Автоматизация загрузки штучных предметов обработки в технологические машины и линии во многих отраслях промышленности является одной из наиболее сложных задач по автоматизации технологических процессов, что обусловлено разнообразием предметов обработки.
В пищевой промышленности для подачи симметричных удлиненных или равноразмерных предметов обработки формы тел вращения или плоскостных призматических, например, карамели, прессованного сахара-рафинада, прессованной соли, бульонных кубиков и других аналогичных изделий используют системы автоматической загрузки (САЗ) на базе центробежных бункерных загрузочных устройств (БЗУ).
Данный класс БЗУ отличается широкой универсальностью, высокой производительностью, структурной и кинематической простотой конструкции, удобством обслуживания и ремонта. Захват предметов обработки на высоких окружных скоростях диска является недостатком центробежных БЗУ, поскольку в результате движения и соударения хрупких и непрочных предметов обработки типа бульонных кубиков возможно истирание и порча их внешних поверхностей, что отрицательно сказывается на качестве готовой продукции.
Анализ основных принципов функционирования САЗ на базе центробежных БЗУ поможет сформулировать задачи, решение которых будет способствовать обоснованному выбору оптимальных параметров САЗ для предметов обработки в форме кубиков с позиций обеспечения высокой производительности технологических машин и линий без потери качества загружаемых изделий, выпускаемых пищевой промышленностью.
В пищевой промышленности плоскостные призматические предметы обработки в форме кубиков, например прессованная соль, прессованный сахар появились достаточно давно. В настоящее время одним из направлений развития пищевых и перерабатывающих отраслей стало производство бульонных кубиков и других аналогичных изделий. САЗ на базе центробежного БЗУ для подачи кубических изделий нашли применение на пищевых предприятиях, как нашей страны, так и за рубежом.
САЗ на базе центробежного БЗУ [1], изготовленная отечественным производителем и используемая для автоматической подачи к заверточно-упаковочной машине прессованного сахара или прессованной соли показана на рисунке 1.
Рисунок 1 − Схема системы автоматической загрузки прессованного сахара
Принцип действия САЗ с центробежным БЗУ для подачи прессованного сахара заключается в следующем. Сахар периодически загружается в приемник 6, из которого поступает на вибрационный лоток-дозатор 7.
Изменяя амплитуду колебания лотка-дозатора регулируют количество сахара, подаваемого одним слоем в центробежное БЗУ.
Центробежное БЗУ представляет собой плоский, в центре слегка конусный диск 2 с неподвижным бортом, вращающийся вокруг вертикальной оси с частотой вращения 160 об./мин. Диаметр вращающегося диска D = 0,5 м. Производительность центробежного БЗУ при указанной частоте вращения составляет 300-400 шт./мин.
Куски прессованного сахара под действием центробежной силы перемещаются к периферии диска, и, ориентируюсь вдоль неподвижного борта, подаются диском к вращающемуся ролику 1 механизма контроля положения и отсекающего устройства.
Зазор между роликом и бортом выбран так, чтобы правильно ориентированный сахар проходил свободно, а неправильно ориентированный - вращающимся роликом отбрасывался бы к центру диска для повторного ориентирования.
Для отсева мелочи и крошек прессованного сахара вращающийся диск перфорирован.
Таким образом, в центробежном БЗУ первичное ориентирование осуществляется ориентирующими поверхностями, которыми являются поверхности диска и борта, а вторичное ориентирование, имеющее пассивный характер, осуществляется вращающимся роликом 1.
Сориентированные куски прессованного сахара попадают в лоток 3 и подаются на ленточный транспортер-накопитель 4. Прессованные кубики сахара перемещаются транспортером-накопителем к механизму выдачи 5, совершающему возвратно-поступательное движение и подающему по два куска прессованного сахара к заверточной машине автоматической линии изготовления и упаковки.
На рисунке 2 показана САЗ с механическим центробежным БЗУ, изготовленная итальянским производителем и используемая для автоматической загрузки бульонных кубиков в автомат, упаковывающий кубики порциями по несколько штук в полимерные пакеты с требуемой производительностью.
