CC BY
52
УДК 658.52.011.56-23
СИСТЕМА ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РОТОРНЫХ МАШИН ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В. А. Крюков, В.В. Прейс
Рассматриваются структурные схемы и области применения механических приводов транспортного (вращательного) движения и рабочих движений исполнительных органов роторов, используемые в роторных машинах пищевых производств.
Ключевые слова: роторная машина, технологический ротор, механический привод, пищевая промышленность.
Технологические роторные машины (РМ), начиная с 80-х годов ХХ века, стали одним из признанных направлений комплексной автоматизации массовых производств патронов стрелкового оружия, строительномонтажных патронов, изделий сельскохозяйственной техники, приводных втулочно-роликовых цепей, инъекционных игл однократного применения и др. аналогичных изделий [1 - 4].
В пищевой промышленности технологические РМ доказали свою высокую эффективность для фасовки жидких, вязких и вязкопластичных продуктов в различную штучную тару, сыпучих продуктов в пакеты или тубы; для изготовления таблетированных продуктов, а также пластиковой тары и металлических банок [5].
В последние двадцать лет на мировом рынке технологического оборудования для фасовки жидких продуктов сформировалась устойчивая тенденция создания высокопроизводительных технологических РМ, объединяющих на единой станине с общим приводом вращения несколько технологических роторов, например, ополаскивающие, разливочные и укупорочные, а в некоторых случаях этикетировочные и датирующие роторы. Такие РМ в зависимости от числа объединяемых технологических роторов (два или три ротора) получили название моноблоков или триблоков. Технологические РМ, объединяющие более трех операций, например, выдув ПЭТ-тары, ополаскивание, розлив, укупорка, этикетировка, датирование, получили название синхроблоков. Цикловая производительность современных зарубежных РМ составляет: моноблоков - 300...400 шт./мин, триблоков - 400... 800 шт./мин, синхроблоков - 800 .1000 шт./мин.
Передача штучных объектов в технологические роторы и между ними может осуществляться пазовыми или клещевыми транспортными роторами с использованием синхронизирующих шнеков, линейных транспортеров в их различной комбинации. Это обеспечивает возможность рациональной компоновки РМ на единой станине с общим приводом вращения не только технологических роторов со значительно различающимися начальными диаметрами, но и технологических агрегатов не ро-
торного типа [6]. Реализация в одной РМ законченной части технологического процесса изготовления продукта без нарушения непрерывности технологического потока обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность применения РМ по сравнению с другими классами технологических машин.
Одной из важных функциональных систем РМ, в значительной степени определяющей её технологические возможности и надежность работы, является система приводов, которую разделяют на две группы:
- приводы транспортного движения, которые обеспечивают вращательное движение технологических и транспортных роторов;
- приводы рабочих движений, которые обеспечивают движения исполнительных и рабочих органов функциональных устройств и механизмов в технологических роторах.
Выполнение технологических операций в процессе непрерывного транспортирования штучных объектов совместно с рабочими и исполнительными органами и кинематическая связь между приводами технологических роторов предъявляют к системе приводов РМ ряд специфических требований, определяющих особенности их расчета и проектирования.
Типовые схемы приводов транспортного (вращательного) движения роторов. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили электромеханические однодвигательные приводы с червячными редукторами, которые отличаются конструктивной простотой, достаточно высокой надежностью и долговечностью элементов (рис. 1).
а
б
Рис. 1. Типовые схемы однодвигательных приводов транспортного (вращательного) движения РМ с одним червячным редуктором: а - соединение выхода редуктора с валами роторов через зубчатые колеса; б - непосредственное соединение выхода редуктора с валом технологического ротора; 1, 2 - зубчатые колеса; 3 - червячный редуктор; 4 - клиноременная передача; 5 - электродвигатель
Для передачи вращательного момента в малонагруженных РМ (например, моноблоках или триблоках фасовки жидкостей) применяют схему привода (рис. 1, а) с одним червячным редуктором 3, передающим вращение технологическим и транспортным роторам через их систему зубчатых колес 1, 2. Вращение от электродвигателя 5 передается на вход червячного редуктора 3 через клиноременную передачу 4.
