一种气动高频激振设备及系统的制作方法

本发明涉及一种提供高频振动的机械设备，尤其涉及一种气动式激振设备及系统。

背景技术：

激振器是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。激振器能使被激物件获得一定形式和大小的振动量，激振器可作为激励部件组成振动机械，用以实现物料或物件的输送、筛分、密实、成型、搅拌和土壤砂石的捣固等工作。按激励型式的不同，激振器分为惯性式电动式、电磁式、电液式、气动式和液压式等型式。

目前市场上常用的激振器不仅振动频率低而且在使用过程中经常出现故障，主要表现为激振器轴承损坏，齿轮拆齿或齿面损坏，基础螺丝断损等。激振器轴承损坏问题主要由激振器轴承工作环境特殊引起，与一般设备轴承相比，激振器轴承工作环境相对于外圈形成旋转载荷区，具有重载荷、高速(通常速度范围都在750-1500r/min内)、高加速度、高温(激振器轴承运行温度一般都在60-85℃)等特点，高温导致的热膨胀会引起轴承轴向移动，使得设备的整体寿命较短，使用领域受到极大限制。

随着人们对振动作用力越来越广泛地研究和利用，激振设备逐渐地被应用到越来越多的领域中。除了传统的建筑面的夯实捣固、物料的密实或筛分处理外，人们发现激振力在微细颗粒物料的搅拌和活化中也发挥着至关重要的作用。以水泥物料为例，高频的激振力会为水泥物料的搅拌带来意外的效果。水泥颗粒因表面能量不足而被范德华力所互引而形成微小的颗粒团。在混凝土搅拌过程中，水泥颗粒团与水接触时，表层水化反应后产生的毛细力是范德华力的三倍，它们使水化反应后的水泥颗粒团外壳硬化。单纯搅拌作用无法克服水泥颗粒的团聚，导致水化后的水泥颗粒团就像一个具备弹性、塑性、粘性和胶性的微型物体，阻碍了水进入颗粒团内部，水泥细小颗粒无法被水化并发挥其粘接力，所以搅拌后水泥达不到其应有的强度。但如果在混凝土搅拌中将激振力作用于搅拌机构，且激振力的振动频率接近或等同于水泥颗粒的振动波，则能使被搅拌的水泥物料中的颗粒团在激振力的作用下变成一个共振体，从而分裂为单一的颗粒，被充分水化。由此实现了混凝土的充分搅拌和活化，激振力辅助搅拌后的混凝土可达到非常理想的使用强度。

但水泥等微细物料的搅拌和活化过程对激振设备的要求非常高，对振动频率、输出稳定性以及设备耐用性的要求都超出现有的绝大多数激振设备的性能。现有的激振器在如此高的振动频率下很难保证合理的使用寿命，给实际生产带来高昂的维护和更新成本。

现有技术中，也有一些以延长气动式激振设备寿命为目的做出的新研发，例如专利文献cn201702097u、cn101943629a以及cn108562417a等公开的方案。这些激振设备的结构中都以缸筒和活塞为核心部件，其原理是活塞在气体驱动下在缸体或缸筒内做往复运动击打垫块来提供激振力。这种气动式激振设备不仅需要对缸体、活塞和垫块等核心激振部件进行复杂的固定，而且工作中形成的温度梯度会影响活塞的运动效率，整体振动频率和激振力偏低，因此仍然不适合需要高激振力的工业领域的广泛应用。

鉴于上述背景，有必要研发一种新式激振设备，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种气动式激振器，核心振动部件不需要轴承等固定连接，并能达到更高的振动频率而且不会产生过多的热量，具有更长的使用寿命。

本发明的上述目的是通过以下方案实现的：

首先，提供一种气动式激振设备，它包括一个刚性的外壳；所述外壳内部纵向设置进气管；所述进气管与所述外壳间形成环形的气旋腔；在所述的气旋腔上段，所述进气管外套设一环状的合金振动件，所述合金振动件内径大于所述进气管外径，且与所述进气管间无连接；所述的气旋腔下段围绕所述进气管设有螺旋气道；所述的螺旋气道一端与所述进气管底端相通，另一端开口于所述气旋腔上段；所述的外壳顶部设置排气孔，连通所述气旋腔与外部空间；所述进气管上端用于连接生产压缩空气的设备。

