|
Технологические процессы многих отраслей промышленности включают в себя операцию порционирования (дозирования) перерабатываемых (или же вырабатываемых) продуктов. Поэтому дозатор - один из наиболее широко распространенных типов машин. Мы открываем серию публикаций о дозаторах упаковочных машин. Цель серии - обзор существующих конструкций и попытка их классификации, что в конечном итоге определяет правильность выбора упаковочной машины.
Подчеркнем, что описанные дозаторы отнюдь не финал конструкторской мысли. Совершенствование этого вида машин ведется стремительными темпами, обусловленными потребностями современных технологий и возрастающей конкуренцией производителей.
В упаковочной отрасли дозатор - важнейшая по своему значению машина (и в качестве самостоятельной единицы, и в качестве узла упаковочной машины). Действительно, набор упаковочных средств довольно ограничен. Для упаковывания различных продуктов, часто разнородных, может применяться тара (упаковка) одного вида. И только конструкция и характеристики дозатора наполняют упаковочную машину реальными возможностями.
Большинство существующих на сегодняшний день конструкций дозаторов представляют собой достаточно сложную физико-механическую систему, находящуюся подчас под контролем изощренных электронных и микропроцессорных блоков управления.
Можно смело утверждать, что на сегодняшний день существует принципиальная возможность автоматического дозирования практически любого продукта. При этом до сих пор отсутствует сколько-нибудь приемлемая их классификация или даже достаточно полный обзор их конструкций.
Дозатор и питатель
Дозатор - механизм, служащий для разделения продукта на порции (дозы) заданной величины. Чрезвычайно близкий к дозатору механизм это питатель.
Питателем принято называть механизм, служащий для создания упорядоченного по определенному закону потока какого-либо продукта. Эта упорядоченность в зависимости от поставленной задачи может носить различный характер: непрерывный равномерный поток продукта; поток с пульсациями; поток, состоящий из дискретных доз продукта.
Конструктивно между питателями и дозаторами нет принципиальных отличий. Более того, один и тот же механизм в зависимости от условий его эксплуатации может выступать в качестве питателя или же дозатора.
Иногда считается, что дозатор это частный случай питателя. Однако, как будет отмечено ниже, питатель может входить в состав дозатора в качестве его конструктивного элемента. В связи с этим представляется сомнительной любая попытка построения иерархической связи между питателем и дозатором. Речь, видимо, должна идти все-таки об одном и том же механизме, эксплуатируемом с различными целями.
Структура дозатора
Структура дозаторов, применяемых в упаковочной отрасли, включает в себя четыре основных механизма:
1. бункер-накопитель продукта, подлежащего дозированию;
2. питатель, создающий равномерный поток продукта от бункера к дозирующему механизму;
3. собственно дозирующий механизм;
4. выводное устройство, служащее для транспортировки уже образованной дозы продукта в узел формирования упаковки или в готовую тару.
Такова полная структура. В большинстве же применяемых сегодня дозаторов, питатель отсутствует, реже он конструктивно объединен с бункером или дозирующим механизмом. Вместе с тем необходимо отметить, что включение в состав дозатора дополнительного узла - питателя - способствует повышению точности работы.
Подход к классификации дозаторов
Как говорилось выше, до настоящего времени не существует строго регламентированной классификации дозаторов. Наиболее полно дозатор характеризуется тремя техническими параметрами:
- структурой технологического процесса дозирования;
- способом дозирования;
- конструктивными признаками.
Структура технологического процесса
По структуре технологического процесса дозаторы можно разделить на три основные группы:
- дозаторы непрерывного действия, создающие непрерывный и равномерный поток продукта (в упаковочной отрасли применяются не как самостоятельное устройство, а в качестве питателя в дозаторах со сложной многоступенчатой конструкцией);
- дозаторы непрерывно-циклического действия, создающие непрерывный и равномерный поток продукта, прерываемый для совершения машиной действия с отмеренным продуктом. Совокупность времени работы и времени остановки дозатора составляет повторяющийся технологический цикл;
- дозаторы дискретного (периодического) действия, отмеривающие продукт дискретными дозами. Дозы могут отмеряться одна за другой с равным временным интервалом или выдаваться по команде других узлов машины.
