）、弹性悬臂梁（3）、悬臂梁压力夹持装置（6）、偏心电机（4）、弧形垫块（5）、封闭容纳器（8），封闭容纳器（8）通过拉力弹簧（1）安装到固定支架（2）上，弹性悬臂梁（3）安装于封闭容纳器（8）下方且与封闭容纳器（8）轴向平行，弹性悬臂梁（3）的一端作为夹持端安装到固定支架（2）上，弹性悬臂梁（3）的另一端作为活动端连接偏心电机（4），偏心电机（4）上方连接弧形垫块（5），弧形垫块（5）在偏心电机（4）工作过程中往复击打封闭容纳器（8）尾部下方。

Description

一种利用间歇共振的混合物封闭搅拌器及方法 技术领域
本发明涉及在农业、化工、食品及建筑行业中的一种振动利用技术，具体为一种利用间歇共振的液体和固体混合物、液体和液体混合物、固体和固体混合物封闭搅拌器及方法。
背景技术
随着农业机械化不断升级，传统农业施肥技术逐渐暴露出一些缺点，人工施肥作业繁琐对农业生产造成了不利影响，改进农业生产方式已成为现代农业的标志，在农业生产中利用液态肥料进行施肥灌溉，降低了劳动强度和生产成本，提高农业的生产水平，又因为液态肥料经常伴有大量固体沉淀物，搅拌入水中不能充分溶解，致使肥料施放不均造成农作物产量降低。
同时，随着化工行业对液体和液体混合物搅拌质量的不断提高，为了达到理想的混合程度，促进化学反应并加速物理变化，有时需要搅拌机械设备连续运行一周甚至数日，这就对搅拌机械设备的能耗指标提出了越来越高的要求，
另外，食品行业、建筑行业通常需要对各种固体和固体混合物进行均匀混合，例如，建筑厂家为了提高建筑物的制造质量并提高生产效率，对其原材料泥、砂、碎石等均匀混合要求越来越高，食品生产商为了生产出符合消费者口味的食品，对各种面粉、调味粉、添加物料的混合均匀程度也有严格要求。
目前，人们已经对混合物搅拌器进行了深入的研究，但依旧存在一些问题。专利CN201410675963.1，专利CN 201310108093.5，专利CN201210478155.7，专利CN 201320112977.3分别是不同的实验构想，但在原理上皆是采用搅拌体旋转的方式，通过控制搅拌体的旋转来对物料进行搅拌。其结构复杂，且功能单一，适用范围极其有限，只应用于特定原材料的加工搅拌，对原料的形态、黏度、杂质含量等均有较高的要求，且存在安装工序繁琐，大规模生产下搅拌不均匀，能耗较大等弊端。专利CN201310293240.0是采用电磁搅拌的方式，但是对液态原料的导电性有较大要求，且设备成本高。面向上述各行各业的实际需求以及现有搅拌设备存在的问题，本发明巧妙地利用了间歇共振思想，并设计了一款节能环保、成本低廉、结构简单的新型混合物封闭搅拌器。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用间歇共振的封闭搅拌器及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用间歇共振的混合物封闭搅拌器，包括：两对平行的拉力弹簧、固定支架、弹性悬臂梁、悬臂梁压力夹持装置、偏心电机、弧形垫块、封闭容纳器，具体结构如下：
所述封闭容纳器通过拉力弹簧安装到固定支架上，弹性悬臂梁安装于封闭容纳器下方且与封闭容纳器轴向平行，弹性悬臂梁的一端作为夹持端安装到固定支架上，弹性悬臂梁的另一端作为活动端连接偏心电机，偏心电机上方连接弧形垫块，弧形垫块在偏心电机工作过程中往复击打封闭容纳器尾部下方。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，固定支架包括：一对平行的支架悬梁、四个平行的支架竖梁、两个平行的支架侧梁、固定板、四个配重块；