При передаче больших значений вращательного момента в однооперационных РМ, например, в роторных таблетоформующих машинах, выход редуктора 3 может быть соединен непосредственно с валом технологического ротора (рис. 1, б), а вращение транспортным роторам передается уже через систему зубчатых колес 1, 2.
Для передачи вращательного момента в многооперационных РМ, например, в роторных триблоках и синхроблоках розлива или в РМ для изготовления металлической, тары применяют многоредукторные червячные приводы (рис. 2).
Если компоновка роторов линейная, то входы червячных редукторов 2 соединяют друг с другом общим трансмиссионным валом 3 (рис. 2., а), а вращение технологическим и транспортным роторам передается через их систему зубчатых колес 1. В случае «произвольной» компоновки роторов входы червячных редукторов 2, 5, 7 соединяют друг с другом карданными валами 3, 6 (рис. 2, б).
Для ступенчатого регулирования скорости транспортного вращения технологических роторов наибольшее применение в системах приводов РМ нашли многоскоростные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как наиболее простые по управлению и надежные в эксплуатации. Для плавного регулирования транспортной скорости вращения роторов используют тиристорные блоки управления с частотным регулированием.
К недостаткам приводов с червячными редукторами можно отнести: наличие протяженной нагруженной трансмиссии; значительное рассогласование смежных роторов на стыке двух соседних технологических групп; низкий КПД; трудность обеспечения равномерного распределения нагрузки между червячными передачами в случае применения нескольких таких передач. Следует подчеркнуть, что повышение производительности и протяженности линий, мощности их приводов транспортного движения приводит к усилению отрицательного действия указанных недостатков [7].
Кроме того, несмотря на накопленный большой опыт проектирования таких приводов, при создании новых линий не всегда учитываются особенности приводов с червячными передачами, как существенно нелинейных систем. В частности, не учитывается возможность возникновения в приводе с самотормозящимися редукторами, кроме хорошо известного статического самоторможения, динамического заклинивания червячных передач в переходных режимах движения [8].
Рис. 2. Типовые схемы приводов транспортного (вращательного) движения РМ с несколькими червячными редукторами: а - соединение выходов редукторов общим трансмиссионным валом при линейной компоновке роторов; 1 - зубчатые колеса роторов;
2 - червячный редуктор; 3 - трансмиссионный вал; 4 - клиноременная передача; 5 - электродвигатель; б - соединение выходов редукторов карданными валами при произвольной компоновке роторов;
1, 8,10 - зубчатые колеса роторов; 2, 5, 7 - червячные редукторы;
3, 6 - карданные валы; 4 - клиноременная передача;
9 - электродвигатель
Механические приводы рабочих движений в технологических роторах. В качестве приводов рабочих движений в технологических роторах РМ преимущественное распространение получили механические приводы [9]. Они характеризуются наличием жесткой кинематической связи между рабочими и транспортным движениями, поскольку преобразуют вращательное (транспортное) движение технологических роторов в возвратно-поступательное рабочее движение исполнительных органов посредством различных механизмов. Механические приводы конструктивно просты и имеют высокий КПД, достигающий значений 0,80.. .0,85.
Кулачковый привод применяют в большинстве конструкций технологических роторов РМ пищевых производств.
Кулачковый привод (рис. 3), в общем случае, состоит из неподвижного цилиндрического кулачка 1, торцового кулачка (копира) 5, размещаемых в стакане ротора, жестко связанном со станиной РМ, исполнительных органов - ползунов 2, расположенных в направляющих пазах барабана 4, установленного на валу ротора 3.
