ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 6, 2013
УДК 621.798.37
© 2013 г. Саламандра Б.Л., Тывес Л.И., Саламандра К.Б., Корендясев Г.К.
DIRECT FILLING-ТЕХНОЛОГИЯ ПОРЦИОННОГО ДОЗИРОВАНИЯ ВЯЗКИХ ПРОДУКТОВ ОТ НАПОРНОГО ПРОДУКТОПРОВОДА
Описывается схема построения дозаторов, которая не требует приводов и основана на использовании давления в продуктопроводе. Такой дозатор представляет собой насадку на напорный продуктопровод, которая по сигналу от контроллера выдает дозу продукта. Наряду с высокой гигиеной розлива дозатор отличается большим быстродействием и повышенной точностью. Приводятся схемы модульных и роторных дозаторов "Direct filling", позволяющих увеличить число параллельных каналов выдачи доз продукта, что важно для многоручьевых автоматических линий фасовки и упаковки продуктов.
В настоящее время к дозаторам автоматических линий упаковки полужидких продуктов существенно возросли требования по быстродействию, точности и гигиене. Традиционные объемные дозаторы жидких и полужидких продуктов, наиболее широко применяемые в мировой практике, по своему принципу соответствуют схеме порционного поршневого насоса Ктесибия (II—I век до н.э.) [1]. Развитие порционных дозаторов шло в направлении автоматизации привода и совершенствования уплотни-тельных и клапанных устройств, конструкция которых в значительной степени определяется свойствами дозируемой жидкости: со взвешенными частицами, пастообразных, агрессивных, вязких и труднотекучих [2]. Современный дозатор этого типа, используемый в автоматическом оборудовании для фасовки продуктов, имеет свой буферный бачок (рис. 1), оснащенный датчиками уровня для автоматической подачи продукта из продуктопровода, и пневмо- или гидроприводы для всасывания продукта из бачка, фиксации и выдачи дозы продукта. Дозатор работает в два этапа: в показанном положении трехходового крана приводной цилиндр идет вниз до упора, всасывая в мерный цилиндр из бачка дозу продукта; кран поворачивается на 90° по часовой стрелке, после чего цилиндр идет вверх, выдавливая дозу продукта в сопло (регулировка дозы осуществляется изменением положения механического упора).
Видно, что схема дозирующего устройства достаточно проста, но очевидны и присущие ей недостатки: по гигиене розлива имеется возможность попадания продуктов износа трущихся пар и вредной микрофлоры из внешней среды в дозируемый продукт через уплотнения штоков приводных цилиндров, а также трудность автоматической промывки дозатора в местах установки уплотнений: по точности дозы есть возможность подсоса воздуха в мерный цилиндр на этапе всасывания при вязких продуктах и утечек через уплотнения на этапе выдавливания при жидких продуктах; по быстродействию затрачивается время на этап всасывания; по номенклатуре продукт долго находится в баке, что вызывает повышенный уровень окислительных процессов, который ухудшает процесс розлива аэрированных (насыщенных азотом) продуктов, поскольку газовая фаза частично уходит из продукта при сбросе давления при попадании в буферный бак.
Рис. 1. Традиционная схема дозатора полужидких продуктов: 1 — буферный бачок, 2 — трехходовой кран, 3 — привод крана, 4 — напорный продуктопровод, 5 — клапан, 6 — пневмо- или гидроцилиндр, 7 — регулировка дозы
Важно отметить, что в современном производстве продуктов питания технологический участок изготовления самого продукта удален от участка его упаковки. Часто оборудование для изготовления продукта монтируется на верхнем этаже здания, а автоматы для упаковки — на нижнем. При этом продукт из технологического бака готовой продукции перекачивается насосом по продуктопроводу к дозаторам упаковочных автоматов. При традиционной схеме дозирования напорный продуктопровод, ведущий из бака готовой продукции, завершается клапаном подачи продукта в промежуточный бачок дозирующего устройства. Далее опять же организуется принудительный (от внешних источников энергии), но уже дозированный поток продукта от бачка к соплу выдачи дозы со всеми приведенными недостатками.
Нелогичность построения продуктового тракта, а также недостатки можно устранить, если организовать прямой впрыск (direct filling) дозы продукта в сопло непосредственно из напорного продуктопровода, т.е. задача состоит в том, чтобы создать некоторую "насадку" на продуктопровод, которая по сигналу от контроллера будет пропускать на выход фиксированную дозу продукта. Исследования и опытные разработки показали, что такую задачу можно решить, если разместить в потоке продукта некоторый "разделитель" и организовать его возвратно-поступательное движение за счет энергии движущегося под давлением продукта. Подобная схема хорошо зарекомендовала себя по герметичности и стабильности дозы при построении дозаторов для чистых, в первую очередь, агрессивных жидкостей [3]. В ИМАШ РАН разработаны, испытаны и внедрены в производство дозаторы " Direct filling" для вязких продуктов, в том числе и продуктов с кусочками.
