Анализ конструктивного оформления стадии дозирования сыпучих пищевых продуктов

Общие принципы и закономерности весового дозирования. Основные способы весового дозирования. Производительность и точность дозирования. Перспективные автоматизированные расходомеры. Расчет шнекового дозатора для подачи муки в упаковочное устройство...

2014-06-13

1.92 MB

176 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


red79;;;Оглавление

Аннотация……………………………………………………………………..5

Введение……………………………………………………………………….6

1 Литературно-патентный обзор……………………………………………..8

    1.1 Обзор дозирующих устройств………………………………………...8

    1.2 Обзор патентной литературы………………………………………..17

2 Общие принципы и закономерности весового дозирования

    2.1Функциональная схема весовых дозаторов и ее элементы

         2.1.1 Питатели

         2.1.2 Измерительная система

         2.1.3 Управляющая система

    2.2 Основные способы весового дозирования

    2.3 Производительность и точность дозирования

    2.4 Перспективные автоматизированные расходомеры

3 Расчет шнекового дозатора для подачи муки в упаковочное устройство

4 Технологическая линия приготовления теста

Заключение

Результативность разработок и исследования

Список использованных источников

Аннотация

В выпускной работе бакалавра произведен анализ конструктивного оформления стадии дозирования сыпучих пищевых продуктов. 

В работе представлены физико-математическая модель процесса дозирования, проведен литературнопатентный обзор оборудования. 

Пояснительная записка к ВРБ состоит из 71 страницы машинописного текста, содержит 4 таблицы, 30 иллюстраций, 47 библиографических источников.

Графическая часть выполнена на 4 листах формата А1 и на 1 листе формата 3А2.

Введение 

Согласно классификации основных процессов химической технологии, дозирование относится к механическим процессам, т.е. к процессам, скорость которых определяется, в основном, законами физики твердого тела.

В русском языке обычно под сыпучим материалом (или сыпучим телом) подразумевают дисперсную систему, состоящую из твердых частиц произвольной формы, находящихся в контакте. Дисперсная система - это образование из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Термин "сыпучий материал" далеко не всегда дает полное представление о состоянии системы, поскольку дисперсные системы часто являются не свободно текучими, а связными, т. е. обладают слабой подвижностью частиц относительно друг друга. Термин "дисперсная среда" также не дает однозначного определения системы, поскольку дисперсными называют системы газ-жидкость (капли), жидкость-твердое (частицы) и т.д. В англоязычной транскрипции существует более точный термин "PARTICULATESOLIDS". Данный термин достаточно точно определяет систему - твердый материал в зернистом состоянии. Учитывая вышесказанное, в дальнейшем для определения системы, состоящей из большого количества твердых частиц, контактирующих друг с другом, будем использовать термин "зернистые" материалы. Следует отметить, что этот термин ранее использовался в научной и технической литературе. Под термином "сыпучие" материалы будем понимать свободно текучие зернистые материалы. Совершенно очевидно, что термин "сыпучий" материал не является достаточно точным, поскольку до настоящего времени отсутствуют общепринятые критерии разделения зернистых материалов на связные и несвязные (свободно текущие). В то же время на практике существует достаточно точное и понятное разделение. Если при движении зернистого материала образуется поток из отдельных частиц, контактирующих друг с другом, и при этом скорость и траектория каждой частицы могут изменяться в достаточно широких пределах, то обычно считают, что это сыпучий материал. Если при движении образуются заметные области, в которых большое количество частиц имеет одинаковые траектории и скорости движения, то материал считается плохо сыпучим или связанным [1] .

Согласно общепринятому определению БСЭ, агрегатные состояния вещества - это состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств. Традиционно выделяют три агрегатных состояния вещества: газ, жидкость, твердое тело. Существование нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в характере теплового движения молекул (атомов) вещества и в их взаимодействии. С этих позиций зернистые материалы, несомненно, относятся к твердым телам. С другой стороны, основные закономерности физики твердого тела строго выполняются только в пределах отдельной частицы. Применительно к большому числу контактирующих частиц эти закономерности строго не выполняются, прежде всего, потому, что функции напряжений и деформаций имеют разрывы на границе каждой частицы. Кроме этого, есть достаточные основания полагать, что зернистым материалам присущи особые закономерности, которые не свойственны газам, жидкостям и твердым телам. Таким образом, зернистые материалы, по крайней мере с точки зрения их переработки, следует рассматривать как самостоятельную субстанцию, которой присущи характерные физикомеханические свойства [2].

Целью данной работы является повышение точности дозирования сыпучих пищевых продуктов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

) на основании литературно-патентных данных исследовать особенности процесса дозирования сыпучих пищевых продуктов и проанализировать конструктивные особенности применяемого оборудования;

2) рассмотреть физико-математическую модель процесса дозирования;

3) выбрать оборудование для дозирования муки в тестомесильный агрегат, обеспечивающее высокую степень дозирования;

4) рассмотреть технологическую линию производства теста.

1Литературно-патентный обзор

1.1 Обзор дозирующих устройств

Дозированиепроцесс измерения количества вещества путем определения его массы или объема либо счета числа одинаковых штучных объектов. По структуре рабочего цикла дозирование бывает непрерывным или дискретным.

При непрерывном дозировании измеряется количество вещества, переносимого потоком за определенный промежуток времени. Поток представляет собой движущую массу сплошной среды: газа, жидкости или твердого вещества в виде порошкообразного материала или мелких предметов. Для непрерывного дозирования применяют расходомеры и дозаторы непрерывного действия, используемые в различных технологических процессах, где требуется непрерывная подача материала с заданной производительностью, либо осуществляется непрерывный учет количества транспортируемого материала [3].

При упаковывании продукции, как правило, применяется дискретное дозирование, заключающееся в периодическом повторении циклов измерения дозы продукта и подачи ее на упаковывание. Для дискретного дозирования применяются объемные и весовые дозаторы, измерители объема и массы продукции, а также питатели одинаковых штучных изделий.

Характер процесса дозирования прежде всего зависит от физического состояния дозируемой среды. Все виды пищевой продукции можно разделить на сплошные и дискретные среды.

К сплошным средам относятся жидкие, пастообразные и сыпучие продукты (напитки, творог, мука, крупы и т.п.), а также мелкоштучные изделия (драже, вермишель, сушки и т.п.). Такое объединение разнообразных видов пищевой продукции связано не столько с типом фазного состояния вещества, сколько с характером его отклика на действие силы. Сплошная среда непрерывно изменяет свою форму под действием постоянной сдвигающей силы, в результате чего наблюдаются явления течения или сыпучести веществ. Главное отличие в поведении жидкости и сыпучего продукта состоит в том, что большинство жидкостей почти несжимаемо, а сыпучий продукт сжимается, что приводит к изменению его плотности.

При дозировании сплошных сред выполняются следующие основные операции: отделение от общей массы сплошной среды определенной части для формирования из нее дозы, измерение объема или массы дозы, подача дозы на упаковывание [4].

Дискретными пищевыми средами являются штучные изделия, имеющие, как правило, твердую или твердообразную структуру (конфеты, брикеты пищеконцентратов, хлебобулочные изделия и т.п.). Доза продукта, из которого изготовлено штучное изделие, получается также в результате дозирования сплошной среды. Однако дозирование обычно выполняется перед операцией формования заготовки штучного изделия. Затем после формования выполняются операции, обеспечивающие стабилизацию структуры отформованной заготовки: выпечка, сушка, кристаллизация или охлаждение. Только после этого полученные штучные изделия подаются на упаковывание.

При дозировании дискретных сред, поступающих на упаковывание, выполняются следующие основные операции: перемещение изделий от входа питателя к его выходу, отделение индивидуального изделия от хаотичной массы изделий, фиксация и ориентирование изделия в пространстве и времени, подача изделия на упаковывание. При упаковывании сопряженно-штучных изделий перед последней операцией выполняется дополнительная операциягруппирование индивидуальных изделий в пачку или стопку. [5]

Систематизация процессов дозирования пищевой продукции. Известен способ дозирования порошкообразных продуктов при помощи объемных шнековых дозаторов. Одношнековый дозатор (рисунок1, а) состоит из корпуса 2, выполненного в виде конуса. Внутри корпуса размещена рамная мешалка 3 и вертикальный дозирующий шнек 4.Мешалка и шнек закреплены на разных вертикальных валах, вращающихся в противоположные стороны.

При работе дозатора продукт загружается конвейером 1в корпус2 и постоянно перемешивается мешалкой 3. Конструкция мешалки выполнена со скребками, очищающими коническую поверхность корпуса 2и предотвращающими сводообразование продукта, а также снабжена поперечными лопастями, которые рыхлят продукт, усредняя его плотность в зоне верхних витков дозирующего шнека 4.

а) 1конвейер; 2корпус; 3мешалка; 4дозирующий шнек;

–тара;

б) 1труба; 2горизонтальный шнек; 3дозирующий шнек; 4 - заслонки; 5тара; 6разрыхлитель; 7течка; 8 - блокиратор

Рисунок 1.1 - Принципиальные схемы объемных шнековых дозаторов для сыпучих продуктов: аодношнековый; 6двухшнековый

Заданный объем дозы подается в потребительскую тару 5 при дискретном вращении дозирующего шнека 4. Величина дозы зависит от шага шнека и числа его оборотов [6].

