CC BY
73
4. Прейс В.В., Давыдова Е.В. Анализ производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок // Материалы междунар. научно-техн. конф. «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». 16-17 октября 2006 г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С. 35-38.
5. Прейс В.В., Давыдова Е.В. Экспериментальное определение условных вероятностей из математической модели производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок // Известия ТулГУ. Сер. Технология машиностроения. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. С. 253-261.
E.V. Davidova, V.V. Preys
AUTOMATION OF LOADING OF CORKING ELEMENTS IN AUTOMATIC ROTOR MACHINES FOR POURING OF LIQUID FOODSTUFF
The most widespread kinds of corking elements and bunker loading devices for giving of elements in automatic rotor machines offood manufactures are considered.
Key words: corking, automation, loading, rotor machines.
Получено 15.01.2012
УДК 621.9:658.011.54 + 663.97.05
Е.В. Давыдова, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-24-38, pp @к 1ах.ш1а. гц (Россия, Тула, ТулГУ),
И.Б. Давыдов, инженер-технолог, (4872) 30-07-00 (Россия, Тула, ОАО «ИНМАРКО»),
В.В. Прейс, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
(4872) 33-24-38, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
БУНКЕРНЫЕ ЗАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ ПРЕССОВАННЫХ ШТУЧНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Рассмотрены конструкции бункерных загрузочных устройств центробежного типа для автоматической загрузки прессованных штучных пищевых продуктов в упаковочные машины-автоматы.
Ключевые слова: автоматическая загрузка, центробежное бункерное загрузочное устройство, штучные пищевые продукты.
Для автоматической подачи штучных пищевых продуктов, например, прессованного сахара-рафинада, прессованной соли, бульонных кубиков и других аналогичных изделий, представляющих собой объемные симметричные удлиненные или равноразмерные предметы призматиче-
ской формы, в пищевой промышленности используют системы автоматической загрузки (САЗ) на базе бункерных загрузочных устройств (БЗУ) центробежного типа.
Данный класс БЗУ отличается широкой универсальностью, высокой производительностью, структурной и кинематической простотой конструкции, удобством обслуживания и ремонта.
На рис. 1 показана отечественная САЗ на базе центробежного БЗУ для автоматической подачи прессованного сахара или прессованной соли к заверточно-упаковочной машине [1]. Принцип действия САЗ с центробежным БЗУ для подачи прессованного сахара заключается в следующем. Прессованные куски сахара периодически загружают в приемник 1, из которого они поступают на вибрационный лоток-дозатор 2. Изменяя амплитуду колебания лотка-дозатора регулируют количество сахара, подаваемого одним слоем в центробежное БЗУ.
Центробежное БЗУ содержит плоский, в центре слегка конусный диск 2, вращающийся вокруг вертикальной оси, и неподвижный борт, расположенный по окружности периферийной части диска. Куски прессованного сахара под действием центробежной силы инерции перемещаются к периферии диска, и, ориентируюсь вдоль неподвижного борта, подаются диском к вращающемуся ролику 3 механизма контроля положения и отсекающего устройства. Зазор между роликом и бортом БЗУ выбран так, что правильно ориентированный сахар проходит свободно, а неправильно ориентированный - отбрасывается вращающимся роликом к центру диска для повторного ориентирования. Для отсева мелочи и крошек прессованного сахара вращающийся диск перфорирован.
Рис. 1. Система автоматической загрузки прессованного сахара на базе бункерного загрузочного устройства центробежного типа
Сориентированные куски прессованного сахара попадают в лоток 5 и подаются на ленточный транспортер-накопитель 6. Куски сахара перемещаются транспортером-накопителем к механизму выдачи 7, совершающему возвратно-поступательное движение и подающему по два куска прессованного сахара к заверточной машине автоматической линии изготовления и упаковки.
Таким образом, в центробежном БЗУ первичное ориентирование осуществляется ориентирующими поверхностями, которыми являются поверхности диска 4 и борта, а вторичное ориентирование, имеющее пассивный характер, осуществляется вращающимся роликом 3.
Угловая скорость вращающегося диска БЗУ 160 об./мин. Диаметр вращающегося диска D = 0,5 м. Производительность БЗУ при указанной угловой скорости диска составляет 300...400 шт./мин.
