ПАКУВАЛЬНЕ ОБЛАДНАННЯ

Класифікація та влаштування вагових дозаторів

Найбільш суттєва класифікаційна ознака, заякою можна класифікувати ваговий дозувальний пристрій, є тип зважувальних механізмів (систем). Зважувальні системи бувають:

• важільні, важільно-пружні;

• тензометричні;

• індукційні;

• вібраційно-частотні.

В сучасних зразках пакувального обладнання все ширше знаходять застосування нові технології зважування, що базуються на застосуванні мікропроцесорів, комп’ютерних технологій контролю і керування за формуванням дози.

За видом сигналу дистанційної передачі інформації і керування дозатори поділяють на: аналогові; дискретно-цифрові тощо.

Не менш важливою характеристикою є спосіб розвантаження зважувальної ємності. їх поділяють на такі, де:

• дно бункера у вигляді заслінки відкривається;

• зважувальна ємність перекидається;

• зважувальна ємність обертається.

Найбільш широке застосування в дозаторах вагового типу знайшли зважувальні ємності із відкидною заслінкою (рис. 3.21). В таких кон­струкція зважувальних ємностей керують режимом роботи заслінки індивідуальні приводи (пневмоцил і і ідри, електромагніти).

До недоліків такої схеми розвантаження ємностей можна віднести: наявність додаткового приводу; збільшення тривалості операціїдозування на час закриття і відкриття заслінки, а також спрацювання системи керування; у випадку обезживлення приводу потрібно передбачити додаткові механізми блокування.

Вконструкціїзважувальноїємності, вякійрозвантаженняздійснюється за рахунок її обертання, деякі з перерахованих недоліків усунуті. Типова схема такої зважувальної ємності наведена на рис. 3.22.

Зважувальна ємність виконується у вигляді лопатевого ротора. Між лопатями розміщається продукція. Напівосі ротора встановлюють в пази тензометричної балки або іншої зважувальної системи. По завершенню формування дози приводом (пневмоелектропривід) надається обер­тальний рух ємності.

Рис. 3.22. Типова схема зважувальної ємності з розвантаженням за рахунок її обертання: 1 — ротор з лопатями; 2 — напіввісь; 3 — опора з пружним елементом; 4 — лійка

Зважувальна ємність обертається на кут розташування лопатей. При цьому простір між новою парою лопатей готовий до заповнення продукцією, а попередньо дозована продукція по похилій площині- лопаті переміщається в продуктопровід і в упаковку. Обертальний рух ємності зменшує тривалість її випорожнення і тим самим є резерв для підвищення продуктивності.

Серед недоліків: збільшені геометричні розміри і витрати енергії; зношування пар тертя під час обертання; важко створити умови герметичності.

Найбільш невдалою є система розвантаження зважувальної ємності за рахунок її перекидання (рис. 3.23).

Конструктивно ємність виконана таким чином, що її центр ваги зміщується. У випадку наповнення (рис. 3.23, а) зважувальної місткості продукцією центр ваги зміщується в сторону закріплення заслінки 2, що створює обертальний момент відносно опори 3. По завершенню формування дози за командою системи керування виключається блокувальний механізм і місткість обертається на 90°. Відкривається заслінка і продукція висипається. Центр ваги по мірі випорожнення переміщається в протилежний бік, тим самим ствоюючи момент для повернення місткості в початкову позицію. До недоліків такої конструктивної схеми можна віднести:

• неповне випорожнення місткості, особливо з важкоплинною продукцією;

Рис. 3.23. Схема розвантаження зважувальної місткості за рахунок її перекидання: а) заповнення; б) випорожнення: 1 — місткість; 2 — заслінка; З — опора

• перекидання супроводжується ударами, що руйнує систему зважування;

* значна інерційність пристрою, що впливає на тривалість циклу і тим самим на продуктивність пристрою.

Існують вдосконалені конструкції такої системи розвантаження (застосування індивідуальних приводів), але і в них є значні недоліки в порівнянні з раніше наведеними схемами.