При дозировании легких порошкообразных продуктов, содержащих пыль, применяется закрытаядвухшнековая конструкция дозатора (рисунок 1,б). Порошок поступает в дозатор по трубе 1 и далее в горизонтальный шнек 2, подающий его в течку 7. Вращение шнека дискретное. Шнек имеет электрическую блокировку с чувствительным элементом 8,который разъединяет электрический контакт и останавливает шнек 2, если порошок не расходуется. Длительное вращение шнека при отсутствии расхода может вызвать комкование порошка или образование корочки на его витках. Последнее происходит из-за тепла, выделяющегося при трении порошка о вращающийся шнек.

Из течки 7 порошок поступает в вертикальный дозирующий шнек 3. Он отмеривает определенный объем дозы продукта, совершая строго определенное число оборотов. Доза порошка перемещается в потребительскую тару 5через щель, образованную подвижными заслонками 4. Лопасти разрыхлителя 6периодически вращаются с вертикальным шнеком, но в противоположную сторону [7].

Другой способ дозирования легкосыпучих продуктов и мелкоштучных изделий реализован в конструкции объемного дозатора с мерными стаканами. На рисунке 2 дана схема дозатора для сыпучих продуктов (крупа, сахар-песок, поваренная соль и т.п.).

1 –воронка; 2донья; 3палец; 4мерный цилиндр; 5нижний диск; 6мерный цилиндр; 7верхний диск; 8бункер; 9отсекатель; 10ворошитель; 11пустотелый вал; 12вертикальный вал; 13зубчатая передача; 14приводной вал; 15ролик; 16 - копир ; 17регулировочный винт

Рисунок 1.2Принципиальная схема дозатора для сыпучих компонентов

Основу дозатора составляют верхний диск 7 с вмонтированными в него мерными цилиндрами 6 и нижний диск 5 с мерными цилиндрами 4. Диск 7 смонтирован на вертикальном валу 12 и может вращаться вместе с ним. Движение вала 12 обеспечивает приводной вал 14 через зубчатую передачу 13. Нижний диск 5 кинематически связан с регулировочным винтом 17укоторый определяет его положение относительно диска 7. Палец 3 жестко соединен с диском 7, входит в отверстие, изготовленное в диске 5, и служит для передачи крутящего момента от верхнего диска нижнему, обеспечивая их совместное вращательное движение вокруг оси вала 12. Диаметры наружных поверхностей цилиндров 6 несколько меньше диаметров внутренних поверхностей цилиндров 4и попарно образуют мерные емкости с регулируемым объемом. Донья 2 цилиндров 4 шарнирно соединены на нижней поверхности диска 5 и снабжены роликами 15, взаимодействующими с копиром 16.Над верхним диском 7 установлен цилиндрический бункер с укрепленным в нижней его части отсекателем 9. Внутри бункера 8 на пустотелом валу 11установленворошитель10.В зоне отсекателя под нижним диском 5 установлена труба с воронкой 1. [8]

1поршни; 2цилиндры; 3отсекатель; 4диск; 5ворошитель; 6 - бункер

Рисунок 1.3Принципиальная схема объемного дозатора с поршневыми мерными емкостями

Для дозирования мелкодисперсных продуктов используют объемные дозаторы с поршневыми мерными емкостями (рисунок 3). Мерные емкости выполнены в виде цилиндров 2, донья которых представляют собой управляемые поршни 1. Цилиндры смонтированы на окружности на диске 4, над которым установлен бункер 6 с отсекателем3 и ворошителем 5. В конструкции поршней 1 предусмотрены герметизирующие приспособления, исключающие прохождение воздуха и пыли во время перемещения этих поршней относительно цилиндров 2. Поскольку в таком дозаторе вакуумирование мерных емкостей осуществляется путем перемещения поршня относительно цилиндров, отпадает необходимость применения специальной вакуум- системы с соответствующими фильтрующими устройствами [9].

1бункер; 2привод; 3шнековый питатель; 4опора; 5весовой бункер: 6струна; 7приемный бункер; 8 –поворотный механизм; 9 - вибратор; 10рычаг; 11призма; 12циферблатный указатель; 13шнековый питатель; 14привод

Рисунок 1.4Весовой дозатор с квадратным силоизмерительным указателем

Для дозирования трудносыпучих продуктов (мука, сухое молоко и др.) применяется весовой дозатор с квадрантным силоизмерительным указателем (рисунок 4). В его состав входят приемный бункер 7, шнековый питатель 13 с приводом 14 и весовой бункер 5. Последний подвешивается к рычагу 10 весовой системы посредством двух диаметрально расположенных опор 4. Для уменьшения амплитуды качания бункер крепится в третьей точке к неподвижной опоре с помощью струны 6. Циферблатный указатель 12 передает результаты измерений указателю, смонтированному на отдельной колонке, которую можно установить в любом месте, удобном для наблюдения.

На весовом рычаге смонтировано пять призм 11. Две из них являются осью поворота рычага и покоятся на неподвижных подушках, закрепленных на несущей раме. Дозатор снабжен устройством досыпки, которое состоит из привода 2, включающего электродвигатель и редуктор, и шнекового питателя 3. Снизу бункер 5 снабжен поворотной заслонкой 7, которая приводится в движение поворотным механизмом 8. Разрушение сводов и полная выгрузка отмеренной дозы обеспечиваются вибратором 9, который расположен на конической поверхности бункера и включается синхронно с заслонкой 7:

При работе дозатора сыпучий продукт из приемного бункера 1 в весовой бункер 5 подается шнековым питателем 13. Для повышения точности дозирования используется досыпное устройство, которое заполняет весовой бункер частью заданной дозы продукта (15.. .20 %) при пониженной производительности питающего устройства [10].

После набора требуемой дозы заслонка 7 открывается, и продукт направляется на упаковывание.

Оборудование для дозирования пищевой продукции и изделий включает объемные и весовые дозаторы, а также питатели штучных изделий, специально предназначенные для измерения количества вещества, поступающего в отдельную упаковку потребительской тары.

Целью функционирования данной группы дозировочного оборудования является формирование заданной дозы продукции, измерение объема или массы дозы и загрузка отмеренной дозы в упаковку (коробку, пачку, бутылку и т.п.).

Разнообразие структурно-механических свойств упаковываемой пищевой продукции, а также требованиям к условиям ее упаковывания обусловливают специфичность конструкций дозировочных устройств. Каждая конструкция устройств имеет свои отличия и особенности в зависимости от вида упаковываемой продукции, упаковки и производительности. Поэтому в настоящее время практически не осуществляется разработка и изготовление серийных дозаторов продукции как отдельных составных частей технологической линии на уровне машин и установок. Исключение составляют объемные и весовые дозаторы для упаковывания продукции в крупногабаритную тару (мешки, бочки, цистерны и т.п.), а также весовые дозаторы для сыпучих продуктов и предварительно завернутых штучных изделий.

На основании вышеизложенного объемные и весовые дозирующие устройства обычно являются составными частями фасовочных машин» а питатели штучных изделий входят в состав заверточных машин. В связи с этим описание устройства и принципа действия дозирующих устройств и питателей дается в других главах при описании соответствующих заверточных и фасовочных машин [11-12].

В настоящем разделе представлена классификация устройств для дозирования упаковываемой продукции, являющихся составными частями дозаторов и упаковочных машин для пищевой продукции (рисунок 5). Для дозирования пищевой продукции применяются объемный и гравитационный (весовой) методы измерения количества вещества, а также подача штучных изделий на упаковывание при помощи механических питателей.

Метод объемного дозирования применяется для измерения объема сплошных сред: сыпучих и жидких продуктов, а также мелкоштучных изделий. Способы объемного дозирования и конструкции измерителей объема существенно зависят от физико-механических свойств дозируемой продукции.

Точность дозирования зависит от качества изготовления дозатора, свойств продукта, правильности настройки и других факторов. Если сыпучий продукт обладает пониженной сыпучестью, например влажный сахар-песок, концентраты киселя, пищевые концентраты первых блюд, то дозирование их затруднено. В таких случаях эффективнее использовать объемные дозаторы с вибрирующими элементами мерных емкостей.

Особое место среди сыпучих продуктов занимают мелкодисперсные пылевидные продукты, такие, как мука, какао-порошок, сухой крахмал, сахарная пудра. Эти продукты обладают пониженной сыпучестью. Одной из причин этого является то что в результате высокой дисперсности через массу продукта плохо проходит воздух. Условия заполнения мерных емкостей таковы, что в процессе засыпания продукта из емкостей вытесняется воздух, который выходит в атмосферу только через слой продукта в бункере. Воздух относительно легко проходит через слой материала при невысокой его дисперсности, а мерные емкости хорошо заполняются, вследствие чего достигается удовлетворительная точность дозирования [13].

Объемные поршневые дозаторы применяются также для дозирования вязких жидкостей, пастообразных продуктов и хлебопекарного теста.

