Фгбоу во новосибирский гау инженерный институт кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
1. Требования, предъявляемые к оборудованию для фасовки и упаковки продуктов Предприятия перерабатывающей промышленности выпускают свыше 500 видов пищевых продуктов, расфасованных в пакеты или завернутых в различные оберточные материалы. Все пищевые продукты, выпускаемые в упакованном виде, можно разделить наследующие три основные группы 1) сыпучие продукты – мука, крупа, рис, соль, сахарный песок, кофе в зернах, молотый и суррогатный, чай, какао, хлопья, пищеконцен- траты в порошке, макаронные изделия, пряности и др 2) пластичные продукты – прессованные дрожжи, масло, маргарин, плавленый сыр, творог, творожные сырки и др 3) штучные изделия – кусковой сахар, конфеты, карамель, шоколад в плитках, бисквиты, вафли, чай в плитках, пищеконцентраты в брикетах и др. Сыпучие продукты расфасовывают в пакеты с последующим запечатыванием. Применяют жесткие пакеты в форме прямоугольного параллелепипеда, мягкие пакеты и при небольшом количестве продукта водном пакете – плоские. Пакеты используют одинарные или двойные. Пластические продукты расфасовывают в пакеты (плавленый сыр, творог, творожные сырки и др) либо заворачивают их в оберточные материалы после придания правильной формы завертываемой порции продукта (прессованные дрожжи, масло и др. Штучные изделия завертывают каждое отдельно (индивидуальная завертка) или по несколько изделий в одну общую (групповая завертка. Так, для конфет, шоколада в плитках, брикетов пищеконцентратов применяется индивидуальная завертка, для кускового сахара, бисквитов, вафель – групповая. В соответствии с характером процессов упаковки автоматы для пищевых продуктов можно разделить на два основных класса 1) расфасовочно-упаковочные; 2) заверточные. В расфасовочно-упаковочных автоматах первым процессом упаковки является изготовление пакета или, если автомат снабжается готовыми пакетами, подготовка пакета к наполнению продуктом. Вторым процессом является наполнение пакета продуктом, третьим – запечатывание пакета. В заверточных автоматах упаковка состоит из двух процессов подготовка продукта к завертыванию (формование пластического продукта или группирование штучных изделий завертывание продукта в различные оберточные материалы. Упаковка сыпучих продуктов производится на расфасовочно- упаковочных автоматах для упаковки пластических продуктов и штучных изделий применяются как расфасовочно-упаковочные, таки заверточные автоматы. Современные автоматы, предназначенные для розлива различных пищевых жидкостей в бутылки и придания бутылкам товарного вида, выполняют заданные технологические операции без вмешательства человека. Устройство и конструкции разливочных автоматов должны отвечать техническими технологическим требованиям производства, определяемым главным образом физико-химическими свойствами готовых к употреблению пищевых жидкостей. При любом способе розлива пищевые жидкости не должны подвергаться аэрации, так как под действием кислорода воздуха в продукте нарушаются окислительно-восстановительные процессы, изменяющие вкусовые качества разливаемой жидкости. Аэрация вызывает также пе- нообразование, что затрудняет нормальное наполнение бутылок и нарушает необходимую точность дозирования. Требования, предъявляемые к качеству пищевых жидкостей, определяют не только тип тары, в которую фасуют эти жидкости, но и условия, принципы и методы фасования, а также обусловливают наличие различных типов и марок фасовочных машин, применяемых в современной промышленности. Существующие фасовочные машины, несмотря на различные назначения и разнообразие конструкций, имеют много общего в принципиальных схемах и методах расчета. Проблемы, связанные с применением тары, имеют много аспектов, основные из которых следующие санитарно-гигиенические требования, прочностные характеристики, экономические показатели и экологические вопросы. В настоящее время для производства тары под пищевые жидкости применяют множество различных материалов стекло, разнообразные полимерные материалы, фольгу, бумагу с пропиткой, а также используют двуслойную тару, в которой сочетаются вышеперечисленные материалы. Основными наиболее распространенным видом тары для пищевых жидкостей является стеклянная. Она химически устойчива, обеспечивает длительное, обусловленное видом и качеством самого продукта хранение без ухудшения качества. Стекло не