Дозувальні пристрої вагового типу поділяють також за компонуванням — лінійне, карусельне і за конструктивним виконанням живильників (стрічкові, шнекові, тарілчасті, вібраційні, барабанні, лопатеві і т. ін.).

Живильники призначені для рівномірної із заданою інтенсивністю подачі продукції до зважувальної ємності.

Стрічкові живильники мають в основі короткі стрічкові конвеєри, що приводяться в рух покроковими електродвигунами. Покрокові двигуни забезпечують різну інтенсивність потоку продукції. На рис. 3.24 наведена характерна схема стрічкового живильника.

Регулювання інтенсивності потоку продукції також можна за­безпечувати заслінкою 2. Для пилоподібної продукції жолоб викону­ють закритим, а для легкосипкої — відкритим. В пакувальних машинах стрічкові живильники встановлюються горизонтально або під незначним кутом в сторону зважувальної місткості.

Інтенсивність або продуктивність живильника визначають:

Q = 3600 • F ■ vK ■ у/ - р • ks, (3.45)

Рис. 3.24. Схема стрічкового живильника: I — бункер-накопичувач; 2 — регулювальна заслінка; 3 — приводний барабан; 4 — натяжний барабан; 5 — випускний патрубок; 6 — жолоб

де F— площа поперечного перерізу жолоба живильника, (м2).F = b h; b, И — ширина і висота поперечного перерізу жолоба; vK — лінійна швидкість переміщення продукції, приймають рівною швидкості стрічки vc живильника, (м/с);

ц/ — коефіцієнт заповнення жолоба продукцією, визначають

И, .

ц/ ——; я, — рівень продукції в жолобі; h

k3 — коефіцієнт нерівномірності заповнення жолоба продукцією по його довжині L.

Потужність привода живильника визначимо із формули:

(3.46)

де /V, — складова потужності, що визначається за класичними

W — тягове зусилля на приводному барабані конвеєра, визначається методом обходу по контуру конвеєра;

N2 — складова потужності, що витрачається на подолання сил тертя продукції по нерухомих напрямних жолоба;

к. т — загальний коефіцієнт запасу, враховує можливі затори, подріб­нення твердих частинок продукції, тощо, приймають к1п ~ 1,2-1,5. Складову потужності N2 можна визначити:

(3.47)

де Р2 — сила опору переміщенню продукції вздовж нерухомих напрямних.

Так як напрямні є по обидва боки, Р2 визначається:

(3.48)

де р„ — тиск сипкої продукції на вертикальну стінку жолоба, можна визначити [6] як:

(3.49)

L — довжина робочої зони живильника;

/' — коефіцієнт тертя ковзання сипкої продукції по напрямних

жолоба.

Вібраційні живильники використовують для транспортування як сипкої, так і штучної продукції до пакувального обладнання та безпосередньо для подачі у дозатор. Характерною особливістю широкого використання вібраційних живильників у пакувальному обладнанні є висока рівномірність подачі сипкої продукції, легка керованість транспортним потоком (можливість швидкої зупинки) та можливість регулювання товщини шару продукції. Робочий орган (лоток) живильника здійснює низько - або високочастотні коливання.

В залежності від частот коливання живильники поділяють на: інерційні; вібраційні та інерційно-вібраційні.

Інерційні пристрої працюють таким чином, що вантаж, який переміщається, проковзує по поверхні лотка без відриву від нього.

Вібраційні характеризуються коливаннями, в яких нормальна складова максимального прискорення лотка більше складової сили тяжіння. За цих умов вантаж відривається від поверхні лотка і протягом відповідної частини періоду коливань переміщається в стані направленого мікрокидка.

Інерційно-вібраційні пристрої поєднують два режими руху в один — спочагку кидок, а потім ковзання за один період коливання.

Основним недоліком інерційних пристроїв є: прискорене зношування елементів лотка; нерівномірність значень сил тертя, що сприяє значному коливанню динамічних навантажень; великі витрати енергії; складність

керування продуктивністю. Вібраційні пристрої мають такі переваги: відносно малі витрати енергії на переміщення продукції; пристрій працює в сталому режимі роботи. На рис. 3.25 наведена типова схема вібраційного живильника.

