ПАКУВАЛЬНЕ ОБЛАДНАННЯ

Пристрої формування упаковки

На основі аналізу технологічних схем формування упаковки із рулонних термозварних матеріалів виділені типові конструктивні елементи пристроїв формування упаковки (рис. 4.20).

Наведені схеми формувальників упаковки застосовуються в машинах як вертикального, так і горизонтального типу.

Конструювання пристроїв формування упаковки для машин горизон­тального типу має дещо спрощені теоретичні передумови, тому аналіз па­раметрів розпочнемо саме з них.

Пристрої формування плоских складених пакетів (тришовних, або типу «дой-пак») (рис. 4.21, а)

Цей пристрій симетричний, і характерними параметрами його є: 2b — ширина стрічки; b — висота пакета; а — кут нахилу формоутворюючої поверхні до горизонту, приймається в межах а = 20 -30°; /3 — кут при вершині формоутворюючої поверхні, який можна визначити як

tgfi = b/a, (4.48)

де а — відстань між точками D і С.

Із рис. 4.21, а видно, що sin а = b/а, тобто sin a=tgb, а

Р = arctg sin а. (4.49)

Задавши значення кута а, визначають кут 2/1 Для зменшення сил тертя рекомендують приймати кут /3 < 30°. Шляхом експериментальних досліджень можна підібрати найбільш оптимальне для конкретного пакувального матеріалу значення кута /3. У реальних конструкціях машин бажано передбачити, щоб кут /3 був регульованим.

Довжину формувального пристрою можна визначити за формулою:

h = fcmax • cosec а + Ah, (4.50)

де fomax—відстань від горизонтальної площини до розташування напрямного ролика; Ah -— технологічний зазор (30-50 мм).

Пристрій формування U-подібного розімкненого жолобу (рис. 4.21,6)

Вихідними даними для проектування є ширина плівки (стрічки) 2Ь ширина жолобу 2R задається відповідно до геометричних розмірів упаковки (можливо поштучної продукції). Виходячи з конструктивних особливостей упаковки радіус заокруглення жолобу можна приймати в межах R = (0,4-0,6) Ь. Як і для попередньо розглянутої конструкції пристрою, кут нахилу формувальної поверхні до горизонту приймають у межах а = 20...30°. Основний параметр, що потрібно визначити, є відстань 1 до центра кривизни жолобу:

/,</</2, (4.51)

або

lR < 1 < (зr/2)R. (4.52)

Із геометричних співвідношень можна визначити:

а = b/sin а = b • cosec а, (4.53)

b = arctg (в/(а • cos а)) = а. (4.54)

Пристрій формування U-подібного замкненого жолобу (рис. 4.21, в) Даний пристрій за конструктивним виконанням подібний до пристрою

337

наведеного на рис. 4.21, б, а тому методичні підходи до визначення основних геометричних параметрів адекватні. Поряд із цим за результатами досліджень пропонують приймати значення основних параметрів у таких межах: а = 5... 12°; R = (0,1.. .0,3) Ь т = 15.. .20 мм (величина повздовжнього згину напрямної).

Пристрій формування вертикального рукава може бути виконаний на основі роликових напрямних і напрямної площини у вигляді комірця. Схема формування вертикального рукава за допомогою напрямних, виконаних у вигляді роликів (рис. 4.22) потребує значно більшої висоти пристрою формування упаковки. Поряд із цим, це один із вдалих варіантів формування упаковки із жорстких комбінованих матеріалів (на основі картону), які не бажано перегинати. Конструювання таких пристроїв зводиться до пошуку раціональних параметрів, за якими буде мінімізоване зусилля протягування матеріалу.

Дещо складніше вирішуються питання конструювання пристроїв з комірцями. Основною їх перевагою є мінімізація висоти пристрою.

В основу принципу формування заготовки упаковки в даному пристрої покладено безперервне формування ру­кава із плівки шляхом її перетягування через нерухомі формоутворюючі при­строї — рукавоутворювачі. Конструю­вання подібних пристроїв здебільшого здійснюється на основі експерименту, або у рідкісних випадках методами набли­жених розрахунків, що не забезпечує в повній мірі виконання потрібної форми і правильного поєднання робочих елементів рукавоутворювача, а також є основною причиною нерівномірного натягу плівки, появи на ній згоргок і розривів. Це можна пояснити недостатньою інформованістю розробників пакувального обладнання про наявність відповідного теоретичного підґрунтя. Результати наукових праць, присвячених даним питанням, опуб­ліковані в дисертаціях і малодоступних

матеріалах міжнародних наукових „ ..

