Теоретические и эспериментальные исследования перемешивающей способности вибрационного аппарата

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Н. З. Дубкова, В. В. Харьков, М. Г. Кузнецов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ 

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 

ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЙ 

СПОСОБНОСТИ ВИБРАЦИОННОГО 

АППАРАТА

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 621–752
ББК 30.605

Д79

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А. В. Дмитриев
д-р техн. наук, проф. Г. Р. Мингалеева

Д79

Дубкова Н. З.
Теоретические и экспериментальные исследования перемешиваю-
щей способности вибрационного аппарата : монография / Н. З. Дуб-
кова, В. В. Харьков, М. Г. Кузнецов; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 88 с.

ISBN 978-5-7882-2711-5

Представлены результаты теоретических и экспериментальных иссле-

дований закономерностей движения перерабатываемого сыпучего материала в 
вибрационном аппарате непрерывного действия, которые позволили опреде-
лить оптимальные параметры вибрации из условий максимальной скорости 
циркуляции загрузки.

Предназначена для студентов факультета пищевой инженерии, изучаю-

щих дисциплины «Оборудование пищевых производств» и «Рациональное ис-
пользование отходов пищевых производств» в рамках бакалаврской подго-
товки по направлению 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья».

Подготовлена на кафедре оборудования пищевых производств.

ISBN 978-5-7882-2711-5
© Дубкова Н. З., Харьков В. В., 

Кузнецов М. Г., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 621–752
ББК 30.605

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................... 4
1. Физическая картина перемешивания в вибрационном аппарате....... 6
2. Взаимодействие загрузки с корпусом в вибрационном смесителе.. 20
3. Расчет условий отрыва слоя жидкости от вибрирующей
поверхности............................................................................................... 29
4. Экспериментальное исследование кинетики смешения в 
вибрационном аппарате ........................................................................... 33

4.1. Описание экспериментальной установки и методики 
исследования ......................................................................................... 33
4.2. Результаты экспериментальных и расчетных исследований..... 38

5. Оптимизация рабочих параметров вибросмесителя ......................... 47
6. Динамика вибрационных машин ........................................................ 51

6.1. Баланс мощности вибрационной машины................................... 51
6.2. Расчет мощности на валу ротора вибрационной машины ......... 57
6.3. Описание экспериментальных установок и методики 
исследования динамики вибрационных машин................................. 62

6.3.1. Методика эксперимента по определению коэффициента
внешнего и внутреннего трения пищевых порошков.................... 62
6.3.2. Экспериментальная установка с непрерывной записью
крутящего момента при виброперемешивании.............................. 63

6.4. Результаты экспериментальных исследований динамики
вибрационных машин........................................................................... 64

6.4.1. Влияние динамических характеристик вибросмесителя на 
потребляемую мощность.................................................................. 64
6.4.2. Влияние параметров вибрации на величину мощности, 
затрачиваемой при виброперемешивании материалов
различной влажности........................................................................ 65
6.4.3. Влияние режима вибрации на величину мощности,
передаваемой загрузке ...................................................................... 71
6.4.4. Влияние жесткости упругих опор вибросмесителя на 
мощность, потребляемую им при перемешивании........................ 73
6.4.5. Влияние остаточного давления в вибросмесителе на 
величину затрачиваемой мощности ................................................ 76

Заключение................................................................................................ 79
Список литературы................................................................................... 81

ВВЕДЕНИЕ

Процесс смешения заключается в распределении двух и более 

компонентов в объеме композиции. Идеальным было бы равномерное 
(упорядоченное по частицам) распределение компонентов, однако
в промышленных условиях его реализовать практически невозможно. 
Очень важно качество готовой смеси в пищевой промышленности. 
От степени смешения компонентов зависят вкусовые, товарные, экологические 
свойства изделий, их потребительские качества и реализуемость. 
Ускоренные темпы роста качества пищевых продуктов зависят 
от степени обеспеченности прогрессивным и высокоэффективным смесительным 
оборудованием.