四个支架竖梁垂直于地面，两个支架侧梁与封闭容纳器轴向平行且连接在支架竖梁之间，固定板与封闭容纳器径向平行且连接在支架竖梁之间，四个配重块分别安装在四个支架竖梁的底部，两对拉力弹簧的一端固定于支架悬梁上。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，位于两个支架侧梁一侧的两个支架竖梁顶部之间通过支架悬梁连接，一对拉力弹簧的一端固定于该侧的支架悬梁上；位于两个支架侧梁另一侧的两个支架竖梁顶部之间通过支架悬梁连接，另一对拉力弹簧的一端固定于该侧的支架悬梁上。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，固定支架的一对平行的支架悬梁、四个平行的支架竖梁、两个平行的支架侧梁均采用钢材，固定板采用实心钢板，焊接在两个支架竖梁之间。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，还包括薄壳柱体，其一端封闭、另一端开口；薄壳柱体封闭的一端具有原料输入口、水输入口，薄壳柱体开口的一端安装封闭锥形出口，薄壳柱体两端分别连接一对拉力弹簧且每对拉力弹簧在薄壳柱体上安装距离为薄壳柱体端面直径，薄壳柱体采用透明材质制成。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，还包括推车，固定支架放置于推车上；推车包括：载物板、推车把手、万向脚轮、固定带刹脚轮，载物板下方的一侧相对安装固定带刹脚轮，载物板下方的另一侧相对安装万向脚轮，载物板一侧安装推车把手，固定支架放置于载物板上。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，还包括悬臂梁压力夹持装置，悬臂梁压力夹持装置安装在固定支架的固定板上，弹性悬臂梁的夹持端由悬臂梁压力夹持装置压紧，弹性悬臂梁的活动端悬于封闭容纳器正下方。
所述的利用间歇共振的封闭搅拌器的搅拌方法，包括：
步骤1，获得高度为H的物料与封闭容纳器的总的固有频率F'
步骤1-1、将水与此时为液态的原料输送至封闭容纳器，达到指定的高度H，此时封闭容纳器锥形出口被堵塞；
步骤1-2、根据悬挂弹簧刚度K；以及封闭容纳器液体的高度H，封闭容纳器的质量M，根据
Figure PCTCN2017075711-appb-000001
及
Figure PCTCN2017075711-appb-000002
ρ液为封闭容纳器内液体密度；d为封闭容纳器薄壳柱体长度，r为封闭容纳器内腔半径，获得高度为H的液体与封闭容纳器的总的固有频率F'；
步骤1-3、若所加原料为液体与固体混合或固体与固体混合时，先对混合物料进行称量，并获取混合后的总质量m总，再由公式
Figure PCTCN2017075711-appb-000003
得出总的固有频率；
步骤2、根据R＝60F确定偏心电机的实时转速R，由步骤1建立转速R与封闭容纳器内此时为液态的原料高度H的关系，并对封闭容纳器的薄壳柱体进行高度值的标定，若封闭容纳器内完全为固体混合物，则根据薄壳柱体的尺寸、质量及其包含的固体混合物质量，通过现场测试，确定容纳器高度与偏心电机转速的相互关系；
步骤3、确定悬臂梁的长度L；
步骤3-1、通过测试获得偏心电机和弧形垫块的总质量为m；
步骤3-2、由于弹性悬臂梁固有频率需要和封闭容纳器以及存储原料总的固有频率F相等，因此根据公式
Figure PCTCN2017075711-appb-000004
E为悬臂梁的弹性模量，J为截面惯性矩，确定悬臂梁的长度L，从而调整悬臂梁压力夹持装置，使得弹性悬臂梁振动端长度为确定值L；
