Наукове обгрунтування параметрів функціональних модулів обладнання для пакування в’язких харчових продуктів у споживчу тару

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Наукове обгрунтування параметрів функціональних модулів обладнання для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прагнення промислових кіл задовольнити потреби населення України в різноманітних продуктах харчування диктує необхідність значного розширення асортименту продукції. Значну частину в загальній кількості харчових продуктів займають в'язкі продукти. Пакування в'язких харчових продуктів здійснюється у різні види та типи споживчої тари з використанням як вітчизняного, так і закордонного обладнання. Кількість існуючих на сьогодні конструктивних виконань пакувальних машин цього типу зумовлена не лише відмінністю структурно-механічних характеристик в'язких продуктів, умовами дозування та фасування, конструкцією споживчої тари, а й недосконалістю, і в деяких випадках і відсутністю науково обґрунтованого методологічного підходу до проектування функціональних модулів таких машин. Параметри пакувальних машин цього типу не складають систематизованих рядів, які б були поєднані між собою системами технологічних та логічних зв'язків. До того ж продуктивність обладнання не завжди пропорційна енерго - та металомісткості. А тому існує потреба у розробці такого пакувального обладнання на основі системи функціональних модулів, яке б не лише забезпечувало вимоги підприємств з функціональності, продуктивності та якості пакованої продукції, а й давали можливість мінімізувати виробничі і експлуатаційні витрати. Недостатнє висвітлення питань, пов'язаних з науковим обґрунтуванням визначення раціональних параметрів функціональних модулів, у значній мірі стримує їх виробництво на потрібному технічному рівні і призводить до появи технічно недосконалого обладнання та зайвих витрат на його конструювання, виготовлення та експлуатацію.

Саме тому потреба у пошуку та обґрунтуванні раціональних параметрів функціональних модулів обладнання для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару з метою вибору оптимальної технологічної схеми, компоновки та конструктивного виконання і визначає актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках пріоритетного напрямку робіт НУХТ кафедри технічної механіки і пакувальної техніки “Розроблення наукових основ тепломасообмінних та інших процесів у харчових, мікробіологічних, фармацевтичних виробництвах з метою створення високоефективних технологій, обладнання і засобів механізації та автоматизації”.

Виконана робота відповідає Закону України від 11 липня 2001 р. № 2623-3 “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”.

Автором особисто проведено аналіз літературних джерел, сформульовано задачі дослідження, розроблено математичні моделі операцій, що виконуються функціональними модулями пакувального обладнання для в'язких харчових продуктів, виконано аналіз функціональних залежностей між параметрами модулів та проведено експериментальні дослідження з підтвердження адекватності математичних моделей реальним процесам.

Мета і задачі дослідження. Наукове обґрунтування раціональних кінематичних, динамічних та геометричних параметрів функціональних модулів обладнання для пакування в'язких харчових продуктів. Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити такі задачі:

· проаналізувати методологічні підходи до проектування пакувальних машин для в'язких харчових продуктів, конструктивні рішення функціональних модулів такого обладнання, наукове обґрунтування їх параметрів і відповідність сучасним вимогам;

· розробити класифікацію функціональних модулів та машин загалом для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару за сформульованими характерними ознаками;

· на основі теорії графів проаналізувати характер взаємодії між енергетичними та масовими потоками, що проходять через функціональні модулі машин;

· виконати математичне моделювання руху роторної транспортної системи функціонального модуля внутрішньомашинного переміщення споживчої тари з метою визначення раціональних параметрів, що забезпечують точність позиціювання та мінімізацію енерговитрат;

· встановити зовнішні фактори, що найсуттєвіше впливають на цілісність, тривалість циклу та енерговитрати під час виділення споживчої тари із стопи;

· на основі числових методів математичного моделювання процесу дозування та фасування в'язких харчових продуктів дозатором поршневого типу встановити раціональні геометричні і силові параметри пристрою;

· оцінити вплив первинної похибки виконання механізмів руху поршня дозувального пристрою та зазорів у запірній арматурі на точність дозування продукції;

· експериментально підтвердити адекватність розроблених математичних моделей реальним процесам;

· розробити загальні положення методики використання модульної системи проектування машин для пакування в'язких продуктів у жорстку та напівжорстку споживчу тару.

Об'єктом досліджень є в'язкі харчові продукти, споживча тара та функціональні модулі машин для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару.

Предметом досліджень є математичні залежності, що описують технологічні операції, які виконуються характерними функціональними модулями машин для пакування в'язких харчових продуктів.

