CC BY
178
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.9 + 663.255
Е.В. Давыдова, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-24-38, pp @к 1ах.ш1а. гц (Россия, Тула, ТулГУ),
В.В. Прейс, зав. кафедрой, д-р техн. наук, проф.,
(4872) 33-24-38, prevs@klax.tula.rn (Россия, Тула, ТулГУ)
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗАГРУЗКИ УКУПОРОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В АВТОМАТИЧЕСКИЕ РОТОРНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ РОЗЛИВА ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Рассмотрены наиболее распространенные виды укупорочных элементов и бункерных загрузочных устройств для подачи элементов в автоматические роторные машины пищевых производств.
Ключевые слова: укупорка, автоматизация, загрузка, роторные машины.
Автоматические роторные машины нашли широкое распространение в пищевой промышленности у нас в стране и за рубежом, для фасовки и укупорки напитков в стеклянные и пластиковые (ПЭТ/ПЭНД) бутылки, 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 (0,33-2 л). Производительность зарубежных линий для розлива легкотекучих жидкостей в тару вместимостью до 0,33 л достигает 1200 шт./мин.
Укупорка бутылок производится различными укупорочными элементами. В настоящее время наиболее распространены металлические кронен-пробки; алюминиевые и пластмассовые колпачки с перфорированным отрывным кольцом (рис. 1).
Кронен-пробка (рис. 1, а) предназначена для герметичной укупорки бутылок с соками, или, что чаще, напитками, содержащими диоксид углерода, например пива, кока-колы, спрайт и т.п. Кронен-пробки изготавливают из белой или лакированной жести толщиной 0,23-0,31 мм или из алюминия толщиной 0,3 мм и выпускают с красочными рисунками (литографирование), с тисненым рисунком и надписями (конгревирование).
Алюминиевые колпачки с перфорированным отрывным кольцом (рис. 1, б) применяют для укупоривания бутылок с тихими напитками, например ликероводочными изделиями, и изготовляются из алюминиевой лакированной с двух сторон фольги толщиной 0,2-0,23 мм. Основные размеры алюминиевого колпачка приведены в табл. 1.
Для изготовления металлических кронен-пробок и алюминиевых колпачков используют высокопроизводительные многопозиционные и многорядные прессы-автоматы.
Полиэтиленовые навинчивающиеся колпачки с перфорированным отрывным кольцом (рис. 1, в) широко используют для укупорки ПЭТ/ПЭНД бутылок с напитками, содержащими диоксид углерода. Полиэтиленовые колпачки изготавливают методами литья под давлением на термопласт-автоматах или автоматических роторных машинах.
о.
Рис. 1. Современные виды укупорочных элементов для пластиковой и стеклянной тары: а - кронен-пробка;б - алюминиевый колпачок с перфорированным отрывным кольцом; в - полиэтиленовая навинчивающая пробка
92
Таблица 1
Основные размеры алюминиевого колпачка_________________
D і, мм D 2, мм d1, мм d2, мм Н, мм
28,6 29,0 28,0+0,2 28,2 18,0-0,25
18,8 19,2 18,0+0,2 18,2 13,0-0,25
Признанным мировым лидером в области изготовления укупорочных элементов является итальянская фирма SACMI, объединившая целую группу компаний. С середины 70-х годов прошлого века фирма SACMI занимается разработкой и производством комплексных автоматических линий для изготовления алюминиевых винтовых и стальных кронен-пробок, а также пластиковых пробок для бутылочной тары. Оригинальными разработками фирмы являются роторные линии для формования пластмассовых уплотнителей в металлических винтовых и кронен-пробках производительностью до 1200 шт./мин, а также роторная линия для изготовления пластмассовых пробок методом литья под давлением производительностью до 3000 шт./мин.
На рис. 2. представлена типовая конструкция роторной фасовочноукупорочная машины для розлива осветленных горячих соков под вакуумом и укупоривания бутылок кронен-пробками.
