Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Шнековый дозатор

Содержание

Анализ состояния вопроса.

Расчет параметров шнекового рабочего органа.

2.1 Методика расчета.

Выбор и расчет кинематической схемы привода.

Расчет кинематических параметров клиноременной передачи.

Общие выводы.

Список литературы.

Анализ состояния вопроса.

ДОЗАТОР

Что такое дозаторы?

Дозатор — это устройство, обеспечивающее автоматическое дозирование определенной массы или объема различных материалов или продуктов. В общем виде дозатор представляет собой систему, состоящую из:

питателя (дозатор);

датчика контроля массы;

оборудования для подачи материала (ленточные, винтовые и др. виды конвейеров); системы управления расходом материала .

Дозаторы отмеривают самые различные материалы: жидкие, пастообразные и сыпучие. Дозируемый материал измеряется в единицах массы (кг) или в единицах объема (м3). В зависимости от этого и определяют типы дозаторов: весовые дозаторы (кг) или объемные дозаторы (м3). Важным показателем всех дозаторов является их производительность, которая измеряется соотношением массы (объема) к единице времени (кг/ч или м3/ч).

Типы дозаторов

Как мы указали выше, дозаторы, в зависимости от единицы массы, подразделяются на весовые и объемные.

Разработаны объемные дозаторы самых разнообразных видов:

объемные дозаторы маятникового типа (для гранулированных и легкосыпучих продуктов);

объемные дозаторы ротационного типа (для мелкодисперсных сыпучих продуктов);

объемные дозаторы с телескопическими чашками (для гранулированных и легкосыпучих продуктов) и некоторые другие.

К достоинствами объемных дозаторов можно отнести их простоту, а к недостаткам — недостаточную, в сравнении с весовыми дозаторами, точность. Весовые дозаторы благодаря своей точности нашли широкое применение в сложных и точных технологические процессах.

Разработаны весовые дозаторы нескольких видов:

роторные весовые дозаторы;

ленточные весовые дозаторы и некоторые другие.

В зависимости от вида действия дозаторы подразделяются на:

периодического (дискретного) действия;

непрерывного действия.

В промышленности дозаторы дискретного действия используют, как правило, в процессах, предусматривающих размещение оборудования на высоте, а дозаторы непрерывного действия применяют в процессах с горизонтальным размещением оборудования и конвейерной транспортировкой материала. Для дискретных дозаторов характерна конструкция бункерного типа, а для дозаторов непрерывного действия — бункерного и ленточного.

Дозаторы также подразделяются на типы в зависимости от числа дозируемых материалов:

однокомпонентные дозаторы;

многокомпонентные дозатора.

Однокомпонентные дозаторы работают с одним материалом, а многокомпонентные с несколькими материалами. И однокомпонентные, и многокомпонентные дозаторы могут быть и непрерывного, и порционного действия. Однокомпонентные дозаторы более просты, так как работают только с одним материалом, а вот многокомпонентные включают в себя возможность автоматического регулирования и поддержания соотношений материалов.

Следует отметить, что дозаторы разрабатываются для различных групп материалов. Существуют группы материалов, которые достаточно сложно поддаются дозированию:

трудносыпучие;

материалы поштучного дозирования;

крупнодисперсные материалы.

Для дозирования этих типов применяют следующие виды дозаторов:

шнековый дозатор (для порошкообразных и трудносыпучих продуктов);

вибрационный дозатор (для поштучного дозирования — упаковка таблеток, семян);

кассетный дозатор (для крупнодисперсных продуктов).

Для всех типов дозаторов характерно наличие системы управления, которая подразделяется на:

ручную;

автоматическую.

Ручная система применяется в простых технологических процессах и не подходит для сложных многокомпонентных и высокопроизводительных систем.

Современные производители дозаторов и фасовочного оборудования разработали уникальные автоматические системы управления. Данные системы позволяют осуществлять управление с сенсорных дисплеев, которые позволяют устанавливать и запоминать все параметры рабочего цикла дозатора, а также отображать аварии и данные самодиагностики.

Дозаторы в современном фасовочно-упаковочном оборудовании.

Дозаторы являются одним из главнейших элементов любого фасовочного оборудования. Интересно взглянуть, что же предлагают современные производители этого оборудования. В качестве примера применения дозаторов в современном оборудовании для фасовки приведем фасовочный автомат модели «Омаг С3» с двумя дозаторами.

В комплект однодорожечной машины входит дозатор с телескопическими чашками, предназначенный для гранулированных и легкосыпучих продуктов. Дозатор состоит из маятниковой подающей трубки и двухрядной системы дозирующих чашек.