Методи досліджень. Розв'язання поставлених задач здійснювалось із використанням комплексного методу досліджень. Для аналізу параметрів технологічної схеми використано теорію графів і математичного програмування. В аналітичних дослідженнях геометричних, кінематичних та динамічних параметрів функціональних модулів обладнання для пакування в'язких харчових продуктів використано основні положення: теорії реології в'язких продуктів, динаміки руху твердого тіла, законів гідродинаміки та гідравліки, теорії чисельних методів, теорії диференційних рівнянь, теорії оптимізації.

Під керівництвом і за участю автора проведено експериментальні дослідження з використанням теорії планування експерименту та математичної статистики, методології активного багатофакторного експерименту.

Експериментальна частина роботи виконана у лабораторіях кафедри “Технічна механіка і пакувальна техніка” НУХТ та ТОВ “НВП Інта”.

Результати аналітичних та експериментальних досліджень оброблено за допомогою математичного редактора MathCAD 14, графічного редактора Компас 3D V10, програмного забезпечення ACDSee 7.0.

Наукова новизна одержаних результатів.

Науково обґрунтовано раціональні параметри характерних функціональних модулів машин для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару, в тому числі:

- вперше застосовано топологічний метод для аналізу і синтезу технологічних, структурних та конструктивних схем пакувальних машин для в'язких харчових продуктів за умови мінімізації енерговитрат;

- обґрунтовано метод вибору раціональних структурних та конструктивних схем пакувальних машин для в'язких харчових продуктів;

- на основі числового математичного моделювання операції дозування в'язких харчових продуктів поршневим дозатором одержано функціональні залежності між геометричними і кінематичними параметрами пристрою та структурно-механічними характеристиками продукції, що враховують умови цілісності структури продукції та мінімізації енерговитрат;

- розроблено математичну модель руху роторної внутрішньомашинної транспортної системи за умови забезпечення точності позиціювання та реалізації закону руху із мінімальними енерговитратами;

- теоретично обґрунтовано вплив способу формування стопи споживчої тари, конструкції і структури циклу роботи пристрою виділення на умови збереження цілісності тари та мінімізацію енерговитрат;

- вперше одержано аналітичні залежності впливу первинних похибок виконавчих механізмів руху поршня і запірної арматури на систематичну похибку дозування.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати проведених аналітичних і експериментальних досліджень реалізовані за наступними напрямками:

· розроблені структурний, енергетично-потоковий, зв'язковий та сигнальний графи процесу пакування в'язких харчових продуктів дають можливість у кожному конкретному випадку компонування обладнання підібрати оптимальну технологічну, структурну та конструктивну схеми пакувальної машини за умов мінімальних витрат на виробництво та експлуатацію;

· розроблена математична модель процесу дозування харчових продуктів поршневим дозатором дає можливість визначити раціональні геометричні і кінематичні параметри пристрою для будь-якого типу в'язких харчових продуктів за умови реалізації заданого циклу роботи, мінімальних енерговитрат, збереження цілісності структури продукції та якості пакування;

· результати дослідження пристрою внутрішньомашинного транспортування та пристрою виділення одиничної тари із стопи дають можливість визначити раціональні параметри цих пристроїв за умов: тривалості робочого циклу, точності позиціювання, цілісності тари та мінімізації енерговитрат;

· результати досліджень впливу первинної похибки виконавчих механізмів руху та запірної арматури на систематичну похибку дозування дають можливість під час конструювання встановлювати квалітет виконання деталей дозувального пристрою.

Впровадження результатів роботи здійснено в ТОВ “НВП Інта” та ТОВ “Ело Пак” (м. Київ) шляхом передачі результатів теоретичних досліджень для використання під час проектування та виготовлення автоматичного обладнання для пакування в'язких харчових продуктів у полімерну споживчу тару.