Вібраційний живильник працює таким чином: лоток 3 встановлюється

Рис. 3.25. Схема вібраційного живильника: 1 — бункер-накопичувач; 2 — регульована заслінка; 3 — лоток; 4 — пружні елементи; 5 — привод; 6 — основа (станина)

на пружні елементи 4 і під дією привода 5 здійснює коливання в напрямку S. Сипка продукція подається із бункера 1 і, одержавши імпульс руху від лотка 3, за кожне коливання лотка здійснює невеликі переміщення вперед. Із суми таких переміщень складається загальне переміщення продукції по лотку із середньою швидкістю vcp. Привод встановлюється таким чином, щоб лінія дії збурюючої сили привода повинна проходити через центр мас коливальної системи пристрою, а також повинна суміщуватись з лінією напрямку коливань. Закон руху лотка повинен бути таким, щоб при його зворотному русі продукція здійснювала незначне переміщення вперед. Привод живильника може бути виконаним з електромагнітним збурювачем коливань або з електромеханічним. Електромагнітні приводи бувають однотактні (одна котушка) і двотактні. Для живильників пакувального обладнання

використовують однотактні електромагніти.

Пружні елементи можуть бути виконані металевими, полімерними, можлива також комбінація їх. При встановленні таких живильників на пакувальне обладнання потрібно забезпечити захист зважувальної системи всієї машини від коливань. Для цього зв’язок між рамою машини і пристроєм здійснюють через демпферні пристрої і раму машини виконують значної маси.

З великої кількості типів вібраційних живильників широке засто­сування знайшли одно - та двомасові, з направленими та незалежними коливаннями [8].

Одномасові конвеєри з направленими коливаннями (рис. 3.26 а) попри свої переваги — простота конструкції і низька вартість — мають суттєвий недолік — передачу вібрації на основу.

Двомасові конвеєри найбільш розповсюджені і при цьому мають не значно складнішу конструкцію (рис. 3.26 б). Робоча маса 1, по лотку якої здійснюється транспортування продукту, з’єднана нахиленими під кутом Р пружними елементами 2 з реактивною масою 3, що встановлена на м’які амортизатори 4. Вібраційний конвеєр приводиться в рух вимушеним зусиллям, що розвивається електромагнітом 5, встановленим на реактивній масі 3, а якір електромагніта 6 прикріплений до робочої маси. Кут вібрації /? задає напрямок коливань лотка конвеєра і відповідно забезпечує транспортування продукту. Від кута /? залежить швидкість транспортування продукту, а його величина залежить від фізичної природи продукту, гранулометричного складу, вологості тощо і може бути визначена лише експериментально для кожного продукту зокрема.

Амплітуду направлених коливань точки на поверхні лотка А, (рис. 3.26 в) можна розкласти на поздовжню Ап та нормальну А„ складові. Поздовжня складова задає швидкість транспортування продукту, нормальна складова — режим транспортування: відривний або безвідривний, в залежності від наявності відриву частинок продукту від поверхні лотка. У деяких випадках лоток може встановлюватись під кутом а до горизонту.

Під час проектування вібраційних конвеєрів необхідно враховувати небезпеку виникнення «паразитних» коливань, що можуть спричинити нерівномірність транспортування продукту. Для усунення можливості виникнення «паразитних» крутних коливань і забезпечення рівномірного поля вібрації по довжині конвеєра під час конструювання необхідно виконати одну з умов:

• лінія, що з’єднує центри коливних мас Ох і 02 повинна збігатися з напрямком коливань, тобто бути перпендикулярною до плоских пружин;

• центри мас О, і 02 повинні бути суміщені.