实际使用中，所述的压缩空气由所述进气管导入外壳内部，并从所述进气管底端进入所述螺旋气道，经螺旋气道形成螺旋气流后进入所述气旋腔上段空间，并驱动所述环状的合金振动件围绕所述进气管高速旋转，从而产生高频振动；经过气旋腔后的空气通过所述外壳顶部的排气孔排出激振设备外；振动件产生的高频振动则通过传导设备提供给被激振物。

本发明的方案中，所述的合金振动件作为核心部件，在工作中需要高速旋转，同时产生强大的激振力，这就要求其具有理想的材料和形态特征。首先是振动件的材质脆性不能过高，过高的脆性使振动件在高速旋转和振动中容易损伤。此外，所述振动件的规格和形状也应尽量符合气动旋转的要求。为了产生最大的激振力和振频，必须保证振动件的内外径比处于合适的范围。

本发明优选的方案中，所述的合金振动件是由氮化处理的合金调质钢制备的环体，所述环体的内外径比为5～8:6～10，环体高度与环面宽度的比为2～5:1～4。

进一步优选的方案中，所述的合金调质钢是含碳量不高于0.40％的的合金调质钢；更优选含碳量在0.35～0.38％的合金调质钢；特别优选含有铝(al)元素的合金调质钢；尤其是进一步含有铬(cr)元素和钼(mo)元素的合金调质钢。

经实验验证发现，能够在气流驱动下长期高频旋转提供激振力的所述合金振动件，其性能指标如下：屈服强度σs(mpa)：≥800，伸长率δ5(％)≥14，断面收缩率ψ(％)≥40，冲击功akv(j)≥70，冲击韧性值αkv(j/cm2)≥85，布氏硬度(hbs100/3000)≦320。

为了更加适合气流驱动，所述的环体内外径比优选为5～6:8～9；更优选内外径比为5.5～5.6:8.4～8.5。所述的环体高度与环面宽度的比优选为3～4:2～3；更优选3.8～4:2.5～2.8。

为了降低本发明所述的气动激振设备振动过程中的空气阻力，所述的环体外侧面分别在上下缘设有弧面；更优选的方案中，所述的弧面弧度在0.25～0.45rad范围内。实验证明，在所述优选弧度范围内的弧面可为振动件在气体驱动下带来理想的振动效果。

所述合金振动件可以通过以下方法制造：

1)在铬钼钢中加入质量分数小于1.5％的铝，得到含有铬、钼和铝的合金材料；

2)将步骤1)所得合金材料锻造成环体形状；所述环体的内外径比为5～8:6～10，环体高度与环面宽度的比为2～5:1～4；

3)将步骤2)锻造得到的环体依次进行热处理、调质处理和渗氮处理，最终得到所述的合金振动件。

所述的合金振动件在压缩空气驱动下做高速旋转时容易产生向上的位移，为了阻止其工作过程中位置的过度上升，本发明优选的方案中，所述的气旋腔顶部围绕所述的进气管设有限位环，所述的限位环外周与所述的外壳内表面固定连接，用于从顶部限制所述合金振动件在旋转中的过度上升；所述的限位环内径大于所述进气管外径，两者之间留出空隙使所述气旋腔内的空气得以通过。

本发明进一步优选的方案中，所述的限位环外周沿周向设有垂直于其环面的凸缘，用于与所述外壳内表面固定连接；所述的固定连接更优选螺接或销接。

本发明优选的方案中，所述的进气管下段外表面进一步套接一环形的导气件；所述的导气件内径与所述进气管下段外径相同，外径与所述的外壳下段内径相同，高度不超过所述合金振动件下缘；所述的导气件外侧面周向设有螺旋凹槽并与所述的外壳下段内表面紧密连接形成所述的螺旋气道；所述的进气管底端与所述的螺旋气道底端通过所述导气件内部的导气道连通。