выделяет вредных для здоровья веществ, гигиенично, хорошо защищает содержимое от фотохимического воздействия и различных загрязнений. Прозрачность стекла позволяет покупателю видеть продукт. Сточки зрения герметичности укупоривания стеклянная таране уступает металлической или пластмассовой, она газонепроницаема и способна выдержать значительное внутреннее давление, что особенно важно для хранения напитков, содержащих диоксид углерода. Недостатком стеклотары являются малая 89 механическая прочность и относительно большая масса на единицу затрачиваемой продукции. Отличаются разливочные автоматы друг от друга методами розлива и принципами дозирования жидкости, что изменяет их расчетные гидравлические схемы и конструкции приборов для наполнения бутылок. Разливочные автоматы подразделяются на гравитационные, изобарические, вакуумные и сифонные. Первые три бывают дозирующие по объему (крановые, клапанные и золотниковые) и по уровню (клапанные и золотниковые. Сифонные включают только автоматы, дозирующие по уровню (клапанные и золотниковые. Дозирование жидкостей осуществляется по объему или по уровню. 2. Элементы расчета оборудования для фасовки и упаковки продуктов Современные разливочные автоматы дляпищевых жидкостей последовательно осуществляют ряд заданных технологических операций, для выполнения которых необходимо, чтобы рабочие и холостые ходы чередовались, а рабочие органы периодически приходили в свои исходные положения. Различают трицикла движения в технологических машинах кинематический, рабочий и технологический. Кинематическим циклом механизма называется период между двумя последовательными моментами начала рабочих ходов T к =t p +t x +t ост , где t p – время рабочего хода t x – время холостого хода ост – время остановки. Рабочим циклом Т р называется период времени, по истечении которого машина выпускает вырабатываемое изделие. Часто рабочий цикл равен или кратен кинематическому. Технологическим циклом Т Т называется время, в течение которого обрабатываемое изделие находится в машине, те. промежуток между моментами его загрузки и выгрузки из машины. Одним из основных параметров при розливе является действующий напор, м H = h + (p 1 - p 2 )/ρ, где h – высота столба жидкости, м р – давление газа над жидкостью в расходном резервуаре или в дозаторе, МПа р – давление газа в бутылке, МПа ρ – плотность жидкости, кг/м 3 Как правило, разливочные машины настраивают на один тип бутылок. С конструктивной точки зрения различных типов фасовочных машин сравнительно немного. Современные разливочные автоматы являются в основном устройствами карусельного типа, в которых на неподвижной станине с расположенными на ней механизмами установлен вращающийся расходный 90 резервуар для приема жидкости с разливочными приборами и поплавковой системой, поддерживающей при фасовке постоянный уровень продукта. Теоретическая производительность бутс) разливочного автомата П т = zn = zω/2π, где z – количество наполнительных приборов (разливочных устройств n частота вращения карусели, с ω угловая скорость карусели, рад/с. Длительность одного оборота с) карусели Т п = z/ П т . Расчетная производительность бутс) автомата Пр = z н /τ н где н – количество приборов (подъемных столиков, одновременно работающих на наполнение бутылок н – время наполнения бутылки жидкостью, с. н = ψz, где ψ = н /z – коэффициент использования рабочих позиций разливочных устройств (ψ = 0,3...0,6). Время наполнения с) бутылки жидкостью , 2 2 отв Н gH f Q где Q – объем жидкости в стакане дозаторам м μ – коэффициент расхода, характеризующий сопротивление сливного тракта и физические свойства разливаемой жидкости (μ = 0,4...0,7); отв – площадь выходного отверстия наполнителям Н – высота столба жидкости в дозировочном стакане, м. Время н является важнейшим параметром разливочных машин и зависит от метода розлива и принципа дозирования жидкости. Производительность разливочной машины является функцией времени наполнения бутылки жидкостью, равного времени опорожнения мерного стакана дозатора. Фактическая производительность бутс) автомата П ф = z(1,62λ н, где λ – коэффициент запаса, учитывающий неточное определение и изменение н при фасовке пищевых жидкостей (λ – 1,4). В упаковочных автоматах размотка рулона – достаточно распространенная технологическая операция при производстве упаковочных материалов. Основным выходным параметром этой операции является натяжение полотна, возмущающими – скорость протяжки и диаметр рулона, управляющим – момент навалу раската. Для моделирования процесса размотки воспользуемся основным уравнением статики, определяющим равновесие тела с неподвижной осью вращения т + Jε-Fr=0, где т тормозной момент барабана, Нм J – момент инерции рулона, кг 91 м ε – угловое ускорение, с F– натяжение полотна, Н r – текущий радиус, м. J=0,5mr 2 = 0,5πρbr 4 , где т – масса рулона, кг ρ – плотность полотна, кг/м 2 ; b – ширина полотнам. Угловое ускорение рулона может быть обусловлено изменением его радиуса в процессе размотки, а также скорости протяжки полотна v п ε = ε r + ε п, где ε – угловое ускорение рулона ε r и ε п – угловое ускорение рулона, вызванное изменением соответственно радиуса рулона и скорости протяжки полотна. Угловое ускорение, вызванное изменением радиуса рулона при п = = const, можно определить по уравнению ε п, где δ – толщина полотнам. Угловое ускорение, обусловленное изменением скорости протяжки полотна 1 Vп Vп dt d r Тормозной момент рулона определяют из соотношения т = т, где т сила трения, Н F т =f т F ц ; d – диаметр тормозного цилиндрам т коэффициент трения ц – сила давления, Н ц = pS; S– площадь поперечного сечения тормозного цилиндрам р – давление в тормозном цилиндре, пропорциональное частоте вращения регулировочного винта, отсчитываемой от начала размотки рулона, Нм р = сп; с – коэффициент пропорциональности, Нм п – частота вращения регулировочного винта. Тогда М т = Т. При расчете разливочных автоматов необходимым элементом проектирования является определение следующих условий неопрокиды- вание и несоскальзывание бутылок, находящихся на подъемном столике вращающейся карусели. При этом рассматриваются два варианта для порожней и наполненной бутылок. Условие неопрокидывания бутылок F цб h ≤ G б d б /2; условие несоскальзывания бутылок с подъемного стола F цб < С б /f тр , где F цб – центробежная сила, действующая на бутылку, Н h – высота центра тяжести бутылки, мм F цб = mω 2 R, где ω – угловая скорость вращения карусели, рад/с; R – радиус окружности по центрам подъемных столиков, мм масса бутылки, наполненной жидкостью, кг т = т б +т ж , где т б – масса пустой бутылки, кг (т б = кг тж – масса жидкости, наполняющей бутылку, кг тж = 0,5 ±0,035 кг б – сила тяжести бутылки, Н б = mg); f ТР – коэффициент трения скольжения стеклянной бутылки о материал столика (f ТР = 0,1). Энергия, расходуемая разливочным автоматом, затрачивается на перекатывание роликов подъемных столиков по копиру и вращение карусели. Сопротивление от перекатывания роликов по горизонтальному участку копира, Н P 1 = z 1 (G 1 + G 2 )(2k +fd)/D, где z 1 – число подъемных столиков, одновременно перемещающихся по горизонтальному участку копира; G 1 – усилие сжатой пружины, Н G 2 – сила тяжести штока, столика с подшипником, роликом и порожней бутылкой, Н k – коэффициент трения качения роликам м f – условный коэффициент трения скольжения подшипника (f=0,15); d – диаметр окружности по центрам шариков подшипникам диаметр шарикоподшипникам. Сопротивление на участке подъема штока с учетом угла подъема ко- пира , cos 1 2 cos sin ) ( 3 где G 3 – сила тяжести штока, столика с подшипником, роликом и наполненной бутылки, Н α – угол подъема профиля копира, град, α = 45°. Сопротивлением движению ролика на участке копира с опусканием штока можно пренебречь. Суммарное сопротивление движению всех роликов, одновременно находящихся в контакте с копиром, Н Р=Р 1 +Р 2 . Мощность (кВт, расходуемая на перекатывание роликов по копиру: N 1 = 10 -3 Pv, где v линейная скорость перемещения столиков, мс (v =ωR). Мощность (кВт, расходуемая на вращение карусели, без учета сопротивления роликов N 2 = в, где G 4 сила тяжести главного вала с прикрепленными к нему деталями, Н в условный коэффициент трения скольжения подшипника в 0,1); d 1 – диаметр окружности по центрам шариков упорного подшипника главного валам угловая скорость вращения главного вала, рад/с. Суммарная мощность кВт) на главном валу разливочного автомата N= (N 1 + к, где к КПД подшипников качения (к =0,98). 