Научная статья на тему 'Система приводов технологических роторных машин пищевой промышленности'

Система приводов технологических роторных машин пищевой промышленности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
893
138
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РОТОРНАЯ МАШИНА / ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РОТОР / МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД / ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ / THE ROTOR COMPUTER / A TECHNOLOGICAL CURL / AN ENGINE DRIVE / THE FOOD PROCESSING INDUSTRY

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Крюков В. А., Прейс В. В.

Рассматриваются структурные схемы и области применения механических приводов транспортного (вращательного) движения и рабочих движений исполнительных органов роторов, используемые в роторных машинах пищевых производств.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Крюков В. А., Прейс В. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SYSTEM OF DRIVE GEARS OF TECHNOLOGICAL ROTOR MASHINES OF THE FOOD PROCESSING INDUSTRY

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.

Текст научной работы на тему «Система приводов технологических роторных машин пищевой промышленности»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.