1 г. Рис. 4.22. Формування пакета з
проектуваннятакихпристроїв. Нарис. 4.23наведеносхемурукавоутворювача, який забезпечує формування рукава з круглим поперечним перерізом (найширше застосовується у пакувальному обладнанні). Рукавоутворювач складається з вертикальної труби 1, форма поперечного перерізу якої визначає форму рукава, і напрямної поверхні 2, а лінія їх перетину — це формувальний контур 3. Напрямну поверхню інколи називають «комірець», або «козирок». Для накладання кінців згорнутої в рукав плівки (унапустку) в пристрої присутні язички 4, які обмежуються кривою формувального контуру. Важливу роль у роботі рукавоутворювача відіграють конфігурація формувального контуру 3 і поверхня комірця 2. Основні параметри рукавоутворювачазалежатьвідвластивостейпакувального матеріалу, форми упаковки, реологічних властивостей продукції, величини дози продукції і т. ін. Цими факторами пояснюється наявність широкої конструктивної гами рукавоутворювачів. Сьогодні найбільш широко застосовують два способи виготовлення рукавоутворювачів: спосіб відливання і спосіб згинання.

При виготовленні рукавоутворювачів будь яким способом, потрібно знати криву формувального контуру і конфігурацію напрямної поверхні комірця.

Рукавоутворювач потрібно розраховувати і виготовляти таким чином, щоб плівка пакувального матеріалу, який змотується із рулону, прилягала до напрямної поверхні комірця 2 і труби 1 і проходила через формувальний

контур 3 без появлення згорток або розривів. Для цього потрібно, щоб виконувалася основна умова рівномірного натягу плівки пакувального матеріалу по усій її ширині:

(4.55)

де z — апліката точки С, що знаходиться на формувальному контурі рукавоутворювача;

/0 = АВ — довжина відрізка прямої, що з’єднує початкову точку В кривої формувального контуру з точкою А, яка є перетином крайки MNкомірця і площини, перпендикулярної до цієї крайки, і проходить через початкову точку В (площина XOZ);

І = ОС—довжина геодезичної кривої, яка лежить на напрямній поверхні комірця і з’єднує прийняту для дослідження точку С із точкою В на крайці комірця;

ВВ{ — довжина проекції дуги кривої В С на поперечний переріз груби рукавоутворювача (в даному випадку циліндра). Другою умовою якісного утворення рукава із плівки є наявність у напрямній поверхні комірця плоского елементу, який прилягає до вершини труби рукавоутворювача, тобто до точки, яка є верхнім кінцем максимальної твірної іруби рукавоутворювача.

Умова (4.55) буде виконана, якщо поверхні комірця і циліндричної частини труби будуть розгорнутими, а лінією поділу цих поверхонь на спільній розгортці є лінія формувального контуру.

Властивості розгорнутих поверхонь (тобто циліндричних, конічних або таких, що визначаються геометричним місцем дотичних безперервної просторової кривої) досліджуються в області диференціальної геометрії. Відомо також, що подвійні комбінації розгортних поверхонь, які перетинаються, можна розгортати в суцільний лист без напустки, якщо стична площина у будь-якій точці кривої перетину буде ділити навпіл двогранний кутміж дотичними площинами прийнятих розгортних поверхонь у цій точці. Таких комбінацій розгортних поверхонь може бути безмежна кількість, а тому неможливо математично описати конкретну конфігурацію такої поверхні. При виконанні розрахунків рукавоутворювачів одна з розгортних поверхонь задана або відома. Здебільшого це конфігурація труби, тобто поперечний переріз рукава. Таким чином, використання властивостей розгортних поверхонь дає можливість за прийнятої кривої перетину, тобто кривої формувального контуру, визначити конфігурацію розгортної поверхні комірця. Крім цього, під час конструювання рукавоутворювачів виникає потреба використовувати комбінації не тільки подвійні, але із

будь-якої кількості розгортних поверхонь. А тому крива формувального контуру повинна відповідати додатковим умовам. В області розробки теорії, методів конструювання і технології виготовлення рукавоутворювачів для пакувального обладнання відомі наукові праці таких вчених: О. М. Арапова, В. Ю. Жидоніса, В. М. Трубнікова, А. А. Марчукайтене, М. Frenzel, J. Корр, К. Р. Linow, D. R. Middour та ін.

Теоретичні наробки в області розрахунків рукавоутворювачів умовно можна поділити на два напрями. Перший: розраховується крива формувального контуру, а конфігурація напрямної поверхні комірця визначається або числовим методом, або експериментальним. Другий: задається вид напрямної поверхні комірця, а крива формувального контуру визначається із умови, що відповідні контури комірця і труби рукавоутворювача на загальній розгортці повинні співпадати. Як встановлено дослідженнями В. Ю. Жидоніса, перший напрям теоретичних розробок охоплює найбільш загальні випадки і розроблена теорія прийнятна для застосування під час проектування широкого кола рукавоутворювачів. Другий напрямок є частковим випадком, але розроблена теоретична база є правильною і може бути використана для практичного застосування.

Як приклад на рис. 4.24 наведено розгортку комірця, одержану за умов: труба виконана у вигляді циліндра, а крива перетину циліндричної поверхні і комірця має вигляд параболи. Для прийнятих вихідних даних одержані такі залежності:

Z (rj) = (квІл2) • в - Ф2, (4.56)

де в — ширина рукава, визначається як в = ж • г;

г — радіус внутрішньої по верхні циліндричної частини рукаво­утворювача;

кв ~Z(Je;z0— апліката максимального значення координати Z на формувальному контурі;

<р — поточне значення кута змінення положення радіус-вектора г у поперечному перерізі циліндра.