Способы дозирования
Все разнообразие конструкций дозаторов по способу дозирования может быть сведено к пяти основным группам: дозаторы объемные, весовые, временные, потоковые и дозаторы штучных материалов.
К объемным дозаторам относятся дозаторы дискретного (периодического) действия. Отмеривание дозы продукта производится при помощи мерных емкостей, как правило, регулируемого объема; или же, в случае дозирования жидких, пасто- и желеобразных продуктов, при помощи поршневых насосов с регулируемым ходом поршня.
Весовые дозаторы это дозаторы непрерывно-циклического или дискретного (периодического) действия. Отмеривание дозы производится посредством взвешивания продукта на встроенных весах. Сюда же следует отнести и силовые дозаторы, в которых масса отмериваемой дозы оказывается пропорциональной величине силового поля (например, электростатического).
Временные дозаторы - дозаторы непрерывно-циклического действия. Величина дозы отмериваемого продукта пропорциональна времени его отмеривания.
Потоковые дозаторы также являются дозаторами непрерывно-циклического действия. Но в данном случае величина дозы отмеряемого продукта пропорциональна величине его потока, проходящего за заранее фиксированное время.
Дозаторы штучных продуктов относятся к дозаторам непрерывно-циклического или дискретного (периодического) действия в зависимости от решаемой задачи (отсчитывание заданного количества предметов из общего потока или изъятие из потока отдельных предметов для их индивидуального упаковывания). Конструктивные признаки дозаторов
Конструкция рабочих органов служит тем определяющим параметром, благодаря которому дозаторы и получают свои названия. Широко известны барабанные, роторные, дисковые, стаканчиковые, шиберные, шнековые, маятниковые, поршневые, трубчатые, ленточные и т. д. дозаторы, уже из названия которых явствует идея их конструкции.
По характеру совершаемых рабочими органами движений дозаторы могут быть:
- без движущегося органа;
- с поступательно движущимся рабочим органом;
- с рабочим органом, совершающим вращательное движение;
- с возвратно-поступательно движущимся рабочим органом;
- с рабочим органом, совершающим колебательное движение (вибрация).
Характеристики процесса дозирования
Точность дозирования
Одна из наиболее важных характеристик процесса дозирования - его точность. В зависимости от рода продукта и величины дозы действующие стандарты устанавливают различные требования к точности дозирования.
На точность дозирования оказывают влияние многие факторы:
- степень заполненности бункера;
- неравномерность подачи продукта в дозирующий механизм;
- дребезг дозирующего механизма;
- характер взаимодействия продукта с различными механизмами дозатора;
- изменение физико-механических свойств продукта в процессе дозирования под воздействием внешних факторов (влажность, температура и др.).
Оценку погрешности дозирования производят по серии контрольных проб (не менее 20), взятых подряд при установившемся режиме работы дозатора. В качестве оценки погрешности дозирования принимают среднее квадратическое отклонение величины дозы от ее заданного значения. Сравнительная оценка точности работы дозаторов проводится в процентном отношении.
Поскольку точность работы дозатора зависит от многих факторов, не всегда верно утверждение, что использование какого-либо способа дозирования повышает точность, в то время, как других - понижает. Известно, что хорошая конструктивная проработка объемного дозатора позволяет добиться точности не хуже, чем у лучших весовых дозаторов.
Поэтому правильнее к выбору вида дозатора подходить не из требований точности, а исходя из соответствия его конструкции характеру продукта, подлежащего дозированию. Если для чипсов оптимально использование весового дозатора, то сахар или кофе с не меньшей точностью могут быть расфасованы на машине, оснащенной объемным дозатором.
Практически все существующие сегодня дозаторы позволяют отмеривать продукт с погрешностью 1-3% и точнее.
Производительность дозирования
Другая важная характеристика процесса дозирования это производительность. И здесь уже можно говорить о прямой связи с конструкцией дозатора.
Как правило, объемные дозаторы достаточно быстро действуют и способны выдавать до 150 доз в минуту.
Весовые дозаторы в зависимости от конструкции и рода дозируемого продукта выдают от 10 до 20 (однолотковые) или от 40 до 70 доз в минуту (многолотковые и комбинационные).
Временные дозаторы занимают промежуточное положение и характеризуются производительностью порядка 20-80 доз в минуту.