Принципиальная схема модульного дозатора "Direct filling" [4] представлена на рис. 2, а. Здесь в мерной гильзе 1 размещен разделитель потока — свободно плавающий поршень 2, разделяющий объем мерной гильзы на две камеры 3 и 4. Каждая из этих камер соединена каналами 5 и 6 с выходом дозатора — соплом 7 и с его входом — напорным продуктопроводом 8. В каналах установлены программно управляемые клапаны 9, 10, 11 и 12. Все клапаны одинаковые. В данном случае они пневматические: при подаче сжатого воздуха через штуцер 13 упругая мембрана 14 перекроет внутреннее сопло 15 и тем самым перекроет канал. В торцах мерной гильзы 1 установлены механические упоры 16 и 17, ограничивающие перемещение поршня 2. Один из упоров 17 выполнен регулируемым.
18
и.
12 13 9 14
1 щ 5 3 2 4 1 —^
ДЛУЛУД^ II ._
16
\
5а
10
н
1 17
-/—S
\_¿.
""J
11
12
7a
-V
19 20
21
4 <:
ii
10
13 9 14 _
fc^ I \
5b
4 [Ш-
15 22
11
If
7b
Рис. 2
а
2
б
8
В исходном положении все клапаны 9, 10, 11 и 12 закрыты, а поршень 2 находится на одном из упоров, например, на упоре 16. При необходимости выдачи дозы, когда под сопло 7 поступит для загрузки продуктом очередная емкость, по сигналу контроллера открываются клапаны 9 и 10. Продукт от напорного продуктопровода 8 через открытый клапан 10 будет поступать в камеру 3, перемещая поршень 2 вправо, выдавливая дозу продукта из камеры 4 в сопло 7 через открытый клапан 9. Как только поршень 2 достигнет упора 17, процесс дозирования заканчивается, и контроллер закрывает клапаны 9 и 10. При этом в камере 3 уже набран продукт для следующего цикла дозирования.
На следующем цикле контроллер открывает клапаны 11 и 12, расположенные на другой диагонали устройства. При этом поршень 2 будет перемещаться влево до упора 16, выдавливая дозу продукта в сопло через клапан 12. Таким образом, поочередно отключая клапаны, расположенные на различных диагоналях устройства, через сопло 7 будет выдаваться последовательность заданных доз продукта. На выходе устройства установлен дроссель 18 для регулирования скорости истечения продукта. Регулирование дозы осуществляется плавно вращением винта-упора 17. Представленное на рис. 2, а устройство является модулем, обеспечивающим дозирование продукта по одному каналу.
В автоматических линиях фасовки продуктов типа "Form-fill-seal" число параллельных каналов выдачи доз должно соответствовать количеству емкостей, формируемых за один цикл работы линии. Поэтому актуальным является создание многоканальных дозирующих систем " Direct filling". Особенно эта проблема важна для порционных линий, которые за один цикл обрабатывают и выдают 20 или более упаковок. Одним из вариантов достижения многоканальности является установка соответствующего количества модулей на один напорный продуктопровод. Каждый из модулей имеет свою независимую регулировку дозы, но все они объединены одним продуктопроводом и воздушными каналами управления клапанами. Для разных диапазонов доз разработа-
2 1
3 4
Рис. 3
ны модули с различными диаметрами мерных цилиндров. В таблице приведены технические характеристики модулей, созданных для автоматической линии мод. АЛБ 165 производства фирмы "Рекупер", а на рис. 3 дан общий вид дозаторного узла для трехручьевой линии (1 — механизм сброса последней капли и разрыва струи, 2 — выходные сопла, 3 — напорный продуктовод, 4 — лаховик регулировки дозы).
Здесь на выходе трехмодульного дозатора установлен механизм сброса последней капли, работающий по принципу перистальтики: после завершения цикла дозирования пневмоцилиндр сжимает упругие силиконовые шланги, выжимая в сопло каплю продукта, а через 0,4—0,6 с отпускает их. При этом за счет упругости шланга столб продукта втягивается в шланг. Разнонаправленное движение последней капли и столба продукта в шланге обеспечивает гарантированный разрыв струи при дозировании вязких тягучих продуктов типа меда, шоколадной пасты и т.п. Экспериментальные исследования модульных дозаторов, построенных по принципу " Direct filling" показали, что при полной герметичности они обеспечивают высокую стабильность выдаваемой дозы: в пределах 0,8—0,9% даже для малых доз (15—20 см. куб.).
Другим вариантом обеспечения многоканальности является создание роторных дозирующих систем "Directfilling". Такое устройство [5], обеспечивающее в общем случае n каналов, содержит ротор 1 (рис. 4), в котором равномерно по окружности установлено к мерных гильз 2 с поршнем 3. Поршень 3 разделяет мерное отверстие гильзы 2 на камеры 4 и 5. Камера 4 сообщается с отверстием 6, выполненным на левом торце ротора 1; камера 5 — с отверстием 7 на правом торце ротора 1. Оба торца ротора контактируют с неподвижным корпусом, который образован полым валом 8, являющимся одновременно осью вращения ротора 1, и двумя фланцами 9 и 10, несущими сопла 11 вывода дозы продукта. Полость вала 8 сообщается с напорным продуктопроводом. На торце каждого фланца, контактирующем с торцом ротора 1,
Диаметр гильзы, мм Усилие на поршне при 1 кг/см. кв, кгс Max/min объем дозы, см. куб. Чувствительность регулировки, см. куб/об
025 4,909 71,18/3,9 0,49
032 8,042 116,61/6,4 0,8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.