Рисунок 2 − Схема системы автоматической загрузки бульонных кубиков
Основным функциональным элементом САЗ для бульонных кубиков является центробежное БЗУ, которое, в отличие от рассмотренного ранее, представляет собой наклоненный под некоторым углом бункер 2. Бункер образован конусным вращающимся диском диаметром 1 м, частота вращения которого не более 30 об./мин, и обечайкой со спиралевидным лотком. Производительность центробежного БЗУ составляет 450-650 шт./мин.
Бульонные кубики с помощью транспортного устройства 1 поступают из штамповочно-упаковочного автомата в бункер и оказываются на поверхности диска 4. Под воздействием центробежной силы кубики располагаются по окружности диска хаотичными рядами.
Датчик-контроллер 14 предохраняет бункер от переполнения путем передачи команды транспортному устройству 1 на подачу предметов обработки или ее отмену. Последний ряд кубиков, расположившихся по периферии диска 4, увлекаясь кольцом 3, перемещаются к приемнику 7. При этом наличие отсекателя 5 над кольцом обеспечивает правильную ориентацию и наличие только одного ряда кубиков.
Бульонные кубики, поступившие к приемнику, направляются в накопительно-передающее устройство, состоящее из лотка накопителя 8, датчиков-контроллеров 9 и 10, осуществляющих контроль наличия или отсутствия предметов обработки, и ленточного конвейера 13, предназначенного для перемещения кубиков в требуемом направлении.
Так, при переполнении лотка накопителя 8, датчик-контроллер 9 отправляет сигнал на включение управляемого выталкивателя 6, под действием которого начинается сбрасывание бульонных кубиков с кольца 3 по заданной траектории обратно в бункер 2. Когда в лотке накопителе освобождается место для предметов обработки, то срабатывает датчик-контроллер 10, который отдает команду на закрытие управляемого выталкивателя 6, что способствует беспрепятственному поступлению бульонных кубиков к выдающему устройству 11.
Выдающее устройство 11 обеспечивает выдачу ориентированных бульонных кубиков из САЗ порциями по k штук в элеваторное транспортное устройство 12 автоматической линии упаковки кубиков в соответствии с требуемой производительностью.
Анализ рассмотренных САЗ на базе центробежных БЗУ позволяет сделать несколько выводов. Во-первых, несмотря на то, что прессованный сахар и бульонные кубики, хотя и имеют почти одинаковые геометрические параметры (форма и размеры), но сильно отличаются физико-механическим параметрам (прочность, масса, плотность), рассмотренные САЗ для их автоматической подачи в упаковочные машины сходны по конструктивному исполнению. Во-вторых, производительность рассмотренных БЗУ для подачи изделий в форме кубиков сильно отличается друг от друга. Так центробежное БЗУ для прессованного сахара при достаточно высокой частоте вращения 160 об./мин обеспечивает автоматическую подачу лишь 300-400 шт./мин. Центробежное БЗУ для бульонных кубиков при сравнительно меньшей частоте вращения 30 об./мин обладает более высокой производительностью 450-650 шт./мин. В-третьих, центробежное БЗУ для бульонных кубиков обеспечивает захват, ориентирование и выдачу изделий при значительно меньших частотах вращения диска, но с гораздо большей производительностью по сравнению с центробежным БЗУ для прессованного сахара. На основе этого, можно сделать вывод о том, что такие конструктивные параметры БЗУ, как угол наклона бункера и диаметр вращающегося диска, оказывают влияние на производительность БЗУ. При этом, центробежное БЗУ, бункер которого наклонен под углом к горизонту, более производительно, а увеличение диаметра диска позволяет снизить частоту его вращения, не теряя при этом в производительности БЗУ.
При конструировании САЗ, имеющих в своей структуре центробежное БЗУ и осуществляющих автоматическую загрузку штучных предметов обработки в форме кубиков, необходимо стремиться к тому, чтобы производительность САЗ была максимальна, а загружаемые изделия не изменяли в САЗ своих свойств. Фактическая производительность БЗУ зависит, в первую очередь, от частоты вращения диска [2], которая, как показал приведенный ранее анализ, в центробежных БЗУ достаточно велика. Поэтому в результате захвата изделий, осуществляемого в центробежных БЗУ на высоких частотах вращения диска, происходят значительные их соударения друг о друга и о направляющие поверхности БЗУ.