Для заданої конфігурації рукавоутворювача максимальне значення кута нахилу плоского елементу комірця до поверхні труби можна визначити за виразом:

а = arcsin (2кв! ах) + arcsin [(/св/а,) - (я(1 + /:,))/(3 • &,)], (4.57)

де ах = л2 + 4кв2', к, = t/e; кх = /</в; t — технологічне подовження крайки комірця MV відносно ширини плівки — 2в.

Наведений приклад є найпоширенішим. Для більш складних конфігурацій поперечного перерізу труби (овал, прямокутник тощо) застосовується складний математичний апарат, який поіребує застосування ПЕОМ. На кафедрі технічної механіки і пакувальної техніки Національного університету харчових технологій розроблена програма для ПЕОМ, що дозволяє за заданих даних одержувати креслення розгортної поверхні рукавоутворювача.

Не менш доречним є застосування теорії рукавоутворювача при конструюванні багатопотокових рукавоутворювачів з будь-якою формою рукава з одного рулону пакувального матеріалу. Комірець таких рукавоутворювачів складається з композицій плоских і циліндричних елементів.

Кут /3 (рис. 4.25) плоского елементу при вершині, що лежить у площині YOZ, можна приймати таким, щоб твірна другої циліндричної поверхні комірця була паралельна площині YOZ. Тоді прямолінійні твірні комірця будуть паралельними і така циліндрична поверхня може скласти всю іншу частину поверхні комірця багатопотокового рукавоутворювача. Криву формувального контуру багатопотокового рукавоутворювача можна визначити за формулою:

z(r!) = C4+C,.r] + Cl - у(т]) - С2 • л(і7); (4.58)

де С, = 1 tgft/( 1 + cos а); С2 = sin «/(1 + cos а); С3 = - С,;

С4 = 0,5 • d2X • С2, х(ї]), y(rj) — координати відповідної точки кривої формувального контуру відносно парамеїру г)

г] — довжина дуги труби від початкової точки В0

0,5 • d2i, — частина осі ОХ, обмежена віссю OZ і початковою точкою В0;

а, Р — кути плоского елемента при вершині рукавоутворювача.

Кут/3, плоского елемента 4 (рис. 4.25) можна визначити:

tg/31 = (sin а( 1 + cos a + sin a • tgfi + tg2fi))/

/((cos a( 1 + cos a + sin a • tgfi + tg2fi) + tg2(5). (4.59)

Комірець складається з опуклої і вигнутої частин, а тому для утримання плівки в деяких місцях потрібно встановлювати притискні елементи або інші додаткові пристосування. Наведений аналіз конструктивних виконань пристроїв формування упаковки із рулонних термозварних пакувальних матеріалів, а також методик їх розрахунку дозволяє ефективно застосовувати науково обгрунтовані методики створення і вдосконалення таких пристроїв. Поряд із цим розроблені конструкції пристроїв потребують додаткової перевірки для мінімізації зусиль, необхідних для протягування плівки через (Ьоомоутвооювачі з упахуванням систем подачі і режиму роботи машини.

Для значної кількості пакувальних машин такого типу проблема якісного та точного зварювання пакувальних матеріалів є однією із важливих поряд із операціями дозування і фасування.

Основні способи зварювання полімерних плівок можна поділити на дві групи. До першої групи належать способи зварювання, в яких використовується передача тепла в зону зварювання від зовнішніх теплоносіїв. Це зварювання різноманітними нагрівальними інструментами. Присадними матеріалами і газовими теплоносіями з передачею тепла поверхні, що зварюється, за рахунок конвекції, теплопровідності і часткового тепловипромінювання. До них належать термоконтактний і термоімпульсний способи зварювання, також зварювання гарячим газом. До другої групи належать способи зварювання, в яких тепло генерується всередині зони зварювання, за рахунок перетворення різних видів енергії від зовнішніх джерел у тепло. Це зварювання інфрачервоним випромінюванням, ультразвуком, тертям і токами високої частоти.

За результатами проведеного аналізу типових конструктивних схем пакувального обладнання встановлено, що у 91-93 % машин застосовується термоконтактне та термоімпульсне зварювання плівки. Однак під час створення, на перший погляд, достатньо відомих конструктивних схем таких пристроїв виникає ряд складнощів, які потрібно вирішувати в комплексі задач, які стосуються функціонування всієї машини. В перелік таких задач входить:

• забезпечення достатньо високої продуктивності;

• значне варіювання значень параметрів зварювання за мінімальних витрат часу на переналаштовування машини;

• застосування широкого асортименту плівкових матеріалів;

• мінімізація впливу продукції на якість зварного шву;

• точність зварювання і відрізування тощо.

Розроблення і представлення необхідних рекомендацій щодо проектування та експлуатації вище зазначених пристроїв поіребує досить глибокого аналізу існуючих конструкцій, методик розрахунку та узагальнення одержаних результатів, а також проведення додаткових досліджень.