CC BY
7
УДК 664.95:621.798.4(088.8)
Повышение эффективности работы укладочных машин для автоматизированных
рыбоконсервных линий
Чл.-кор. МАХ А.С. ГОРЛАТОВ
Калининградский государственный технический университет
On the example of a rotor can-packing machine for automatic canned fish line it is shown that in a series of operations of a layer-by-layer putting of pieces into the containers the limiting operation is that of formation of the layer of pieces on the hatcher.
The ratio of the time of forming of the layer of items to the working cycle of the packing machine can be taken as a determining parameter. This parameter can serve as a characteristic of the optimum process of a layer-by layer packing of pieces and the indicator of the presence or absence of the potential for increasing the efficiency of the operation of the packing machine.
Производительность укладочных машин, применяемых в различных отраслях промышленности, является важным показателем, определяющим степень их соответствия уровню развития производства. В полной мере этот показатель применим для оценки совершенства укладочных машин с любой структурой кинематической цепи. Следует отметить, что поиск наилучшего варианта конструкции укладочной машины представляет собой задачу многокритериальной оптимизации, выполнение которой связано с глубокими проработками и, как правило, ограниченными сроками ее решения. В таких условиях конструктор может более оперативно рассчитать производительность или иной показатель совершенства машины в функции лимитирующей операции, отбраковывая при этом факторы, слабо влияющие на величину и характер функции.
Рассмотрим в качестве примера роторную (карусельную) банкоукладочную машину, используемую в автоматизированной рыбоконсервной линии. Целесообразность применения машин такого типа в автоматизированных линиях определяется их высокой производительностью и большими возможностями увеличения производительности. В рыбоконсервном производстве традиционно используется мелкая консервная тара, поэтому производительность линий в штучном измерении (банок/мин) оказывается в 3 - 4 раза выше линий, выпускающих, например, овощные, мясные или мясорас-тительные консервы, при одинаковой с ними производительности по массе продукта [1-3]. Очевидно, что выявление имеющихся резервов производительности роторных укладочных машин является важной технической задачей.
Укладочная машина роторного типа выполняет за полный оборот ротора следующие операции: образование слоя изделий на формирователе питателя, съем этого слоя и перенос его захватом в позицию укладки, за-
грузку слоя изделий в ящик, вывод захвата из ящика и возвращение его в рабочее положение, подачу прокладки на уложенный в ящик слой изделий, опускание ящика на шаг, равный высоте слоя изделий. При наличии в укладочной машине нескольких захватов перечисленные операции последовательно повторяются. Каждая операция совершается за время некоторого дугового пути ротора. Все операции выполняются в указанной последовательности, однако образование слоя изделий на формирователе совмещено по времени с остальными операциями [4-6].
Производительность роторной укладочной машины можно определить по формуле
в = 60 пги = 60ооги/(2я), (1)
где О - производительность, банок/мин; п - частота вращения ротора, с-1; г - число захватов; и - число изделий (банок) в слое; м - угловая скорость ротора, рад/с. Оценивая влияние независимых переменных п, г, и на производительность машины, в соответствии с формулой (1) отметим следующее:
при постоянных значениях г и и изменение частоты вращения ротора, несущего захваты, приводит к изменению производительности и периода рабочего цикла;
при постоянных значениях л и и изменение числа захватов также приводит к изменению периода рабочего цикла и производительности;
при постоянных значениях пиг изменение числа изделий влияет на производительность укладочной машины, но не влияет на период рабочего цикла.
Для укладочной машины критерием оптимизации могут служить: увеличение частоты повторения рабочих циклов, определяющих производительность; точность укладки, с повышением которой снижаются вне-
Раздел 2. ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
41
цикловые простои машин и растет производительность; минимальные энергозатраты на укладку при заданной производительности, т.е. выполнение процесса при минимальном движущем моменте на валу привода.
Опыт эксплуатации укладочной машины в рыбоконсервном производстве показал, что лимитирует уменьшение периода рабочего цикла и соответственно ограничивает повышение производительности операция образования слоя банок на формирователе [7]. Время выполнения данной операции зависит от конструкции питателя и схемы расположения изделий в слое. При наиболее распространенной в рыбоконсервных линиях схеме укладки 3x4 банки в слое питатель, включающий накопитель, ворошитель и формирователь, работает весьма эффективно, обеспечивая формирование слоя из 12 банок за 2,5 с.
