ВЫВОД АНАЛИТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОЕЧНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ КОНСЕРВНЫХ БАНОК Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Вывод аналитических зависимостей по определению рациональных параметров моечной машины для консервных банок

Майоров Андрей Валерьевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции, Марийский государственный университет, ao_maiorov@mail.ru

Паймакова Лиана Александровна

студент, кафедра механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции, Марийский государственный университет

liana.paymakova@gmail.com Мидяков Сергей Михайлович

студент, кафедра механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции, Марийский государственный университет, smidyakov@mail.ru

Разработанная машина для мойки посуды отличается тем, что в ней консервные банки будут погружается непосредственно в среду мойки, после чего они попадают в специальный промежуток, расположенный между гибким ободом ведущего колеса и направляющим элементом. После этого благодаря воздействию сил трения, возникающих между прорезиненным колесным ободом и банкой, банки будут двигаться по направлению, по которому происходит вращение колеса. Банки, совершая безостановочное перемещение, подаются прямо на направляющую, принадлежащую второй ванне, которая имеет полностью аналогичное устройства с направляющей первой ванны. Весь технологический процесс будет в последующем повторятся. Остатки жировых пятен с поверхности консервных банок будут окончательно удалены во второй ванне. Машина будет внедрена в техническую схему после завершения процесса уку-поривания консервных банок. Все это диктует требование, согласно которому показатели производительности этой машины должны находиться на уровне производительности предыдущих машин. С целью достижения необходимых параметров производительности, а также качества мойки консервных банок, была проведена работа для получения зависимостей, аналитического характера. Также проводилась работа по определению интервала для значений колесного диаметра машины, отвечающей за мойку консервных банок. Учитывая технические рабочие режимы данного устройства, эти параметры будут варьироваться в диапазоне от 0.5 до 0.8 метров. Ключевые слова: погружная машина, производительность, диаметр колеса, скорость банки, коэффициент буксования.

Введение

Современная пищевая промышленность с целью осуществления работы по мойке наружной поверхности консервных банок использует специальные моющие машины. Такие машины бывают различных типов, они могут быть как струйными, таки погружными или же обладать комбинированной конструкцией. Ввиду высоких параметров металлоемкости и энергоемкости такого оборудования, его применение в пищевой промышленности сопряжено с серьезными финансовыми издержками. Поэтому актуализируется необходимость создания новых, более продвинутых моечных систем, обеспечивающих возможность экономии средств при сохранении прежнего высокого уровня эффективности [1, 3, 4].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

На рисунке 1 представлена технологическая, конструктивная схема моечной машины погружного типа, которая способна обеспечить необходимое качество мойки внешних поверхностей цилиндрических металлических консервных банок [5].

Конструктивно разработанная инновационная машина представляет собой две моечные ванны (1,2). Сами ванны конструктивно разделены за счет использования специальной стенки 3. Внутри ванн помещены направляющие (4,5). Эти направляющие характеризуются особой дугоподобной формой. Их монтаж происходит выпуклой частью вниз. Стоит отметить, что у них есть функция вертикального перемещения. С помощью специальных шпилек 17, отвечающих за регулировку, эти направляющие могут фиксировать на определенной высоте.

7 4 8 9 „ 10 13

X X

о

го А с.

X

го т

о

Рисунок 1 - Конструкция предлагаемой машины для промывки банок:

1, 2 - секции моечные; 3 - стенка; 4, 5 - течки; 6 - ось; 7 -ведущее колесо; 8 - привод машины; 9 - соеденитель; 10 -ступица; 11 - ведомое колесо; 12 - ремень; 13 - подшипник; 14 - трубка с отверстиями; 15 - перелив; 16 - слив, 17 - регулировка высоты, 18 - натяжитель, 19 - объект очистки

ю

2 О

м

CS

0

CS

01

о

Ш

m

X

<

m О X X

При соблюдении симметрии приводящие колеса устанавливаются в каждую из ванн. Сами же колеса устанавливаются на валы. Они отличаются наличием гибкого обода. Колесо, которое является конструктивным элементом ванны 1, прямо связано с моторедуктором 8. Для этого используется муфта 9, вместе с валом

6, ступицей 10. Колесо, которое входит в конструкцию ванны 11, прямо связано с колесом 7. Само же колесо 7 непосредственно является частью первой ванны. Колеса связаны между собой за счет использования передачи клинременного типа 12. минимизация вероятности пробуксовывания ремня, использующегося в конструкции, достигается за счет применения механического натяжителя. На приводящем валу 6, где фиксируются жестким способом ступицы 10, принадлежащие колесу

7. Само же колесо устанавливается на подшипники. Подшипники размещаются внутри корпусов 13. Расположение колес 7 не может меняться относительно текущего положения ванны. Важно отметить факт существования технологического зазора, расположенного между гибким ободом колеса и направляющими элементами установки. Данный зазор будет равен диаметру обрабатываемых консервных банок. За счет перемещения направляющих элементов обеспечивается возможность регулировки параметров такого технологического зазора. Для этого требуется применить шпильки 17. Такой метод настройки помогает добиться нужного значения качества сцепления гибкого колесного обода 7 с внешней поверхностью обрабатываемых банок, что дает возможность мыть банки с самым разным диаметром.

