Аналитические модели производительности бункерных загрузочных устройств для сувенирной ПЭТ-тары с неявно выраженной асимметрией Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9+ 663.255

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СУВЕНИРНОЙ ПЭТ-ТАРЫ С НЕЯВНО ВЫРАЖЕННОЙ АСИММЕТРИЕЙ

Е.В. Давыдова, О.В. Пантюхин

Рассматриваются аналитические модели производительности механических дисковых бункерных загрузочных устройств с радиальными гнездами и кольцевым ори-ентатором и зубчатого с кольцевым ориентатором для сувенирной ПЭТ-тары с различными геометрическими и физико-механическими параметрами. Выбирается наиболее производительная конструкция.

Ключевые слова: бункерное загрузочное устройство, сувенирная ПЭТ-тара, автоматическая загрузка.

Автоматические роторные машины нашли широкое распространение в пищевой промышленности у нас в стране и за рубежом, для фасовки и укупорки напитков в стеклянную и пластиковую ПЭТ-тару, металлические банки с их маркировкой, этикетировкой и контролем качества. Производительность отечественных машин и линий составляет от 50 до 200 шт./мин в зависимости от вида фасуемой продукции и вместимости тары. Производительность зарубежных линий для розлива легкотекучих жидкостей в тару вместимостью до 0,33 л достигает 1200 шт./мин [1].

В большинстве отечественных и зарубежных автоматических роторных машин осуществляется ручная подача сувенирной ПЭТ-тары, что значительно ограничивает производительность таких машин. Поэтому одной из наиболее сложных задач по автоматизации является автоматизация загрузки сувенирной ПЭТ-тары к линиям розлива. Сувенирная ПЭТ-тара должна подаваться к линии розлива в упорядоченном положении, с заданным темпом и требуемой производительностью.

Поставленная задача решается системами автоматической загрузки (САЗ), основным элементом которых является бункерное загрузочное устройство (БЗУ), обеспечивающее автоматическое извлечение из «навала» (захват), приведение в упорядоченное положение (ориентирование) и выдачу в приёмник сувенирной ПЭТ-тары [2]. Создание и проектирование САЗ сувенирной ПЭТ-тары обеспечит не только выполнение указанных задач, но и повышение производительности линий и качества продукции.

Анализ различных конструкций БЗУ показал, что для сувенирной ПЭТ-тары с неявно выраженной асимметрией по торцам (при соотношении высоты нижней части бутылки ко всей ее длине равным 0,7...0,8) [3] целесообразно использовать механические дисковые БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором [4] и зубчатое БЗУ с кольцевым ориентатором [5].

В работах [6, 7] построены аналитические модели производительности указанных конструкций для предметов обработки формы тел вращения, один из торцов которых выполнен коническим. В соответствии с предложенной методикой построим аналитические модели производительности указанных конструкций и выявим, какое из них более производительно при загрузке сувенирной ПЭТ-тары с различными геометрическими и физико-механическими параметрами.

Производительность дисковых БЗУ в соответствии с комплексным подходом [6, 7, 8, 9] определяется выражением

ПБЗУ =60уЛшах(1-ео41 (!)

где о - окружная скорость вращающегося диска БЗУ по оси гнёзд; ? - шаг захватывающих органов; Лтах ~ наибольшая величина коэффициента выдачи, соответствующая малым скоростям захватывающих органов; г - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности БЗУ.

Шаг захватывающих органов БЗУ

? = Д^ + 5П, (2)

где (ЛI - диаметр дна бутылки; А/ - зазор по шагу (принимают в диапазоне 0,05^1 < А? < ОД ); 5П - толщина перемычек или зубьев.

Аналитическое описание наибольшей величины коэффициента выдачи БЗУ Лтах > соответствующей малым окружным скоростям захватывающих органов, получаем из выражения

Лпш х=РгрРс> (3)

где рI - ркр] - вероятность нахождения загружаемого предмета на пути

захватывающего органа в положении, благоприятном для захвата; - вероятность того, что загружаемый предмет после падения окажется на поверхности вращающегося диска образующей цилиндрической поверхности; р] - вероятность поворота загружаемого предмета асимметричным торцом к захватывающему органу; рс - вероятность того, что захвату не помешает взаимосцепляемость загружаемых предметов.

Вероятность р^ сувенирной ПЭТ-тары определим по формуле

Рк = I Хс + , ]~Хс (4)

Ы+^С л/^2+4(/-хс)2 где хс - расстояние координаты центра масс сувенирной ПЭТ-бутылки от его цилиндрического основания; ~ диаметр горлышка бутылки; / -длина бутылки.