Перемешивающая способность смесителей – качество смеси, достигаемое 
в данном смесителе за определенное время – зависит от энергоемкости 
воздействия перемешивающего органа на компоненты.
Например, в инерционных смесителях энергонапряженность пропорциональна 
ускорению силы тяжести, в аппаратах с мешалкой – ускорению 
и скорости движения мешалки, соответствующей мощности, передаваемой 
мешалкой перемешиваемому объему. Для различных типов мешалок 
эти ускорения колеблются в пределах (1–5)g. С этой точки зрения 
перспективность использования вибрации в процессах перемешивания 
неоспорима (ускорения воздействия достигают 11g). Это преимущество 
было доказано исследованиями закономерностей массопереноса и качества 
получаемых сухих и жидких смесей порошкообразных материалов 
в широком диапазоне физико-механических свойств.

Исследования виброперемешивания выявили ряд преимуществ 

перед мешалками различного рода, инерционными и шнековыми смесителями, 
а именно:

− значительная простота конструкции;
− высокий коэффициент заполнения (0,6–0,9);
− высокая энергонапряженность в зоне перемешивания (до 11g);
− значительное сокращение времени перемешивания;
− лучшая гомогенность получаемых смесей;
− безопасность в связи с отсутствием в зоне перемешивания ра-

бочих органов;

− возможность проведения сопутствующих процессов (смеше-

ние-измельчение-сушка, смешение-гранулирование и т. д.).

Для перемешивания сыпучих продуктов применяют в основном 

два способа – гравитационный и принудительный (механический). Пер-
вый осуществляется под действием сил тяжести в барабанных, лотко-
вых и бункерных смесителях, второй – в шнековых и лопастных. Дол-
голетняя производственная практика показала, что при статических 
способах перемешивания не достигается однородность, не обеспечива-
ется повышение активности компонентов, происходит изменение гра-
нулометрического состава смеси. Удовлетворительное качество пере-
мешивания наблюдается лишь при малых степенях заполнения камеры, 
что ведет к увеличению габаритов и массы смесителя, и достаточно
только для сыпучих, малосвязных материалов.

Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы и ра-

бочие органы смесителя значительно увеличивает производительность 
процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси. При этом 
вибрация в одних случаях может лишь интенсифицировать основной 
процесс (например, вибрирование шнека в шнековом смесителе), в дру-
гих – вызывать специфические вибрационные эффекты, которые ис-
пользуются для перемешивания (например, циркуляционное движение
смеси внутри цилиндрического или торообразного сосуда). Вибрацион-
ные импульсы вызывают хаотические столкновения частиц материала, 
разделение их по форме, плотности и размерам, разрушение сложив-
шихся конгломератов, уменьшение трения между частицами. Переме-
шивание происходит практически в любом процессе, где используется 
вибрация, однако качественное перемешивание получается только 
в специальных устройствах с целенаправленной вибрацией. 

1. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

В ВИБРАЦИОННОМ АППАРАТЕ

Исследования перемешивания в сосудах, подвергаемых верти-

кальной вибрации, показали, что интенсивный процесс начинается 
только тогда, когда ускорение дна сосуда превышает земное ускорение. 
Степень интенсивности зависит от параметров вибрации, размера 
и плотности частиц, воздухопроницаемости слоя, высоты слоя, влажно-
сти коэффициента трения, размеров и формы рабочей камеры. Создать 
интенсивное перемешивание тонкодисперсных порошков с размером 
частиц менее 10 мкм практически не удается при всех реально дости-
жимых параметрах вибрации. Это объясняется агрегатированием ча-
стиц и сильным проявлением насосного эффекта, препятствующего от-
рыву частиц от дна сосуда. Для большинства сыпучих материалов с ча-
стицами размером 50–1500 мкм существует определенное сочетание ча-
стоты и амплитуды, при которых начинается интенсивное перемешива-
ние. Например, для кварцевого песка с частицами размером 100 мкм 
при высоте слоя 70 мм процесс перемешивания на частоте 50 Гц начи-
нает интенсивно протекать, когда амплитуда достигает 1 мм. Процесс 
перемешивания обусловливается главным образом пульсирующим дви-
жением газа внутри вибрирующего слоя, которое возникает в резуль-
тате образования под ним вакуума и фильтрования газа через слой ма-
териала. Возникающие при этом потоки и пузыри газа увлекают ча-
стицы сыпучего материала и создают интенсивное перемещение слоев. 
В аппаратах небольших размеров материал у стенок, где вследствие 
трения частицы движутся медленнее, перемещается вниз, а в центре –
вверх. В сосудах больших размеров возникает много центров циркуля-
ции, материал у стенок также движется вниз вместе с засасыванием под 
слой газом. 