本发明进一步优选的方案中，所述的合金振动件与所述的限位环、导气件和外壳的间距均小于1毫米；这样小的间隙能保证充分利用高压空气的动能驱动合金振动件旋转。

高压空气螺旋进入气旋腔上段并带动合金振动件转动时，因零件间隙非常小，合金振动件振动中易与周围的限位环、导气件或外壳碰撞产生摩擦，为了解决这一问题，本发明更进一步优选的方案中，在所述的气旋腔上段，所述的进气管外壁周向设置环形凹槽，所述的合金振动件套设于所述环形凹槽的位置，所述环形凹槽的外径小于或等于所述合金振动件的内径；所述的外壳内表面沿周向设置一组平行的环形浅槽，所述的一组环形浅槽分别与所述的环形凹槽两边缘位置相对应；由此形成一个更加利于所述合金振动件做平稳高速旋转的工作空间。在由所述的环形凹槽与所述的一组环形浅槽构成的空间内，高压气体螺旋进入后，驱动合金振动件旋转的同时会在两个环形浅槽位置和环形凹槽内形成高压气腔，这些局部的高压气腔能够阻止高速旋转的振动件与周围零件碰触和摩擦，起到良好的限位作用，使其在该空间内始终保持悬浮状态的高速旋转。与此同时，所述环形凹槽的开设还可以减小所述合金振动件的内径，在保证合金振动件具有理想的内外径比的前提下最大程度地减小气动激振设备的整体尺寸。

本发明优选的方案中，所述的进气管顶部凸出所述外壳顶面，且沿周向设有凸棱，用于外接高压气管。

本发明优选的方案中，所述的外壳、进气管、限位环和导气件均为刚性金属材质制成；更优选的方案中，所述零件的调质后布氏硬度大于200hb；进一步优选大于250hb。

本发明优选的方案中，所述的外壳顶部与进气管上段之间、进气管下段与导气件之间、和/或外壳下段与导气件之间形成不使用紧固件的紧密连接。

在此基础上，本发明进一步提供一种气动式高频激振系统，它由气体输送管路顺次串联空气压缩机、储气罐、冷干机、粉尘过滤设备、滤油器、压力调控单元、雾化器和本发明所述的气动式激振设备构成；所述的空气压缩机用于产生压力高于1mpa的压缩空气；所述的储气罐用于存储所述压缩空气；所述的冷干机用于把来自所述储气罐的压缩空气温度降至不高于室温，并除去压缩空气中的水分；所述的粉尘过滤设备用于除去来自冷干机的压缩空气中的粉尘颗粒杂质；所述的滤油器用于除去来自粉尘过滤设备的压缩空气中的有机杂质；所述的压力调控单元用于调节进入所述雾化器前的空气压力以形成稳定气流；所述的雾化器用于将润滑剂雾化后加入所述稳定气流中，使经过净化的压缩空气更有利于所述气动激振设备的运转；所述的气动激振设备外壳外侧面设有卡簧槽，用于连接被激振设备以输出高频振动。

本发明优选的气动式高频激振系统中，所述的压力调控单元由减压阀、稳压阀、调压阀和流量计顺次串联在气体输送管路上构成；所述的气体输送管路为d50管。所述的减压阀通过所述的气体输送管路连接所述的滤油器，用于将经过滤油器的压缩空气的压力降低10～15％；所述的稳压阀通过所述的气体输送管路分别连接所述的减压阀和所述的调压阀，所述的稳压阀将来自减压阀的压缩空气压力稳定控制在减压后的水平；所述的调压阀通过所述的气体输送管路分别连接所述的稳压阀和流量计，所述的调压阀用于将来自稳压阀的压缩空气压力调到0.2～0.8mpa；所述的流量计通过所述的气体输送管路分别连接所述的调压阀和所述的雾化器，用于测量并显示以调压阀调节后的压力进入所述雾化器前的气体流量。

进一步优选的气动式高频激振系统中，所述的压力调控单元的气体输送管路内径大于所述雾化器与所述高频气动激振器之间的气体输送管路内径，以保证到达所述高频气动激振器的空气压力不受损耗。