Нижче наведено послідовність розрахунку двомасового конвеєра з направленими коливаннями. При цьому було враховано наступні особливості вібраційного конвеєра:

• конвеєр являє собою двомасову коливну систему, у якій одна з мас є робочим органом (лоток), по якому здійснюється транспортування

продукту;

• коливна система конвеєра працює у дорезонансному режимі, при цьому забезпечується стабільна робота та суттєво знижується залежність амплітуди коливань від маси транспортованого продукту;

• напрямлені коливання забезпечуються встановленням під заданим кутом у пружних елементів;

• для передачі конвеєру вимушеного зусилля використовується електромагніт.

Вихідними даними для проектування вібраційних конвеєрі в є: довжина конвеєра (L); швидкість транспортування (о) або продуктивність.

Вибір частоти коливань конвеєра. Робоча частота вимушених коливань конвеєра (р) може становити: 100,50 або 25 Гц. Частоту коли­вань конвеєра вибирають в залежності від наступних чинників:

• величини коливальних мас;

• довжини конвеєра.

За частотою вимушених коливань конвеєри характеризуються наступним чином.

100 Гц — частота відповідає частоті протягування електромагнітом якоря (тобто двічі за період, при додатному та від’ємному значеннях струму) за умови живлення його безпосередньо від мережі. Важко досягти усунення «паразитних» коливань, значний шум. Довжина конвеєра не повинна перевищувати 0,8-1 м, з вагою робочої маси до 50 кг.

50 Гц — на електромагніт подається випрямлений струм. Довжина конвеєра не повинна перевищувати 1,5 м; а вага — 100 кг. Необхідно забезпечити достатньо високу жорсткість жолоба.

25 Гц — живлення здійснюється через подільник частоти. Низький рівень шуму, легко усуваються «паразитні» коливання, довжина конвеєра може досягати 2,5-3 м, при цьому вага конвеєра не має суттєвого значення.

Необхідно зазначити, що найбільшої швидкості транспортування можна досягти за умови частоти 100 Гц, а зниження швидкості транспортування у разі зменшення частоти коливань конвеєра з метою підвищення стабільності його роботи необхідно компенсувати збільшенням амплітуди коливань.

За заданою швидкістю транспортування продукту визначається амплітуда поздовжніх коливань:

V

(3.50)

г-я-р-кя

де А„ — поздовжня складова амплітуди направлених коливань конвеєра, м; v задана швидкість транспортування продукту, м/с; р — частота вимушених коливань конвеєра, Гц;

Кш — коефіцієнт швидкості, який визначається експериментально як співвідношення:

К °

“ v ’ (3.51)

max v '

Де ьтах—максимальна теоретична швидкість лотка конвеєра, визначається як перша похідна від переміщення лотка конвеєра.

Ч, ак=2 - п-Р'А„. (3.52)

Кш приймається з попередніх розрахунків для основних харчових про­дуктів, що пакуються на автоматизованому обладнанні рівним 0,3-0,5.

У залежності від транспортованих виробів — штучних або сипких, вибирається форма лотка.

Трубчасті лотки використовуються для харчових продуктів, що

характерні пилоутворенням.

Рис. 3.27. Форми лотка

В залежності від жорсткості жолоба і його довжини конструюються елементи підсилення жорсткості, тобто приймається кількість пружин та вибирається спосіб їх кріплення. Визначаються робоча (ш,) та реактивна (т2) маси конвеєра, співвідношення яких може становити:

гп2 = (1 - ь 5) - тх

Проводиться розрахунок мінімальної незащемленої робочої довжини пружини (м) та її товщини на задану частоту власних коливань конвеєра, м.

(3.54)

де [<71] — допустиме напруження згину під час знакозмінного навантаження, Па (для пружинної сталі марки 60С2 [<т_,] = 3-Ю8 Па); ро — власна частота коливань конвеєра, р0 = (1,04 + 1,085) ■ р;

Е — модуль пружності матеріалу пружини, для пружинних сталей Е = 2-2,1-Ю11 Па;

Мпр — приведена маса конвеєра (кг), визначається за виразом:

b — товщина пружини (м), яку вибирають конструктивно; і — кількість пружин.