Скоростная микрометрическая регулировка дозатора сыпучих материалов может проводиться при работающем упаковочном автомате. Пределы регулировки дозатора находятся в интервале соотношения объемов + – 30 %. Наличие различных дополнительных устройств: ворошителей, вибраторов, системы обдува, аспирации и декомпрессии позволяет значительно расширить гамму продуктов, которые можно фасовать данным типом дозатора.

Второй дозатор — шнековый. Он предназначен для мелкодисперсных порошков и трудносыпучих продуктов.

Особенностью упаковочной машины «Омаг С3» является то, что она может быть оснащена самыми разнообразными дозаторами:

объемный дозатор маятникового типа (для гранулированных и легкосыпучих продуктов);

объемный дозатор ротационного типа (для мелкодисперсных сыпучих продуктов);

объемный дозатор с телескопическими чашками (для гранулированных и легкосыпучих продуктов);

шнековый дозатор продуктов (для порошкообразных и трудносыпучих продуктов);

вибрационный дозатор (для поштучного дозирования — упаковка таблеток, семян);

кассетный дозатор (для крупнодисперсных продуктов).

Оmag СЗ с двумя дозаторами имеет модификации с количеством дорожек 1 или 2 и позволяет производить упаковку широкой гаммы продуктов. Фасовка сыпучих продуктов и упаковка производится в пакеты, запаянные с четырех сторон.

Шнековый дозатор

Вид конструкции дозатора, в котором дозирование осуществляется с помощью прецизионного винта (шнека).

Подача материала осуществляется при приложении постоянного давления к резервуару с дозируемым материалом, благодаря чему он перемещается по подающему патрубку. Материал входит в контакт со шнеком, который вращается в течение заданного времени с определенной постоянной скоростью. В процессе поворота шнека материалу сообщается сдвигающее усилие, он захватывается канавками шнека и перемещается вниз, к наконечнику дозатора. Как только материал достигнет пространства между шнеком и наконечником, он начинает испытывать сопротивление вследствие ограниченного объема. Шнек продолжает вращаться, создавая усилие, достаточное для проталкивания пасты через наконечник.

Винтовая поверхность известна человечеству много лет, недаром один из вариантов такой поверхности носит название «спираль Архимеда». Достаточно давно ее стали использовать для перемещения продуктов. Винтовая поверхность, заключенная в цилиндрический корпус и служащая для перемещения сыпучих грузов, называется винтовым конвейером. Винт, транспортирующий груз, чаще всего носит название «шнек». Отсюда второе, реже употребляющееся, имя конвейера: шнековый конвейер. Кто и когда стал использовать шнек для дозирования сыпучих продуктов, пока установить не удалось. Скорее всего, шнековые дозаторы могли появиться в конце XIX — начале ХХ века, когда предпринимались первые попытки автоматического наполнения тары. До этого при ручном упаковывании в дозировании продуктов, для которых сейчас применяется шнек, проще было использовать мерную емкость. Следует отметить, что терминология, используемая в литературе, посвященной проблемам фасования и упаковывания продукции, в нашей стране имеет совершенно хаотичный характер. Как только ни называются одни и те же машины, автоматы и их составные части. Дозатору, здесь описываемому, в этом, несомненно, «повезло»: практически везде для него используется один термин — «шнековый дозатор». Шнековый дозатор относится к виду объемных дозаторов для сыпучих продуктов и используется практически всегда для дозирования трудносыпучих — порошкообразных и пылящих продуктов, например: муки, крахмала, ксилита и т. п. Для легкосыпучих продуктов шнековый дозатор использовать не стоит, за исключением редких случаев, ведь на дозаторах других видов и типов доза продукта будет точнее, да и производительность выше.

Конструкции шнековых дозаторов

Дозаторы с вертикальным расположением шнека. Схема наиболее распространенного исполнения шнекового дозатора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.Схема шнекового дозатора: 1. Питающий шнек 2. Конический дункер 3. Датчик уровня продукта 4. Лопасти мешалки 5. Расположение шнеков шнек 6. Корпус дозирующего шнека

Из конического бункера 2 вертикальным дозирующим шнеком 5 при его включении отбирается и выдается доза продукта. Выше конического бункера располагается питающий шнек 1, обычно горизонтально расположенный. Через патрубок в корпусе этого шнека поступает дозируемый продукт. Иногда продукт поступает на питающий шнек через бункер для продукта, установленный на входном патрубке. Питающий шнек периодически включается, пополняя продукт в коническом бункере. Уровень продукта в коническом бункере поддерживается датчиком 3, от сигнала которого включается и выключается питающий шнек. В коническом бункере постоянно вращаются лопасти-мешалки 4. Они не дают продукту слеживаться и нагнетают его на дозирующий шнек. Величина дозы определяется числом оборотов дозирующего шнека. Для лучшего забора продукта из конического бункера часто верхнюю часть дозирующего шнека выводят из корпуса в бункер, изготавливая ее конической (позиция 7 рисунка 7).

