CC BY
11
calculation or experiment. The considered method makes it possible to meaningfully interpret the resonance peaks of spectral densities accelerations of the vehicle construction points. This is important when analyzing and fine-tuning the dynamic characteristics of spatial structures. Examples of the construction and interpretation of vibration modes, based on the results of calculations of the vehicle structure under a random disturbance, are given.
Key words: modal analysis, modal characteristics of random oscillations, spectral densities of accelerations
Gorobtsov Alexander Sergeevich, doctor of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Kartsov Sergey Konstantinovich, doctor of technical sciences, professor, kart-sov@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Automobile and Road Construction Technical University (MADI),
Polyakov Yuriy Anatolevich, doctor of technical sciences, Russia, Moscow, [email protected], professor (Moscow State University of Technology «STANKIN»),
Ryzhov Evgeniy Nikolaevich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Grigoryeva Olga Evgenyevna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-145-150
АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ФОРМОЙ
И.А. Юраскова
Применение конструкций упаковки с изменяемой формой решает задачу уменьшения объема пустой тары, а также повышает прочностные характеристики и позволяет уменьшить толщину стенки.
Ключевые слова: алюминиевая банка, конфигурация, структурный элемент.
Одним из приоритетных направлений развития Российской Федерации в настоящее является уменьшение потребления природных ресурсов, в связи с чем становятся актуальными решения задач повышения эффективности реализации отходов и экологичности производств. В секторе экономики, ориентированном на реализацию продуктов переработки сельскохозяйственной промышленности, прежде всего напитков, к ним можно отнести развитие концепции циклической экономики, снижение доли использования пластика и увеличение объемов производства тары и упаковки из алюминия [1].
Обратим внимание на тот факт, что предприятия, производящие алюминиевые банки, как правило, размещаются на значительных расстояниях от пищевых предприятий. В России заводы по производству алюминиевых банок компании Ball Corporation расположены в Наро-Фоминске (Московская область), Всеволожске (Ленинградская область) и Аргаяше (Челябинская область); компании Can-Pack - в Волоколамске (Московская область) и Новочеркасске (Ростовская область). В то время как производители напитков расположены в Туле (ООО «Балтика»), Москве, Щелково, Истре, Санкт-Петербурге, Ростове-на-Дону, Самаре, Екатеринбурге, Новосибирске, Красноярске, Владивостоке (ООО «Кока-Кола ЭйчБиСи Евразия»), Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Самаре, Новосибирске (ООО «Пепсико Холдингс»), Пемзе (ООО «САМКО»), Кургане (ООО «Зауральские напитки»).
В соответствии с ГОСТом 33748-2016 алюминиевые банки, упакованные в транспортные пакеты, перевозят на поддонах, обвязанных полимерной лентой или растягивающейся полимерной пленкой. Так как пустые алюминиевые банки имеют высокое соотношение объема к массе, то расходы по их транспортировке определяются прежде всего объемом. Таким образом, при перевозке изделий как от места производства до места розлива, так и после использования до перерабатывающего предприятия доставляется «воздух», то есть легкий, но очень объемный груз. При этом хрупкость делает алюминиевые банки уязвимыми при транспортировке.
Среди прочих существующих решений, направленных на получение конструкции упаковки с изменяемой формой [2-4], интересны использующие принцип складывания «миура-ори», предложенный японским астрофизиком Корё Миура и применяемый в аэрокосмических технологиях [5]. Так исследования [6] предлагают конфигурации стенки банки, представленную различными структурными элементам: треугольными, четырехугольными, шестиугольными, скругленными.
При четырехугольной конфигурации (рис. 1) грани смещены друг относительно друг друга в осевом направлении.
Рис. 1. Поверхности с четырехугольными структурными элементам
Четырехугольный структурный элемент представляет собой ромб abcd (рис. 2), вершины (а, Ь, с и d) которого выпуклы наружу, грань аd выступает в радиальном направлении. Таким образом, поверхность конструктивного элемента выпуклая по отношению к внутренней части банки.
а а
Т
I
Рис. 2. Конструктивный элемент
Также боковая поверхность изделия может быть сформирована прямоугольными и равносторонними треугольниками (рис. 3) в радиальном направлении.