本发明优选的气动式高频激振系统中，所述的气体输送管路是无缝钢管，且其内壁涂有防腐防锈层。

本发明所述的气动式高频激振系统工作原理如下：

系统启动后，先由空气压缩机生产压力大于1mpa的压缩空气，生产的压缩空气由所述的气体输送管路送至所述的储气罐暂存，此时的压缩空气温度很高，而且含有各种杂质，不能直接进入所述的高频激振器，否则无法稳定地输出振动；因此由所述的气体输送管路先送至冷干机冷却至室温以下并除去压缩空气中的水分，然后被冷却并除去水分的压缩空气再由气体输送管路送至所述的粉尘过滤设备除去粉尘颗粒杂质，除去粉尘颗粒杂质的压缩空气再由气体输送管路送至所述的滤油器除去有机杂质，由此完成了压缩空气的净化；将净化的压缩空气由气体输送管路送至所述的压力调控单元，依次通过减压阀、稳压阀和调压阀，控制压缩空气的压力在0.2～0.8mpa的范围，以获得流量稳定的压缩空气；最后再由气体输送管路以稳定的流量将压缩空气送至雾化器，加入润滑剂等外加剂，经过雾化器处理的特定压力和流量的压缩空气被气体输送管路送入所述的高频气动激振器，能够驱动激振器稳定地输出高于500hz的振动。

目前市场上常用的激振器因有固定连接，其转速只能在750-1500r/min，并且在使用过程中会产生大量的摩擦热，使用领域受到极大限制。而本发明的气动式高频激振系统，靠高压空气做动能，推动无固定装置点的合金振动件旋转运动产生激振力，工作中不产生摩擦热，在激振力160kn时振动件转速可达到50000r/min，能打破物料之间的分子间力(范德华力)，起到优异的分散和活化作用。而且，本发明的气动式激振设备和系统由于不存在摩擦生热导致的零件损耗，因此其使用寿命比现有常规激振器获得了明显的延长，预计使用寿命至少在20年以上。

本发明还提供所述的气动式激振设备及其系统在冶金、建材、化工或食品加工等领域的物料搅拌和活化中的应用。具体包括在混凝土搅拌与活化中的应用、在高粘度食品原料的搅拌中的应用、或者在化工原料两项系统的分散中的应用，等等。

附图说明

图1是本发明实施例1所述的气动式激振设备整体结构剖视图。

图2是图1所指a部分的局部放大结构示意图。

图3是本发明实施例1所述的气动式激振设备的俯视图。

图4是本发明实施例2所述的气动式激振系统整体结构示意图。

具体实施方式

以下通过更具体的实施例对本发明所述的气动式激振设备及系统进行更为详尽地解释。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

一种气动式激振设备，如图1所示，它主要由外壳1、进气管2、振动环3、导气件4和限位环5构成；外壳1、进气管2和导气件的材质均为45号钢；振动环3材质为38crmoala渗氮钢；限位环5材质为q235a钢；

如图1所示，进气管2在外壳1内部纵向设置；进气管2与外壳1间形成环形的气旋腔；在气旋腔上段，进气管2外壁上周向设有环形凹槽21，环形凹槽21位置周向套设振动环3，振动环3的内径略大于环形凹槽21的外径，且与环形凹槽21间无连接；外壳1内表面沿周向设置一组平行的环形浅槽12，一组环形浅槽12分别与环形凹槽21的两边缘位置相对应；位于气旋腔下段的进气管2的外表面套接导气件4；导气件4内径与进气管2下段外径相同，导气件4外径与外壳1下段内径相同，导气件4的高度与环形凹槽21下缘齐平；导气件4外侧面周向设有螺旋凹槽并与外壳1下段内表面紧密连接形成螺旋气道41；进气管2底端开有进气孔22，导气件4内部设有水平的导气道42，导气道42将进气孔22与螺旋气道41连通；气旋腔顶部围绕进气管2设有限位环5，限位环5的内径大于进气管2的外径，两者之间留出空隙使气旋腔内的空气得以通过。

如图2所示，限位环5外周沿周向设有垂直于其环面的凸缘51，外壳1与凸缘51齐平位置开有一对通孔，两个通孔内分别设置销13用于从两侧将凸缘51固定在外壳1内表面上。