Дозатор немецкой компании Optima оснащен коническим бункером, выполненным из прозрачной пластмассы. Можно увидеть лопасти-мешалки и коническую часть шнека. Прозрачный бункер позволяет оператору видеть продукт в бункере и визуально контролировать работу датчика и питающего шнека. Достаточно широко распространено исполнение дозатора, схематично показанное на рисунке 2. Отличия от предыдущего исполнения невелики. Между питающим шнеком 2 и коническим бункером 5 установлена промежуточная емкость 3. Необходимый уровень продукта поддерживается датчиком 4 уже в этой емкости. Наличие промежуточной емкости увеличивает столб продукта в дозаторе, соответственно, давление на нижние слои продукта (у дозирующего шнека), заполнение его и позволяет уменьшить размеры конического бункера. На рисунке 3 показан фасовочный автомат вертикального воротникового типа со шнековым дозатором, имеющим промежуточную емкость.

Рисунок 2. Схема шнекового дозатора с промежуточной емкостью: 1. Дункер 2. Питающий шнек 3. Емкость промежуточная 4. Датчик уровня продуктов 5. Конический дункер 6. Лопасти-мешалки 7. Дозирующий шнек

Поддержание постоянного уровня продукта в шнековом дозаторе крайне необходимая операция. Точность ни одного другого дозатора так не зависит от уровня продукта, как шнекового. Если в дозаторе не предусмотрен датчик уровня, значит, задачу поддержания уровня производитель переложил на потребителя дозатора.

Без питающего шнека можно обойтись только в том случае, когда сигнал от датчика поступает на тот элемент цехового транспорта подачи продукта, который ответственен за подачу продукта на дозатор. Для различных продуктов в дозаторах применяются дозирующие шнеки разной длины. При дозировании не пылящих или мало пылящих продуктов применяется короткий шнек. Если же продукт при помещении его в тару сильно пылит, лучше использовать более длинный шнек, заканчивающийся у выгрузного отверстия корпуса шнека.

Показанные исполнения дозаторов герметичны. Возможно только наличие отверстия в верхней крышке конического бункера или промежуточной емкости для поддержания атмосферного давления внутри дозатора. Но это отверстие обычно прикрывают пористым материалом. Дозатор в герметичном исполнении незаменим при фасовании гигроскопичных продуктов. Даже если при дозировании некоего гигроскопичного продукта по его физико-механическим свойствам лучше использовать дозатор другого типа, например, для получения большей производительности, то имеет смысл подумать: может, стоит все-таки применить шнековый дозатор из-за минимального контакта продукта с атмосферным воздухом? Лишь бы только продукт не повреждался при прохождении через шнеки.

Предпочтителен из-за своей герметичности шнековый дозатор на некоторых типах автоматов при фасовании продуктов с упаковыванием их в модифицированной газовой среде (МГС). Но существуют шнековые дозаторы и в негерметическом исполнении. Они по конструкции не слишком отличаются от описанных выше. У конического бункера отсутствует верхняя крышка, и продукт питателем направляется непосредственно в бункер.

Если отсутствие верхней крышки единственное упрощение конструкции, то это не беда. Плохо другое. Отсутствие герметичности, увы, производителями чаще всего сопровождается некоторыми другими «упрощениями» конструкции: отсутствием питающего шнека, отсутствием датчика уровня или даже отсутствием лопастей. А это уже ведет к главному недостатку дозатора любого типа: снижению точности.

Дозаторы с горизонтальным расположением шнека. Дозатор с горизонтальным расположением шнека отличается от горизонтального винтового конвейера невысокой производительности, по сути, только одним: шнек короче. Преимущество горизонтального расположения шнека в снижении высоты дозатора. Недостаток в том, что при горизонтальном расположении трудно даже приблизительно говорить о коэффициенте его заполнения.

В любом учебнике по транспортирующим машинам говорится, что коэффициент заполнения шнека зависит от физико-механических свойств продукта и дается он для разных материалов либо в каком-то диапазоне, либо в усредненном значении. При горизонтальном расположении шнека заполнить полость корпуса с каким-то постоянным коэффициентом заполнения не удастся никакими ухищрениями, в том числе теми, что применяются в дозаторах с вертикальным расположением. Поэтому получать более-менее точную дискретную дозу продукта только числом оборотов шнека не удастся.