93 Мощность электродвигателя кВт) привода разливочного автомата N дв = пр, где К коэффициент пуска К = 1,15); пр – КПД привода (пр = 0,8). Сокращение времени транспортирования в линиях розлива достигается увеличением числа тяговых элементов транспортеров или увеличением скорости их движения. Одним из факторов, ограничивающих скорость тяговых элементов, является обеспечение устойчивости транспортируемых бутылок. В отдельных случаях они могут располагаться без контакта с другими бутылками и боковыми ограждениями. Поэтому условие обеспечения устойчивого положения отдельно рассматриваемой бутылки на подвижной несущей плоскости накладывает определенные ограничения на кинематические параметры движения грузонесущих элементов транспортеров и накопителей. Рассматривая бутылки в различные периоды движения, различают четыре вида устойчивости 1. Начальная (или статическая) устойчивость, соответствующая положению минимума потенциальной энергии посуды при ее неподвижном положении по отношению к заданным координатам. 2. Кинематическая устойчивость, проявляющаяся при положениях бутылок в пределах угла устойчивости от минимума потенциальной энергии до начала неустойчивого равновесия. Положение тела при этом изменяется с постоянной угловой скоростью и силы инерции не участвуют в процессе. Кинематическая устойчивость учитывается при определении условий принудительной ориентации бутылок. 3. Динамическая устойчивость разгона, имеющая место при действующих на груз активных силах, превышающих силы сопротивления и вызывающих ускоренное движение бутылок по отношению к заданным координатным осям. 4. Динамическая устойчивость торможения, возникающая в том случае, когда активные силы меньше сил сопротивления и бутылка движется замедленно по отношению к заданным координатным осям. Динамическая устойчивость разгона и торможения учитывается при определении условий активной ориентации и режимах неустановившегося движения. Определим критические условия, при которых бутылки теряют статическую и динамическую устойчивость. При составлении математических моделей для их упрощения и возможности применения методов классической механики введем следующие допущения и предположения, не изменяющие физической сущности и характера исследуемых процессов – бутылка является абсолютно твердым телом, имеющим форму цилиндра – весь объем бутылки рассматривается однородным – коэффициенты трения скольжения и покоя являются величинами 94 постоянными – распределенная нагрузка от бутылки на опорную плоскость заменяется сосредоточенной силой. При разгоне и выбеге несущей плоскости транспортера на бутылки действуют силы тяжести и инерции. Условие статической устойчивости бутылки представляется в следующем виде (рис. 5): Рис. 5. Расчетная схема для определения статической устойчивости бутылки Β ≥ γ, где γ – угол между линиями действия силы тяжести и равнодействующей угол между линиями равнодействующей силы и линией, соединяющей центр масс и точку А Величины углов и β определяются соотношениями γ = arctg (и, где и сила инерции центра масс бутылки, Н β = arctg (d 0 /2h), где d 0 – диаметр опорной поверхности бутылки, м h – расстояние от донышка до центра массы бутылок, м. Сила инерции центра массы бутылки P и =m б б , где m – масса бутылки, кг а б – ускорение центра масс бутылки, м/с 2 Подставив выражения, получим а б 0 /(2h). Последняя формула позволяет установить критическое значение ускорения бутылки, при котором произойдет потеря статической устойчивости. Лекция 10 РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН 95 1. Кулачковые механизмы Кулачковые механизмы получили широкое распространение в машинах благодаря возможности осуществления практически любых законов периодического движения ведомых звеньев, в частности, движения с различными выстоями. Под кулачковым механизмом понимают совокупность трех элементов стойки – базы механизма, ведущего звена – кулачка и ведомого звена – толкателя или коромысла. Кулачок и толкатель, соприкасаясь, образуют высшую кинематическую пару. Кулачку спрофилированной поверхностью скольжения, как ведущему звену, чаще всего сообщается вращательное движение, при котором сопряженное с ним ведомое звено получает движение в соответствии с заданным законом изменения скорости (ускорения. С целью замены трения скольжения между кулачком и толкателем на трение качения толкатель снабжают роликом. При этом коэффициент полезного действия механизма повышается, а при соответствующем подборе материала и размеров кулачка и ролика их износ снижается. При соприкосновении роликового толкателя с профилем кулачка центр ролика всегда находится на направлении нормали к профилю в точке их касания и на расстоянии радиуса ролика от профиля кулачка. Геометрическое место точек центра ролика при обратимом движении