5
а б
Рис. 3. Структурная (а) и развернутая (б) схемы кулачкового привода рабочего движения исполнительных органов РМ:
1 - пазовый цилиндрический кулачок; 2 - ползун; 3 - вал ротора;
4 - барабан; 5 - торцовый кулачок; 6 - компенсатор
Ползуны 2, число которых равно числу рабочих позиций ротора, приводят в движение рабочие органы. Ползуны совершают при неподвижном кулачке два движения: переносное вращательное вместе с ротором и относительное поступательное. Цилиндрический кулачок 2 обеспечивает выполнение фаз технологической операции, не требующих больших технологических сил, а торцовый кулачок 5 - наиболее нагруженной фазы технологической операции. Рабочий участок торцового кулачка в большинстве случаев выполняют подвижным и замыкают на компенсатор 6,
пружинный или гидравлический, устанавливаемый на стакане ротора.
На рис. 4 показаны примеры конструкций элементов кулачковых приводов исполнительных и рабочих органов РМ пищевых производств.
а б
Рис. 4. Элементы кулачковых приводов исполнительных органов РМ: а - привод прессующих инструментов роторной таблетоформующей машины; 1 - прессующий инструмент; 2 - радиальный пазовый кулачок; 3, 5 - ролики; 4, 6 - оси; 8 - ползун; 9 - барабан; 10 - вал ротора прессования; б - привод подъемных столиков в роторной машине розлива жидких продуктов; 1 - направляющая колодка;
2 - ролик; 3 - ось; 4 - кулачок; 5 - столик; 6 - ротор; 7 - толкатель;
8 - корпус; 9 - пружина
В роторных таблетоформующих машинах (рис. 4, а) подвод и отвод прессующего инструмента 1, смонтированного в ползуне 8, производится от радиального пазового кулачка 2, по которому обкатывается ролик 3, установленный на оси 4. Ползун 8 перемещается в цилиндрических пазах барабана 9, смонтированного на шпонке на валу 10 технологического ротора прессования.
Для исключения возможности поворота ползуна вокруг своей оси имеется дополнительный ролик 5, установленный на оси 4 и перемещающийся в продольном разрезном пазу барабана 9. Операция прессования и выдачи таблетки производится от торцового кулачка (на рисунке не показан), по которому обкатывается ролик 7, установленный в торцовой части
ползуна 8 на оси 6.
В зависимости от вида и параметров технологической операции кулачковый привод может иметь только торцовый кулачок или только односторонний цилиндрический кулачок, как, например, в приводе подъемных столиков роторов РМ розлива жидких продуктов (см. рис. 4, б). В этих случаях необходимо вводить постоянное силовое замыкание пары «кулачок - толкатель», путем установки в корпусе 7 пружины 9, взаимодействующей с толкателем 7 и обеспечивающей постоянный контакт ролика 2 с профилем радиального кулачка 3. Для исключения возможности поворота толкателя 7 вокруг своей оси в данной конструкции используют призматическую направляющую колодку 1, установленную на оси 3 вращения ролика 2 и перемещающуюся в продольном разрезном пазу корпуса 8.
Применение кулачкового привода в случаях, когда его кинематическая цепь в конце рабочего хода исполнительного органа не разгружается (например, для технологических операций таблетирования сыпучих продуктов) ограничено силами 15...20 кН.
Роликовый привод является разновидностью кулачкового привода с торцовым кулачком (рис. 5).
а б
Рис. 5. Структурная (а) и развернутая (б) схемы роликового привода рабочего движения исполнительных органов РМ:
1 - ползуны; 2 - кулачки; 3 - вал технологического ротора;
4 - барабаны; 5 - прессующий ролик; 6 - компенсатор;
7 - станина
На участках холостых ходов (подвода и отвода) исполнительные органы - ползуны 1, связанные с рабочими органами (прессующими пуансонами), движутся в пазах барабанов 4 технологического ротора, установленного на валу 3, скользя головками по неподвижным направляющим -радиальным или торцовым кулачкам 2. На участке рабочего хода головки
ползунов 1 обкатывают прессующие ролики 5 (на рисунке показана схема двухстороннего роликового привода). Для защиты технологического ротора от перегрузок и стабилизации параметров технологической операции один из прессующих роликов (например, нижний, как это показано на рисунке) обязательно связывают с гидравлическим или пружинным компенсатором 6, жестко установленном на станине 7 РМ.