Так как толщина слоя ПЭТ-бутылок на различных участках линии стыка различна, поэтому вероятности одного и того же положения будут иметь вдоль линии стыка различные значения. В связи с этим пользуются предельными значениями вероятностей р/ и соответственно , которые

будут:

для БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором

1

^тах ¿К

2агссоБ-

и —хг

2 алят -

¡(Ь-ХсУ

с11

1ап

^бун

(5)

^тш 71

апят

V

А2 +¿1

¿л

-агс1ап— 2 /1

для зубчатого БЗУ с кольцевым ориентатором

1

Ргр =Рк —

^тах ¿К

2arctg

2(1-хс)

- 2агс8т

И

1§абун

к

(6)

(7)

Ргр ■ =Рк~

•г Ш111 7Г

агсБт

5

Ф1+4

- arctg

/1

(8)

где - длина нижней части сувенирной ПЭТ-тары; |х - коэффициент трения скольжения ПЭТ-тары о поверхности БЗУ; 0Сбун - угол наклона дна бункера БЗУ к горизонту; % - длина гнезда БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором; В - ширина гнезда зубчатого БЗУ с кольцевым ориентатором.

Тогда для определения р7- получим выражение

Р ^ Ртах ^ ^ Риши ^

(9)

где т - показатель, зависящий от длины отрезка линии стыка, свободного от ПЭТ-бутылок (т = 1...3); к - количество ПЭТ-бутылок, которые могут одновременно вместиться в зоне захвата.

Опишем величину к, учитывающую угол фз, характеризующий зону захвата сувенирной ПЭТ-тары и на протяжении которого возможно западание ПЭТ-бутылки в гнездо:

тсДфз

к =

180^

276

(10)

где R - радиус диска по оси захватывающих органов.

Графики зависимости угла фз от коэффициента трения \± при различных углах ocgyH наклона бункера в указанном диапазоне и соотношениях l/d\ предметов обработки показаны в работе [10]. Для сувенирной ПЭТ-тары указанные зависимости будем использовать в расчете. Кроме этого, с помощью указанного параметра становится возможной оценка влияния на фактическую производительность БЗУ практически всех конструктивных параметров его захватных и ориентирующего органов и геометрических параметров загружаемой сувенирной ПЭТ-тары.

Вероятность рс для сувенирной ПЭТ-тары с неявно выраженной асимметрией по торцам, внешняя поверхность которых приближается к цилиндрической, определим по известной зависимости

0,9 + 1,4—

. arctanu d\ /11Ч

Рс =1----г^- (11)

71 1 + 2— ¿1

Выражения, определяющие предельное значение окружной скорости захватных органов, при которой происходит выбрасывание ПЭТ-бутылки из гнезда:

для БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором

°1шх =p1g + 0Ag(hp+2At)-0,2gj5d12 -4(At-2hpJ, (12) где hp - высота радиального паза;

для зубчатого БЗУ с кольцевым ориентатором

«шах = ^dl+0Mt-02^5dl-4At2)j . (13)

Аналитическое выражение коэффициента г определяем по выражению

* = О4)

^шах

Подставив выражения (2) - (14) в формулу (1), в зависимости от типа БЗУ получим аналитические модели производительности механических дисковых БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и зубчатого БЗУ с кольцевым ориентатором для сувенирной ПЭТ-тары с неявно выраженной асимметрией по торцам.

На рис. 1 представлены сравнительные графики зависимости коэффициента выдачи и производительности рассмотренных БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и зубчатого БЗУ с кольцевым ориентатором для сувенирной ПЭТ-тары с параметрами d\ - 0,035 м;

(¡2 — 0,02м; / = ОД20м; xc=-;R = 5 /; At = 0,125 ; а = 45°; h //= 0,75.

Рис. 1. Сравнительные графики зависимости производительности от окружной скорости захватывающих органов бункерных загрузочных устройств:

-----------с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором;

.......- зубчатого с кольцевым ориентатором для сувенирной

ПЭТ-тары с неявной асимметрией

Анализируя графики, приходим к выводу, что при 1\! 1 = 0,75 максимальная производительность БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором 100шт./мин выше значения производительности зубчатого БЗУ - 82 шт./мин. Поэтому для сувенирной ПЭТ-тары с неявной асимметрией целесообразно использование БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором.