На рис. 2 представлена итальянская САЗ с центробежным БЗУ для автоматической загрузки бульонных кубиков в упаковочный автомат. Центробежное БЗУ, в отличие от рассмотренного ранее устройства, имеет вращающийся диск 4, наклоненный под некоторым углом, а внутри бунке-
^ О ^ О О А
ра, образованного диском и неподвижной обечайкой 2, размещен спиралевидный лоток 3. Бульонные кубики с помощью транспортного устройства 1 поступают в бункер БЗУ и оказываются на поверхности диска 4. Под воздействием центробежной силы инерции кубики располагаются по окружности диска хаотичными рядами.
Рис. 2. Система автоматической загрузки бульонных кубиков на базе бункерного загрузочного устройства центробежного типа
Датчик-контроллер 14 предохраняет бункер от переполнения путем передачи команды транспортному устройству 1 на подачу кубиков или ее отмену. Последний ряд кубиков, расположившихся по периферии диска 4,
12 3^ 5 6 7 8 9 10 11
увлекаясь спиралевидным лотком 3, перемещается к приемнику 7. При этом наличие отсекателя 5 над лотком 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 бульонных кубиков, 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 лотка 3 по заданной траектории обратно в бункер 2. Когда в лотке-накопителе освобождается место длякубиков, 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 несколько штук в элеваторное транспортное устройство 12 автомата упаковки кубиков в соответствии с требуемой производительностью.
Диаметр вращающегося диска D = 1,0 м, угловая скорость -20.70 об./мин. Производительность БЗУ составляет 450.650 шт./мин.
Недостатком всех центробежных БЗУ, является захват загружаемых штучных продуктов на высоких окружных скоростях диска, что приводит к интенсивному ворошению и соударению хрупких и непрочных продуктов друг с другом и о направляющие поверхности БЗУ, результатом которых является возможное истирание и порча их внешних поверхностей, что отрицательно сказывается на качестве готовой продукции. На вращающемся диске БЗУ центробежного типа образуется крошка, пыль, сколы прессованного сахара или бульонных кубиков, которые требуют периодического удаления и могут способствовать нестабильной работе САЗ, заполняя зазоры между рабочими органами БЗУ.
Другим недостатком рассмотренных САЗ с центробежными БЗУ является периодическое возвращение загружаемых штучных продуктов обратно в бункер при переполнении лотка-накопителя. При частом переполнении лотка-накопителя определенное число продуктов может многократно возвращаться в бункер, прежде чем поступит в приемник, что приводит к еще большему повреждению поверхностей продукта.
Таким образом, с целью снижения вероятности повреждений штучных продуктов при их загрузке механическими центробежными БЗУ необходимо обеспечить выбор:
- минимально возможной частоты вращения п, при которой соударения продуктов будут незначительными, а производительность БЗУ - соответствовать требуемому значению;
- рациональной емкости N лотка-накопителя во взаимосвязи с параметрами БЗУ, при которых вероятность переполнения лотка-накопителя, а, следовательно, и вероятность многократного возврата продуктов обратно в бункер БЗУ были бы минимальными.
Фактическая производительность [шт./мин] механических БЗУ любого типа определяется зависимостью
Пф = Пт п, (1)
где Пт - теоретическая производительность БЗУ, характеризуемая максимально возможным числом штучных продуктов, которые могут быть выданы из БЗУ, шт./мин; п - коэффициент, характеризующий вероятность захвата и выдачи продуктов из БЗУ.
Теоретическая производительность центробежного БЗУ может быть определена выражением
^ 60и юD ппВ
Пт =-----=------=-------------------------------, (2)
т h 2 h 60 h
где и - линейная скорость продуктов, находящихся на периферии диска (спиральном лотке), м/с; ю - угловая скорость диска БЗУ, рад/с; h - шаг, равный расстоянию между центрами масс соседних продуктов, м.
Единственной известной работой, посвященной аналитическому и экспериментальному исследованию центробежных БЗУ, является монография В.З. Шапрана [1]. Используя его подход, была получена зависимость производительности Пф центробежного БЗУ для подачи бульонных кубиков от частоты вращения диска (рис. 3, кривая 1).