Ж ж
Рис. 2. Схема роторной фасовочно-укупорочной машины:
1 - устройство подачи напитка; 2 - ротор фасовочный;
3 - патрон фасовочный; 4 - приводной вал; 5 - станина;
6 - бункерное загрузочное устройство для кронен-пробок;
7 - ротор укупорочный; 8 - пульт управления; 9 - патрон укупорочный
Автоматическая загрузка укупорочных элементов в фасовочное оборудование и в линии по изготовлению самих элементов осуществляется бункерными загрузочными устройствами (БЗУ) [1].
Так, например, для подачи кронен-пробок используют механическое дисковое вертикальное БЗУ (рис. 3). Ориентация кронен-пробок производится по наружному контуру укупорочного элемента.
Рис. 3. Механическое дисковое вертикальное бункерное загрузочное устройство для кронен-пробок:
1 - бункер для кронен-пробок; 2 - корпус; 3 - диск; 4 - вал;
5 - механизм ориентации; 6 - станина; 7 - элементы привода
Засыпанные в бункер 1 кронен-пробки перемешиваются диском-ворошителем 3, который приводится во вращение от шкива 7, сидящего на валу 4. Поднимаемые вверх кронен-пробки попадают в правую часть бункера, откуда и скатываются по поверхности диска-ворошителя 3.
Рабочей частью диска-ворошителя является круговая канавка, выполненная соответственно форме и размерам кронен-пробки, когда последняя соприкасается с канавкой своим донышком. Когда кронен-пробка, попавшая в канавку в нужном положении, подводится ворошителем к отверстию в передней стенке бункера 2, то она либо падает в него, либо западает в него только частично и застревает. На диске-ворошителе укреплены три шарика
5, расположенные под углом 120°. Когда при вращении ворошителя один из шариков подходит к застрявшей в отверстии кронен-пробки, он толкает ее и заставляет опуститься и зайти в приемник.
Если приемник заполнен, и кронен-пробка не может пройти в отверстие, шарик при встрече с крышкой отклонится влево и кронен-пробка пройдет мимо. Как только в приемнике освободится место, диск-ворошитель, повернувшись на угол 120°, следующим шариком протолкнет кронен-пробку. Если кронен-пробка попадет в канавку неправильно, т. е. донышком в сторону передней стенки бункера, она задержится у отверстия и подошедший шарик поднимет ее и возвратит в бункер.
На рис. 4 показано механическое дисковое вертикальное карманчи-ковое БЗУ, предназначенное для подачи металлических и пластмассовых завинчивающихся колпачков.
1 2 3
Рис. 4. Механическое дисковое вертикальное карманчиковое бункерное загрузочное устройство для металлических и пластмассовых завинчивающихся колпачков:
1 - вал; 2 - диск; 3 - бункер; 4 - звездочка для выталкивания неправильно ориентированных и застрявших колпачков; 6 - приемник
Пробки или колпачки засыпаются в бункер 3 и скользят по его дну к захватывающим органам - гнездам, форма которых соответствует наружному очертанию загружаемых укупорочных элементов. Гнезда расположены радиально по периферии вращающегося диска 2, который приводится в движение от вала 1. При вращении диска запавшие в гнезда
колпачки через специальное окно попадают в приемник 6. При переполнении приемника колпачки из гнезд возвращаются обратно в бункер. Для выталкивания застрявших в гнездах колпачков предусмотрена звездочка 4. Звездочка своими зубцами входит в захватывающие гнезда и, тем самым, выталкивает застрявшие колпачки. Предохранительное устройство 5 обеспечивает остановку вращающегося диска в случае заклинивания колпачков при выходе из захватывающих гнезд диска в приемник. После того, как причина остановки будет устранена, вращение диска возобновляется.
С целью обоснования путей повышения производительности отечественных механических БЗУ была поставлена задача выявления закономерностей изменения их производительности в зависимости от конструктивных параметров устройства и физико-технических параметров загружаемых укупорочных элементов. Решение поставленной задачи базировалось на методах математического моделирования процесса захвата в БЗУ загружаемых предметов обработки.