Дозирующие устройства с мерным сосудом и мерным уровнем используют для дозирования жидких пищевых продуктов.

Преимуществами объемных дозирующих устройств является относительная простота конструкций и обслуживания, высокая надежность. Основным недостатком этих устройств является невысокая точность измерений, особенно при дозировании сыпучих продуктов и мелкоштучных изделий [14].

Метод весоизмерительного дозирования применяется для определения массы порций (доз) сыпучих и жидких продуктов, а также штучных изделий с помощью взвешивания, т.е. с использованием эффекта гравитационных сил, действующих на эти продукты и изделия.

Весоизмерительные дозирующие устройства по принципу действия разделяются на рычажно-механические, пружинные и электромеханические.

В рычажно-механических весоизмерительных устройствах силы тяжести взвешиваемого объекта уравновешиваются посредством весового рычага (или системы весовых рычагов), участвующего в уравновешивании силы тяжести взвешиваемого объекта и передаче возникающих при этом усилий. При этом уравновешивание силы тяжести осуществляется с помощью специального уравновешивающего устройства различной конструкции (рычаг, коромысло, квадрант и др.).

В пружинных весоизмерительных устройствах уравновешивание силы тяжести взвешиваемого объекта достигается с помощью силоизмерителя в виде специальной пружины (винтовая, плоская, кольцевая, торсионная и др.). Пружинные весоизмерительные устройства обычно применяются в качестве чувствительных элементов электромеханических весов.

Электромеханические весоизмерительные устройства имеют принцип действия, основанный на преобразовании механического воздействия силы тяжести взвешиваемого объекта на чувствительный элемент измерительного преобразователя в пропорциональный ей электрический сигнал. К электромеханическим первичным преобразователям относятся тензометрические, магнитоэлектрические и частотно-импульсные.

Наиболее широкое применение нашли тензометрические первичные преобразователи. В них используются тензометрические резисторы - чувствительные элементы, изменяющие под действием приложенной силы электрическое сопротивление. Преимущества этих преобразователей - малая нелинейность, высокая чувствительность, стойкость к ударным нагрузкам, технологичность при изготовлении. Основной недостаток - существенная зависимость их свойств от температуры, что вызывает необходимость применения специальных термокомпенсационных резисторов.

Магнитоэлектрические преобразователи основаны на компенсации массы измеряемого объекта магнитоэлектрической силой системы автоматического уравновешивания. Характеризуются высокими метрологическими свойствами. Но в связи с чувствительностью к вибрационным воздействиям применяются только в лабораторных весах.

Частотно-импульсные преобразователи содержат вибростержневой датчик силы с частотно-импульсным выходом. Преимущества таких преобразователей: наличие частотного выходного сигнала, высокая чувствительность и температурная стабильность. Недостаткизначительная нелинейность и чувствительность к ударным нагрузкам, что ограничивает их применение. [15]

1.3 Обзор патентной литературы

В патенте[16] рассмотрен дозатор пищевых сыпучих продуктов, таких как различные крупы, макаронные изделия, сахар и т.п. Изобретение направлено на обеспечение возможности для пользователя отгрузить требуемое количество товара за один прием без какого-либо довеса.

Изобретение относится к устройствам для объемного дозирования пищевых сыпучих продуктов, таких как различные крупы, макаронные изделия, сахар и т.п., и может быть использовано в розничной торговой сети.

1корпус; 2бункер; 3воронкообразные перегородки; 4отверстия в центре; 5направляющий скат; 6мерные риски; 7шток; 8клапан нижний; 9клапан верхний; 10пружина; 11шайба; 12горизонтальный упор; 13шайба; 14втулка; 15пружина; 16шайба; 17кронштейн; 18ролики; 19гибкий трос; 20дозатор; 21опорная балка.

Рисунок 1.5Дозатор сыпучих веществ

Достоинствами данного дозатора являются:

- возможность для пользователя отгрузить то количество сыпучего материала, которое ему требуется получить из дозатора за один прием;

- дозатор имеет сравнительно простую конструкцию и технологичен в производстве, поскольку может быть собран на базе большинства широкоиспользуемых в технике элементов;

- ремонтопригоден и имеет достаточно высокий ресурс безотказной работы;

- позволяет пользователю провести отгрузку помещенного в него сыпучего вещества за один прием без каких-либо дополнительных довесок и догрузок.

Недостатком указанного дозатора сыпучих материалов является сложность и инерционность его конструкции, предусматривающей наличие электромагнитной катушки с подвижным сердечником и источника сжатого газа, которые не могут быстро отреагировать на управляющее воздействие пользователя дозатором.

В патенте [17] рассмотрен автоматический дозатор сыпучих материалов с повышенной точностью.

1 –бункер; 2 –ворошитель; 3шиберная заслонка; 4питатель; 5течка; 6матрица; 7паллета; 8инструментальный стол; 9выходы каналов; 10распределительная решетка; 11мерные емкости; 12пневмоцилиндр; 13- колонки; 14станина; 15пружина;

Рисунок 1.6 - Устройство для объемного дозирования сыпучих материалов

Главным достоинством дозатора является его пожаро- и взрывобезопасность, так как в нем исключено перетирание и механическое воздействие на гранулы материалов.

Недостатком описанного устройства является неудовлетворительная функциональность и сложность переналадки инструментального блока на разные объемы отмеряемых доз. Так же к недостаткам можно отнести низкую производительность и функциональную надежность.

Производительность ограничена последовательным формированием исключительно по одной объемной дозе сыпучего материала.

В патенте [18] рассмотрен шнековый дозатор для непрерывного дозирования порошкообразных и сыпучих продуктов. Дозатор может быть использован для дозирования пылящих, трудносыпучих и гранулированных продуктов (сухое молоко, крахмал, молотая пряность, молотый кофе, мука, сахарная пудра), при этом преимущественно в составе упаковочных автоматов.

1плита; 2шнековая труба; 3шнек; 4загрузочный бункер; 5крышка;

6проставка; 7вал; 8мешкалка; 9 - скребок

Рисунок 1.7Шнековый дозатор

Достоинствами данного дозатора являются:

- высокая точность дозирования;

- дозатор имеет сравнительно простую конструкцию и технологичен в производстве.

Недостатками шнекового дозатора являются: 

- при расфасовке продукта в емкости уровень его в бункере дозатора понижается, и по мере понижения уровня плотность продукта на выходе из бункера и на входе на витки шнека будет уменьшаться;

-высокие энергетические затраты на дозирование.

В патенте [19] рассмотрен весовой дозатор для порошкообразных материалов. Дозатора относится к области измерительной техники и может найти применение в различных отраслях пищевой промышленности, где необходимо использование весового дискретного дозирования порошкообразных материалов.

1весы; 2бункер; 3,5электропривод; 4блок управления; 6,11пневмопривод; 7питатель; 8заслонка; 9 шнек; 10клапан.

Рисунок 1.8Весовой дозатор порошкообразных материалов.

Достоинством весового дозатора для порошкообразных материалов состоит в том, что он предназначен для дозирования плохо сыпучих продуктов, таких как сухое молоко, мука и других, сходных по свойствам порошкообразных продуктов. В этом дозаторе проблема налипания порошка на грузоприемный бункер снята благодаря тому, что доза из него выдается специальным выгрузочным устройством - вертикальным шнеком. При этом в бункере после выдачи дозы остается гарантированный невыгружаемый остаток, что исключает влияние налипшего порошка на величину дозы.

Недостаток дозатора состоит в том, что доза формируется при наборе порошка в грузоприемное устройство (ковш, бункер). После набора заданной дозы происходит опорожнение грузоприемного устройства путем открытия днища этого устройства. При этом порошок под действием своего веса ссыпается в последующий технологический аппарат или в тару при расфасовке. При этом в случае дозирования порошков в грузоприемном устройстве остается некоторая часть порошка, налипшего на стенки и днище.

В патенте [5] рассмотрен дозатор сыпучих пищевых продуктов, например сахарного песка, соли, перца, кофе, чая, пряностей на столе индивидуального потребителя или в кафе, ресторане и других пунктах общественного питания. 

1корпус; 2основание; 3направляющая втулка; 4емкость; 5крышка; 6пищевой продукт; 7дозатор; 8втулка; 9маховик; 10барабан; 11возвратная пружина; 12регулятор; 13винт; 14ограничительная шайба; 15заглушка; 16шайба; 17приемная посуда.

Рисунок 1.9Устройство дозирования сыпучих пищевых продуктов

Устройство дозирования содержит корпус с емкостью для хранения сыпучих пищевых продуктов и дозатор, размещенный под этой емкостью. Дозатор выполнен с механизмом регулировки дозы.         

Недостатками этого устройства являются сложность конструкции, отсутствие возможности плавной регулировки дозы сыпучего пищевого продукта, невозможность регулировки. А также при длительном хранении возможно насыщение продукта влагой, при транспортировке - высыпание из открытой верхней части.