Особистий внесок здобувача. В опублікованих у співавторстві за темою дисертаційної роботи наукових працях [5, 13] дисертанту належать розробка математичних моделей процесів виділення та внутрішньомашинного переміщення споживчих упаковок і формулювання рекомендацій виробникам обладнання. В роботі [1], опублікованій у співавторстві, дисертанту належить розробка структурного, енергетично-потокового, зв'язкового та сигнального графів процесу пакування в'язких продуктів; у працях [2, 3, 4, 6, 8, 10, 11, 12, 14], опублікованих у співавторстві, дисертанту належать дослідження системи модульного проектування обладнання, аналіз та синтез конструктивних схем виконання функціональних модулів, розробка їх класифікацій за основними ознаками та формулювання висновків; в роботах [7, 9], опублікованих у співавторстві, дисертанту належать аналіз конструктивних особливостей та динамічних характеристик плоских мальтійських механізмів у модулях пакувальних машин.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи щорічно доповідалися автором на наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів НУХТ “Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у XXI - столітті” у 2005-2007 рр.; IX Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи”, 2005 р., НУХТ; IІІ науково-практичній конференції “Новітні технології пакування”, 2007 р. (м. Київ), V науково-практичній конференції “Новітні технології пакування”, 2009 р. (м. Київ).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлені в 7 публікаціях фахових видань та 7 тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 108 найменувань і дев'яти додатків. Робота викладена на 157 сторінках машинописного тексту, містить 52 рисунки та 29 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень та викладено її загальну характеристику. У першому розділі проаналізовано інформаційні і технічні джерела з питань дослідження обладнання для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару, особливостей технологічного процесу та основних конструктивних схем виконання функціональних модулів машин, особливості структурно-механічних характеристик в'язких харчових продуктів. Питанням, пов'язаним з дослідженням технологічного процесу пакування в'язких продуктів у споживчу тару й конструктивних виконань робочих органів та виконавчих механізмів в тій чи іншій мірі присвячені наукові праці Шувалова В.Н., Аристова Д.В., Благодарского В.А., Бройдо Б.Е., Харламова С.В., Соколенка А.І., Гавви О.М., Мусійчука В.М. та інших. Аналіз цих досліджень дав змогу узагальнити: основні конструктивні схеми виконання функціональних модулів, відомості щодо реологічних характеристик в'язких харчових продуктів; основні методи дослідження окремих конструктивних груп пристроїв. Відмічено, що вітчизняна методологія проектування машин для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару не відповідає в повній мірі вимогам сучасного ринку пакувального машинобудування. А тому є потреба у розробці методів визначення раціональних з точки зору технічної досконалості структурної та конструктивної схем машини для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару. Це і визначило напрямок подальших досліджень.

У другому розділі проведено аналітичні дослідження структури технологічного процесу пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару. Складність технологічної топології процесу, його багатовимірність як за кількістю складових елементів, так і за кількістю функцій, високий ступінь взаємозв'язку та параметричного взаємовпливу зумовлюють труднощі дослідного та розрахункового характеру під час розв'язання задач аналізу та синтезу фасувального обладнання. Для аналізу схем технологічного процесу фасування в'язкої продукції у жорстку споживчу тару використано граф технологічного процесу.

Для реалізації методології аналізу і синтезу такого типу пакувального обладнання за об'єкт дослідження прийнято машину-автомат МК-ОФС, технологічний процес в якій реалізовано таким, що він подібний до більшості сучасних зразків пакувального обладнання з роторним компонуванням внутрішньомашинної транспортної системи і складається з наступної послідовності операцій: 1.1 - 2.1 - 3.2 - 4.4 - 5.1 - 6.2 - 7.2 - 8.0-9.2 - 10.2 - 11.2.

Оцінку ефективності кожного із функціональних модулів проводили за такими критеріями:

· тривалість виконання операції;

· функціональність (точність дозування та позиціювання, збереження цілісності тари та структури в'язкої продукції);

· енерговитрати.

На основі структурного графу сучасних пакувальних машин для в'язких продуктів побудовано енергетично-потоковий граф, граф зв'язків та сигнальний граф.

Використавши основні положення теорії графів, кінцевий спрощений вигляд сигнального графа представлено як топологічну форму інтерпретації системи компонентних рівнянь. У відповідності з цим масово-енергетичні потоки в системі співвідносяться між собою за залежністю:

, (1)

де Sf_с, Sf_п1, Sf_п2, Sf_к -- потоки мас споживчих упаковок, в'язкого продукту смакових наповнювачів, закупорювальних засобів; h₁, h₃, h₄, h₅- передаточні функції витрат енергії у функціональному модулі виділення та подачі споживчої тари, дозування та подачі основного продукту, дозування смакових наповнювачів, виділення та подачі закупорювального засобу, h₁₁ - передаточна функція витрат енергії у функціональних модулях герметизації, нанесення дати, видалення одиничної споживчої упаковки з транспортуючого механізму, подачі одиничної споживчої упаковки на приймальний стіл.