Проведем исследование влияния параметров сувенирной ПЭТ-тары и параметров данного БЗУ на его производительность. Компьютерное моделирование коэффициента выдачи и фактической производительности дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором было проведено для сувенирной ПЭТ-тары с1л / / = 0,7; 0,8, для значений коэффициента трения скольжения |i = 0,35; 0,4; 0,45. Для всех типоразмеров

сувенирной ПЭТ-тары d\ - 0,035 м; ¿/2 - 0,02 м; / = 0,120 м; хс =

На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования в виде графиков зависимости коэффициента выдачи и фактической производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором от

окружной скорости вращающегося диска с гнездами. Основные конструктивные параметры БЗУ: К = 0,54 м, шаг гнезд ? = 0,044 м при зазоре по шагу А* = 0,125^.

Л

0,2

0,1

Пбзу, шт./мин

80

40

0,2 0,4 и, м/с

б

Рис. 2. Графики зависимостей коэффициента выдачи и производительности бункерного загрузочного устройства

с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором от окружной скорости для сувенирной ПЭТ-тары и значения коэффициентоа трения 0,35; 0,4 и 0,5: a-lj/I = 0,7; 6-Ij/l= 0,8

По графикам зависимостей коэффициента выдачи и производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором от окружной скорости захватывающих органов определяем, что при 1Л /1 = 0,7 производительность БЗУ достигает максимального значения 180 шт./мин при

279

^ = 0,35; при ^ = 0,4 - ПБЗУ = 155 шт./мин, а при ^ = 0,45 - ПБЗУ = 130 шт./мин. При l1 / l = 0,8 производительность БЗУ достигает максимального значения 115 шт./мин при ^ = 0,35; при ^ = 0,4 - ПБЗУ = 85 шт./мин, а при ^ = 0,45 - ПБЗУ = 50 шт./мин.

Таким образом, коэффициент трения и соотношение l1 / l оказывают существенное влияние на производительность БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором. Так, с увеличением ^ на 10...12 % производительность БЗУ уменьшается на 20...40 %, а с увеличением отношения l1 / l производительность БЗУ уменьшается на 17.35 %.

Анализ производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором показал, что данный тип БЗУ обеспечит загрузку сувенирной ПЭТ-тары с неявной асимметрией в рассмотренные ранее отечественные и зарубежные автоматы и моноблоки розлива с производительностью 50.180 шт./мин.

Список литературы

1. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Автоматизация загрузки укупорочных элементов в автоматические роторные машины для розлива жидких пищевых продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 1. С. 91 - 102.

2. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Механические бункерные загрузочные устройства в пищевой промышленности / под науч. ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 120 с.

3. Давыдова Е.В., Пестунова М.С., Чекмасова И.И. Системы автоматической загрузки сувенирной ПЭТ-тары в линии розлива // Материалы XXIII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в современной науке и пути их решения» в г. Москва 26-27 февраля 2016 года: ежемесячный научный журнал «Евразийский союз ученых (ЕСУ)». 2016. № 2(23). Ч. 4. С. 44 - 47.

4. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Бункерное загрузочное устройство для деталей с неявно выраженной асимметрией торцов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. № 9. С. 57 - 65.

5. Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Совершенствование зубчатого бункерного загрузочного устройства для предметов обработки с неявно выраженной асимметрией торцов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 2. Ч. 1. С. 27 - 34.

6. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности бункерного загрузочного устройства с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. № 11. С. 23 - 30.

7. Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориентатором // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вып. 6. Ч. 2. С. 104 - 113.

8. Бурцев Д.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Математическая модель производительности дискового бункерного загрузочного устройства с радиальными профильными гнездами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №9. С. 33 - 36.

9. Давыдова Е.В., Прейс В.В., Провоторова К.Н. Математическая модель производительности дискового бункерного загрузочного устройства с тангенциальными профильными гнездами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №10. С. 7 - 10.

10. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Автоматическая загрузка стрежневых штучных изделий с неявно выраженной асимметрией по торцам / под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 112 с.

Давыдова Елена Викторовна, канд. техн. наук, доц., elen-davidova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пантюхин Олег Викторович, канд. техн. наук, доц., директор издательства, olegpantyukhin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYTICAL MODEL PERFORMANCE HOPPER FOR SOUVENIR PET CONTAINERS

WITH IMPLICIT ASYMMETRY

E. V. Davidova, O. V. Pantyukhin

The analytical model performance of mechanical disk hopper with radial slots and orientator and ring gear with ring souvenir orientator for PET containers with different geometrical and physical-mechanical parameters, selected the most productive structure.

Key words: feed hopper, souvenir PET packaging, automatic feeding.

Davidova Elena Viktorovnа, candidate of technical sciences, docent, elen-davidova@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pantyukhin Oleg Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, publishing director of publishing house, olegpantyukhin@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University