Другой вариант исполнения - боковая стенка, сформированная в четыре или восемь рядов структурными элементами шестиугольной формы (рис. 4). В этом случае грани конструктивных элементов расположены так, что смежные ряды смещены в осевом направлении друг относительно друга.
Рис. 3. Поверхность, представленная треугольными структурными элементам
Рис. 4. Поверхность, представленная шестиугольными структурными элементами
Боковая стенка банки может быть образована скругленными структурными элементами, четырехугольными или шестиугольными (рис. 5).
Стойкость к деформированию зависит от формы конструктивных элементов и количества граней. Для тетрагональной структуры предпочтительно 4.. .12 граней, для шестиугольников - 3.10. С увеличением числа граней коэффициент сопротивления внешнему давлению пустой банки уменьшается (рис. 6). Если количество граней превышает 14, то повышение данного коэффициента не достигается. Если число граней меньше 3, то на стенке образуется резкий изгиб, ухудшающий коррозионную стойкость покрытия и внешний вид.
-1-1-1--
g jO 12 количество гранен
Рис. 6. Зависимость коэффициента сопротивления от количества граней
Достаточная прочность изделия достигается, если многогранная конфигурация занимает не менее 10 % от площади центральной части.
Оптимальное соотношение длины структурного элемента в осевом направлении к максимальной ширине в радиальном направлении составляет:
0,2 < - <4, (1)
w v '
где L - длина структурного элемента в радиальном направлении W - ширина структурного элемента в осевом направлении.
Высокий уровень адгезии покрытия, нанесенного на сформированную банку, достигается при выполнении следующего условия:
t<R<-r, (2)
где R - радиус кривизны, t - толщина листа, г - радиус банки.
Изменяя отношение высоты к ширине конструктивного элемента, количество граней и величину выступа можно добиться необходимого внешнего сопротивления, а, следовательно, повысить прочность.
При формировании радиальной многогранной стенки полиграфическое покрытие не повреждается, так как площадь поверхности сохраняется, а впадины конструктивных элементов являются изогнутыми и гладкими.
Треугольная трехмерная структура, формируемая на стенке банки, получила название «diamond cut» («алмазная огранка») [7] (рис. 7).
Рис. 7. Банка с треугольной конфигурацией структурных элементов
Японская компания по производству упаковочной тары «Toyo Seikan Group Holdings» выпускает банки с трехмерной конфигурацией в центральной части (рис. 8) в рамках реализации проекта «Kirin fire bottle», направленного на увеличение продаж консервированного кофе.
Таким образом, кроме очевидных преимуществ, таких как возможность складывания, уменьшение объемов тары при транспортировке и хранении, использование трехмерных конфигураций повышает визуальную привлекательность и усиливает тактильные ощущения, уменьшает риск проскальзывания в руке при употреблении. Использование объемных структур интересно не только при изготовлении банок, но и баллонов высокого давления, поскольку повышает прочностные характеристики и позволяет уменьшить толщину стенки изделия.
Список литературы
1. Юраскова И. А. Актуальность применения алюминия при производстве тары и упаковки в условиях циркулярной экономики // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. 2019. С. 104-108.
2. Belokin P. Aluminum can with collapsible sidewall. Patent US4324340A USA, 1982.
3. R. W Hyde Collapsible can. Patent US3872994A USA, 1973.
4. Norman N Wiswell Collapsing container and collapsing device. Patent US2139143A USA, 1937.
5. Schenk M. Review of Inflatable Booms for Deployable Space. Structures: Packing and Rigidization // Journal of Spacecraft and Rockets. 2014.
6. Ishinabe M., Nishimura Y., Imazu K., Kobayashi S., Matsubayashi H. Packing can. Patent US5100017A USA, 1982.
7. Pseudo-Cylindrical Concave Polyhedral Packaging / Packaging as content. 2014 [Электронный ресурс]. URL: https://beachpackagingdesign.com/boxvox/pseudo-cvlindrical-concave-polyhedral-packaging (дата обращения: 05.11.2021).
Юраскова Ирина Андреевна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
SHAPEABLE ALUMINUM CANS I.A. Yuraskova
The use of packaging designs with a variable shape solves the problem of reducing the volume of empty containers, and also increases the strength characteristics and allows you to reduce the wall thickness.
Key words: aluminum can, configuration, structural element.
Yuraskova Irina Andreevna, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
