基于三自由度共振系统的声波混合装置的制造方法
【专利摘要】一种基于三自由度共振系统的声波混合装置，包括机架、激振单元、反作用单元和负载单元。反作用单元位于机架中间，通过弹簧二与机架的上板和下板连接；激振单元位于反作用单元中间，通过弹簧一与反作用单元的上板和下板连接；负载单元位于机架和反作用单元之间，分别通过弹簧三和弹簧四与机架和反作用单元相连接。混合容器可固定在负载单元上或者固定在反作用单元上，或者在负载单元上和反作用单元上同时固定两个混合容器。本发明利用共振原理产生声波能，声波能使混合物料内部产生涡流从而使物料快速高效混合，同时混合容器内无桨叶，混合过程更安全，可混合包括液?液、液?固、气?液、固?固系统，特别适合混合危险物料，有广泛的适用性。
【专利说明】
基于三自由度共振系统的声波混合装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种混合装置，具体是一种基于三自由度共振系统的声波混合装置。
【背景技术】
[0002] 混合装备已广泛应用于化工、医药、电池等行业，但目前使用的混合装备大都是桨 叶式混合机，其混合时间长，混合效率低，混合过程中存在混合死角，物料的加料过程不能 同时加入，混合完毕后物料难以清理，严重影响企业的生产效率。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足而提供一种能将物料快速高效混合 的基于三自由度共振系统的声波混合装置。
[0004] 本发明解决问题的技术方案是:包括机架1、激振单元2、反作用单元3、负载单元4; 所述机架1包括机架下板101、经多个机架立柱102与机架下板101相连的机架上板103; 所述反作用单元3置于机架1内；所述反作用单元3包括反作用上板302、经多个反作用 立柱303与反作用上板302相连的反作用下板304;所述反作用上板302与机架上板103之间 压装有多个上弹簧二301a，所述多个上弹簧二301a均匀分布;所述反作用下板304与机架下 板101之间压装有多个下弹簧二301b，所述多个下弹簧二301b均匀分布；所述上弹簧二 301a、下弹簧二301b两两一组，各组中的上弹簧二301a与下弹簧二301b的中心轴线重合； 所述负载单元4包括置于反作用上板302与反作用下板304之间的负载下板407、经穿过 机架上板103与上弹簧二301a以及反作用上板302的多个负载连接杆405与负载下板407连 接的位于机架上板103上方的负载上板402;所述负载下板407与反作用上板302之间压装有 上弹簧四406a，所述上弹簧四406a套装于负载连接杆405外;所述负载下板407与反作用下 板304之间压装有与上弹簧四406a对应设置的下弹簧四406b;所述负载上板402下表面连接 有多个弹簧导柱404,所述弹簧导柱404下端穿过机架上板103;所述弹簧导柱404位于机架 上板103上的部分套装有上弹簧三403a，所述上弹簧三403a压装于负载上板402与机架上板 103之间；所述弹簧导柱404位于机架上板103下的部分套装有下弹簧三403b，所述下弹簧三 403b压装于机架上板103与弹簧导柱302下端凸缘之间； 所述激振单元2包括置于负载下板407内的固定板202、连接于固定板202的激振装置； 所述固定板202与反作用上板302之间压装有多个上弹簧一 201a，所述固定板202与反作用 下板304之间压装有多个与上弹簧一 201a对应设置的下弹簧一 201b; 还包括一个或一个以上的混合容器401;所述混合容器401固定于负载单元4和/或反作 用单元3上。
[0005] 所述激振装置为偏心式机械激振器、电磁式激振器或液压式激振器。
[0006] 所述机架上板103上表面设有用于限位上弹簧三403a的凹部，下表面设有用于限 位下弹簧三403b的凹部，两凹部对应设置，且在两凹部处设有一用于弹簧导柱404穿过的 孔;所述机架上板103下表面还设有用于限位上弹簧二301a的凹部;所述机架上板103上设 有供负载连接杆405穿过的孔;所述机架下板101上表面设有用于限位下弹簧二301b的凹 部。
[0007] 所述反作用上板302上表面设有用于限位上弹簧二301a的凹部，下表面设有用于 限位上弹簧四406a的凹部，两凹部对应设置，且在两凹部处设有一用于负载连接杆405穿过 的通孔;所述反作用上板302上还设有可用于弹簧导柱404与下弹簧三403b通过的过孔;所 述反作用上板302下表面还设有用于限位上弹簧一 201a的凹部;所述反作用下板304下表面 设有用于限位下弹簧二301b的凹部，上表面设有用于限位下弹簧四406b的凹部，两凹部对 应设置;所述反作用下板304上表面还设有用于限位下弹簧一 201b的凹部。