Використавши отримане компонентне рівняння зв'язку між потоками енергії та маси, що проходять через машину, визначили орієнтовне споживання енергії функціональними модулями типових пакувальних машин з роторною транспортною системою. На основі виконаних розрахунків встановлено, що найбільш енергомісткими є такі функціональні модулі: герметизації споживчої тари способом зварювання; внутрішньомашинного переміщення споживчої тари; дозування в'язкого продукту; виділення із стопи та подачі споживчої тари. З метою вибору раціональних параметрів функціональних модулів пакувального обладнання за критеріями ефективності, в тому числі і за критерієм енергоспоживання, потрібно виконати аналіз і синтез конструктивних виконань трьох найбільш енергомістких функціональних модулів: внутрішньомашинного переміщення споживчої тари, дозування в'язкого продукту, виділення та подачі споживчої тари. Це і обумовило постановку задач досліджень у розділі 3.

У третьому розділі проведено такі дослідження: на основі математичного моделювання руху роторної транспортної системи внутрішньомашинного транспортування споживчої тари та процесу дозування і фасування в'язких харчових продуктів дозатором поршневого типу виконано оцінку раціональних параметрів цих функціональних модулів за прийнятими критеріями ефективності; встановлено зовнішні фактори, що найсуттєвіше впливають на цілісність тари, тривалість циклу та енерговитрати під час її виділення із стопи у відповідному функціональному модулі; розроблено метод визначення зусилля виділення одиничної споживчої тари із стопи за різних схем її формування; визначено характер залежності систематичної похибки дозування від геометричних параметрів елементів дозувального пристрою.

Конструктивне виконання роторної транспортної системи внутрішньомашинного переміщення споживчої тари можна звести до таких найбільш типових варіантів, принципова відмінність між якими полягає у конструкції опорних елементів та розташуванні приводного механізму.

Різне конструктивне виконання роторної транспортної системи зумовлює і різний підхід до визначення кінематичних та динамічних характеристик. У сучасних пакувальних машинах середньої продуктивності (до 75 упаковок за хвилину), побудованих за роторною компоновкою, найширшого застосування набули конструктивні виконання з центральним розміщенням приводу.

З метою математичного моделювання руху внутрішньомашинної транспортної системи представили її у вигляді динамічної двомасової моделі, що характеризується приведеними моментами інерції І₁, І₂ та приведеною жорсткістю С_пр з'єднувальних елементів виконавчих механізмів системи.

Проведений динамічний аналіз параметрів руху роторної транспортної системи на етапах її переміщення дав змогу отримати систему нелінійних диференційних рівнянь, які описують рух пристрою. Розв'язання системи рівнянь при заданих величинах І₁, І₂ дає можливість визначити величину приведеної жорсткості С_пр, за якої похибка позиціювання карусельного стола Дц₂ не перевищуватиме допустимих значень. Для машин середньої і високої продуктивності актуальною є проблема дослідження міграції енергії, яка зумовлена циклічністю руху транспортної системи, та пом'якшення її впливу на складові елементи системи. Одним із шляхів розв'язання даного питання є застосування пристроїв програмного зрівноваження, які забезпечують акумулювання та повернення надлишкової енергії. В свою чергу використання таких пристроїв ускладнює конструктивне виконання функціонального модуля транспортування, призводить до збільшення його матеріалоємності та вартісних показників і впливає на надійність та довговічність транспортної системи. Одним із методів вирішення цієї проблеми є використання оптимальних за критеріями ефективності законів руху ведених та ведучих елементів приводних систем. Застосування програмованої зміни закону руху дає можливість встановити та використати оптимальне співвідношення між характерними етапами циклічного переміщення внутрішньотранспортної системи та досягти зменшення енергоспоживання і забезпечити точність позиціювання при незмінних значеннях приведених мас та пружностей елементів приводної системи. Тому подальші дослідження і проводились у цьому напрямку.

Задача полягала у визначенні на етапі розгону і гальмування транспортної системи припустимої функції керування М_руш (t), яка б мінімізувала показник якості у вигляді форми Больца:

, (2)

де I - показник якості; М_руш - рушійний момент; t_х.х. - тривалість холостого ходу; t_розг - час розгону; t_г - час гальмування; Р₂ - потужність, що споживається на етапі розгону транспортної системи; Р₃ - потужність, що споживається на етапі гальмування транспортної системи; R - потужність, що споживається на етапі холостого ходу системи.

Систему нелінійних диференційних рівнянь другого порядку було представлено у фазових координатах.

У подальшому було складено функцію Гамільтона-Понтрягіна:

(3)

де х₁…х₄ - фазові координати та їх похідні; л_1… л₄ - розв'язки спряженої системи функції Гамільтона-Понтрягіна; І₁, І₂ - приведені моменти інерції; С_пр - приведена жорсткість з'єднувальних елементів.