Производительность роторной укладочной машины, выраженную через период рабочего цикла, определяем по формуле
в = вОги/т = 60м/хр, (2)
где х - продолжительность одного оборота ротора (время кинематического цикла), с; тр - период рабочего цикла (хр = х/г), с.
С учетом подчиненности рабочего цикла времени образования слоя банок на формирователе питателя формулу (2) представим как
С = 60г|м/Тф, (3)
где Г] - параметр, характеризующий полноту использования времени формирования слоя в периоде рабочего цикла, г) = Хф / хр;
Хф - время образования слоя на формирователе, с.
Параметр Т| удовлетворяет условию Г| < 1, при Г| = 1 формула(3) принимает вид
G = 60 и / X
Ф-
(4)
Равенство (4) определяет условия, при которых максимально используется скорость исполнительных механизмов укладочной машины и обеспечивается возможность ее функционирования при наибольшей производительности. Иначе говоря, равенство хр = Хф соответствует укладочной машине, структура кинематической цепи которой способна обеспечить укладку при минимально допустимом периоде рабочего цикла. Очевидно, что при агрегатировании укладочной машины с эффективно работающим питателем параметр т| может служить характеристикой оптимального уровня процесса укладки изделий в тару.
Из формул (1) и (2) следует, что при и = const соответствующая производительность укладочной машины может быть достигнута при различных значениях п и z, поскольку хр = Mnz. Следует отметить, что параметры п и z неравнозначно влияют на работоспособность укладочной машины. Так, при м= 12,z = 4 и хр = 2,5 с производительность G = 288 банок/мин обеспечивается машиной при частоте вращения ротора п = 0,1 с"1 (6 об/мин). При
том же времени рабочего цикла указанную производительность можно обеспечить машиной с одним захватом при z = 1. Частота вращения ротора при этом составит п = 0,4 с"1 (24 об/мин), т.е. будет в 4 раза больше. Увеличение скорости ротора негативно сказывается на работоспособности исполнительных механизмов машины, что приводит к снижению частоты повторения рабочих циклов из-за внецикловых простоев, соответствующему уменьшению производительности и ухудшению качества укладки изделий.
Графики функции G = ДХф,Г),м), полученные при значениях Хф от 2 до 8 с для постоянных шаговых значений г) от 0,4 до 1 и при и = 12 = const, представлены на рисунке. Анализ графиков показывает, что укладочная машина может обеспечивать заданную производительность при различных значениях Г|. При оптимальном значении Г| работоспособность механизмов машины используется максимально. Так, при времени формирования слоя хр = 2,52 с и Г| = 0,7 производительность укладочной машины достигает 200 банок/мин, при этом период рабочего цикла составляет хр = 3,6 с. Указанную производительность можно иметь при таком же значении хр в интервале Хф 2,52..3,6 с и Т| соответственно 0,7... 1. Иными словами, заданную производительность укладочной машины можно обеспечить при менее высоком уровне интенсификации процесса формирования слоев, т.е. при меньших энергозатратах на работу питателя.
G, изделий /мин
300
200
100
О
{
\
У2
3 /
4 5
6 7
2 4 6 тф, с
Зависимость функции G =/(\^,г\,и) от тф при различных значениях т):
1 - 1,0; 2 -0,9; 3 - 0,8; 4 - 0,7; 5 - 0,6; 6 - 0,5; 7- 0,4
С другой стороны, увеличение параметра Т) при Тф = const приводит к росту производительности укладочной машины за счет уменьшения времени рабочего цикла. Увеличение производительности при этом особенно заметно в интервале эффективного формирования слоев: при Тф = 2,5...5 с. Например, при Тф = 3 с и т] = 0,6 время рабочего цикла составляет тр = 5 с, а производительность машины - 144 банки/мин. Притом же значении Тф параметр Г| можно увеличить до rj = 1, а это приведет к уменьшению периода рабочего цикла до тр = 3 с и повышению производительности укладочной машины до 240 банок/мин. Очевидно, что при малых значениях Тф создается потенциал, или резерв, возможного повышения производительности укладочной машины за счет интенсификации процесса укладки изделий в тару.