Интенсивность перемешивания при вертикальных колебаниях 

резко падает в вакууме, так как не возникает насосного эффекта. Для пе-
ремешивания в вакууме используют установки, в которых процесс про-
исходит в результате вибротранспортирования (например, по лотку со 
ступеньками). Вакуум способствует хорошему перемещению и переме-
шиванию многих тонкодисперсных порошков при значительно мень-
ших ускорениях, чем при атмосферном давлении. Этот способ находит 
применение для сушки красителей, солей и других материалов. 

В жидкой среде сыпучий материал перемешивается значительно 

хуже, чем в воздухе. На движение частиц в жидкости существенно вли-
яют их размеры, вязкость жидкости и концентрация в ней твердой фазы, 
при этом интенсивное движение наблюдается в верхней части при от-
носительно спокойной нижней. Частота колебаний частиц в 2,0–2,5 раза
меньше, чем частота колебаний дна аппарата. Активным переносчиком 
частиц становятся возникающие при вибрации потоки жидкости. Так, 
в условиях стесненного движения крупнодисперсных частиц при цир-
куляции воды вокруг частиц создается хорошо перемешиваемый слой. 

Интенсивность перемешивания сыпучих материалов увеличива-

ется при дополнительной продувке слоя газом, однако равномерное пе-
ремешивание можно получить только при оптимальном сочетании виб-
рационного воздействия и скорости газового потока. Например, с уве-
личением скорости газа выше оптимальной перемешивание порошков 
полимеров ухудшается и происходят фонтанирующие выбросы и унос 
материала. Изменением расхода воздуха, подаваемого под слой, можно 
в широких пределах регулировать структуру слоя в зависимости от осо-
бенностей технологического процесса. Так, при нанесении полимерных 
покрытий в зависимости от требований к прочностным, деформацион-
ным и другим свойствам пленки, а также размера и формы деталей, пу-
тем регулирования скорости газового потока создают слой большой
пористости. 

Перемешивание в условиях вертикальной вибрации протекает не-

достаточно интенсивно и не находит промышленного применения. 
В промышленных смесителях рабочий орган подвергается круговым 
в вертикальной плоскости или пространственным (объемным) колеба-
ниям, а смесительную камеру выполняют цилиндрической, корытооб-
разной или тороидальной. В этом случае при вибрации камеры возни-
кает транспортирующий эффект, который, накладываясь на вибрацион-
ный, создает лучшие условия для перемешивания. 

Схема процесса движения компонентов смеси в цилиндрической 

камере при сообщении ей круговых колебаний в вертикальной плоско-
сти показана на рис. 1.1. Компоненты смеси, вовлеченные в процесс 
вибрационного транспортирования по плоскости с переменным углом 
наклона к горизонту, совершают устойчивое циркуляционное движение 
вокруг оси, расположенной в центре тяжести слоя сыпучего материала, 
находящегося в камере. Угловая скорость циркуляции смеси значи-
тельно меньше угловой скорости вращения дебаланса. Направление 
циркуляции в тонком слое, непосредственно примыкающем к корпусу 

вибровозбудителя, совпадает с направлением дебаланса. Такая нерав-
номерность распределения скоростей циркуляции по слоям обеспечи-
вает хороший эффект перемешивания. Интенсивность циркуляции 
смеси зависит от параметров вибрации, свойств сыпучего материала, 
размеров и формы камеры, степени ее заполнения, расположения виб-
ровозбудителя и других конструктивных особенностей.