步骤4、设定好上述参数后，启动偏心电机开关，使其达到设定的转速R，弹性悬臂梁会达到共振状态，并通过悬臂梁末端的弧形垫块往复击打封闭容纳器尾部下方，封闭容纳器会上下晃动搅拌，一段时间后到达稳定的上下晃动搅拌状态；
步骤5、关闭偏心电机的开关，通过实际测试，确定最佳控制系数，进而控制偏心电机的间歇通电时间τ；
步骤5-1、关闭偏心电机的开关后，弹性悬臂梁将做自由衰减振动，此时开始测量从偏心电机关闭 到弹性悬臂梁衰减到振幅为0所需的时间t；
步骤5-2、设定偏心电机的间歇通电时间τ；根据经验τ≠t，τ＝at，其中a为控制系数，其取值为(0.8≤a≤1.2)，需通过实际测试，确定控制系数a的最佳值afit，进而确定偏心电机的间歇通电时间τ；
步骤6、再次启动偏心电机，使其以转速R开始工作，通过弹性梁击打封闭容纳器，等到封闭容纳器上下稳定晃动，且原料被均匀搅拌后，打开封闭容纳器锥形出口，施放原料过程中，通过观察原料高度H的减少，根据步骤2实时观察薄壳柱体液面高度H以调整偏心电机转速，并以偏心电机的间歇通电时间τ来控制电机开关，达到间歇共振及施料的目的。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提出的一种利用间歇共振的混合物封闭搅拌器及方法，将间歇共振思想巧妙地融入到混合物封闭搅拌器的设计中，有效解决了现有技术中不节能环保且搅拌不彻底的问题。
2、本发明的成本低廉、结构简单，由于弹性悬臂梁悬臂端长度可调节，因此可调节其振动的固有频率，从而利用弹性悬臂梁经过共振放大后的激振幅度，去激发薄壳封闭容纳器也达到振幅较大的上下晃动搅拌状态。
3、通过控制偏心电机的间歇通电时间，达到利用最小的电能去维持封闭容纳器达到振幅较大的上下晃动搅拌状态，进而达到节能环保的目的。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的一种利用间歇共振的封闭搅拌器结构示意图；
图2是本发明实施例2中的固定支架结构示意图；
图3是本发明实施例2中的封闭容纳器结构示意图；
图4是本发明实施例3中提供的一种利用间歇共振的封闭搅拌器结构示意图；
图5是本发明实施例3中悬臂梁压力夹持装置安装示意图；
图6是图3中封闭容纳器的薄壳柱体的H值标定示意图；
图中，1拉力弹簧，2固定支架，2-1支架悬梁，2-2支架竖梁，2-3支架侧梁，2-4固定板，2-5配重块，3弹性悬臂梁，4偏心电机，5弧形垫块，6悬臂梁压力夹持装置，7电控机箱，8封闭容纳器，8-1薄壳柱体，8-2肥料输入口，8-3水输入口，8-4封闭锥形出口，9推车，9-1载物板，9-2推车把手，9-3-1万向脚轮，9-3-3、9-3-4固定带刹脚轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。
实施例1
本实施例提供如图1所示的一种利用间歇共振的封闭搅拌器，包括：两对平行的拉力弹簧1、固定支架2、弹性悬臂梁3、偏心电机4、橡胶材质的弧形垫块5、薄壳的封闭容纳器8，偏心电机4选择型号为YZU交流三相异步振动电机；
所述封闭容纳器8通过拉力弹簧1安装到固定支架2上，弹性悬臂梁3安装于封闭容纳器8下方且与封闭容纳器8轴向平行，弹性悬臂梁3的一端作为夹持端安装到固定支架2上，弹性悬臂梁3的另一端作为活动端连接偏心电机4，偏心电机4上方连接弧形垫块5，弧形垫块5在偏心电机4工作过程中往复击打封闭容纳器8尾部下方。
实施例2
如图1所示，在实施例1所述的利用间歇共振的封闭搅拌器基础上，还包括电控机箱7，安装于固定支架2上，偏心电机4的线路及开关放置于电控机箱7内。
如图2所示的固定支架2，包括：一对平行的支架悬梁2-1、四个平行的支架竖梁2-2、两个平行的支架侧梁2-3、固定板2-4、四个配重块2-5；