Чаще всего наполнение тары горизонтальным шнеком сочетается с взвешиванием дозы. Самое типичное применение такого сочетания — дозатор для наполнения клапанных мешков большой дозой продукта (муки, цемента и т. п.). Там масса продукта при заполнении мешка постоянно контролируется, и при достижении требуемой величины происходит остановка вращения шнека. При фасовании продуктов небольшой потребительской дозой (до 5 кг), особенно на оборудовании, образующем тару, такое прямое сочетание не применяется.

Попытка применить дозатор с горизонтальным расположением шнека на воротниковом оборудовании автору известна только одна. В середине 90-х одна российская компания на своем воротниковом устройстве с ручным протягиванием образуемого рукава поставила такой дозатор. Но так как точность дозирования не могла удовлетворять, вскоре ниже шнека установили емкость, в которой взвешивался поступающий продукт. После достижения требуемой массы вращение шнека прекращалось, открывалось дно емкости, и доза продукта поступала в пакет. В результате такого изменения дозатор из шнекового превратился в весовой с нагнетанием продукта шнеком.

Точность дозирования

У шнекового дозатора даже «классической» (с вертикальным шнеком) конструкции два недостатка: относительно низкая производительность и самая малая точность в сравнении с другими дозаторами.

Если низкая производительность связана, прежде всего, со свойствами дозируемых продуктов (недаром продукты, дозируемые на нем, называют трудносыпучими), то малая точность связана во многом с тем самым коэффициентом заполнения и трудностью его определения и точного поддержания в процессе работы. Для повышения точности дозирования в процессе фасования применяют контрольное определение массы дозы продукта (контрольное взвешивание). Самое простое контрольное определение массы дозы — когда оператор, обслуживающий автомат, периодически взвешивает упаковки с продуктом и при выходе величины дозы за пределы допуска переналаживает дозатор, изменяя число оборотов шнека, необходимых для получения дозы.

В оборудовании горизонтального типа операция контрольного взвешивания нередко «встраивается» в технологический цикл получения тары и фасования в нее продукта. Тара (пакет, пачка и проч.) с продуктом опускается на площадку, снабженную датчиками, реагирующими на массу. Тара с дозой продукта, удовлетворяющей требуемой точности, после взвешивания идет на дальнейшие операции, а тара с массой продукта, выходящей за пределы допуска, бракуется: выталкивается из кармана транспортирующего органа автомата. Чтобы фасованная продукция меньше уходила в брак, применяют двойное дозирование с контролем массы между этими дозированиями. Сначала в тару от одного дозатора поступает продукт в количестве заведомо меньше номинала (грубое или предварительное дозирование). Тара с продуктом взвешивается. Если (что бывает крайне редко) в таре обнаруживается излишек продукта, то такая тара бракуется. В остальных случаях, по результатам взвешивания дается команда на определенное число оборотов шнека второго дозатора, установленного на другой позиции перемещения тары, и продукт досыпается до нормальной дозы (тонкое, точное или окончательное дозирование).

В хорошем оборудовании и после досыпки проводится еще одно взвешивание с целью отбраковки тары по массе продукта в ней. Понятно, что раздельное дозирование с одним или двумя контрольными взвешиваниями при увеличении точности дозы приводит к увеличению габаритов оборудования. Стоит отметить, что двойное дозирование может в некоторых случаях привести и к снижению производительности. Для повышения производительности применяют одновременное дозирование в две или (в редких случаях) единицы тары. Но это опять же ведет к увеличению габаритов. Выход очевиден, но технически трудновыполним: необходимо совместить грубое и точное дозирование на одном шнековом дозаторе.

В патентной литературе такие попытки зафиксированы. Но на оборудовании, признаюсь, такого совмещенного дозатора видеть не приходилось. На рисунке 4 представлена одна из таких попыток. В полом внутри шнеке 1 расположен шнек с меньшим диаметром 2. Сначала работает большой шнек, выдавая предварительную дозу. Потом он останавливается и начинает вращаться малый шнек точного дозирования. По достижении в таре требуемой величины дозы, отключается и он. Понятно, что работа малого шнека невозможна без одновременного контроля массы дозы каким-то весоизмерительным устройством, что не во всех случаях удается совместить. Поэтому применение дозатора со шнеком внутри другого шнека ограничено. Возникают и некоторые технические трудности с приводом внутреннего шнека и с поступлением продукта к малому шнеку.

Вообще же, на взгляд автора, такое расположение двух шнеков более приемлемо в дозаторах с горизонтальным расположением шнека.