Рассмотрим три возможных варианта конструкции механического дискового вертикального БЗУ для кронен-пробок (см. рис. 3), отличающихся числом и конструктивным исполнением выходных приемников, определяющих способы выдачи и ориентирования кронен-пробок (рис. 5).
Рис. 5. Варианты конструкций механического дискового бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок: с одним (а), с одним расширенным (б) и с двумя (в) приемниками
Вариант I. БЗУ выполнено с одним приемником, поперечное сечение которого соответствует поперечным размерам одной кронен-пробки (рис. 5, а), поэтому выдача правильно ориентированных кронен-пробок в приемник может осуществляться только последовательно.
Вариант II. БЗУ выполнено с одним расширенным приемником (рис. 5, б), поперечное сечение которого соответствует поперечным размерам нескольких кронен-пробок, поэтому выдача правильно ориентированных кронен-пробок в приемник может осуществляться параллельно.
В первых двух вариантах БЗУ круговая канавка диска-ворошителя, выполнена соответственно форме и размерам кронен-пробки, вследствие чего кронен-пробки, захваченные в неориентированном положении, выбрасываются обратно в бункер БЗУ, т.е. в этих вариантах реализуется способ пассивного ориентирования укупорочных элементов.
Вариант III. БЗУ выполнено с двумя приемниками (рис. 5, в), поперечное сечение каждого из которых соответствует форме и размерам одной кронен-пробки в двух её возможных положениях.
В этом варианте БЗУ круговая канавка диска-ворошителя выполнена соответственно только поперечным размерам кронен-пробки, вследствие чего все кронен-пробки, захваченные диском-ворошителем в двух возможных положениях, выдаются в соответствующий приемник и впоследствии переориентируются, т.е. в этом варианте реализован способ активного ориентирования укупорочных элементов.
Теоретическая производительность БЗУ [шт./мин]
где иокр - окружная скорость вращения диска-ворошителя, м/с; Dl - максимальный внешний диаметр кронен-пробки (см. рис. 1); Do - диаметр диска-ворошителя по оси запавших кронен-пробок, м (см. рис. 5,а); А тщ— минимальный зазор между кронен-пробками в кольцевом канале, м; п - угловая скорость диска-ворошителя, об./мин.
Предельная окружная скорость [иокр]з вращения диска-ворошителя
БЗУ, при которой еще возможно западание кронен-пробок в кольцевой канал, может быть определена выражением
В соответствии с известной работой [2] можем записать, что Атт — 0,Ш^ Принимая Ат^ = 0,05Dl, получим предельную скорость вращения диска-ворошителя для всех вариантов конструкций БЗУ
П
т
(1)
(2)
[и окр]з = 1,05^/0,5 gDl = 0,419 м/с.
Для того чтобы кронен-пробка была выдана в приемник, необходимо, чтобы время, в течение которого она с окружной скоростью диска-ворошителя проходит путь А1, равный зазору между кронен-пробкой и стенкой входного отверстия приемника (см. рис.5, а), было больше времени, требуемого для выдачи кронен-пробки в приемник под действием силы тяжести на величину, равную половине внешнего диаметра Dl кронен-пробки. Тогда предельная окружная скорость [иокр]в вращения диска-
ворошителя БЗУ, при которой возможна выдача кронен-пробки в приемник, может быть определена выражением
где А1 - зазор между кронен-пробкой и стенкой выходного отверстия приемника, м.
Принимая для каждого из вариантов конструкции БЗУ (см. рис. 5) соответствующее значение величины зазора А1 , определим по выражениям (3) и (1) предельную скорость вращения диска-ворошителя:
Сравнивая значения [иокр]з и [иокр]в для каждого из вариантов
конструкций БЗУ, приходим к следующим выводам.