Розв'язок задачі керування звівся до складної двоточкової граничної задачі вигляду:

(4)

де щ_розг - кутова швидкість на етапі розгону; ц_1розг - переміщення першої маси моделі на етапі розгону; е - постійна задана величина; d,b,c - коефіцієнти параболічного вирівнювання для отримання аналітичного вигляду функції Р₃; а - коефіцієнт, введений для спрощення запису під час розв'язку за умови мінімізації показника якості.

Отримані аналітичні рівняння використані для аналізу різних типових варіантів виконання приводу транспортної системи. Аналіз динамічної моделі вказує на те що величина енергоспоживання транспортної системи суттєво залежить саме від закону руху її ведучої ланки при постійних значеннях мас та пружностей елементів. З метою реалізації оптимального закону переміщення розглянуто мальтійський механізм із зовнішнім зачепленням, у якого циклічно змінюється довжина водила при рівномірному обертанні головного вала. Результати досліджень показали, що за рахунок керування рухом ведучої ланки можна забезпечити зменшення енерговитрат у функціональному модулі внутрішьомашинного транспортування тари на 8-12 % при забезпеченні точності позиціювання і продуктивності.

Основне призначення функціонального модуля виділення полягає в відокремленні одиничної споживчої тари із стопи з наступною передачею її до несучого елементу внутрішньомашинної транспортної системи. При цьому робота, що виконує привод модуля, йде на подолання інерційних сил та сил опору, які виникають у елементах модуля та зумовлені характерними конструктивними особливостями. Тобто для виділення одиничної тари має виконуватись умова:

, (5)

де Р - зусилля виділення одиничної тари; Р₁ - сила опору, викликана тертям контактуючих елементів; Р₂ - сила опору, викликана інерційною складовою; Р₃ - сила опору, викликана деформацією пружних фіксуючих та утримуючих елементів; Р₄ - сила опору, викликана зчепленням споживчої тари безпосередньо у стопі.

У найбільш поширених виконаннях модуля з вертикальним переміщенням захоплюючих пристроїв складова Р₁ відсутня, тому у подальших дослідженнях не враховувалась. З урахуванням того, що процес виділення тари із стопи відбувається протягом короткого проміжку часу (0,4 - 0,5 с) він потребує великої швидкості переміщення захоплюючих пристроїв. Це в свою чергу створює значні величини прискорень, що безпосередньо впливає на величину сили інерції Р₂.

Поряд із продуктивністю однією з основних критеріальних оцінок ефективності роботи функціонального модуля виділення споживчої тари є збереження цілісності тари. Руйнування у момент виділення тари із стопи найчастіше відбувається у зоні переходу буртика тари у корпус під дією зусилля Р₃. Величина Р₃ зумовлена прогином буртика, який визначили за допомогою інтеграла Мора:

, (6)

де у_макс - максимально допустима величина прогину буртика; q - розподілене навантаження на поверхні буртика, створене зусиллям Р₃; Е - модуль пружності матеріалу тари; І - момент інерції буртика тари; а - довжина ділянки контакту тари і утримуючих елементів; L - довжина буртика; Д - відстань між стінкою тари та утримуючим елементом.

Джерелом розподіленого навантаження може бути: у випадку виділення споживчої тари пневматичними та механічними захоплюючими пристроями з вертикальним перемішанням - утримуючі елементи, які деформуються під дією зусилля виділення, створюючи при цьому зусилля опору Р₃; у випадку виділення споживчої тари механічними захоплюючими пристроями з горизонтальним переміщенням - ударні навантаження, які виникають у момент контакту тари і упора. Мінімально допустима товщина буртика споживчої тари, що забезпечує збереження цілісності тари у процесі розділення стопи:

, (7)

де [у_зг] - допустиме напруження згину для матеріалу споживчої тари.