[0008] 所述负载下板407上表面设有用于限位上弹簧四406a的凹部，下表面设有用于限 位下弹簧四406b的凹部，两凹部对应设置;所述负载下板407上设有用于反作用立柱303穿 过的孔； 所述负载上板402下表面设有用于限位上弹簧三403a的凹部。
[0009] 所述反作用下板304上设有用于减轻重量的大孔。
[0010] 所述混合容器401为一个，固定于负载单元4的负载上板402上。
[0011]所述混合容器401为两个，一个固定于负载单元4，另一个固定于反作用单元3。 [0012]负载单元4与反作用单元3运动方向完全相反，产生的作用力相互抵消，混合器对 地面的作用力为零。
[0013]混合装置工作在第三阶固有频率，使系统产生共振状态。当混合装置在共振状态 时，容器内物料产生低频声波，能量全部用于物料间的混合，从而使物料快速高效混合。系 统共振振幅小于15mm，共振频率范围60±5Hz，最大加速度200g。
[0014]当混合装置在接近共振频率工作时，混合容器内部会产生<300wii的声波涡流使 物料快速高效混合。
[0015] 与现有技术相比，本发明的优点在于： 1) 兼容多种材料体系:包括液-液、液-固、气-液、固-固，特别适合混合危险物料，有广 泛的适用性； 2) 混合质量好:一是提高了单个产品的质量，另一方面，它缩小生产批次间的差异； 3) 节能、效率高:共振混合物料所需时间仅为传统混合所需时间的1/7，加上共振混合 能量损失小，施加的机械能全部用于混合做功，所以混合效率高并且节能效果相当突出； 4) 安全性高:共振混合分散技术没有机械转动部件与物料接触，混合容器内无桨叶，提 高过程的本质安全性； 5) 混合无死角:共振混合技术使混合容器内部会产生微型声波涡流使物料充分参与混 合； 6) 易清洁:混合时，将物料放于混合容器内，将容器与设备固定，混合完后将容器取出 即可，混合容器可快速更换，无需在线清理。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的结构示意图。
[0017] 图2为本发明的剖视结构示意图。
[0018]图3为本发明机架的结构示意图。
[0019] 图4为本发明激振单元的结构示意图。
[0020] 图5为本发明反作用单元的结构示意图。
[0021 ]图6为本发明负载单元的结构示意图。
[0022]图7为本发明的受力不意图。
[0023]图8为本发明的幅频响应图。
[0024]图9为本发明的第三阶固有频率幅频响应图。
[0025]图中，1、机架，2、激振单元，3、反作用单元，4、负载单元，101、机架下板，102、机架 立柱，103、机架上板，201、弹簧一，202、固定板，301、弹簧二，302、反作用上板，303、反作用 立柱，304、反作用下板，401、混合容器，402、负载上板，403、弹簧三，404、弹簧导柱，405、负 载连接杆，406、弹簧四，407、负载下板。
[0026] F为激振力分别为各单元质量、阻尼系数、刚度。
【具体实施方式】
[0027] 图1中，混合装置由机架1、激振单元2、反作用单元3和负载单元4组成。反作用单元 3位于机架1中间，通过弹簧二(301a/b)与机架1的上板103和下板101连接;激振单元2位于 反作用单元3中间，通过弹簧一（201a/b)与反作用单元3的上板302和下板304连接；负载单 元4位于机架1和反作用单元3之间，分别通过弹簧三(403a/b)和弹簧四（406a/b)与机架1和 反作用单元3相连接。混合容器401可固定在负载单元4上或者固定在反作用单元3上，或者 在负载单元4上和反作用单元3上同时固定两个混合容器401。激振单元2的激振装置可以采 用偏心式机械激振器、或者电磁式激振器、或者液压式激振器。
[0028] 本发明的工作过程:激振装置只产生竖直方向的激振力，带动混合装置的负载单 元和反作用单元作受迫振动。当混合装置的振动频率到达第三阶固有频率时，系统产生共 振效应，具有一定加速度运动的负载上板把动能传递到混合容器内，容器内混合物料间产 生低频声波，打破物料之间的边界层，物料流动自由，产生无数个微混合区，促进物料快速 混合。共振时，系统的振幅和加速度急剧变大，系统所需的能量最小，系统产生的能量全部 用于物料的有效混合。而负载单元(4)和反作用单元(3)的运动方向刚好相反，产生的作用 力相互抵消。混合完成后，将容器取出即可，混合容器可快速更换，无需在线清理。
[0029] 图2、图3、图4、图5、图6中，机架1包括圆形机架下板101、经多个机架立柱102与机 架下板101相连的环状机架上板103。
[0030] 反作用单元3置于机架1内；反作用单元3包括环状反作用上板302、经多个反作用 立柱303与反作用上板302相连的环状反作用下板304;反作用上板302与机架上板103之间 压装有多个上弹簧二301a，多个上弹簧二301a均匀分布;反作用下板304与机架下板101之 间压装有多个下弹簧二301b，多个下弹簧二301b均匀分布;上弹簧二301a、下弹簧二301b两 两一组，各组中的上弹簧二301a与下弹簧二301b的中心轴线重合。