                 В патенте [20] рассмотрен бункер, который содержит емкость с размещенной в ней прутковой спиралью и четырехлопастным дозатором. Прутковая спираль установлена на вертикальной оси симметрии емкости бункера с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения. На верхних и торцевых кромках лопастей дозатора расположены концентрично по ходу вращения пальцы различной длины в виде гребенки, нарастающей от центра. Привод спирали и лопастей дозатора осуществлен через муфту, клиноременную передачу и конический редуктор от электродвигателя отгрузного шнека. Спираль и лопасти дозатора имеют одну ось вращения. Кроме того, нижний конец спирали имеет телескопическое соединение с лопастями дозатора, а верхняя ее часть закреплена с возможностью регулировки по высоте за счет втулки с фиксаторами, причем спираль имеет изменяющийся шаг по высоте пропорционально размерам емкости бункера. Повышается эффективность работы бункера, исключается сводообразование корма в бункере, повышается равномерность выхода потока корма, снижается энергоемкость процесса дозирования. 

Преимущество предлагаемого бункера-дозатора сыпучих кормов состоит в простоте конструкции за счет одновременного привода отгрузного шнека, лопастного дозатора и обрушителя сводов, в обеспечении равномерной дозированной выгрузки корма за счет постоянного сводообрушения его по всей толще в емкости бункера, где находятся эпицентры сводоообразования, и в снижении энергоемкости процесса дозирования за счет ворошения пальцами надлопастного слоя корма и уменьшения вертикального и бокового давления от столба корма на лопасти, а также за счет того, что верхняя кромка лопастей выполнена на конус перпендикулярно образующей конусной части бункера.

1емкость; 2прутковая спираль; 3втулка; 4вал; 5гайка; 6телескопическое соединение; 7редуктор; 8лопасти; 9пальцы лопастей; 10клиноременная передача; 11муфта; 12электродвигатель; 13рукав; 14заслонка; 15загрузной шнек

Рисунок 1.10Бункер-дозатор сыпучих кормов

           

2 Общие принципы и закономерности весового дозирования

2.1Функциональная схема весовых дозаторов и ее элементы

Дозирование зернистых материалов - это механический процесс, т.е. процесс, скорость которого определяется законами физики твердого тела. Дозатор - устройство для автоматического отмеривания (дозирования) заданных массы или объема жидких или сыпучих материалов. Поскольку любой технологический процесс базируется на определенной массе исходного сырья, учете выработанной продукции, обеспечении заданного количества продукта по массе (или поддержание заданного расхода), то весы и дозаторы находят самое широкое применение в различных отраслях промышленности. По структуре рабочего цикла дозирование (взвешивание) может быть непрерывным или дискретным (порционным), а по принципу действия - объемным или весовым. Для объемного дискретного дозирования (рисунок 2.1, а) характерно периодическое повторение цикла выпуска и набора дозы (порции) продукта объемом V. Дискретное весовое дозирование (рисунок 2.1, в) основано на отмеривании дозы массой М. При объемном непрерывном дозировании (рисунок 2.1, б) формируется поток с массовым расходом. При непрерывном весовом дозировании (рисунок 2.1, г) поток материала, выходящий из питателя 4, непрерывно взвешивается. В зависимости от результатов взвешивания автоматически с помощью регулятора 8 и задвижки 2 с исполнительным механизмом корректируется производительность питателя. При электронном дискретном взвешивании (рисунок 2.1, д) ковш с взвешиваемым материалом закрепляется на чувствительном элементе (балке), на котором наклеивают преобразователи (чаще всего тензодатчики 10). Для повышения чувствительности тензодатчики, как правило, соединяются по мостовой схеме (рисунок  2.1, е). Сигнал о рассогласовании "моста" подается на прибор 11, по показаниям которого можно судить о массе продукта, находящейся в ковше. Если соединить датчики с каким-либо воспринимающим вес элементом 3 движущегося потока, то измерение величины производительности можно осуществлять непрерывно (рисунок 2.1, ж).

У автоматических весовых дозаторов дискретного действия для фасовки наименьшие пределы взвешивания устанавливаются техническими условиями, а автоматических весов и дозаторов непрерывного действия в зависимости от класса точности должны составлять: для классов 0,5; 1; 1,5 - 50 %; для классов 2; 2,5; 4 - 30 % от наибольшего предела производительности.

Под точностью понимают свойство дозаторов давать показание (осуществлять дозирование), близкое к истинной массе (производительности). Количественно точность оценивается допускаемой погрешностью.

а - дискретное объемное; б - непрерывное объемное; в - дискретное весовое; г - непрерывное весовое; д - электронное; е - мостовая схема соединения тензодатчиков;

1 - бункер с материалом; 2 - задвижка; 3 - мерная камера; 4 - объемный дозатор непрерывного действия; 5 - ковш; 6 - весовой механизм;

- гиредержатель; 8 - автоматический регулятор производительности;

9 - чувствительный элемент (балка); 10 - тензодатчик;

11 - показывающий прибор; 12 - источник питания; 13 - лента конвейера; 14 - элемент, воспринимающий вес движущегося потока (ролик)

Рисунок 2.1Схемы дозирования зернистых материалов

Классы точности технологических дозаторов определяются в зависимости от типа: у автоматических весовых дозаторов дискретного действия для дозирования (фасовки) в интервале от наименьшего до половины наибольшего предела дозирования - по относительной допускаемой погрешности каждой дозы в процентах от половины наибольшего предела дозирования; в интервале от половины до наибольшего предела дозирования - по относительной допускаемой погрешности в процентах от номинального значения массы дозы (кроме того, погрешность среднего арифметического значения 10 доз не должна превышать погрешности отдельной г-й дозы, деленной на определенный коэффициент); у дозаторов непрерывного действия в установленных пределах производительности - по относительной допускаемой погрешности в процентах от наибольшего предела производительности.

.2 Обобщенная функциональная схема весовых дозаторов и ее элементы

Анализ конструкций весовых дозаторов показал, что с точки зрения функционального назначения, можно выделить следующие основные элементы (рисунок 2.2): питатель 1; измерительная система 2; управляющая система 3.

1питатель; 2измеритель; 3управляющая система

Рисунок 2.2 - Функциональная схема весового дозатора

Питатель объемного принципа действия формирует отдельную порцию или непрерывный поток из дозируемого материала с определенной объемной производительностью. Измерительная система 2 фиксирует силовое воздействие со стороны отдельной порции или непрерывного потока, преобразует эту информацию, регистрирует и передает полученную информацию на управляющую систему 3.

Управляющая система обрабатывает информацию, преобразует ее в весовую производительность и сравнивает с заданным значением производительности. При необходимости подается управляющий сигнал на питатель 1 о прекращении работы или об изменении его объемной производительности. Рассмотрим более подробно основные составляющие весовых дозаторов [21].

.2.1 Питатели

Для формирования непрерывного потока используются различные конструкции объемных питателей. На рисунке 2.3 даны схемы некоторых типов питателей объемного принципа действия.

Клапанный питатель (рисунок 2.3, а) представляет собой питатель со свободным падением материала. Материал высыпается из выгрузочного отверстия под действием собственного веса и под давлением столба материала в бункер. Поперечное сечение отверстия может также постоянно регулироваться запорным клапаном с использованием предкрылка определенными ступенями (грубый/тонкий поток). Исходя из этого, используются клапанные питатели, у которых посредством регулируемого дроссельного клапана можно также редуцировать грубый поток материала. Для уменьшения высоты наполнения бункера можно изготовить выгрузочное отверстие в виде решетки или сита. Далее существует возможность уменьшить влияние высоты наполнения на точность дозировки посредством ступенчатых вкладышей. Клапанный питатель подходит для свободно текущих дозируемых продуктов, таких как гранулированные материалы, зерно, бобовые, ограниченно также для соли и сахара. Основное применение клапанные дозаторы находят при загрузке последовательно соединенных дозирующих механизмов, которые, в свою очередь, могут работать в режиме дозировки по объему или по весу [22].

Питатели с заслонкой или шибером (рисунок 2.3, б) представляют другой вид конструкции дозатора со свободным падением материала, с такими же характеристиками и областями использования, как у клапанных дозаторов. В этих конструкциях возможны более плавное регулирование производительности, механизация и автоматизация перемещения шибера.

Рисунок 2.3Схемы питателей для непрерывной подачи зернистых материалов

Питатели с валом или секторные (рисунок 2.3, в), при больших размерах камер называемые также шлюзовыми барабанными питателями, характеризуются более высокой точностью дозировки. Посредством изменения формы и размера ячеек барабана можно приспосабливать этот тип дозатора к различным материалам. Питатели с валом, прежде всего, находят применение в сочетании с клапанными питателями грубого потока. Они оказываются малопригодными для дозирования материалов, чувствительных к смятию или ломки. Варианты питателей с валом и методы их расчета достаточно подробно описаны в технической и научной литературе [23].