Рис. 1.1. Вибрационная сушилка-мельница:

1 – корпус; 2, 3 – крышки загрузочного и выгрузочного люков;

4 – вибратор; 5 – упругие опоры; 6 – мелющие тела;

7 – обрабатываемый материал; 8 – теплообменная рубашка;

9 – серповидные зазоры; ТА – тепловой агент

Зависимость скорости циркуляционного движения от грануло-

метрического состава компонентов смеси выглядит следующим обра-
зом. При уменьшении размера частиц скорость циркуляции при посто-
янных параметрах вибрации и массе загрузки увеличивается, однако 
после достижения частицами размера менее 10 мкм резко падает, что 
хорошо согласуется с принципами вибротранспортирования. Переме-
шивание смеси в таких аппаратах обусловливается конвективными 
(циркуляционными) и диффузионными процессами. Первые возникают 
вследствие общего движения всей массы загрузки (макропроцессы), 
вторые обеспечиваются в результате относительного движения частиц 
среды, что влияет на изменение сил трения и сцепления между части-
цами (микропроцессы). 

ТА

Оба вида движения имеют важное значение для перемешивания: 

отсутствие циркуляции загрузки, равно как снижение относительных 
колебаний частиц при вибрации, значительно замедляют процесс пере-
мешивания. Однако основное, превалирующее значение имеют все-
таки относительное движение частиц смеси и микротурбулентность 
слоев, являющиеся необходимой предпосылкой быстрого протекания 
процесса перемешивания и одной из основных особенностей, отличаю-
щих вибрационный способ от остальных способов перемешивания. От-
сутствие специальных устройств в корпусе смесителя предопределяет 
следующий механизм перемешивания частиц разных слоев. Взаимо-
проникновение происходит тогда, когда между частицами одного ком-
понента появляется свободное пространство, достаточное для проник-
новения в него частиц другого компонента, причем этот процесс зави-
сит от скорости появления таких свободных пространств и их величины.

Для эффективного перемешивания необходимо обеспечить мак-

симальную скорость циркуляции смеси в макрообъеме и достаточное 
для протекания процессов диффузии относительное движение состав-
ляющих смеси, зависящее от порозности вибрирующего слоя. Пороз-
ность в основном определяется ускорением вибрирующего слоя. При 
небольших значениях ускорения ослабляются лишь силы трения между 
частицами, но частицы не отрываются одна от другой. При этом проис-
ходит самоукладка частиц и уменьшение порозности. При некотором 
значении ускорения порозность начинает увеличиваться и в рабочем 
диапазоне режимов зависит от ускорения. При больших значениях 
ускорения (выше критического) увеличение порозности замедляется, 
что объясняется большими аэродинамическими силами, воздействую-
щими на частицы. Работа в этих режимах энергетически нецелесооб-
разна. Кроме того, существуют определенные технологические пара-
метры, определяемые долговечностью и надежностью конструкции. 
Обычно ускорение рабочей лежит в интервале 5–50 g. Рабочее значение 
порозности зависит от эквивалентного диаметра частиц, сочетания ам-
плитуды и частоты вибрации, характера поведения смеси в камере.

Интенсивность перемешивания зависит от степени заполнения 

рабочей камеры смесителя, которая обычно равна 0,75–0,85, и влияет 
на величину свободной поверхности смеси, где происходят процессы 
макроперемешивания (аналогичные водопадному эффекту в барабан-
ных смесителях). При небольшом заполнении камеры возможна сепа-
рация компонентов, а при значительном ухудшаются условия протека-
ния макропроцессов. 