1. Для 1-го и Ш-го вариантов лимитирующей является предельная окружная скорость вращения диска-ворошителя [иокр]в. В этом случае
теоретическая производительность БЗУ ограничивается возможностью выдачи кронен-пробок в приемник, тогда из выражения (1) получим
I - Пт — 584 шт./мин; III - Пт — 481 шт./мин.
2. Для П-го варианта лимитирующей является предельная окружная скорость [иокр]з. В этом случае теоретическая производительность БЗУ
ограничивается возможностью западания кронен-пробок в кольцевой канал. Тогда из выражения (1) получим Пт — 736 шт./мин.
Фактическая производительность БЗУ
где п - коэффициент выдачи БЗУ.
Аналитическое выражение для коэффициента выдачи БЗУ получено с использованием подхода М.В. Медвидя [3]
где pk - условная вероятность того, что кронен-пробка ляжет на основную ориентирующую поверхность к-й гранью (дном вниз или вверх), ко-
98
(3)
I - А і < 0,33£>1, [иокр]в < 0,332 м/с;
II - Аі > 0,5D1 Ккр]в > 0,4 м/с;
III - А1 < 0,2D1, [иокр]в < 0,243 м/с.
Пф Пт п,
(4)
П = PkPc,
(5)
торой она будет захвачена и выдана; pc - условная вероятность того, что захвату и выдаче кронен-пробок не помешает их взаимная сцепляемость.
В результате были получены аналитические выражения для коэффициента выдачи БЗУ каждого из рассмотренных выше вариантов конструкции [4], в соответствии с которыми коэффициент выдачи (5) и фактическая производительность БЗУ (4) с учетом определенных выше ограничений по скорости вращения диска-ворошителя будут равны:
I - п = 0,547 ; Пф = 320 шт./мин;
II - п = 0,547 ; Пф = 403 шт./мин;
III - п = 0,801 ; Пф = 385 шт./мин.
Для оценки достоверности аналитической модели коэффициента выдачи БЗУ (5) были проведены экспериментальные исследования, в результате которых были определены средние значения вероятностей pk для каждого из возможных положений кронен-пробки на горизонтальной плоскости: дном вниз pk 1 = 0,76 и дном вверх pk2 = 0,31 [5]. Расхождение
между расчетными и экспериментальными значениями составило 9 %.
Также экспериментально была уточнена вероятность выдачи кронен-пробок в два приемника, выполненных по профилю поперечного сечения кронен-пробки в двух её возможных положениях (см. рис. 5, в), как вероятность сложного события
pk = pK1 pil + px 2 pi2 P21, (6)
где pn - вероятность выдачи кронен-пробок в первый приемник (кронен-пробка находится в наиболее вероятном положении - дном вниз, которому соответствует поперечное сечение первого приемника); p12 - вероятность прохождения кронен-пробкой, находящейся во втором положении (дном вверх), которому соответствует поперечное сечение второго приемника, мимо первого приемника без заклинивания; p 21 - вероятность выдачи кронен-пробок во второй приемник (кронен-пробка находится в положении соответствующем поперечному сечению второго приемника).
На рис. 6 представлены результаты экспериментального исследования и расчета вероятности выдачи (6) кронен-пробок в два профильных приемника при различных углах наклона лотка. По графикам видно, что максимальное значение вероятности выдачи р = 0,92 достигается при зазоре между кронен-пробкой и выходным отверстием приемника равным 5 мм. Наилучшего результата можно достичь путем комбинирования зазоров во входных отверстиях приемников, что позволит получить более высокий коэффициент выдачи. Увеличив зазор во втором приемнике до 6 мм, можем обеспечить увеличение вероятности выдачи до 0,95. Экспериментально определена также и вероятность того, что захвату и выдаче не помешает взаимная сцепляемость кронен-пробок друг с другом pc = 0,801.
Угол наклона лотка, град
а
Угол наклона лотка, град б
Рис. 6. Вероятности выдачи кронен-пробок в лоток при зазорах между кронен-пробкой и стенкой лотка А = 5 мм (а) и А = 6 мм (б)
Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями коэффициента выдачи в два приемника составляет 5 %, что подтверждает адекватность аналитической модели (5).