Величина зусилля Р₄ залежить від способу формування стопи упаковок та їх кількістю у ній. На сьогодні найширше використовують два способи формування стопи споживчих упаковок: формування стопи здійснюється за рахунок сил гравітації при переміщенні тари по коловій траєкторії; формування стопи здійснюється за рахунок ударної взаємодії при переміщенні тари по вертикальній траєкторії. У випадку формування стопи за рахунок сил гравітації натяг, що виникає між нижніми споживчими упаковками у стопі, виникає лише за рахунок ваги тари у стопі. У випадку вертикального формування стопи, коли величина висоти падіння буде змінною (тобто приймальна поверхня буде нерухомою і розміщуватиметься у крайньому нижньому положенні), ударні навантаження можуть бути значними і потребують їх обов'язкового врахування та порівняння з величиною сил тяжіння. Вираз для визначення натягу між контактуючими поверхнями з урахуванням ударного навантаження має вигляд:

Размещено на http://allbest.ru

де f - коефіцієнт тертя; k - коефіцієнт відновлення швидкості після удару; m - маса споживчої тари; V - швидкість переміщення тари; d, d₁, d₂ -геометричні параметри тари; L - довжина лінії контакту; м₁, м₂ - коефіцієнти Пуассона; б - кут нахилу стінки тари; Е - модуль пружності тари.

Враховуючи величину діаметрального натягу, який виникає між упаковками в процесі формування стопи, визначаємо значення величини зовнішнього зусилля, що необхідно прикласти до споживчої тари для її виділення із стопи:

, (9)

де д_розр - розрахунковий натяг; С₁,С₂ - жорсткість контактуючих упаковок.

Використання одержаних залежностей (5-9) на етапі проектування функціонального модуля виділення споживчої тари дасть змогу визначити його раціональні параметри за умов забезпечення критеріїв ефективності.

Аналіз конструктивних схем та існуючих методів розрахунку пристроїв дозування поршневого типу показав необхідність дослідження операції дозування та фасування в'язких продуктів з метою визначення впливу сумарного коефіцієнта опору переміщення продукції на продуктивність та надійності роботи модуля. На основі аналізу результатів представлених у наукових працях та попередньо проведених досліджень як найбільш ефективні для розгляду впливу геометричних параметрів конструктивних елементів дозатора на зусилля дозування в'язких харчових продуктів обрано два варіанти, а саме: варіант з насадкою, яка має фаску кутом в 45⁰ при основі та варіант з насадкою, яка має випукле заокруглення біля основи. Використавши методологію проведення багатофакторного експерименту та змоделювавши його з використанням, ПК отримали математичну модель, яка має вигляд полінома першого ступеня (10, 11).

Аналіз отриманих рівнянь регресії дає можливість встановити величину впливу вхідних величин (геометричних параметрів насадок, співвідношень діаметральних розмірів та величини динамічної в'язкості) на вихідну величину - тиск, що необхідно створити на поршні під час дозування:

, (10)

,(11)

де P - тиск, потрібний для переміщення дозувального поршня; f - величина фаски; r - радіус заокруглення; з - динамічна в'язкість; D/d - співвідношення діаметрів мірного циліндра і насадки

Дослідження характеру залежності систематичної похибки дозування від точності виготовлення елементів виконавчого механізму дозатора за різних мас

дози продукту проводилось за схемою поршневого дозатора, наведеною на рис. 5.

Систематична похибка дозування зумовлена неточністю виготовлення і складання, зазорами в кінематичних парах, деформації ланок тощо. Для визначення величини систематичної похибки використано аналітичний метод аналізу точності механізмів. При розрахунках прийнято припущення про незалежність дії первинних похибок, тобто загальна систематична похибка буде дорівнювати сумі систематичних похибок від різних незалежних параметрів:

, (12)

де ДХ_С - похибка переміщення веденої ланки механізму.

, (13)

де б, в - кути при вершинах відповідних ланок; a, b - довжини ланок механізму.

. (14)

Вираз для визначення загальної похибки положення веденого елемента дозувального механізму має вигляд:

, (15)

де Да, Дb, Дб, Дв - похибки лінійних та кутових розмірів ланок та кінематичних пар.

Переміщення продукту в споживчу тару відбувається через вихідний канал поршневого дозувального пристрою. При цьому може спостерігатися і деяке просочування продукту через зазори, які утворюються між елементами запірних систем та корпусом дозатора. Подібне явище безпосередньо буде впливати на точність наповнення тари, оскільки увесь продукт, що повертається через щілини в бункер, не потрапить до неї. При виконанні розрахунків рух продукції в щілині є сталим та інерційність продукту є величиною незначною.

Розподіл швидкостей у шарі продукту в запірній арматурі описується рівнянням:

де х і у - координати по довжині та ширині щілини; С₁, С₂ - сталі інтегрування.

Визначення швидкості руху продукту у щілині дає можливість визначити його питому витрату за умови, що основний рух відбувається у напрямку руху середовища, тобто вздовж поверхні щілини:

. (17)

Повна величина втрат продукту через щілину у крановій системі :

, (18)

де В - ширина щілини; k - висота щілини; d_вх - діаметр вхідного каналу; Р_вхщ - тиск на вході у щілину (зі сторони мірного циліндра); Р_вихщ - тиск на виході із щілини (зі сторони бункера).