С обеих боков направляющих (4,5) крепятся барбо-теры 14.

Прямо к ванне осуществляется подводка подачи холодной воды и пара, обеспечивающего ее нагрев до нужной температуры.

Расположенные в обеих ваннах направляющие (4,5) соединяются друг с другом в районе перегородки. Это формирует особый участок выпуклой формы, где одна ванна переходит в другую.

Моющая машина работает согласно следующему принципу.

Сперва осуществляется подготовка водного раствора с моющим средством. После закатки банки будут направлены на направляющую 4, являющуюся частью моющей установки. При скатывании банки автоматически погружаются целиком в моющий раствор, попадая при этом в промежуток, сформированный между гибким колесным ободом 7 и направляющим элементом 4. С помощью моторедуктора 8 чрез муфту 9, вал 6, ступицу 10 в движение приводится колесо 7, являющееся частью ванны 1.

Перемещаясь по направляющим первой ванны консервные банки направляются с моющего раствора прямо на выпуклый участок, где одна ванна плавно переходит в другую. На этом участке линии с банок стекает остаток моющего средства, а также частицы оставшихся загрязнений. Стоит отметить, что на внешней поверхности вынесенных банок возникают пленочные течения, отличающиеся повышенными показателями касательного напряжения трения. Значение этого явления достигает отметки в 4.6 H/M2. При этом, значение этого явления при нахождении банок непосредственно в моющем растворе, не будет превышать отметку в 2.1 H/M2 [5].

Банки, попадая во вторую ванную, окончательно лишаются всех остатков жировых загрязнений. После та-

кой обработки, банки будут направлены в корзину автоклава или же на специальное устройство, отвечающее за загрузку корзин автоклавов. Также допускается их подача на иное приемное цеховое устройство.

Результаты исследований

Добиться нужных показателей производительности оборудования, а также требуемого качества мойки консервных банок, можно будет за счет определения оптимальных параметров диаметра ведущего колеса, вместе с обоснованием режима его работы.

Перейдем к изучению сил, оказывающих воздействие на консервные банки, которые находятся в нижней зоне, принадлежащей направляющей, что показано на рисунке 2 [5]. Гибкий колесный обод оказывает давление на банку с силой Q. Сама же сила перпендикулярна медиальной линии контактной полосы. Движущийся момент между гибким ободом и консервной банкой Мдвж формируется благодаря работе крутящего момента колеса Мкрт. Также он возникает под воздействием формирующейся силы трения Fтрн. Эта сила непосредственно прилагается на поверхность обрабатываемых банок.

Рисунок 2 - Силы, оказывающие воздействие на консервные банки:

1 - объект очистки; 2 - течки; 3 - упругий обод; 4 - ведущее колесо; 5 - секция машины

Перейдем к определению движущего момента Мдвж. Этот момент непосредственно прилагается к банке. При этом банка будет двигаться по направляющей устройства с угловой скоростью Ю6, а также линейной скоростью V6.

Уравнение баланса мощностей [2] дает возможность получить значение движущего момента, принадлежащего одной банке:

V*

(1)

Fc

с это сила, сопротивляющаяся передвижению. Она прилагается к условной вращающейся оси консервной банки Н;

У Vб - это темп движения консервной банки, которая двигается непосредственно на направляющей, М/с;

> (Об - это параметр угловой скорости вращения консервной банки, рад/с.

Таким образом параметры силы Fс будут различаться для банок в зависимости от места их расположения на направляющем конструктивном элементе установки. При этом стоит отметить, что направляющие с дугообразной формой, будут располагаться симметричным образом относительно диаметра вертикале, принадлежащего ведущему колесу. По этой причине, средним арифметическим значением для силы Fс будет являться сила, прилагаемая на консервную банку. При этом такая банка будет размещаться в нижней точке. Это обеспечит возможность ее передвижения непосредственно по горизонтальной направляющей внутри водного моющего раствора.

Для вычисления значения силы Fс можно использовать формулу Грандвуанне-Горячкина. Это даст возможность определить значение сопротивления колес и катков силе качения. После внедрения поправочного коэффициента в, который будет учитывать перемещение консервных банок внутри раствора с моющим средством, получим следующее уравнение:

-г-к "

(2+Ч)4

(2)

Мдв=/:-0-К = г-к-:1

(4)

Я - это колесный радиус, М.