В результате для всех рассмотренных вариантов конструкций БЗУ были получены следующие экспериментальные значения вероятностей и коэффициента выдачи БЗУ п:
I - р^ = 0,76; рс = 0,801; п = 0,609;
II - рк = 0,76; рс = 0,801; п = 0,609;
III - рк = 0,95; рс = 0,801; п = 0,761.
Сводные результаты аналитического и экспериментального исследований производительности для трех вариантов конструкции БЗУ для кро-нен-пробок сведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты аналитического и экспериментального исследований производительности механического дискового вертикального бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок
Вариант конст- рукции БЗУ А1, мм [иокр]з, м/с [иокр]в, м/с Пт, шт./мин Аналитические исследования Эксперимен- тальные исследования
п Пф, шт./мин п Пф, шт./мин
I 10,8 0,419 0,332 584 0,547 320 0,609 356
II 16,3 0,419 736 0,547 403 0,609 448
III 6,0 0,243 481 0,801 385 0,761 366
Относительное отклонение результатов аналитического исследования по сравнению с экспериментальным составляет для вариантов I, II -10 %, а для варианта III - 5 %, что свидетельствует об адекватности аналитических моделей производительности, базирующихся на постулатах классической теории вероятности.
Результаты исследований показали, что наиболее предпочтительным является вариант II с использование расширенного приемника, для которого производительность БЗУ достигает 448 шт./мин, что позволяет использовать механическое дисковое БЗУ такого типа в высокопроизводительных роторных машин для розлива жидких пищевых продуктов.
Список литературы
1. Прейс В.В., Давыдова Е.В. Бункерные загрузочные устройства для подачи укупорочных элементов в роторные машины и линии // Известия ТулГУ / Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: ТулГУ, Вып.1, 2003. С. 157-163.
2. Автоматизация загрузки прессов штучными заготовками /
В.Ф. Прейс [и др.]; под ред. В.Ф. Прейса. М.: Машиностроение, 1975. 280 с.
3. Медвидь М.В. Автоматические ориентирующие загрузочные устройства. М.: МАШГИЗ, 1963. 299 с.
4. Прейс В.В., Давыдова Е.В. Анализ производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок // Материалы междунар. научно-техн. конф. «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». 16-17 октября 2006 г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 35-38.
5. Прейс В.В., Давыдова Е.В. Экспериментальное определение условных вероятностей из математической модели производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок // Известия ТулГУ. Сер. Технология машиностроения. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.
С. 253-261.
E.V. Davidova, V.V. Preys
AUTOMATION OF LOADING OF CORKING ELEMENTS IN AUTOMATIC ROTOR MACHINES FOR POURING OF LIQUID FOODSTUFF
The most widespread kinds of corking elements and bunker loading devices for giving of elements in automatic rotor machines offood manufactures are considered.
Key words: corking, automation, loading, rotor machines.
Получено 15.01.2012
УДК 621.9:658.011.54 + 663.97.05
Е.В. Давыдова, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-24-38, рр @к !ах.ш!а. ги (Россия, Тула, ТулГУ),
И.Б. Давыдов, инженер-технолог, (4872) 30-07-00 (Россия, Тула, ОАО «ИНМАРКО»),
В.В. Прейс, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
(4872) 33-24-38, preys@klax.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
БУНКЕРНЫЕ ЗАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ ПРЕССОВАННЫХ ШТУЧНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Рассмотрены конструкции бункерных загрузочных устройств центробежного типа для автоматической загрузки прессованных штучных пищевых продуктов в упаковочные машины-автоматы.
Ключевые слова: автоматическая загрузка, центробежное бункерное загрузочное устройство, штучные пищевые продукты.
Для автоматической подачи штучных пищевых продуктов, например, прессованного сахара-рафинада, прессованной соли, бульонных кубиков и других аналогичных изделий, представляющих собой объемные симметричные удлиненные или равноразмерные предметы призматиче-