四个支架竖梁2-2垂直于地面，两个支架侧梁2-3与封闭容纳器8轴向平行且连接在支架竖梁2-2之间，固定板2-4与封闭容纳器8径向平行且连接在位于两个支架侧梁2-3一侧的支架竖梁2-2之间，四个配重块2-5分别安装在四个支架竖梁2-2的底部；位于两个支架侧梁2-3一侧的两个支架竖梁2-2顶部之间通过支架悬梁2-1连接，一对拉力弹簧1的一端固定于该侧的支架悬梁2-1上；位于两个支架侧梁2-3另一侧的两个支架竖梁2-2顶部之间通过支架悬梁2-1连接，另一对拉力弹簧1的一端固定于该侧的支架悬梁2-1上。固定支架2的一对平行的支架悬梁2-1、四个平行的支架竖梁2-2、两个平行的支架侧梁2-3均采用钢材，固定板2-4采用实心钢板，焊接在两个支架竖梁2-2之间。
如图3所示的所述封闭容纳器8包括薄壳柱体8-1，其一端封闭、另一端开口；薄壳柱体8-1封闭的一端具有肥料输入口8-2、水输入口8-3，薄壳柱体8-1开口的一端安装封闭锥形出口8-4，薄壳柱体8-1两端分别连接一对拉力弹簧1且每对拉力弹簧1在薄壳柱体8-1上安装距离为薄壳柱体8-1端面直径。肥料输入口8-2、水输入口8-3分别通过橡胶管连接肥料源和水源。
实施例3
本实施例提供一种如图4所示的利用间歇共振的封闭搅拌器，在实施例1或2所述的利用间歇共振的封闭搅拌器基础上，还包括四轮的推车9，固定支架2放置于推车9上。所述的推车9包括：载物板9-1、推车把手9-2、万向脚轮9-3-1、固定带刹脚轮9-3-3、9-3-4；载物板9-1下方的一侧相对安装固定带刹脚轮9-3-3、9-3-4，载物板9-1下方的另一侧相对安装万向脚轮9-3-1、9-3-2(图中未示出)，载物板9-1一侧安装推车把手9-2，固定支架2放置于载物板9-1上。
如图5所示，所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，还包括悬臂梁压力夹持装置6，悬臂梁压力夹持装置6安装在固定支架2的固定板2-4上，弹性悬臂梁3的夹持端由悬臂梁压力夹持装置6压紧，弹性悬臂梁3的活动端悬于封闭容纳器8正下方。
在实施例1至实施例3中，本发明利用间歇共振的封闭搅拌器的搅拌方法，包括：
步骤1，获得高度为H的物料与封闭容纳器的总的固有频率F'
步骤1-1、将水与原料(此时为液态)输送至封闭容纳器，达到指定的高度H，此时封闭容纳器锥形出口被堵塞；
步骤1-2、根据悬挂弹簧刚度K；以及封闭容纳器液体的高度H，封闭容纳器的质量M，根据
Figure PCTCN2017075711-appb-000005
及
Figure PCTCN2017075711-appb-000006
ρ液为封闭容纳器内液体密度；d为封闭容纳器薄壳柱体长度，r为封闭容纳器内腔半径，获得高度为H的液体与封闭容纳器的总的固有频率F'；
步骤1-3、若所加原料为液体与固体混合或固体与固体混合时，可先对混合物料进行称量，并获取混合后的总质量m总，再由公式
Figure PCTCN2017075711-appb-000007
得出总的固有频率；
步骤2、根据R＝60F确定偏心电机的实时转速R，由步骤1建立转速R与封闭容纳器内原料(此时为液态)高度H的关系，并对封闭容纳器的薄壳柱体进行高度值的标定，若封闭容纳器内完全为固体混合物，则可根据薄壳柱体的尺寸、质量及其包含的固体混合物质量，通过现场测试，确定容纳器高度与偏心电机转速的相互关系；
步骤3、确定悬臂梁的长度L；
步骤3-1、通过测试获得偏心电机和弧形垫块的总质量为m；
步骤3-2、由于弹性悬臂梁固有频率需要和封闭容纳器以及存储原料总的固有频率F相等，因此根据公式
Figure PCTCN2017075711-appb-000008