Шнековые питатели (рисунок  2.3, г) изготавливаются во множестве вариантов и отличаются большой приспособляемостью к различным задачам дозировки. Производительность определяется диаметром и числом оборотов шнека, посредством шага шнека также можно влиять на производительность и точность дозирования. Комбинация этих параметров должна осуществляться с учетом характеристик текучести дозируемого материала, хотя с увеличением диаметра шнека точность дозировки падает. Питатели с двумя шнеками и раздельными приводами могут сочетать высокую производительность с высокой точностью. Шнековые питатели пригодны, прежде всего, для неклейких, порошкообразных материалов. Для очень клейких продуктов разработаны специальные модели дозаторов и среди них такие, как спиральные шнеки или друг друга "пронизывающие", самоочищающиеся двойные шнеки. Улучшение степени наполнения шнеков при дозировании сводообразующих продуктов может достигаться посредством разрыхляющих валов в бункере. Для уплотнения воздухосодержащих загружаемых продуктов разработаны шнековые упаковщики и методики их расчета [30]. Для дозирования материалов, чувствительных к смятию и ломких, шнеки пригодны только в ограниченной степени.

В ленточных питателях (рисунок  2.3, д) материал выгружается из бункера, у которого на передней стенке установлена заслонка, регулирующая поперечное сечение потока. Кроме этого, производительность может изменяться в зависимости от скорости ленты. Ленточные питатели не имеют ярко выраженной границы выгрузки. Материал проходит через изгиб ленты на барабане, в результате чего на точность дозирования сильно влияют характеристики текучести. Точность часто является недостаточной при непрерывной подаче крупнокусковых, пластичных или волокнистых материалов. Ленточные питатели пригодны практически для всех зернистых материалов. Особо следует отметить, что с помощью питателей этого типа можно хорошо дозировать материалы, чувствительные к механическим воздействиям.

В вибрационных питателях (рисунок  2.3, е) на материал дополнительно воздействуют вибрацией. Под воздействием вибрации существенно уменьшается коэффициент внутреннего трения, что способствует лучшему истеканию материала из бункера. Производительность регулируется амплитудой и частотой вибрации, а также размерами и конструктивными особенностями вибрирующего элемента. Незначительность механических нагрузок на материал делают вибрационные питатели пригодными для организации непрерывной подачи практически всех зернистых материалов. Точность дозировки, правда, в пределах сравнительно небольшой области регулировки массового потока является удовлетворительной почти для всех продуктов [24-25].

 

.2.2 Измерительная система

Функциональная внутренняя структура измерительной системы весового дозатора  показана на рисунке 2.4. Информация, которую мы хотим получить от измеряемого объекта, не всегда имеет форму активной информации. В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию. Если же измеряемый объект сам порождает сигнал, уже содержащий желаемую информацию, то во внешнем возбуждении нет надобности [26].

Часто параметр или переменная величина, подлежащая измерению, имеет электрическую природу. Когда нужно измерить неэлектрические параметры или переменные, такие как жесткость, тепловое сопротивление, смещение и т.д., чаще всего применяется того или иного рода датчик или преобразователь, и система в целом не остается чисто механической или тепловой измерительной системой. В датчике входной параметр или переменная трансформируются в электрический выходной сигнал, который несет информацию об исходной измеряемой величине. Большим достоинством такого преобразования в электрический сигнал является тот факт, что оно дает возможность в дальнейшем обрабатывать информацию с помощью электроники, а это совсем не дорогой и гибкий способ обработки. Например, в таком виде информацию легко передавать на большие расстояния при минимальном мешающем действии окружающей среды. Особенно полезно это для измерении в недоступных местах или в агрессивной среде, а также при измерении большого числа объектов, которые разнесены далеко друг от друга (например, измерения производительности нескольких дозаторов в пищевой или химической промышленности).

Рисунок 2.4 - Обобщенная внутренняя структура измерительной системы

Иногда передача информации осуществляется другими, неэлектрическими средствами. В некоторых отраслях обрабатывающей промышленности, где имеют дело с воспламеняющимися веществами, для передачи информации применяют пневматическую телеметрию. Данные измерений в этом случае передаются по тонким трубкам посредством давления газа.

Как правило, электрический сигнал на выходе датчика не пригоден для того, чтобы быть непосредственно представленным наблюдателю. Часто бывает необходимо сначала подвергнуть его обработке того или иного вида (усилению, фильтрации, коррекции нелинейности датчика и др.).

После такой обработки сигнал может быть представлен оператору или механическому наблюдателю (автомату). Выходной сигнал можно также временно сохранить в памяти и воспользоваться им позднее. В этом случае говорят о регистрации результата измерения.

Не во всякой измерительной системе имеются все шесть подсистем, указанных на рисунке 2.4. Подсистемы не обязательно должны следовать в том порядке, как указано в примере. Часто, например, обработка сигнала производится до его передачи.

Сигнал, который поступает с датчика - это энергетическое физическое явление, несущее информацию. Предполагается, что такой сигнал относится к соответствующей области физики или к ее определенному разделу. Например, механический, тепловой, электрический и магнитный сигналы принадлежат каждый к своей собственной соответственной физической области. Чтобы обеспечить перенос из одной физической области в другую, должна существовать возможность отображать сигналы из одной физической области на сигналы из другой области. Такое отображение осуществляют "преобразователи", которые способны энергетическое физическое явление одного рода (из одной области) преобразовывать в явление другого рода (в другой области). При преобразовании должна сохраняться информация, содержащаяся в исходном энергетическом явлении. Такие сохраняющие информацию энергетические преобразователи называют измерительными датчиками.

Кроме отображения сигналов, принадлежащих различным областям, друг на друга, необходимо также иметь возможность отображать друг на друга сигналы из одной и той же области. В этом случае энергетическое явление преобразуется в подобное ему энергетическое явление с сохранением соответствующей информации, содержащейся в исходном явлении. Может понадобиться увеличить мощность явления (усиление мощности) или опустить какую-то ненужную информацию (фильтрация). Происходящие в веществе физические эффекты, используемые для отображения сигналов из различных областей, называют эффектами переноса, тогда как для отображения сигналов в пределах одной области используются происходящие в веществе эффекты, называемые прямыми. Вот примеры эффектов переноса: из электрической области в тепловую - эффект Пельтье; из тепловой области в электрическую - эффект Зеебека; из магнитной области в электрическую - эффект Холла. Примеры прямых эффектов, происходящих в веществе: в электрической области - электрическое сопротивление; в механической области – упругость [26].

С точки зрения преобразования энергии различают два типа датчиков: пассивные и активные.

Пассивными являются такие датчики, которые функционируют без потребления энергии от вспомогательного источника (рисунок 2.5, а). поэтому:

Возможно, в принципе, накопление энергии в датчике на короткое время. Следовательно, приведенное выше соотношение справедливо только для значений, являющихся результатом усреднения на протяженном интервале времени. Когда измеряемый объект нельзя сильно нагружать, т.е. он может отдавать лишь очень малую входную мощность, существенным становится коэффициент полезного действия (КПД) п пассивного датчика:

Рисунок 2.5Активный (а) и Пассивный (б) датчики

Во многих измерительных системах используются датчики, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические, поскольку обработка и передача сигналов в электрической области сравнительно просты. Учитывая это, рассмотрим датчики, которые отображают сигналы из различных физических областей на сигналы в электрической области, а также обратные преобразователи, которые переводят электрический сигнал в неэлектрическую величину. Датчики первой категории нужны на входе измерительной системы, поэтому они называются входными, или измерительными датчиками. Обратные преобразователи нужны на выходе измерительной системы для целей индикации и регистрации данных или для управления другими процессами, поэтому их называют выходными датчиками, или исполнительными механизмами.

К сожалению, не существует единой терминологии в мире датчиков. Их называют по-разному: сенсор, чувствительный элемент, измерительный преобразователь (transducer, sensor, pick-up, gauge). Классификацию датчиков часто производят по той величине, которая измеряется с их помощью (датчик смещения, акселерометр, тензодатчик и т.д.), или по принципу действия (емкостной датчик смещения, пьезоэлектрический акселерометр, резистивный тензодатчи)

Устройство, предназначенное для представления результатов измерения человеку-наблюдателю, называют устройством индикации (дисплеем). Устройства индикации не обязательно должны быть аналоговыми (как, например, электронный луч, рисующий на экране осциллографа), они могут также быть цифровыми (например, алфавитно-цифровой дисплей или светящиеся элементы индикации). Устройства индикации рассчитаны на визуальное наблюдение и потому являются электрооптическими преобразователями. Чтобы избежать больших ошибок считывания и интерпретации, аналоговые устройства индикации должны быть особенно хорошо согласованы с потребностями наблюдения. Эта проблема решается, в частности, путем применения гибридных устройств индикации. Например, в осциллографе тем же электронным лучом, который рисует форму сигнала, можно отобразить на экране такую информацию, как чувствительность, масштаб по оси времени и другую. Важно осуществить сопряжение цифрового устройства индикации с наблюдателем, чтобы наблюдение не было утомительным и по этой причине не допускались промахи (нужно минимизировать блики, обеспечить высокую контрастность, использовать приятные цвета, четкие и разборчивые символы и т.д.).