[0031]负载单元4包括置于反作用上板302与反作用下板304之间的环状负载下板407、经 穿过机架上板103与上弹簧二301a以及反作用上板302的多个负载连接杆405与负载下板 407连接的位于机架上板103上方的负载上板402;负载下板407与反作用上板302之间压装 有上弹簧四406a，上弹簧四406a套装于负载连接杆405外；负载下板407与反作用下板304之 间压装有与上弹簧四406a对应设置的下弹簧四406b;负载上板402下表面连接有多个弹簧 导柱404,弹簧导柱404下端穿过机架上板103;弹簧导柱404位于机架上板103上的部分套装 有上弹簧三403a，上弹簧三403a压装于负载上板402与机架上板103之间；弹簧导柱404位于 机架上板103下的部分套装有下弹簧三403b，下弹簧三403b压装于机架上板103与弹簧导柱 302下端凸缘之间。
[0032]激振单元2包括置于负载下板407内的固定板202、连接于固定板202的激振装置； 固定板202与反作用上板302之间压装有多个上弹簧一201a，固定板202与反作用下板304之 间压装有多个与上弹簧一 201a对应设置的下弹簧一 201b。
[0033] 还包括一个混合容器401;混合容器401固定于负载单元4的负载上板402上。
[0034]机架上板103上表面设有用于限位上弹簧三403a的凹部，下表面设有用于限位下 弹簧三403b的凹部，两凹部对应设置，且在两凹部处设有一用于弹簧导柱404穿过的孔;机 架上板103下表面还设有用于限位上弹簧二301a的凹部;机架上板103上设有供负载连接杆 405穿过的孔;机架下板101上表面设有用于限位下弹簧二301b的凹部。
[0035]反作用上板302上表面设有用于限位上弹簧二301a的凹部，下表面设有用于限位 上弹簧四406a的凹部，两凹部对应设置，且在两凹部处设有一用于负载连接杆405穿过的通 孔;反作用上板302上还设有可用于弹簧导柱404与下弹簧三403b通过的过孔;反作用上板 302下表面还设有用于限位上弹簧一 201a的凹部;反作用下板304下表面设有用于限位下弹 簧二301b的凹部，上表面设有用于限位下弹簧四406b的凹部，两凹部对应设置;反作用下板 304上表面还设有用于限位下弹簧一 201b的凹部。反作用下板304上设有用于减轻重量的大 孔。
[0036]负载下板407上表面设有用于限位上弹簧四406a的凹部，下表面设有用于限位下 弹簧四406b的凹部，两凹部对应设置;负载下板407上设有用于反作用立柱303穿过的孔。 [0037]负载上板402下表面设有用于限位上弹簧三403a的凹部。
[0038]图7、图8、图9中，本发明基于三自由度共振系统的声波混合装置的工作原理如下： 根据振动理论，单个质体有阻尼受迫振动方程議致:,士士::_i:=.襲，从图6所示系统的 受力图，得到三自由度系统在外加简谐激振力作用下的强迫振动运动方程为：
式中： _i--各单兀的质量； 一一阻尼系数； h-一各组弹簧的刚度； &、％、4一一各单元的位移、速度、加速度； :賴1--系统的激振力。
[0039] 目前求解多自由度系统的固有频率及主振型的计算方法很多，有的已有标准的计 算程序可供选用。常用的方法有矩阵迭代法、邓克莱法、瑞利法、李兹法、子空间迭代法等。
[0040] 本发明在给定的一组质量、阻尼和刚度参数条件下，通过理论计算得出了系统的 三个固有频率数值，如图8。理论上当激振频率达到系统固有频率时，负载单元振幅最大，而 所需激振力可以很小。分析发现第一阶固有频率和第二阶固有频率振幅过大，工作不稳定， 且负载单元与反作用单元运动方向相同，不利于混合装置的正常工作。系统的第三阶固有 频率如图9，在此频率下，负载单元与反作用单元运动方向相反，振幅接近，负载单元与反作 用单元产生的力在混合装置内部相互抵消，混合装置不产生对地作用力，因此选择第三阶 固有频率做为工作频率。
【主权项】