Характер залежності між систематичною похибкою дозування в'язкого продукту та величиною зазору у крановій системі представлено на рис. 8.

Виконані дослідження дають можливість визначити раціональні параметри розглянутих функціональних модулів машин для пакування в'язких харчових продуктів за прийнятими критеріями ефективності.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень, метою яких було знаходження значень параметрів, що включені в розроблені математичні моделі, і перевірка адекватності теоретичних моделей реальним процесам. Експериментально досліджено властивості в'язких харчових продуктів та основні технологічні операції процесу пакування в'язких харчових продуктів, а саме:

· зсувні реологічні характеристики типових в'язких харчових продуктів;

· переміщення споживчих упаковок

внутрішньомашинною транспортною систе- мою роторного типу з електроприводом та мальтійським виконавчим механізом;

· дозування в'язких харчових продуктів;

· виділення одиничної споживчої упаковки із стопи.

Отримані і оброблені результати експериментальних досліджень було порівняно з аналітичними розрахунками, вихідні дані яких ідентичні прийнятим в експерименті. Експерименти проведені під керівництвом і за участю автора в лабораторії кафедри “Технічна механіка і пакувальна техніка” НУХТ та лабораторії ТОВ “НВП Інта”. Так, для дослідження впливу геометричних параметрів елементів дозатора на процес дозування використали метод фотограмметрії та дослідну установку на базі машини “М2 Інта” (рис.9). Результати досліджень представлено на рис.10.

Відхилення значень параметрів одержаних експериментальним шляхом порівняно з теоретичними не перевищували допустимі прийняті під час роз в'язання подібних інженерних задач ( до 10% ).

У п'ятому розділі описано методику розрахунку параметричних рядів уніфікованих функціональних модулів пакувальних машин. Представлено алгоритм використання модульної системи проектування машин для пакування в'язких продуктів у жорстку і напівжорстку споживчу тару та наведено техніко-економічна ефективність використання результатів досліджень у промисловості. Результати аналітичних досліджень було впроваджено під час проектування характерних функціональних модулів обладнання для пакування в'язких харчових продуктів.

ВИСНОВКИ

Аналіз конструктивних, компоновочних схем та технічного рівня машин для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару виявив потребу в розробці науково-обґрунтованих методів визначення раціональних параметрів функціональних модулів цих машин на основі таких критеріїв ефективності: тривалості виконання операцій, якості виконання функцій (точність позиціювання та дозування, збереження цілісності структури продукції та тари), енерговитрат.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дали змогу науково обґрунтувати визначення раціональних значень параметрів таких характерних функціональних модулів пакувальних машин: внутрішньомашинного переміщення споживчої тари, дозування в'язких харчових продуктів, виділення одиничної споживчої упаковки із стопи. На основі результатів досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Виконаний аналіз технологічних, структурних та конструктивних схем машин для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару показав, що їх проектування не завжди відповідає сучасним вимогам ринку пакувального машинобудування не лише завдяки невиправданій різноманітності та складності конструкцій, а й через недосконалість, а в деяких випадках і відсутність досліджень, спрямованих на наукове обґрунтування параметрів функціональних модулів цих машин.

2. Топологічне дослідження пакувальної машини для в'язких продуктів як технічної системи методом аналізу взаємодії енергетичних та масових потоків дає можливість визначити раціональну технологічну та структурну схеми обладнання.

3. Розроблена динамічна модель функціонального модуля внутрішньомашинного транспортування споживчої тари і сформульований показник якості, що виражає енерговитрати, дають можливість вирішити задачу оптимального керування, встановити функцію раціонального рушійного моменту і кінематичних параметрів руху механізму на етапі вибору керуючої функції. Проведені розрахунки для машин середньої продуктивності показали, що за рахунок керування рухом ведучої ланки можна зменшити енерговитрати на 8-12 %, не знижуючи продуктивність та точність роботи.

4. Розроблені методи дослідження функціонального модуля виділення споживчої тари із стопи та отримані аналітичні залежності дають змогу під час розробки модуля визначити оптимальне співвідношення між кількістю одиниць споживчої тари у стопі та конструктивною схемою виконання захоплюючого пристрою і зусиллями у елементах відповідного приводного механізму.