Роликовый привод широко применяют в роторных таблетофор-мующих машинах зарубежного производства для изготовления бульонных кубиков, таблетированной соли, пряностей и т.п. При небольших рабочих ходах инструмента (до 5 мм) и достаточно больших технологических силах (до 100 кН) роликовый привод обеспечивает возможность минимизации диаметральных размеров ползунов и упрощение их конструкции. Ползуны выполняют с торцовыми сферическими или плоскими головками со скругленными краями (рис. 6).
Рис. 6. Основные формы головок ползунов роликового привода
таблетоформующих РМ: а - сферическая; б - плоская скругленная
В том случае, когда ползуны имеют сферическую головку, контактирующую с направляющей (рис. 6, а), теоретический профиль кулачка строится как эквидистанта к практическому профилю на расстоянии, равном радиусу сферы rc. Для ползунов с плоской головкой и со скругленными краями теоретический профиль смещен по отношению к практическому
на расстояние rc, равное радиусу скругления (рис. 6, б)
Применение двухстороннего роликового привода с двумя прессующими роликами (см. рис. 5) позволяет осуществить двухстороннее прессование материала. Например, таблетоформующие РМ фирмы HORN (Германия) обеспечивают изготовление таблеток диаметром 16... 18 мм методом двухстороннего прессования с технологической силой до 80 кН,
Теоретический профиль
а
б
обеспечивая производительность до 1000 шт./мин.
Кривошипный привод (рис. 6) для преобразования вращательного движения ротора 3 в требуемое движение ползунов 2, связанных с исполнительными органами, использует механизм, представляющий собой четырехзвенный пространственный стержневой механизм, состоящий из наклонного кривошипного диска 2 и шатунов 3, число которых равно числу рабочих позиций технологического ротора.
В общем случае кривошипный диск составляет с плоскостью
ротора угол a, а его центр (т. Oi) смещен относительно оси вращения ротора (т. O) на расстояния а Ф 0; b Ф 0. Ротор и кривошипный диск связаны зубчатой передачей с передаточным отношением равным единице. В зависимости от взаимного расположения осей ротора и кривошипного диска для передачи движения между ними могут использоваться ортогональная или
неортогональная конические, гипоидная или цилиндрическая зубчатые передачи [10].
Простейший вариант кривошипного механизма, широко применяемый в настоящее время на практике, определяется следующими значениями геометрических параметров (см. рис. 6): а = 0; b = 0;
R = r cos а, где R - начальный радиус ротора; r - радиус кривошипного диска; а - угол наклона кривошипного диска. Поскольку радиус ротора определяется производительностью РМ и шагом рабочих позиций ротора, то варьирование двумя параметрами (углом наклона кривошипного диска а и длиной шатуна L) позволяет обеспечить только заданный ход H ползуна и ограничить максимальное значение угла давления dz.
В общем случае рассматриваемая схема кривошипного механизма позволяет синтезировать привод, обеспечивающий заданный ход исполнительных органов, прохождение графика функции положения через задан-
Рис. 6. Схема кривошипного привода рабочего движения исполнительных органов РМ:
1 - шатун; 2 - ползун;
3 - ротор; 4 -кривошипный диск
ную точку при ограничении угла давления разными допускаемыми значениями на рабочем и холостом ходах и формирование закона изменения угла давления в соответствии с видом нагрузочной диаграммы [11]. Последнее условие позволяет уменьшить колебания момента сил приведенного сопротивления на валу ротора и увеличить КПД привода. Кроме того, на основе пространственного кривошипного механизма возможно создание привода с приближенным выстоем в конце прямого и в начале обратного хода исполнительных органов [12].