Данные регистрируются для того, чтобы они были доступны позднее, например, для представления наблюдателю в более удобное время. К регистрации часто прибегают в тех случаях, когда собирается большое число результатов измерений и нужно облегчить производимый вслед за этим анализ полученных результатов. Другим поводом для регистрации данных служит желание предотвратить необходимость повторения измерений (в частности, когда опыты крайне дороги, например, эксперименты по столкновению частиц). Для того, чтобы облегчить интерпретацию результатов измерений, часто осуществляют графическую запись. Примерами таких записей являются х-t и x-у диаграммы, а также графики в полярных координатах. При таком способе регистрации результатов измерений раскрываются их структура и соотношение между ними, благодаря чему интерпретация упрощается. Например, производительность (Q) весового дозатора непрерывного действия регистрируется в форме графика в координатах Q-t. В таком виде специалисту легко определить характер и величину отклонений производительности от среднего или заданного значения. Данные можно регистрировать в аналоговом или цифровом виде; например, графическая запись осуществляется самописцем, возможна магнитная запись на ленту [27].       

  

.2.3 Управляющая система

Часто результат измерения не регистрируется и не воспроизводится средством индикации, а непосредственно используется для управления каким-то процессом. Целью управления процессом является такое регулирование, при котором выходной продукт соответствует определенным требованиям. Измеряются один или большее число параметров процесса, и регулирование осуществляется таким образом, чтобы уменьшить различие между измеряемыми величинами и заданными предварительно значениями. Если управление основано на измерении такого параметра процесса, на котором не отражается результирующее изменение характеристик процесса, то считается, что регулирование процесса осуществляется по принципу автоматического управления "вперед" (разомкнутая система управления). Однако в том случае, когда управление базируется на измерениях, результаты которых зависят от предшествующих управляющих воздействий, возникает замкнутый контур (который в отдельных случаях, в принципе, может приводить к неустойчивости). Этот метод управления процессом носит название управления с обратной связью. В настоящее время в весовых дозаторах в качестве управляющей системы обычно используют так называемые контроллеры. Контроллер - это микропроцессор, выполняющий целый ряд функций, например усиление сигнала, поступающего с измерительной системы, преобразование данного сигнала в вес отдельной порции или весовую производительность, индикацию и регистрацию веса или производительности, сравнение с заданными значениями, вычисление и подача управляющего сигнала на питатель. В частности, в дозаторе ДВЛ используется контроллер СД-01 или Simatic С7-633 ("Siemens", Германия) [10]. Сигналы весовых нагрузок на ленту и скорости ее движения обрабатываются системой измерения, управления и регулирования. Постоянное сравнение фактического значения массового расхода с заданным значением позволяет определить отклонения. По величине отклонений рассчитывается управляющий сигнала для регулирования скорости движения конвейерной ленты, что обеспечивает поддержание требуемого расхода материала. Контроллер обеспечивает: автоматическую настройку диапазона взвешивания; задание производительности; измерение скорости транспортерной ленты с учетом "проскальзывания" по сигналам датчиков вращения ведомого/ведущего валов транспортера; вычисление значения текущей производительности; вычисление и суммирование количества массы материала за заданный интервал времени; индикацию параметров на ЖКИ (4 х 20 символов); выдачу информации на устройство термопечати; обработку входных сигналов и управление электроприводом транспортера; преобразование входных сигналов ДСТ в значения веса материала; контроль блокировок аварийных ситуаций. Управление электроприводом транспортера осуществляется с помощью преобразователя частоты MICROMASTER Vector производства фирмы Siemens [28].

2.3 Основные способы весового дозирования

Как отмечалось выше, различают дискретное и непрерывное весовое дозирование. Дискретное или порционное весовое дозирование обычно осуществляется следующим образом.

 В емкость 1 (рисунок 2.6),  установленную на весоизмерительной платформе 2, с помощью питателя 3 подается сыпучий материал.

Сигнал с датчика веса подается на контроллер 4 и сравнивается с заданной величиной. Когда вес сыпучего материала, находящегося в емкости 1, достигнет требуемого значения, контроллер 4 подает управляющий сигнал на привод питателя 3 и подача материала прекращается. Порция материала выгружается из емкости 1 и операция взвешивания повторяется.

Достаточно широко используются ленточные весы, т. е. ленточный транспортер, установленный на весовую платформу. На рисунке 2.7 показана типовая схема ленточных весов. Материал шнековым питателем 1 непрерывным потоком подается на движущуюся ленту 2 транспортера, который установлен на весовую платформу 3. Вес материала , находящегося на ленте, рассчитывают как разность общего веса, который фиксируется весовой платформой, и веса транспортера.

Рисунок 2.6Схема порционного весового дозатора

В предположении, что материал распределен на ленте равномерно, рассчитывают вес материала, приходящийся на единицу длины ленты и далее определяют весовую производительность дозатора.

          После того, как суммарный вес материала, прошедшего через ленточный транспортер, достигает заданного значения, контроллер 4 подает управляющий сигнал на выключение привода шнекового питателя 1.

Рисунок 2.7Схема ленточных весов

Данный способ позволяет определить только среднюю производительность Q за интервал времени At = L/v . Попытки определения весовой производительности за меньший интервал времени неизбежно приводят к погрешностям. Следует отметить, что расчет осуществляется в предположении определения веса материала, находящегося на ленте транспортера, без погрешностей. В действительности погрешности в определении веса могут быть весьма существенными, особенно при малых производительностях. Как показал анализ ленточных дозаторов с производительностью менее 10 килограммов в час, выпускаемых ведущими мировыми производителями, вес ленточного транспортера в десятки превышает вес материала, находящегося на ленте.

Таким образом, точность в определении веса материала в десятки раз ниже точности в определении общего веса, который фиксируется весовой платформой [29]. 

        Например, при максимальной производительности 31 гс-1 вес транспортера с приводом около 3 кг. Абсолютная точность весовой платформы с максимальной производительностью 3000 г составляет 1 г (модель BL3 фирмы "SARTORIUS" [12]). Относительная погрешность составляет 0,033 %. Максимальный вес материала на ленте (при минимальной скорости движения ленты) составляет 60 г, следовательно, при дискретности в определении веса 1 г относительная погрешность определения веса материала составляет 1,1 %.

Таким образом, данный способ весового непрерывного дозирования зернистого материала позволяет определять и регулировать производительность только за интервалы времени, кратные продолжительности пребывания материала на транспортерной ленте. Не случайно эти дозаторы часто называют ленточными весами и рекомендуют использовать для контроля суммарного веса материала за достаточно продолжительные интервалы времени.

Известны сотни конструкций дозаторов, в которых реализуются разные способы весового непрерывного дозирования зернистых материалов. Тем не менее, по способу получения информации для расчета весовой производительности весовые дозаторы непрерывного действия условно можно разделить на три большие группы:

  •  взвешивание определенной части непрерывного потока материала, находящегося в дозаторе;
  •  взвешивание материала, оставшегося в бункере (технология Loss-in-weight);
  •  взвешивание определенной части потока на выходе из дозатора.

Первый способ, как правило, реализуется в ленточных дозаторах. На рисунке 2.8 показаны типовые схемы ленточных весовых дозаторов. В устройстве, изображенном на рис. 2.8, а, под лентой расположены два опорных ролика 5 и весоизмерительный ролик 4, который воздействует на весоизмерительный датчик 2. С датчика 2 сигнал поступает на контроллер 3, который, сравнивая его с заданной величиной, формирует и выдает управляющий сигнал на питатель 1.

В данном устройстве взвешивается та часть сыпучего материала, которая расположена между опорными роликами, и, следовательно, управляющий сигнал на увеличение или уменьшение производительности дозатора дается исходя из веса этого участка. Следует отметить, что тарировка данного устройства производится исходя из предположения, что сыпучий материал на ленте расположен равномерно, добиться чего фактически невозможно. Очевидно, что на весоизмерительный ролик будет оказывать воздействие не только этот вес, но и вес материала, находящегося вне зоны взвешивания, за счет изменения натяжения ленты транспортера, а следовательно, возможен ложный сигнал на изменение производительности питателя. Кроме того, подобным же образом будет действовать и динамическое воздействие от привода транспортера, динамическое воздействие от трения ленты о ролик и т.д. Все это в конечном итоге приводит к тому, что на выходе дозатора поток будет неравномерным.

В устройстве, изображенном на рисунок 2.8, б, разгрузочный край ленточного транспортера расположен на весоизмерительной платформе. В данном случае на весоизмерительный датчик действует не только вес сыпучего материала, расположенного на транспортере, но и вес ленточного транспортера, который в несколько раз больше. Очевидно, что точность взвешивания снижается, следовательно, чувствительность данной системы невелика. Система чувствительна к весу материала, находящегося на ссыпающем краю транспортера, но слабо реагирует на материал, поступающий на ленту. Наряду с динамическими воздействиями все это приводит к невысокой точностидозирования. 

В устройстве, изображенном на рисунок 2.8 в, загрузочный край транспортера установлен на весоизмерительную платформу. Система хорошо реагирует на вес материала, поступающего на ленту транспортера. В принципе, это позволяет быстро устранить погрешности в производительности, однако, как и в предыдущих случаях, методика обработки информации, поступающей с датчика, ошибочна [13].

В настоящее время все более широкое распространение получает способ "Loss-in-Weight", так из 40 ведущих фирм США этот способ используют 25 фирм. Типовая принципиальная схема для реализации способа "Loss-in-Weight" показана на рис. 2.9. Аналогичная схема используется в дозаторах типа ВД, выпускаемых отечественной промышленностью [29].  