Следует отметить, что в роторных укладочных машинах уменьшить время рабочего цикла до Тф бывает нередко трудно из-за несовершенства исполнительных механизмов, обеспечивающих при непрерывном вращении ротора подачу и укладку изделий в ящик и выход захвата из ящика, занимающего фиксированное положение. Поэтому повышение производительности роторных укладочных машин должно идти по пути совершенствования их исполнительных механизмов.
В аспекте выраженного влияния параметра Т| на работоспособность укладочной машины определим цикловую производительность машины как функцию частоты вращения ротора. Запишем полный дифференциал функции производительности
,„ dG j dG j dG dG =—dn +— dz+ — du dn dz du
(5)
С учетом первичных ошибок получаем выражение
(6)
dG л dG к dG AG = — An + — Az + — Au. dn dz du
где Ап, Аг, Аи - первичные ошибки в определении параметров соответственно п, г, и. Частные производные при первичных ошибках составляют:
—- = — (60 nzu) dn dn
= —(60/jzm)
dz dz
■ 60zu ; dG
(7)
(8)
0; — = —(60пги) = 0-du du
Выражение (6) примет вид
АС = бОгиАп. (9)
Цикловая производительность укладочной машины составит
= в ± АО = 60 пги ± 60 гиАп, (10)
где Сц- цикловая, или теоретическая, производительность укладочной машины;
С - производительность укладочной машины, определенная по формуле (1);
AG - максимальная ошибка в расчете производительности укладочной машины при первичной ошибке An в определении частоты вращения ротора и постоянных значений аргументов zw и. В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
• параметр Т|, равный отношению времени операции формирования слоя к периоду рабочего цикла укладочной машины, может служить характеристикой оптимальности процесса укладки изделий в тару и показателем наличия или отсутствия потенциала для повышения эффективности работы машины;
• наибольший прирост производительности укладочной машины за счет увеличения параметра Г| достигается при времени формирования слоя от 2 до 5 с, при этом чем меньше время формирования слоя, тем больше прирост производительности;
• интенсификация процесса образования слоев изделий на формирователе при постоянном времени рабочего цикла укладочной машины (тр = const) способствует образованию потенциала для последующего повышения производительности машины путем увеличения параметра Г| и соответствующего уменьшения периода рабочего цикла.
Список литературы
1. Горлатов A.C. Сравнительная оценка банкоукладоч-
ных машин // Технол. процессы и оборуд. рыбообрабатывающих предприятий Западного бассейна: Сб. науч. тр. КТИРПХ. - Калининград. 1978. Вып. 76.
2. Горлатов A.C. Анализ производительности технологических машин карусельного типа // Исслед. судового холодильного оборуд.: Сб. науч. тр. КТИРПХ. -Калининград. 1980. Вып.88.
3. Горлатов A.C. Повышение производительности тех-
нологических поточных линий // Совершенствование механизмов и машин рыбообрабатывающих произв.: Сб. науч. тр. КТИРПХ. - Калининград. 1985.
4. Горлатов A.C. Роторная банкоукл ад очная техника // Изв. вузов СССР. Пищевая технология. 1990. № 5.
5. Горлатов A.C. Совершенствование банкоукладоч-ных машин для рыбоконсервного производства // Совершенствование процессов, машин и аппаратов рыбоперерабатывающих произв.: Сб. науч. тр. КТИРПХ. - Калининград. 1992.
6. Горлатов A.C. Анализ работы автомата для укладки штучных изделий в тару // Современные технологии и оборуд. для перераб. гидробионтов: Сб. докл. науч.-техн. конф. МГАРФ. - Мурманск, 1994.
7. Горлатов A.C. Разработка устройств, имитирующих
функции рук человека // Совершенствование процессов, машин и аппаратов пищ. произв.: Сб. науч. тр. КГТУ. - Калининград. 1995.