На автоматах вертикального типа (воротниковых, образующих плоский пакет, образующих трубчатую упаковку «стик») такое контрольное взвешивание применить не удается. Поступают по-другому: проводят контроль массы уже готового заполненного пакета. После автомата устанавливают контрольно-взвешивающее устройство (контрольные весы). Суть работы контрольно-взвешивающего устройства в сочетании с автоматом вертикального воротникового типа, снабженного шнековым дозатором, заключается в следующем. Готовый заполненный пакет поступает на выводящий конвейер автомата, а с него — на контрольно-взвешивающее устройство. На нем определяется масса пакета, из нее вычитается масса упаковки, то есть определяется величина массы дозы продукта в пакете. Пакет поступает на выбраковочное устройство. Если масса дозы находится в пределах допуска, пакет направляется на дальнейшие операции по групповому и транспортному упаковыванию потребительских упаковок. Если в пакете наблюдается «недовес» или «перевес» дозы, выбраковочное устройство сбрасывает пакет в емкость для брака по массе дозы. Есть вариант, когда пакеты с «перевесом» и «недовесом» поступают в разные емкости. Контрольно-взвешивающее устройство высокого класса может программироваться таким образом, что если подряд следуют, допустим, три пакета с недовесом или с перевесом, то от устройства на дозатор поступает сигнал на корректировку дозы, и число оборотов шнека уменьшается или увеличивается.

Такое управление величиной дозы является тем, что венгерский исследователь процессов фасования и упаковывания доктор Бела Мадьяри-Косса назвал «регулированием тенденции»1. Регулирование тенденции с помощью устройства контроля массы дозы продукта в таре может проводиться и на объемных дозаторах других видов, например, стаканчиковом дозаторе. Сложность правильного применения контрольных весов заключается в следующем. С одной стороны, пакет на устройство контроля массы дозы не может сразу поступать, допустим, от губок поперечной сварки. При непосредственном падении пакета на весоизмерительную площадку весов на ней возникнут колебания, которые помешают определению точной массы дозы, а то и просто к разладке весов. Поэтому на выходе из автомата приходится применять какие-то промежуточные приспособления, мягко укладывающие пакет на площадку. С другой стороны, чем дальше контрольное устройство от дозатора, иначе, чем больше между взвешиваемым и наполняемым пакетом в цепочке находится еще пакетов, тем меньше эффект применения контрольного определения массы пакета.

Представим, что по какой-то причине изменилась насыпная масса фасуемого продукта, и прошли те самые три пакета с недовесом. Контрольно-взвешивающее устройство дало на дозатор сигнал об увеличении числа оборотов шнека. Но насыпная масса продукта опять изменилась в обратную сторону, и с автомата уже выходят еще не взвешенные пакеты с нормальной дозой. А после получения сигнала пойдет перевес. В результате явно лишнее количество фасованной продукции пойдет в брак. Конечно, это грубое описание процесса, но оно показывает необходимость максимально возможного приближения контрольных весов к автомату.

Установка дозаторов на автоматах

На фасовочном оборудовании горизонтального типа особых проблем с установкой шнекового дозатора обычно нет. Для лучшего поступления дозы продукта в раскрытую тару ниже выходного отверстия дозатора иногда устанавливают воронку, опускающуюся перед дозированием в тару. Редко, но встречается вариант, когда непосредственно выпускная часть корпуса дозирующего шнека опускается в раскрытую тару. На оборудовании вертикального типа имеются некоторые варианты установки шнекового дозатора. А в некоторых случаях возникают сложности применения дозатора обычного исполнения.

Рисунок 3. Фасовочный автомат вертикального воротникового типа, снабженный шнековым дозатором с промежуточной емкостью

При установке шнекового дозатора на вертикальной упаковочной машине, где объемный пакет («подушечка», или со складкой) получается из рукава, образовываемого из гибкого термосвариваемого упаковочного материала, сворачиваемого на рукавообразователе в форме матросского рукава (рисунок 3), иногда трубу рукавообразователя используют в качестве корпуса дозирующего шнека. Размещение шнека непосредственно в трубе рукавообразователя возможно в тех случаях, когда структура фасуемого продукта позволяет выходить воздуху из пакета. Чаще же, корпус дозирующего шнека размещается внутри трубы рукавообразователя концентрично, с зазором между внутренний поверхностью трубы рукавообразователя 8 и наружной поверхностью корпуса 6 шнека 5 (рис. 5).

Рисунок 4. Расположение шнеков для грубого и точного дозирования: 1. Шнек грубой дозы 2. Шнек точной дозы 3. Корпус шнека грубой дозы