Колесный обод перемещается с небольшой пробуксовкой для обеспечения нужного качества очистки поверхности банок. Таким образом, значение окружной скорости банок в медиальной контактной зоне соприкосновения с ободом определяется следующим образом: и (5)

(к - это значение угловой скорости для ведущего колеса, находящегося в процессе вращения, рад/с;

У г/б - это значение коэффициента пробуксовки ведущего колеса.

Справедливым также будет являться следующее равенство:

Исходя из (4), (5) на выходе получаем:

Таким образом

С?)

(8)

Значение коэффициента пробуксовки для ведущего колеса будет определяться следующим выражением:

71-1) - П^ — 71- 3 -П6 7Г-В-Щ

(9)

П

это значение оборотов ведущего колеса за кон-

У Q - значение давления колес, которое осуществляется на банку, Н;

У Об - масса наполненной консервной банки, Н;

У ^ - размер диаметра консервной банки, М;

У Ь - параметры ширины банки, м;

У £ - коэффициент корректировки;

У к - коэффициент объемного сминания материала, из которого изготовлена направляющая установки, Н/М3.

Момент движения также может быть представлен в качестве силы трения. При чем такая сила трения будет формироваться в месте, где контактирует колесный обод с консервной банкой Ргрн:

ГцНгр, (3)

- это коэффициент силы трения материала, из которого изготовлен колесный обод при его контакте с поверхностью банки.

Учитывая (1), (2), (3) на выходе получаем следующее уравнение:

кретный временной отрезок ^ пб - это обороты банки, движущейся по направляющей установки за аналогичный временной отрезок ^ О - значение колесного диаметра, М.

Внедрим (б в уравнение (4), после чего на выходе получим:

г- М+в6/

Л 0-Л -

№

¿1-ъ 2-ъ-л-а-ъ)

(10)

Таким образом, скорость движения консервной банки будет равняться:

г-а Же+а-г СП)

2-Ш V ^-Ъ

Показатели производительности ванны для мойки банок определяются следующим образом:

ГГ =

3600-Уц-г-а

(12)

т - значение примени тельного коэффициента; а - коэффициент, где учитывается общее число секций в установке; I - имеющийся промежуток между консервными банками, М, (в ходе эксперимента данное значение было установлено на уровне I = 6/6, м).

Учитывая выражение (11) на выходе получаем:

г =

3600-г-сг- - О-Ц- - й)К-(1-Т]е)

1-е-¿Г

(в + ОеТ

(13)

Ь

С учетом выражения 13 перейдем к определению колесного диаметра установки для мойки консервных банок:

В = 2Я. = —

30

Ж-г + |г-<7- ¡

(14)

Исходя из выражения 14 были сформированы графики (рисунок 3), где показана зависимость значения колесного диаметра от параметров частоты вращения при

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

ю

разных показателях производительности установки для мойки консервных банок.

сч

0 сч

01

О Ш

m

X

<

m о х

X

M D-f5(n)

\ V\ D=f 4(П) D=f D-f !(H) D=f l(ll)

- -1- -

10 30 50 70 90

п, об/мни

Рисунок 3 - Зависимость параметров колесного диаметра и частотности его вращения: 0=Ъ(п) - при производительности 2000 шт/ч; й=(2(п) - при производительности 6000 шт/ч; D=fз(n) - при производительности 10000 шт/ч; D=f4(n) - при производительности 14000 шт/ч; D=f5(n) - при производительности 18000 шт/ч.

Благодаря осуществлению глубокого анализа данных, показанных на рисунке 3, удалось выявить то, что зависимость параметров колесного диаметра и частотности его вращения, отличается особым гиперболическим характером. С ростом показателей производительности установки увеличивается колесный диаметр. При этом сохраняется прежний показатель частотности вращения. Чем выше будут показатели производительности установки, тем больше будет значимость частоты вращения колеса в сравнении с параметрами колесного диаметра.

В диапазоне частот от 0 до 60 об/мин для получения параметров производительности до 18 000 штк/ч потребуется существенно повысить показатель колесного диаметра. Если частота вращения колеса будет находится в диапазоне от 60 об/мин необходимые показатели колесного диаметра будут снижены несущественным образом. Любые показатели производительности установки до 18 000 штк/ч могут быть получены при колесном диаметре в 0.71 м, путем изменения частотности вращения колеса.

С ростом параметров колесного диаметра происходит увеличение таймингов пребывания банок внутри моющего раствора. С ростом параметров частоты вращения колеса растет мощность привода. Таким образом оптимальным значением колесного диаметра является диапазон от 0.5 до 0.8 м.