Рисунок 2.8Схемы ленточных дозаторов непрерывного действия

Устройство состоит из малого бункера 1, в нижней части которого установлен шнек 2 с приводом вращения 3. Бункер установлен на весоизмерительный датчик 4. Сигнал с весоизмерительного датчика подается на контроллер 5. Этот сигнал усиливается, масштабируется и сравнивается с заданным значением, которое зависит от требуемой производительности дозатора. Над малым бункером 1 установлен большой бункер 6 с шибером 7. Большой бункер соединен с малым бункером 1 эластичным патрубком 8, чтобы избежать дополнительных воздействий на весоизмерительный датчик 4. Система работает следующим образом. Из большого бункера 6 в малый бункер 1 подается порция сыпучего материала, после чего шибер 7 закрывается.

С весоизмерительного датчика 4 подается сигнал на контроллер 5, где фиксируется начальный вес материала в бункере 1. Включается привод 3, и шнеком 2 материал непрерывно выгружается из бункера 1. Через определенное время с весоизмерительного датчика 4 подается сигнал на контроллер 5.

Рисунок 2.9 - Схема дозирующей системы "Loss-In-Weigh"

Контроллер рассчитывает вес материала в бункере 1, который должен быть через отрезок времени Дt при заданной производительности и сравнивает это значение с показаниями датчика 4. Если вес материала в бункере 1 больше, чем расчетное значение, то контроллер 5 подает управляющий сигнал на привод 3 и увеличивает скорость вращения шнека, если вес материала в бункере 1 меньше расчетного значения, то скорость вращения шнека уменьшается. Когда вес материала в бункере 1 достигает минимального значения (примерно 0,1 от первоначального веса), контроллер 5 подает управляющий сигнал на шибер 7 и осуществляется загрузка очередной порции материала из бункера 6 в бункер 1 . После этой операции цикл дозирования повторяется. В период загрузки очередной порции шнек 2 вращается с постоянной угловой скоростью.

Основные недостатки данного способа непрерывного весового дозирования заключаются в том, что на весовую платформу воздействует не только вес материала, находящегося в бункере, но вес самого бункера с питателем. Кроме этого, на датчик веса передаются динамические нагрузки от питателя, что существенно снижает точность дозирования.

Измерение производительности на выходе из дозатора осуществляется как контактными , так и бесконтактными методами. В частности компания Brabender Technologie  использует устройство, схема которого показана на рисунок 2.10.

Материал с объемного питателя 1 поступает в желоб 2, который выполнен в виде четвертой части окружности. Жедоб 2 жестко соединен с одним концом рычага 3, второй конец которого контактирует с весоизмерительным датчиком 4.

Рисунок 2.10 - Схема контактного метода измерения производительности

Информация с весоизмерительного датчика 4 подается на контроллер 5, который управляет приводом объемного питателя 1 . Поскольку материал движется по дуге окружности желоба 2 с некоторым ускорением, он воздействует на этот желоб не только силой веса, но и центробежной силой, а также силой Кориолиса. Таким образом, даже при малых массовых расходах силовое воздействие на желоб 2 достаточно для того, чтобы весовой датчик 4 фиксировал отклонения в массовом расходе порядка 1 %. При известных параметрах желоба и скорости движения материала усилия воздействия на датчик легко пересчитать в массовую производительность.

Как недостаток следует отметить, что при расчете производительности считаются постоянными физикомеханические свойства дози- руемого материала. В действительности же эти свойства могут существенно изменяться, что отрицательно влияет на достоверность получаемой инфорации, а следовательно, на точность дозирования. Так например, при изменении влажности дозируемого материала существенно (до 10 % и более) изменяется коэффициент его трения по поверхности желоба, а следовательно, и силовое воздействие на весоизмерительный датчик [31].

В бесконтактных датчиках используются различные электромагнитные и оптические эффекты. В частности, компанией Ramsey выпускается микроволновый датчик Granuflow DTR 131Z. В данном датчике используется эффект Доплера, и массовую производительность определяют в результате сравнения интенсивности излучаемой энергии и энергии, отраженной от движущегося потока сыпучего материала. Этот датчик может быть успешно использован в режиме пневмотранспорта или в ленточных конвейерах. По информации фирмы, чувствительность датчика порядка 2 г/с при скоростях от 1 см/с до 10 м/с. Совершенно очевидно, что датчик с такой чувствительностью может быть использован только при производительностях 100 кг/ч и более.

В результате анализа рассмотренных выше способов непрерывного дозирования сыпучих материалов было установлено, что одной из основных причин возникновения погрешностей при дозировании являются динамические воздействия на весоизмерительный датчик. Для устранения динамических воздействий используют многостадийное дозирование. Эволюция развития метода многостадийного дозирования показана на рисунках 2.11 - 2.14.

Схема устройства для реализации порционного одностадийного весового дозирования показана на рисунке 2.11. Устройство состоит из питателя 1 с приводом 2 и весовой платформы 3. При автоматическом режиме работы тара 4 подается на весовую платформу транспортером 5. После того, как тара установлена на весовую платформу, включается привод 2 питателя объемного принципа действия 1. При достижении требуемого веса материала с весовой платформы 3 подается управляющий сигнал на отключение привода 2. Для уменьшения динамических нагрузок на весовую платформу от падающего материала используют двухскоростной режим работы питателя. На первой стадии питатель работает с достаточно большой производительностью. После того, как вес материала достигает 90.95 % от заданного значения, существенно (примерно в 10 раз) уменьшают производительность питателя. Данный технологический прием позволяет повысить точность дозирования, но значительно уменьшает производительность дозатора.

Поскольку в процессе эксплуатации вес тары может изменяться за счет налипания продукта, организуют предварительное взвешивание тары (рис. 2.12). Кроме этого, осуществляется контрольное взвешивание порции в статическом состоянии. Результаты трех взвешиваний поступают в контроллер 6, который подает управляющие сигналы на привод шнекового питатателя.

Рисунок 2.11Схема порционного дозирования

На рисунке 2.13 показана схема порционного дозирования зернистого материала в два этапа. На первом этапе в тару загружается объемным способом порядка 90 % от заданного количества материала. На втором этапе осуществляется контролируемая догрузка материала.

Еще быстрее и точнее реализуется порционное дозирование по схеме, представленной на рисунке 2.14. После предварительного заполнения тары материал взвешивается и полученная информация подается на контроллер. Контроллер рассчитывает величину необходимой догрузки и подает соответствующий управляющий сигнал на привод второго питателя [32].

Рисунок 2.12 - Схема порционного дозирования с предварительным взвешиванием 

тары

В данной схеме легко можно организовать предварительное взвешивание тары и корректировку догрузки, поскольку осуществляется контрольное взвешивание материала.

Рисунке 2.13 - Схема порционного дозирования в два этапа

Рисунке 2.14 - Схема двухстадийного дозирования с корректировкой догрузки

2.4 Перспективные автоматизированные расходомеры

Современные технологические процессы производства в пищевой промышленности включают технологическую операцию точного дозирования различных сыпучих веществ, входящих в состав пищевого продукта. Компонентный состав такого продукта существенным образом определяет как его потребительские свойства, так и затраты на его производство, что требует самого внимательного отношения к организации технологического процесса дозирования. Правильный выбор и точное дозирование смешиваемых компонентов позволяют производить большее количество различных марок продукта на основе одних и тех же базовых компонентов.

Использование традиционных методов весового дозирования связано с необходимостью применения сложных и дорогостоящих электромеханических устройств и существенных затрат на их обслуживание, а также специальной модернизации трубопроводных технологических линий.

Значительно эффективнее задача измерения расхода и пропорционального дозирования сыпучих компонентов в трубопроводах решается с использованием новейших микроволновых измерителей расхода сыпучих веществ компании SWR Engineering (Германия). Принцип действия таких приборов основан на взаимодействии высокочастотного электромагнитного поля с частицами сыпучего материала. Зондирующий сигнал отражается от пролетающих частиц, принимается датчиком и измеряется по частоте и амплитуде. Прибор работает в режиме счетчика частиц. За счет селективного приема по частоте обрабатываются сигналы только от движущихся частиц, то есть имеющие доплеровское смещение, и подавляются сигналы от неподвижных наростов, отложений и т.п.

Новые микроволновые расходомеры позволяют не только упростить многие технологические процессы, но и радикально меняют представление о методике измерения расхода сыпучих материалов.

Особенностью подобных расходомеров является возможность их монтажа непосредственно в трубопровод без нарушения его герметичности, и при минимальных требованиях к кривизне участков трубопровода,

При этом не требуются дополнительные формирователи потока вещества и не создаются препятствия движению материала. 

Рисунок 2.15Расходомер SolidFlow 

В современной пищевой промышленности для случая потока сыпучих веществ невысокой плотности, перемещающегося с относительно высокой скоростью, нашли применение и получили положительный отзыв специалистов расходомеры SolidFlow, специально разработанные для измерения расхода сыпучих веществ, транспортируемых по металлическим трубопроводам.