Для увеличения свободной поверхности смеси поперечное сече-

ние камеры иногда выполняют эллипсовидным, однако наиболее целе-
сообразная форма – U-образная. Характер перемешивания зависит от 
конструкции камеры. В смесителях с гладкими стенками и свободным 
объемом перемешивания наблюдается в основном послойное движение 
материала, т. е. эффект циркуляции преобладает над эффектами диффу-
зии. В смесителях с дополнительными элементами в рабочей камере 
возникают местные вихревые потоки, способствующие более быстрому 
протеканию диффузионных процессов и лучшему перемешиванию. 

Схема движения компонентов смеси при объемном способе пере-

мешивания в тороидальных камерах, которые, помимо колебаний в го-
ризонтальной плоскости, совершают угловые колебания в вертикаль-
ной плоскости, представлена на рис. 1.2. Смесь в таких аппаратах (ана-
логичных обрабатывающим машинам) движется по спиралеобразным 
траекториям вдоль внутренних стенок, при этом перемешивание в го-
ризонтальном сечении потока смеси пропорционально расстоянию ча-
стицы от центра аппарата, а перемещения в вертикальном сечении по-
стоянны для всего объема. В отличие от плоскопараллельного движе-
ния смеси в вертикальной плоскости такое пространственное винтооб-
разное перемещение материала обеспечивает лучшее взаимопроникно-
вение частиц между слоями смеси. 

Рис. 1.2. Вибросмеситель с тороидальной камерой

Перемешивающий эффект можно увеличить, если в цилиндриче-

скую камеру поместить вращающийся шнек или лопастной вал. При та-
ком способе (иногда называемом вибролопастным) в интенсивном ре-
жиме вибрации камеры вращение лопастей играет второстепенную 
роль. Изменяя направление вращения лопастей (по направлению или 

против направления циркуляции загрузки в камере), можно усиливать 
движение смеси или препятствовать ему и существенно влиять на про-
цесс перемешивания. Для интенсивного режима вибрации общее дви-
жение смеси в камере и частичное между компонентами создается в ре-
зультате вращения лопастного вала. Вибрация используется как второ-
степенное, дополнительное средство, приводящее к разрушению внут-
ренних связей между частицами, уменьшению трения между ними, сни-
жению структурной вязкости, в результате чего каждая частица смеси 
получает возможность диффундировать в другие компоненты. Вибро-
перемещение в таких аппаратах, также как и в устройствах со свобод-
ным объемом камеры, сопровождается дополнительной активизацией 
смеси. 

Рассмотренные выше способы принудительного (механиче-

ского) перемешивания наиболее производительны и эффективны. Од-
нако вибрационное воздействие можно успешно использовать в грави-
тационных (барабанных, лотковых и бункерных) смесителях. Виброин-
тесификация процесса гравитационного перемешивания в барабанном 
смесителе может быть осуществлена путем сообщения вращающемуся 
барабану круговых или направленных колебаний. При этом эффект гра-
витационного перемешивания, заключающийся в многократном (с ча-
стотой вращения барабана) поднятии смеси и свободном падении ее на 
материал в нижней части, дополняется хаотическим столкновением 
и перемещением зерен под действием вибрации. Использование такого 
виброгравитационного принципа перемешивания способствует луч-
шему перемешиванию, которого невозможно достичь при раздельном 
использовании способов. 

Улучшение перемешивания в результате вибрации в лотковых 

смесителях объясняется более активным самосортированием, относи-
тельным скольжением слоев и взаимной диффузией частиц при вибро-
транспортировании по лотку. В бункерных смесителях вибрация спо-
собствует лучшему истечению материала через выпускное отверстие 
и исключает их закупорку. Использование вибрации в этих аппаратах 
делает их пригодными для перемешивания материалов средней сыпу-
чести (тальк, мел, углеграфитовые порошки и др.). При этом качество 
получаемой смеси вполне удовлетворительное. 

Наиболее перспективным способом перемешивания жидких сред 

с относительно низкой вязкостью является вибрационный с помощью 
турбулентных струй, охватывающих весь объем смесителя. Источни-