Дозаторы штучных продуктов наиболее производительны. Например, таблеточные дозаторы работают со скоростью от 200 до 500 таблеток в минуту.
Современный взгляд на дозируемые продукты
Сыпучие продукты
Для правильного выбора дозатора необходимо иметь представление о физико-химических характеристиках продукта и его месте в общей классификации сыпучих продуктов.
Согласно сегодняшним представлениям, сыпучий продукт это сложная система, изменяющая свои свойства в зависимости от плотности укладки частиц, характера внешнего воздействия и внешних условий (влажности и т. д.). Достаточно полное описание сыпучего продукта возможно лишь на основе комплексного учета целого ряда характеристик.
Приведем наиболее важные из них:
- гранулометрический состав сыпучего продукта - количественное распределение составляющих продукт частиц по линейным размерам;
- физическая плотность сыпучего продукта - плотность вещества, из которого состоит продукт;
- насыпная плотность сыпучего продукта - масса продукта, содержащаяся в единице занимаемого им объема;
- способность сыпучего продукта к вибрационному уплотнению - плотность продукта, равная насыпной плотности после вибрационного уплотнения;
- компрессионные показатели - изменение насыпной плотности продукта под действием сжимающего усилия;
- твердость частиц - чем больше твердость частиц продукта, тем меньше пятно контакта между ними, меньше влияние поверхностных сил, лучше сыпучесть продукта;
- когезия - способность частиц продукта прилипать друг к другу;
- адгезия - способность частиц продукта прилипать к ограждающим поверхностям;
- угол естественного откоса - угол, образованный линией естественного откоса продукта с горизонтальной линией;
- абсолютная влажность - отношение массы влаги, содержащейся в продукте, к массе сухого продукта;
- относительная влажность - отношение массы влаги, содержащейся в продукте, к массе влажного продукта;
- гигроскопичность - способность сыпучего продукта сорбировать парообразную влагу из воздуха;
- критическое выпускное отверстие - наименьшее выпускное отверстие, через которое продукт способен вытекать под действием гравитационной силы без дополнительного принуждения. При уменьшении отверстия ниже критического значения, продукт образует устойчивый свод. Эта особенность используется в конструкциях беззатворных дозаторов;
- угол динамического откоса - при истечении сыпучего продукта через отверстие в плоском горизонтальном днище, в нижней части емкости образуется зона ускоренного движения частиц, отделяемая от зоны малоподвижного продукта линией динамического откоса.
Результатом анализа этих характеристик сыпучих продуктов стал опыт их объединения в группы (см. таблицу). Говоря о сыпучих продуктах, следует также иметь в виду, что один и тот же продукт может выступать и в качестве сыпучего, и в качестве штучного.
Жидкие, пасто- и желеобразные продукты
Продукты этого вида характеризуются меньшим по сравнению с сыпучими числом параметров. Для описания жидких, пасто- и желеобразных продуктов не существует устоявшейся схемы паспортизации. Как правило, применяют такие характеристики, как вязкость, степень однородности (наличие нерастворимых примесей), возможность выпадания осадка, адгезия, агрессивность.
Штучные продукты
Под штучными здесь понимаются продукты, состоящие из отдельных частиц (предметов), причем заранее предполагается, что эти частицы (предметы) пересчитываются (явно или неявно) в процессе дозирования.
Последняя оговорка не случайна и является определяющей для таких продуктов: один и тот же продукт может выступать и как сыпучий, и как штучный, причем критерием служит именно условие пересчитывания.
Анализ перечисленных выше штучных продуктов позволяет объединить их в три большие группы:
- штучные продукты, состоящие из предметов постоянной формы и однородного материала;
- штучные продукты, состоящие из предметов, форма которых может изменяться в процессе дозирования (например, мягкие игрушки могут деформироваться);
- штучные продукты, состоящие из предметов, образованных из разнородных материалов, в результате чего при движении может изменяться коэффициент трения предмета о направляющие дозатора.
Более развернутая классификация этого наиболее разнообразного вида продуктов, скорей всего, невозможна.
В следующих номерах мы планируем рассмотреть существующие конструкции дозаторов и провести их сравнительный анализ на примере продукции известных фирм-производителей. В заключение будет дана комплексная классификация дозаторов в соответствии с их структурно-технологическими и конструкторскими признаками.
|