Пф, шт./мин
600
300
1
^^2
15 30 45 /? об./мин
Рис. 3. Графики аналитической (1) и экспериментальной (2) зависимостей от частоты вращения диска средней фактической производительности центробежного бункерного загрузочного устройства для бульонных кубиков
Сравнение аналитической зависимости с экспериментальной зависимостью (рис. 3, кривая 2), полученной в производственных условиях на действующей поточной линии изготовления и упаковки бульонных кубиков, показало их полное несоответствие. Более того, вид аналитической зависимости фактической производительности центробежного БЗУ противоречит известным моделям производительности различных типов механических дисковых БЗУ, полученных другими авторами. Поэтому известная модель не может быть использована при нахождении рациональных параметров центробежного БЗУ на стадии проектирования САЗ с требуемой производительностью, отвечающих указанных выше условиям.
Определим граничные условия, при которых возможно начало движения продукта в центробежном БЗУ по наклонному вращающемуся диску с коническим выступом (рис. 4). Минимальное расстояние от центра масс продукта до оси вращения диска БЗУ определится по выражению
rmin = 2 cos ak, (3)
где I - длина (наибольший габаритный размер) штучного продукта, м; ak - угол между коническим выступом и дном вращающегося диска, град.
Рис. 4. Расчетная схема граничных условий процесса движения штучного продукта 4 на вращающемся диске 1 с коническим выступом 3 в бункере 2 центробежного бункерного загрузочного устройства
Согласно расчетной схеме (см. рис. 4) можем записать условие равновесия продукта на коническом выступе
X Fox = — Fтр cos a k + G sin а бун + N cos( 90 — а бун — а k) + J = 0;
4 о (4)
X Foy =^р sin а k — G cos а бун + N sin(90о — абун — а k) = 0,
где Fтр = цЫ - сила трения продукта, возникающая в момент движения по
вращающемуся диску, Н; N - сила реакции диска, Н; ц - коэффициент трения продукта о вращающийся диск центробежного БЗУ; G = mg - сила тяжести продукта, Н; т - масса продукта, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; абун - угол наклона дна вращающегося диска к горизонту,
град; 3 = тш гт^п - центробежная сила инерции, Н; ш - угловая скорость диска, рад/с.
Решением системы уравнений (4) с учетом зависимости (3) будут выражения, определяющее граничные значения угловой скорости вращающегося диска центробежного БЗУ
Ы=
2 g
I cos а £
ц cos а £ - sin( а бун +а £) ц sin а £ + cos(а бун + а £)
cos а
бун
sm а
бун
(5)
или частоты вращения диска 30
[„]:
П
2 g
I cos а £
ц cos а £ - sin( а бун + а £) ц sin а £ + cos(а бун + а £)
cos а
бун
- sin а
бун
(6)
Для штучного продукта длиной I = 0,015м в диапазоне значений коэффициента трения ц = 0,4...0,8 построены графики (рис. 5), зависимости граничной частоты вращения диска (6) от коэффициента трения продукта для углов наклона вращающегося диска БЗУ а бун = 10° ;15° при различных значениях угла конического выступа.
Из построенных графиков можно определить, при каких значениях угла наклона и граничной частоты вращения диска БЗУ будет обеспечиваться процесс движения штучного продукта в направлении спиралевидного лотка (см. рис. 2). Например, если коэффициент трения штучных продуктов о поверхность БЗУ будет равен ц = 0,5, то при углах вращающегося
диска абун = 10° и конического выступа а £ = 5° частота его вращения
должна быть не менее 90 об./мин. При других значениях а бун и а £ для
данного штучного продукта ограничения по частоте вращения диска БЗУ отсутствуют.
Оценить вероятность многократного возврата продуктов обратно в бункер центробежного БЗУ можно из следующих соображений. Емкость лотка-накопителя САЗ рассчитывают по формуле [4]
N =
1п
с \ т - п
1- п
(7)
где q0 - вероятность параметрического отказа САЗ из-за отсутствия запаса
продуктов в накопителе (0,01 < q0 < 0,001); т =
П
ф
> 1 - коэффициент
ПСАЗ
переполнения; ПСАЗ - требуемая производительность САЗ, соответствующая цикловой производительности технологической машины (например, упаковочного автомата).