1. 一种基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:包括机架（1)、激振单元 (2)、反作用单元(3)、负载单元(4); 所述机架（1)包括机架下板（101)、经多个机架立柱（102)与机架下板（101)相连的机架 上板（103); 所述反作用单元(3)置于机架（1)内；所述反作用单元(3)包括反作用上板(302)、经多 个反作用立柱(303)与反作用上板(302)相连的反作用下板(304);所述反作用上板(302)与 机架上板（103)之间压装有多个上弹簧二(301a)，所述多个上弹簧二(301a)均匀分布;所述 反作用下板（304)与机架下板（101)之间压装有多个下弹簧二（301b)，所述多个下弹簧二 (301b)均匀分布；所述上弹簧二（301a)、下弹簧二（301b)两两一组，各组中的上弹簧二 (301a)与下弹簧二(301b)的中心轴线重合； 所述负载单元（4)包括置于反作用上板（302)与反作用下板（304)之间的负载下板 (407)、经穿过机架上板（103)与上弹簧二(301a)以及反作用上板(302)的多个负载连接杆 (405)与负载下板(407)连接的位于机架上板（103)上方的负载上板(402);所述负载下板 (407)与反作用上板(302)之间压装有上弹簧四（406a)，所述上弹簧四（406a)套装于负载连 接杆(405)外；所述负载下板(407)与反作用下板(304)之间压装有与上弹簧四（406a)对应 设置的下弹簧四（406b);所述负载上板(402)下表面连接有多个弹簧导柱(404)，所述弹簧 导柱(404)下端穿过机架上板（103);所述弹簧导柱(404)位于机架上板（103)上的部分套装 有上弹簧三(403a)，所述上弹簧三(403a)压装于负载上板(402)与机架上板（103)之间；所 述弹簧导柱（404)位于机架上板（103)下的部分套装有下弹簧三（403b)，所述下弹簧三 (403b)压装于机架上板(103)与弹簧导柱(302)下端凸缘之间； 所述激振单元(2)包括置于负载下板(407)内的固定板(202)、连接于固定板(202)的激 振装置;所述固定板(202)与反作用上板(302)之间压装有多个上弹簧一（201a)，所述固定 板（202)与反作用下板（304)之间压装有多个与上弹簧一（201a)对应设置的下弹簧一 (201b)； 还包括一个或一个以上的混合容器(401);所述混合容器(401)固定于负载单元(4)和/ 或反作用单元(3)上。2. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述激 振装置为偏心式机械激振器、电磁式激振器或液压式激振器。3. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述机 架上板（103)上表面设有用于限位上弹簧三(403a)的凹部，下表面设有用于限位下弹簧三 (403b)的凹部，两凹部对应设置，且在两凹部处设有一用于弹簧导柱(404)穿过的孔;所述 机架上板（103)下表面还设有用于限位上弹簧二(301a)的凹部;所述机架上板（103)上设有 供负载连接杆(405)穿过的孔;所述机架下板（101)上表面设有用于限位下弹簧二(301b)的 凹部。4. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述反 作用上板(302)上表面设有用于限位上弹簧二（301a)的凹部，下表面设有用于限位上弹簧 四（406a)的凹部，两凹部对应设置，且在两凹部处设有一用于负载连接杆(405)穿过的通 孔;所述反作用上板(302)上还设有可用于弹簧导柱(404)与下弹簧三(403b)通过的过孔； 所述反作用上板(302)下表面还设有用于限位上弹簧一 (201a)的凹部； 所述反作用下板(304)下表面设有用于限位下弹簧二（301b)的凹部，上表面设有用于 限位下弹簧四（406b)的凹部，两凹部对应设置;所述反作用下板(304)上表面还设有用于限 位下弹簧一 (201b)的凹部。5. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述负 载下板(407)上表面设有用于限位上弹簧四（406a)的凹部，下表面设有用于限位下弹簧四 (406b)的凹部，两凹部对应设置;所述负载下板(407)上设有用于反作用立柱(303)穿过的 孔； 所述负载上板(402)下表面设有用于限位上弹簧三(403a)的凹部。6. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述反 作用下板(304)上设有用于减轻重量的大孔。7. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述混 合容器(401)为一个，固定于负载单元(4)的负载上板(402)上。8. 根据权利要求1所述的基于三自由度共振系统的声波混合装置，其特征在于:所述混 合容器(401)为两个，一个固定于负载单元(4)，另一个固定于反作用单元(3)。
【文档编号】B01F11/00GK106000198SQ201610320677
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】陆志猛, 孙涛, 王青松, 曾庆林, 温常琰, 杜涛, 任响宁, 张俊杰
【申请人】湖北航鹏化学动力科技有限责任公司