5. Розроблена математична модель дозування і фасування в'язких харчових продуктів поршневим дозатором дає можливість визначити його раціональні геометричні і кінематичні параметри за умови збереження структури продукції, забезпечення продуктивності та мінімального зусилля на поршні.

6. Встановлено характер залежності систематичної похибки дозування від точності виготовлення виконавчих механізмів дозатора за різних мас дози продукту, при цьому встановлено, що використання у якості виконавчого механізму дозатора важільного механізму потребує забезпечення точності виготовлення його ланок та кінематичних пар не нижче 7 - 8 квалітету при відповідних посадках.

7. Встановлено характер залежності між систематичною похибкою дозування та величиною зазору у запірній арматурі для різного виду в'язкого продукту. Це дало можливість отримати величину витоків продукту або відхилення дози від заданого значення на етапі фасування продукції та визначити величину допустимого зазору між поверхнями крана та корпуса циліндра, що дозволяє усунути вихід продукції у подаючий канал для кожного конкретного випадку.

8. Результатами експериментальних досліджень підтверджено адекватність математичних моделей реальним процесам. Найбільше відхилення розрахункових і експериментальних даних не перевищило 10%.

9. Розроблені методи розрахунків використано ТОВ “НВП Інта” та ТОВ “Ело Пак” під час проектування та виготовлення автоматичного обладнання для пакування в'язких харчових продуктів у полімерну споживчу тару. Розрахунковий економічний ефект від впровадження результатів роботи під час створення машин М2 та “Doy-Pack” становить 2450 - 3000 грн. на одну одиницю пакувального обладнання.

10. Розроблені методи розрахунку та проектування машин для пакування в'язких харчових продуктів у споживчу тару застосовуються під час навчального процесу при читанні лекцій та виконанні курсових проектів з дисциплін “Пакувальне обладнання”, “Розрахунок і конструювання пакувального обладнання”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

тара пакування математичний

1. Токарчук С.В., Гавва О.М., Чуприна А.В. Модульна система проектування обладнання для пакування в'язких харчових продуктів // Упаковка. - 2004. - №4. - С.35-40. Особистий внесок дисертанта: розробка структурного, енергетично-потокового, зв'язкового та сигнального графів процесу пакування в'язких продуктів, формулювання висновків.

2. Токарчук С.В., Гавва О.М., Голоперов І.В. Функціональні модулі обладнання для пакування в'язких продуктів. Частина 1 // Упаковка. - 2005. - №3. - С. 48-52. Особистий внесок дисертанта: аналіз функціональних модулів обладнання та розробка класифікації внутрішньомашинних транспортних систем.

3. Токарчук С.В. Гавва О.М., Голоперов І.В. Функціональні модулі обладнання для пакування в'язких продуктів. Частина 2 // Упаковка. - 2005. - №4. - С. 36-39. Особистий внесок дисертанта: аналіз функціональних модулів обладнання та розробка класифікації пристроїв виділення одиничної споживчої тари.

4. Токарчук С.В., Гавва О.М. Синтез плоских мальтійських механізмів з водилом змінної довжини в приводах пакувальних машин // Харчова промисловість. - 2007. - № 5. - С.83-86. Особистий внесок дисертанта: визначення кінематичних та динамічних характеристик мальтійського механізму зі змінною довжиною водила.

5. Токарчук С.В., Гавва О.М., Абдураманов Д.А. Регульований привід у механізмах пакувальних машин // Упаковка. - 2007. - №3. - С. 34-39. Особистий внесок дисертанта: аналіз існуючих сервоприводних систем, формулювання висновків.

6. Токарчук С.В. Гавва О.М., Костін В.Б., Самойлик О.Є Пристрої для виділення одиничної термоформованої тари з магазину // Упаковка. - 2007. - №5. - С. 34-39. Особистий внесок дисертанта: розробка класифікації пристроїв, формулювання висновків.

7. Токарчук С.В., Гавва О.М. Дослідження процесу формування стопи та виділення одиничної споживчої упаковки // Харчова промисловість. - 2008. - № 7. - С.78-82. Особистий внесок дисертанта: розробка математичної моделі процесу виділення одиничної споживчої упаковки.

8. Токарчук С.В., Гавва О.М. Аналіз конструктивних виконань функціональних модулів обладнання для пакування в'язких харчових продуктів // Тези IX міжнародної науково-технічної конференції “Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи”. - К.: НУХТ. - 2005. - Ч II. - С.31. Особистий внесок дисертанта: дослідження конструктивних схем виконання функціональних модулів пакувальних машин для в'язких харчових продуктів.

Размещено на Allbest.ru