называется теоретическим профилем или центровым профилем кулачка. При замене теоретического профиля действительным кинематическая сущность механизма не изменяется, те. закон движения толкателя остается заданным. Надлежащий контакт высшей кинематической пары обеспечивается силовым (например, с помощью пружины) или геометрическим (конструктивными приемами) замыканием. Кулачковые механизмы делятся на плоские и пространственные, причем наибольшее распространение получили те, ведомые звенья которых совершают возвратно-поступательное или качательное движение. В плоских кулачковых механизмах кулачок выполняется в виде диска с одинарной наружной торцовой рабочей поверхностью сложного профиля (риса, били с двойной – в виде паза, выфрезерованного на одной из боковых сторон диска (см. рис. в, а также в виде двух кулачков (см. рис. г. В первом случае (см. риса, б) применено обычное силовое замыкание пары ролик – кулачок (пружины сжатия и растяжения. При применении пазового кулачка замыкание обеспечивается кинематически Рис. 1. Плоские кулачковые механизмы В пространственных кулачковых механизмах кулачок выполняется в виде цилиндра с одинарной наружной торцовой (сбоку) рабочей поверхностью сложного профиля – переменной длины. Рабочий орган исполнительного механизма может быть связан с ведомым звеном непосредственно или через систему промежуточных звеньев. В последнем случае кулачковый механизм является составной частью более сложного исполнительного механизма закон движения рабочего органа будет определяться не только профилем кулачка, но и системой промежуточных звеньев. При конструировании центральных кулачковых механизмов с воз- вратно-поступательным движением толкателя к числу заданных параметров относятся s m – полное перемещение толкателя водном направлении у, д, в, б – углы поворота кулачка соответственно при удалении толкателя от центра вращения кулачка. При конструировании кулачковых механизмов необходимо стремиться к получению механизма с наименьшими габаритными размерами при обеспечении прочности кулачка и ролика и точности передачи закона движения. Значительную роль в обеспечении незаклинивания и прочности элементов кулачкового механизма играет угол давления (угол между направлением движения толкателя и нормалью к профилю кулачка в точке касания его толкателем. Для центрального кулачкового механизма с возврат- но-поступательным движением толкателя угол давления выражается зависимостью где т – угол поворота кулачка, равный у или φ в Нормальное усилие, действующее на ролик (цапфу, с достаточной для практики точностью рекомендуется определять по формуле cos 2 2 1 max Из условия прочности оси ролика на изгиб нормальное усилие составляет и где d 0 – диаметр хвостовика оси ролика и – допускаемое напряжение при изгибе для материала оси ролика b – ширина ролика. Из условия невыдавливания смазки, обеспечивающего износостойкость цапфы, нормальное усилие равно P n ц b[σ yд ], где ц диаметр цапфы д – допускаемое удельное давление на цапфу. Выбор допускаемых напряжений и удельных давлений производится в зависимости от конкретных рабочих условий в соответствии с общетехническими нормами расчета деталей машин. Принимая ц и решая последние две зависимости совместно, получаем уди Определив таким путем отношение находят d 0 и b. Диаметр цапфы ц принимают на 2-4 мм больше d 0 . Обычно b= (1,0... 1,5) ц, диаметр ролика D = (l,6...2,0) d ц С целью ограничения напряжения смятия, возникающего при уравновешивании момента от консольного приложения нагрузки, длину х хвостовика оси рекомендуется принимать более 0,86. Под действием нормальной силы в материале ролика и кулачка возникают местные (контактные) напряжения смятия. Применительно к дисковому торцовому кулачку и цилиндрическому ролику напряжения смятия см пр пр см E b P n где Е пр = 2Е 1 Е 2 /(Е 1 + Е) – приведенный модуль упругости (Е 1 и Е – модули упругости материалов кулачка и ролика пр = р + 1/ρ min – обратное значение приведенного радиуса кривизны (р радиус ролика ρ min – минимальный радиус кривизны действительного профиля кулачка 98 – выпуклой части – вместе касания с роликом см – допускаемое напряжение при смятии. Из формулы видно, что контактные напряжения зависят от соотношения определяемых конструктивных параметров. Чем меньше минимальный радиус кривизны профиля кулачка, тем больше напряжение смятия. Если ρ min →0, то см → ∞. В результате наступает быстрый износ кулачка. |