И,
об./мин
90
80
70
60
50
40
30
20
10
/ У / У
/ / / /
/ / /
/ / / /
1 2 / 3^/ 4^/
/ / / / /
/' / / /
/' / / /
/ 1
0,4
0,5
0,6
0,7
а
[и],
об./мин
90
80
70
60
50
40
30
20
10
1 2 /-
/'
/
/
/
0,6
0,65
0,7
0,75
б
Рис. 5. Графики зависимости граничной частоты вращения диска от коэффициента трения для углов наклона вращающегося диска
абун = 10° (а) и абун = 15° (б) при различных значениях угла
конического выступа:
1 - а£ = 5 °; 2 - а£ = 10°; 3 - а£ = 15 °; 4 - а£ = 20°
В работе В.В. Прейса [5] показано, что введение расчетного коэффициента т > 1 приводит к периодическому переполнению лотка-накопителя с вероятностью
Из анализа выражения (8) следует, что вероятность переполнения лотка-накопителя с увеличением его емкости быстро снижается, асимптотически приближаясь к величине (т-1) уже для значений N > 5, т.е. вероятность переполнения на порядок - два выше величины вероятности параметрического отказа.
Используя выражение (8), можно оценить число штучных продуктов, которые каждую минуту будут сбрасываться обратно в бункер БЗУ
Представленные в статье методологические подходы и полученные выражения (1) -(10) являются основой для разработки адекватных и корректных математических моделей, описывающих процесс функционирования САЗ с механическим центробежным БЗУ, обеспечивающих выбор их рациональных конструктивных и кинематических параметров на стадии проектирования.
1. Шапран В.З. Автоматические питатели заверточных машин. Киев: Техника, 1969. 239 с.
2. Давыдов И.Б., Давыдова Е.В. Проблемы автоматической загрузки штучных предметов обработки механическими центробежными бункерными загрузочными устройствами // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1: в 2 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ. 2009. С. 54-61.
3. Давыдов И.Б., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Вопросы расчета параметров системы автоматической загрузки с центробежным бункерным загрузочным устройством // Сб. трудов Междунар. научно-техн. конф. «Технология и техника автоматизации - 2009» представительства Междунар. союза машиностроителей (ШМВ) в РА, посвященной 65-летию маши-
0 =
т -1
(8)
N+1 '
К = 0 Пф,
(9)
или с учетом выражений (1), (2), (8)
К =
т-1 пnD
(10)
Список литературы
ностроительного факультета ГИУА в г. Ереване 12-17 октября 2009. г. Ереван: ГИУА. 2009. С. 140-143.
4. Кордонский Х.Б. Применение теории вероятностей в инженерном деле. М-Л.: Физматгиз, 1963. 435 с.
5. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с параметрическими отказами // Автоматизация и современные технологии, 2003, № 1. С. 9-15.
E.V. Davidova, I.B. Davidov, V.V. Preys
HOPPER FEEDING DEVICES CENTRIFUGAL TYPE FOR AUTOMATIC LOADING OF THE PRESSED PIECE FOODSTUFF
Designs of hopper feeding devices of centrifugal type for automatic feeding of the pressed piece foodstuff in packing cars-automatic machines are considered.
Key words: automatic loading, the centrifugal bunker loading device, piece foodstuff.
Получено 11.01.2012
УДК 621.785.796
И.В. Тихонова, канд. техн. наук, доц., (4872)35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.М. Гринберг, д-р. техн. наук, проф., (4872)35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.В. Маркова, асп., (4872)35-05-81, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА КОЛИЧЕСТВО ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА И СКЛОННОСТЬ СТАЛИ КО ВТОРИЧНОЙ ЗАКАЛКЕ
Анализировали влияние химического состава и температуры нагрева под закалку на количество остаточного аустенита в конструкционных, инструментальных, а также коррозионностойких высокопрочных сталях.
Получены зависимости влияния легирующих элементов и температуры нагрева под закалку на количество аустенита остаточного в сталях.
Разработан алгоритм оценки склонности сталей ко вторичной закалке.
Ключевые слова: модель, фазовый состав, остаточный аустенит, распад аустенита, вторичная закалка.
Для термически упрочняемых сталей основной причиной фазовой метастабильности является наличие остаточного аустенита как наименее стабильной фазы. Превращение аустенита в мартенсит, а также распад
111