如图3所示，外壳1顶部围绕进气管2周向设置若干排气孔11，连通气旋腔与外部空间。

如图1所示，进气管2上端凸出外壳1的顶面，且沿周向设有凸棱，用于外接高压气管。外壳1的外侧面沿周向设有两道卡簧槽14，用于通过卡簧连接被激振设备。

振动环3为类似手镯形状的环体；该环体内壁平整，外壁上下缘处均为弧面，环内径56毫米，外径84毫米，环体高度40毫米，环面宽度28毫米，外壁弧面弧度为0.25rad，弧面半径为20毫米。

外壳1、进气管2、及导气件4之间形成无缝连接，其组装工艺为先将导气件4加温使之热胀，将进气管2插入导气件4内部后，在高压设备下组装成型，然后冷却固定；再将外壳1加温使之热胀，将导气件4插入外壳1底部后，在高压设备下组装成型，然后冷却固定。

实际使用中，压缩空气由进气管2导入外壳1内部，并从进气管2底端通过进气孔22进入导气件4的导气道42，气体顺着导气道42进入螺旋气道41，经螺旋气道41上升至气旋腔上段形成螺旋气流，螺旋气流驱动振动环3围绕环形凹槽21高速旋转，两个环形浅槽12和环形凹槽21内形分别成高压气腔，阻止高速旋转的振动环3与周围零件碰触和摩擦，起到良好的限位作用，使振动环3在气旋腔上段空间内始终保持以悬浮状态高速旋转；此外限位环5可从顶部限制振动环3在旋转中的过度上升；振动环3高速旋转运动时与气旋腔上下左右的间隙小于0.1毫米，通过高速旋转产生高频振动；经过气旋腔后的空气通过外壳1顶部的排气孔11排出激振设备外；过外壳1通过卡簧等其他连接件将高频振动传递给被激振物，经检测可提供160kn的强大的激振力。

实施例2

一种气动式高频激振系统，如图3所示，它由气体输送管路顺次串联空气压缩机10、储气罐20、冷干机30、三级过滤器40、滤油器50、压力调控单元60、雾化器70和结构如实施例1所述的气动高频激振器80构成；所述的气体输送管路包括d25无缝钢管90和d50无缝钢管100，所有气体输送管路内壁均涂有防腐防锈层。

所述的压力调控单元60由d50无缝钢管100依次串联减压阀、稳压阀、调压阀和流量计构成。

如图3所示，所述的空气压缩机10用于产生压力为1.2mpa的压缩空气；空气压缩机10的空气出口通过d25无缝钢管90连接储气罐20的空气入口，产生的压缩空气在储气罐20中短暂存储；所述的储气罐20的空气出口通过d25无缝钢管90连接冷干机30的空气入口，压缩空气出储气罐20后进入冷干机30，在冷干机30内压缩空气温度降至室温，并除去压缩空气中的水分；冷干机30的空气出口通过d25无缝钢管90连接三级过滤器40的空气入口，除去水分和降温的压缩空气出冷干机30后进入三级过滤器40，依次经过三级过滤后将粉尘颗粒含量降至0.01ppm以下；三级过滤器40的空气出口通过d25无缝钢管90连接滤油器50的空气入口，经过粉尘过滤的压缩空气出三级过滤器40后进入滤油器50，除去空气中的有机杂质；滤油器50的空气出口通过d50无缝钢管100依次连接减压阀、稳压阀、调压阀和流量计，调节压缩空气的压力，以形成稳定气流；所述流量计通过d50无缝钢管100连接所述的雾化器70的空气入口，获得稳定流量的压缩空气在雾化器70内被加入润滑剂，使其更有利于所述高频气动激振器的运转；所述的雾化器70的空气出口通过d25无缝钢管90通过高压气管连接实施例1所述的气动高频激振器80的进气管2上端的入口，压缩空气以稳定的流量驱动高频气动激振器80产生频率高于500hz的振动。

工业生产实践中，本实施例的系统可以用于混凝土搅拌与活化、高粘度食品原料的搅拌与活化、或者化工原料两项系统的分散等等工业处理过程。其中所述的气动高频激振器80可以由刚性夹具夹持固定，所述刚性夹具再进一步与被激振设备(如混凝土搅拌罐)形成刚性连接，即可实现高频振动由激振器向被激振设备的传递。