Переход к низшим кинематическим парам устраняет существенный недостаток механического привода - его низкую нагрузочную способность, поэтому роторы с кривошипным приводом рабочих движений исполнительных органов позволяют создавать технологические силы до 80...100 кН. Цикловая производительность РМ с кривошипным приводом может достигать 1000.1200 шт./мин, при этом долговечность кривошипного привода, определяемая долговечностью сферических соединений А, В (см. рис. 6) и подшипниковых опор, будет достаточно большой.
Таким образом, разработанные к настоящему времени технические решения для механических приводов транспортного (вращательного) движения роторов и рабочих движений исполнительных органов роторов, теоретические основы и методики их проектирования, обеспечивают возможность создания высокопроизводительных РМ для реализации различных технологических процессов пищевых производств. Выбор типа и структурной схемы системы приводов РМ в каждом конкретном случае определяется параметрами выполняемой технологической операции и требуемой производительностью.
Список литературы
1. Крюков В. А., Прейс В.В. Комплексная автоматизация производства на базе роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения, 2002. № 11. С. 35-39.
2. Цфасман В.Ю., Савельев Н.И., Прейс В.В. Роторные и роторноконвейерные линии в производствах массовых деталей сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения // Вестник машиностроения, 2003. № 9. С. 40-43.
3. Быстров В.А., Прейс В.В., Фролович Е.Н. Роторные технологии, машины и линии на современном этапе промышленного развития // Вестник машиностроения, 2003. № 10. С. 43-47.
4. Прейс В.В. Надежность автоматических роторно-конвейерных линий для сборки многоэлементных изделий // Сборка в машиностроении, приборостроении, 2003. № 10. С. 17-22.
5. Прейс В.В., Бондаренко Д.С. Автоматические роторные и роторно-конвейерные машины и линии в пищевых производствах // Вестник машиностроения. 2003. № 7. С. 37-43.
6. Прейс В.В., Фролович Е.Н. Компоновка, производительность и надежность роторных машин для розлива жидких продуктов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.4: в 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 1.
С. 3-14.
7. Крюков В. А., Прейс В.В. Системы приводов транспортного движения автоматических роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения, 2003. № 2. С. 33-38.
8. Крюков В. А. Особенности динамики приводов автоматических роторных линий с червячными редукторами // Известия ТулГУ. Сер. Машиностроение. Вып. 3: в 2-х ч. Тула: РИО ТулГУ. 1998. Ч. 2. С. 65-73.
9. Крюков В.А., Прейс В.В. Системы приводов рабочих движений автоматических роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения, 2003. № 1. С. 36-41.
10. Корнюхин И.Ф., Крюков В.А., Чепелев Г.В. Кинематический синтез роторных машин с пространственным кривошипно-ползунным приводом // Кузнечно-штамповочное производство, 1989. № 7. С. 32-33.
11. Булатова М.Н., Крюков В. А. Механические характеристики роторных машин с кривошипным приводом // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1: в 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. Ч.1. С. 48-54.
12. Крюков В.А., Прейс В.В. Теоретические основы кинематического анализа и синтеза кривошипного привода исполнительных органов технологических роторов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ. 2012. С. 21-30.
Крюков Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, проф., krHkov@iHla.net. Россия, Тула, Тульский государственный университет
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prevs@,klax.tнla.rн. Россия, Тула, Тульский государственный университет
SYSTEM OF DRIVE GEARS OF TECHNOLOGICAL ROTOR MASHINES OF THE FOOD-PROCESSING INDUSTRY
V.A.Krjukov, V. V.Prejs
Skeleton diagrammes and fields of application of engine drives of transport (rotational) driving and working-class movements of actuating devices of the curls, used in rotor mashines of alimentary productions are considered.
Key words: the rotor computer, a technological curl, an engine drive, the food-processing industry.
Krjukov Vladimir Alekseevich, Dr. Sci. Tech., the prof., krukov@iula.net. Russia, Tula, the Tula State University,
Prejs Vladimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra,, preys@klax.tula.ru, Russia, Tula, the Tula State University
Получено 25.07.2013 г.