E为悬臂梁的弹性模量，J为截面惯性矩，确定悬臂梁的长度L，从而调整悬臂梁压力夹持装置，使得弹性悬臂梁振动端长度为确定值L；
步骤4、设定好上述参数后，启动偏心电机开关，使其达到设定的转速R，弹性悬臂梁会达到共振状态，并通过悬臂梁末端的弧形垫块往复击打封闭容纳器尾部下方，封闭容纳器会上下晃动搅拌，一段时间后到达稳定的上下晃动搅拌状态；
步骤5、关闭偏心电机的开关，通过实际测试，确定最佳控制系数，进而控制偏心电机的间歇通电时间τ；
步骤5-1、关闭偏心电机的开关后，弹性悬臂梁将做自由衰减振动，此时开始测量从偏心电机关闭到弹性悬臂梁衰减到振幅为0所需的时间t；
步骤5-2、设定偏心电机的间歇通电时间τ；根据经验τ≠t，τ＝at，其中a为控制系数，其取值为(0.8≤a≤1.2)，需通过实际测试，确定控制系数a的最佳值afit，进而确定偏心电机的间歇通电时间τ；
步骤6、再次启动偏心电机，使其以转速R开始工作，通过弹性梁击打封闭容纳器，等到封闭容纳器上下稳定晃动，且原料被均匀搅拌后，打开封闭容纳器锥形出口，施放原料过程中，通过观察原料高度H的减少，根据步骤2实时观察薄壳柱体液面高度H以调整偏心电机转速，并以偏心电机的间歇通电时间τ来控制电机开关，达到间歇共振及施料的目的。

Claims (8)

  1. 一种利用间歇共振的混合物封闭搅拌器，其特征在于，包括：两对平行的拉力弹簧、固定支架、弹性悬臂梁、悬臂梁压力夹持装置、偏心电机、弧形垫块、封闭容纳器，具体结构如下：
    所述封闭容纳器通过拉力弹簧安装到固定支架上，弹性悬臂梁安装于封闭容纳器下方且与封闭容纳器轴向平行，弹性悬臂梁的一端作为夹持端安装到固定支架上，弹性悬臂梁的另一端作为活动端连接偏心电机，偏心电机上方连接弧形垫块，弧形垫块在偏心电机工作过程中往复击打封闭容纳器尾部下方。
  2. 按照权利要求1所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，其特征在于，固定支架包括：一对平行的支架悬梁、四个平行的支架竖梁、两个平行的支架侧梁、固定板、四个配重块；
    四个支架竖梁垂直于地面，两个支架侧梁与封闭容纳器轴向平行且连接在支架竖梁之间，固定板与封闭容纳器径向平行且连接在支架竖梁之间，四个配重块分别安装在四个支架竖梁的底部，两对拉力弹簧的一端固定于支架悬梁上。
  3. 按照权利要求2所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，其特征在于，位于两个支架侧梁一侧的两个支架竖梁顶部之间通过支架悬梁连接，一对拉力弹簧的一端固定于该侧的支架悬梁上；位于两个支架侧梁另一侧的两个支架竖梁顶部之间通过支架悬梁连接，另一对拉力弹簧的一端固定于该侧的支架悬梁上。
  4. 按照权利要求2所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，其特征在于，固定支架的一对平行的支架悬梁、四个平行的支架竖梁、两个平行的支架侧梁均采用钢材，固定板采用实心钢板，焊接在两个支架竖梁之间。
  5. 按照权利要求1所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，其特征在于，还包括薄壳柱体，其一端封闭、另一端开口；薄壳柱体封闭的一端具有原料输入口、水输入口，薄壳柱体开口的一端安装封闭锥形出口，薄壳柱体两端分别连接一对拉力弹簧且每对拉力弹簧在薄壳柱体上安装距离为薄壳柱体端面直径，薄壳柱体采用透明材质制成。