Рассматриваемые изделия, в частности бульонные кубики, являются хрупкими, обладают малой прочностью и имеют легко повреждаемую поверхность. Поэтому в процессе соударения изделий возможно истирание и нарушение целостности их внешних поверхностей, что отрицательно скажется на качестве готового изделия. Возникающие в процессе соударений дефекты поверхности кубиков будут тем меньше, чем меньше значение частоты вращения диска БЗУ. Однако, при уменьшении величины n ухудшаться условия ворошения изделий в бункере БЗУ, что приведет к уменьшению вероятности захвата предметов обработки и снижению фактической производительности БЗУ.
На качество кубиков особое влияние оказывает уровень засыпки бункера БЗУ кубиками. Так как в рассмотренных ранее конструкциях БЗУ изделия в бункер засыпаются равномерно, а уровень их засыпки регулируется специальными датчиками, то в данном случае влияние уровня засыпки на качество кубиков можно не рассматривать. При этом необходимо учитывать то, что устройство, обеспечивающее подачу кубиков в бункер БЗУ, должно располагаться на такой высоте, падая с которой на поверхность вращающегося диска, изделия не будут раскалываться и их поверхность будет без дефектов.
Как показал анализ конструкций центробежных БЗУ для прессованного сахара и бульонных кубиков на производительность центробежных БЗУ значительное влияние оказывает диаметр вращающегося диска. С одной стороны, чем больше значение D, тем меньше частота вращения диска, тем незначительнее соударения предметов обработки друг о друга. С другой стороны, увеличение диаметра приводит к тому, что изделия, попадающие в центральную часть диска, в процессе его вращения приближаются к периферии с гораздо большей скоростью, чем при меньших значениях диаметра диска. Это происходит потому, что кубики к периферии диска движутся равноускоренно и, чем длиннее путь l (величина l тем больше, чем больше радиус диска), проходимый кубиком, тем больше значение скорости в конце этого пути, тем сильнее удар кубиков о стенку бункера БЗУ.
На процесс движения загружаемых изделий по поверхности вращающегося диска и направляющим поверхностям БЗУ значительное влияние оказывает величина коэффициента трения между кубиками и элементами конструкции БЗУ. Если значение коэффициента трения невелико, то изделия не смогут сдвинуться с периферии диска на лоток, являющийся направляющей поверхностью, с достаточной для продолжения движения скоростью. При больших значениях коэффициента трения изделия не смогут начать движение из центра бункера к его периферии, а также двигаться по спиралевидному лотку БЗУ.
Таким образом, при конструировании САЗ, имеющих в своей структуре центробежное БЗУ и обеспечивающих автоматическую загрузку штучных предметов обработки в форме кубиков, необходимо учитывать конструктивные (угол наклона бункера, коэффициент трения) и кинематические (частота вращения диска) параметры БЗУ и геометрические (размеры) и физико-механические (прочность, масса) параметры загружаемых изделий.
Влияние указанных параметров на производительность БЗУ и качество изделий нельзя оценивать с какой-либо одной стороны. Необходим комплексный подход, заключающийся в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов захвата, ориентирования и выдачи кубиков в центробежном БЗУ с использованием разнообразных методов моделирования. Анализ известных подходов, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию САЗ на базе центробежного БЗУ, поможет сформулировать задачи, которые позволят с научной точки зрения решить проблемы автоматической загрузки изделий в форме кубиков и обоснованно выбрать оптимальные параметры САЗ с позиций обеспечения высокой производительности упаковочных машин и линий без потери качества изделий.
пищевой автоматический загрузка кубик
Литература
1. Шапран, В.З. Автоматические питатели заверточных машин. − Киев: «Техника», 1969. − 239 с.
. Прейс, В.В., Усенко, Н.А., Давыдова, Е.В. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства. Ч. 1. Механические бункерные загрузочные устройства. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2006. − 125 с.