Выводы

Нам удалось получить аналитические зависимости, которые позволяют точно определять значение скорости движения консервной банки по направляющему элементу установки, колесного диаметра, а также параметров производительности моченой установки. Удалось успешно определить оптимальные значения колесного диаметра от 0.5 до 0.8 м, учитывающих различные технологические рабочие режимы моющей установки.

Литература

1. Майоров, А.В. Конструкции машин для промывки поверхностей консервных банок / А.В. Майоров, Л.В. Па-кеев // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции / Мар. гос. ун-

т. — Йошкар-Ола, 2019. — Вып. XXI. — С. 536-539.

2. Макаров П. И. Определение кинетической энергии жидкости в моечной машине для промывки консервных банок / П. И. Макаров, Г. С. Юнусов, А. В. Майоров // Улучшение эксплуатационных показателей мобильной энергетики: Межвуз. сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА,

2007. - Вып.7 - С. 117-120.

3. Юнусов Г. С. Обзор существующих погружных моечных машин / Г. С. Юнусов, А. В. Майоров, Д. А. Ду-дова // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Материалы международной научно-практической конференции. - Мар. гос. ун-т. - Йошкар-Ола,

2008. - Вып. 10. - С. 337-342.

4. Юнусов Г. С. Состояние вопроса исследования очистки поверхности консервных банок / Г. С. Юнусов, А. В. Майоров // Улучшение эксплуатационных показателей мобильной энергетики: Межвуз. сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2009. - Вып.9 - С. 266-268.

5. Юнусов, Г.С. Технологии и технические средства процесса мойки наружной поверхности цилиндрических банок: монография / Мар. гос. ун-т; Г.С. Юнусов, А.В. Майоров.- Йошкар-Ола, 2011. - 120с.

Derivation of analytical dependencies for determining the rational parameters of a washing machine for cans

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

Mayorov A.V., Paymakova L.A., Midyakov S.M. Mari State University

The developed dishwashing machine is distinguished by the fact that the cans will be immersed in it directly into the washing environment, after which they fall into a special gap located between the flexible rim of the drive wheel and the guide element. After that, due to the influence of the frictional forces arising between the rubberized wheel rim and the can, the cans will move in the direction in which the wheel rotates. The cans, making non-stop movement, are fed directly to the guide belonging to the second bath, which has a completely similar device with the guide of the first bath. The entire technological process will be repeated in the future. The rest of the grease stains from the surface of the cans will be permanently removed in the second bath. The machine will be introduced into the technical scheme after the completion of the cans sealing process. All this dictates the requirement that the performance indicators of this machine should be at the level of performance of previous machines. In order to achieve the required performance parameters, as well as the quality of washing cans, work was carried out to obtain dependencies of an analytical nature. Also, work was carried out to determine the interval for the values of the wheel diameter of the machine responsible for washing cans. Taking into account the technical operating modes of this device, these parameters will vary in the range from 0.5 to 0.8 meters.

Keywords: submersible machine, productivity, wheel diameter, can speed,

slip coefficient. References

1. Mayorov, A.V. Constructions of machines for washing the surfaces of cans / A.V. Mayorov, L.V. Pakeyev // Topical issues of improving the technology of production and processing of agricultural products: Mosolovskie readings: materials of the international scientific and practical conference / Mar. state un-t. - Yoshkar-Ola, 2019. - Issue. XXI. - S. 536-539.

2. Makarov PI Determination of kinetic energy of liquid in a washing machine for washing cans / PI Makarov, GS Yunusov, AV Mayorov // Improvement of operational indicators of mobile power engineering: Interuniversity. Sat. scientific. tr. - Kirov: Vyatka State Agricultural Academy, 2007. - Issue 7 - P. 117-120.

3. Yunusov GS Review of existing submersible washing machines /G. S. Yunusov, A. V. Mayorov, D. A. Dudova // Topical issues of improving the technology of production and processing of agricultural products: Materials of the international scientific and practical conference. - Mar. state un-t. - Yoshkar-Ola, 2008. - Issue. 10. - S. 337-342.

4. Yunusov G. S. State of the issue of research of cleaning the surface of cans / G. S. Yunusov, A. V. Mayorov // Improvement of operational indicators of mobile energy: Interuniversity. Sat. scientific. tr. - Kirov: Vyatka State Agricultural Academy, 2009. - Issue 9 - S. 266-268.

5. Yunusov, G.S. Technologies and technical means of the process of washing the outer surface of cylindrical cans: monograph / Mar. state un-t; G.S. Yunusov, A.V. Mayorov. - Yoshkar-Ola, 2011. - 120s.