Приймаючи робочу довжину пружини L > Ітіт здійснюють розрахунок товщини пружини h (м) за виразом:

(3.57)

де К3 — коефіцієнт защемлення пружини, який враховує різницю між реальним і теоретичним защемленням і приймається:

+ 0,5

Переважно пружні елементи виготовляються з пружинних сталей, рідше з склопластика, враховуючи його низький модуль пружності (Е= 1,8 - 2,2-109 Па).

Плоскі пружини виготовляються товщиною h з наступним шлі­фуванням та доведенням власної частоти коливань конвеєра до розрахункової.

Необхідну збурюючу силу електромагнітного віброзбудника Fe (Н), знаходять за виразом:

4 • ж2 'Ро2‘А • мпр F =

е /и • £2 • COS у де ц — коефіцієнт динамічності:

1

де z — коефіцієнт резонансного налагодження:

г=А

Ро

z — вибирається рівним 0,92-0,96, при цьому забезпечується доре - зонансний режим роботи конвеєра, при якому знижується вплив маси продукту на стабільність швидкості транспортування;

£, — показник внутрішнього опору, для стальних пружин £= 0,004 -0,006.

Оптимальний кут вібрації /? для транспортованих сипких та гранульованих продуктів визначається експериментально. Кут /? вибирається в межах[}= 10-50° і залежить від амплітуди коливань і параметра перевантаження:

w 4 • п2 • р2 ■ Ап • tgfi ^

g • cosor ’ (3.61)

Де а — кут нахилу робочого органу до горизонталі.

Параметр перевантаження показує на співвідношення між вертикальною складовою прискорення жолоба та прискорення g в залежності від поздовжньої складової амплітуди Ат кута вібрації /З, властивостей транспортованого продукту та його товщини може набувати значення W = 1 - 14.

Q = 3600 • F • у/ ■ vcp • р, (т/год) (3.62)

де F— площа поперечного перерізу лотка;

ц) - коефіцієнт заповнення лотка продукцією;

vcp — середня швидкість переміщення продукції вібраційним жи­вильником.

Одержати в аналітичному вигляді залежність для визначення середньої швидкості переміщення шару сипкої продукції досить складно, так як потрібно враховувати структурно-механічні характеристики продукції, тому на основі експериментальних досліджень одержано ряд емпіричних залежностей, які з допустимою похибкою дозволяють визначити значення швидкості. Наведемо одну із таких залежностей:

оср = (кл ±к2 • sincc)* А ■ р • cos(3 • л/і-Л2 , (3.63)

де к і к2 — емпіричні коефіцієнти, значення яких залежить від властивостей продукції (табл. 3.1); р — частота вимушених коливань лотка;

Я—безрозмірний коефі цієнт режиму руху, значення якого залежить від конструктивного виконання живильника, тобто від а, /?, А, р (наближено можна приймати в межах Я ~ (0,3/0,5).

У виразі (3.63) знак «±» відповідає: «+» — нахил лотка в напрямку переміщення продукції; «-» — нахил лотка в протилежному від переміщення напрямку.

Визначити витрати енергії на переміщення продукції заданої інтенсивності можна також за однією із емпіричних залежностей:

ґ т ■

' L • sin а

Кв • L • cos«±

0,36

де КТР—коефіцієнт транспортабельності продукції (для дрібно-зернистої КТР ~ 1 —1,2; для щитоподібної КТР ~ 1,3 — 1,5);

Q — продуктивність пристрою або інтенсивність потоку продукції, (т/год);

Кв — коефіцієнт питомих витрат енергії в Вт для транспортування 1 т продукції на довжину 1 м, для одномасних систем приймають

7*10.-®=-.

m • м

Потрібну потужність електромагнітного приводу можна визначити:

F • V

Wt„=— , (3.65)

Чи

де Fe — збурююча рушійна сила електромагнітного віброзбуцника, визначається за формулою (3.58);

V— задана швидкість транспортування продукції; t]H — коефіцієнт, що враховує втрати енергії на нагрівання, гістерезис і струм Фуко в магнітопроводі і обмотці електромагніта, а також магнітний потік розсіювання і наявність зазорів у магнітопроводі.