  6. 按照权利要求1所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，其特征在于，还包括推车，固定支架放置于推车上；推车包括：载物板、推车把手、万向脚轮、固定带刹脚轮，载物板下方的一侧相对安装固定带刹脚轮，载物板下方的另一侧相对安装万向脚轮，载物板一侧安装推车把手，固定支架放置于载物板上。
  7. 按照权利要求1所述的利用间歇共振的封闭搅拌器，其特征在于，还包括悬臂梁压力夹持装置，悬臂梁压力夹持装置安装在固定支架的固定板上，弹性悬臂梁的夹持端由悬臂梁压力夹持装置压紧，弹性悬臂梁的活动端悬于封闭容纳器正下方。
  8. 按照权利要求1至7之一所述的利用间歇共振的封闭搅拌器的搅拌方法，其特征在于，包括：
    步骤1，获得高度为H的物料与封闭容纳器的总的固有频率F'
    步骤1-1、将水与此时为液态的原料输送至封闭容纳器，达到指定的高度H，此时封闭容纳器锥形出口被堵塞；
    步骤1-2、根据悬挂弹簧刚度K；以及封闭容纳器液体的高度H，封闭容纳器的质量M，根据
    Figure PCTCN2017075711-appb-100001
    及
    Figure PCTCN2017075711-appb-100002
    ρ液为封闭容纳器内液体密度；d为封闭容纳器薄壳柱体长度，r为封闭容纳器内腔半径，获得高度为H的液体与封闭容纳器的总的固有频率F'；
    步骤1-3、若所加原料为液体与固体混合或固体与固体混合时，先对混合物料进行称量，并获取混合后的总质量m总，再由公式
    Figure PCTCN2017075711-appb-100003
    得出总的固有频率；
    步骤2、根据R＝60F确定偏心电机的实时转速R，由步骤1建立转速R与封闭容纳器内此时为液态的原料高度H的关系，并对封闭容纳器的薄壳柱体进行高度值的标定，若封闭容纳器内完全为固体混合物，则根据薄壳柱体的尺寸、质量及其包含的固体混合物质量，通过现场测试，确定容纳器高度与偏心电机转速的相互关系；
    步骤3、确定悬臂梁的长度L；
    步骤3-1、通过测试获得偏心电机和弧形垫块的总质量为m；
    步骤3-2、由于弹性悬臂梁固有频率需要和封闭容纳器以及存储原料总的固有频率F相等，因此根据公式
    Figure PCTCN2017075711-appb-100004
    E为悬臂梁的弹性模量，J为截面惯性矩，确定悬臂梁的长度L，从而调整悬臂梁压力夹持装置，使得弹性悬臂梁振动端长度为确定值L；
    步骤4、设定好上述参数后，启动偏心电机开关，使其达到设定的转速R，弹性悬臂梁会达到共振状态，并通过悬臂梁末端的弧形垫块往复击打封闭容纳器尾部下方，封闭容纳器会上下晃动搅拌，一段 时间后到达稳定的上下晃动搅拌状态；
    步骤5、关闭偏心电机的开关，通过实际测试，确定最佳控制系数，进而控制偏心电机的间歇通电时间τ；
    步骤5-1、关闭偏心电机的开关后，弹性悬臂梁将做自由衰减振动，此时开始测量从偏心电机关闭到弹性悬臂梁衰减到振幅为0所需的时间t；
    步骤5-2、设定偏心电机的间歇通电时间τ；根据经验τ≠t，τ＝at，其中a为控制系数，其取值为(0.8≤a≤1.2)，需通过实际测试，确定控制系数a的最佳值afit，进而确定偏心电机的间歇通电时间τ；
    步骤6、再次启动偏心电机，使其以转速R开始工作，通过弹性梁击打封闭容纳器，等到封闭容纳器上下稳定晃动，且原料被均匀搅拌后，打开封闭容纳器锥形出口，施放原料过程中，通过观察原料高度H的减少，根据步骤2实时观察薄壳柱体液面高度H以调整偏心电机转速，并以偏心电机的间歇通电时间τ来控制电机开关，达到间歇共振及施料的目的。
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