Расходомер SolidFlow - это прибор врезного типа, который устанавливается в металлические трубопроводы и используется для измерения расхода пыли, порошков, гранулятов с размером частиц 1 нм...1 см. Прибор состоит из сенсора, монтируемого в канал, и модуля обработки (трансмиттера), устанавливаемого на расстоянии до 1000 м от места монтажа. Для трубопроводов диаметром до 200 мм устанавливается один сенсор, свыше 200 мм - два или три сенсора, подключенных к одному трансмиттеру. Максимальный диаметр канала для установки прибора SolidFlow - 600 мм.

Расходомер крепится с помощью втулки, привариваемой к внешней стенке трубопровода, через которую в трубопроводе просверливается отверстие диаметром 20 мм. Внутри отверстия (канала) монтируется сенсор (датчик отраженных сигналов) таким образом, чтобы его приемная поверхность не выходила за пределы внутренней стенки трубопровода.

Расходомер SolidFlow измеряет расход сыпучих материалов при мощности потока вещества до 20 т/час и может работать как в пневмотранспорте, так и на участках свободного падения - на выходе шнековых податчиков (дозаторов), силосов и т.п.

Микроволновой расходомер SolidFlow используется и при необходимости особо точного дозирования малого количества пищевых ингредиентов.

Расходомеры SolidFlow нашли широкое применение на предприятиях ведущих мировых производителей (Estrella, Kraft Doods, Nestle, Procter&Gamble и др.), а в России были впервые применены на хлебозаводе ГОСНИИ Хлебопекарной Промышленности.

В хлебопекарной промышленности пропорции ингредиентов определяют структуру и качественный состав хлебобулочных изделий. Если ингредиенты используются в неправильных пропорциях, то это может ухудшить качество продукта. В производстве хлебобулочных изделий необходимо точное соблюдение рецепта для того, чтобы обеспечить высокое качество. Применение оборудования SWR Engineering в дозировании ингредиентов позволяет производить качественный продукт и уменьшать производственные отходы.

Работы по монтажу, наладке и испытаниям приборов выполнены сотрудниками ООО "МетраТек" (эксклюзивный представитель компании-производителя в России и странах СНГ), конструкторскими службами института и специалистами завода.

Прибор был установлен на вертикальном участке пневмотрубопровода, подающем пшеничную муку из силосов хранения в производственные емкости последовательно с механическими рычажными весами, отмеряющими в технологическую цепочку дозы муки весом по 60 кг.

Механические весы вызывают большое количество нареканий со стороны работников завода, так как часто выходят из строя, требуют регулярного технического обслуживания, ремонта и поверки, а при использовании некоторых технологических режимов с трудом согласуются по производительности с пневмотранспортом.

Результатами проведенных испытаний показана высокая эффективность и перспективность микроволновых расходомеров, определенные в ходе испытаний метрологические характеристики соответствовали требованиям технической документации, а при более точной калибровке погрешность измерений составляла не более 0,5 отн. %. Расходомер использовался при технологических мощностях потока до 5 т/час.

Расходомер SolidFlow рекомендуется для применения на предприятиях пищевой промышленности для организации технологического учета сыпучих продуктов и создания систем пропорционального дозирования.

Система учета сыпучих продуктов (мука) состоит из сенсора (1), устанавливаемого в пневмотрубопровод, преобразователя (2), контроллера (3) и регулирующих органов (4). Таким образом, можно регулировать расход материала, а также отсекать поток вещества в случае аварийных ситуаций. С использованием расходомера SolidFlow отмеряется и выдается в технологическую цепочку необходимое количество сыпучего материала.

Рисунок 2.16 - Устройство расходомера SolidFlow, КИПиА

Система позволяет осуществлять контроль процесса и мануально (оператор), а массив данных по количественным показателям технологического процесса регистрировать и документировать в графическом или табличном виде, что является основой для внедрения автоматизированного документооборота на предприятии.

Расходомеры SolidFlow успешно используются и при решении типичной для многих технологических процессов проблемы, связанной с дозированием строго определенных количеств ингредиентов для получения конечного продукта, в системах пропорционального дозирования и смешивания, например, различных сортов муки.

Система состоит из двух сенсоров (1), устанавливаемых в трубопровод до смешения, преобразователей (2), контроллера (3) и регулирующего органа (4). Различные сорта муки смешиваются в одном пневмотрубопроводе для получения однородной массы (рисунок 10).

При использовании подобной системы пропорционального дозирования процесс смешивания переводится в непрерывный режим, и гарантируется точное распределение доз по трубопроводам. Информация поступает в систему АСУТП, позволяет оператору контролировать процесс, но при значительном снижении влияния человеческого фактора, что является важнейшим условием безопасного и оптимального управления. Результатом такого техпроцесса является высокое качество конечного продукта. [33]

        3 Расчет шнекового дозатора для подачи муки в упаковочное устройство

Шнек, или винтэто элемент машины, с помощью которого могут транспортироваться жидкие, высоковязкие и твердые вещества.

При транспортировке подаваемый материал может подвергаться дополнительным воздействиям,  зависящим от конструктивного исполнения шнеков, корпусов и типа привода машин.

В последние 100 лет разработаны шнековые машины различных типов (в том числе со специальными конструктивными отличиями) Для проведения процессов совмещения материалов, разделения сред и взаимодействия  веществ.

Применение шнековых машин переросло первоначальное и широко известное их использование для подачи сыпучих материалов, экструзии пластических масс и каучуков и охватывает в настоящее время почти все технологические процессы с участием сыпучих веществ, пластических и упруговязких сред. Особое значение при этом имеют технологические процессы смешения, гомогенизации, отжима, фильтрования, сушки, выпаривания, а также, химические реакционные процессы в вязко пластичных фазах.

Важной характеристикой  винта является его шаграсстояние между вершинами витков в горизонтальной проекции. 

Исходные данные

 а) Транспортируемый материал пшеничная мука.

 б) Производительность шнекового дозатора Q = 10 кг/ч

в) Длинна трассы транспортирования  L = 5D, 

         г) Высота транспортирования  H = 0 м, угол наклона φ=0.

Подробные свойства транспортируемого материала.

Табличные величины:

Насыпная плотность ρ=1400 кг/м3

Объемная масса ρ = 0,56 т/м3

 Выбор и расчет основных характеристик шнекового дозатора.

 Формула производительности шнековых конвейеров [3]:

,                 (1)

где: Qпроизводительность, т/ч;

Dдиаметр винта, м;

 Sшаг винта,

 ψкоэффициент наполнения желоба;

ρнасыпная плотность материала, т/м3; 

nчисло оборотов винта, об/мин;

скоэффициент, учитывающий влияние угла наклона оси шнека к горизонту на его производительность.

1. Выбор диаметра.

Диаметр в шнековом дозаторе является главным параметром, влияющим на производительность. Нормальные размеры диаметров винтов : 

D= 60;100;120;150; 200; 250; 300; 400; 500; 600 мм.

В случае низкой производительности транспортера, допускается выбирать диаметр меньшего размера.

Принимаем диаметр D = 40 мм; D=0,04 м.

2. Определение шага винта.

При угле наклона оси шнека к горизонту  больше 8º, шаг винта принимают S=0,8·D, а при нормальных условиях работы рекомендуется S = D.

Принимаем S = 0,04 м.

3.Определение коэффициента наполнения желоба. 

Коэффициент наполнения желоба рассматривается в виде отношения средней площади насыпки материала в желобе к площади нормальной проекции винта. Допускаемый коэффициент наполнения желоба ψ принимается по таблице 7 [47] :

Таблица 1 - Коэффициент наполнения желоба

Наименование материала

ψ

Допускаемые об/мин

Продукты помола (угольная пыль, мука, известь, графит)

,45-0,3

-120

То же, абразивные (сухая зола, цемент, гипс, мел)

,35-0,25

-120

Землистые или зернистые (зерно, древесные опилки)

,4-0,3

-120

То же, абразивные (песок, формовочная земля гранулированные шлаки)

,4-0,3

-120

Мелкококсовые неабразивные и полуабразивные (орешковый уголь, известковая порода)

,4-0,25

-100

То же, абразивные (сухая глина, сера, руда)

,3-0,25

-80

Липкие (влажный сахар)

,4-0,2

-60

Тестообразные (цементный раствор, мучное тесто)

,4-0,2

-60

Слеживающиеся и спекающиеся (сырая глина, битуминозные материалы)

,4-0,2

-60

Хлопьеобразные и волокнистые (торфяные очесы, химикалии)

,3-0,25

20-60

Транспортируемый материал сырой песок, относится к зернистым, абразивным. Принимаем коэффициент наполнения желоба ψ = 0,3

. Коэффициент, учитывающий влияние угла наклона оси шнека к горизонту. Коэффициент, учитывающий влияние угла наклона оси шнека к горизонту определяется из таблицы 2 [47]:

 Таблица 2 - Коэффициент угла наклона оси шнека к горизонту

Коэффициент

Углы

10º

15º

20º

с

,0

,9

,8

,7

,63

Работа установки предполагается без наклона, на горизонтальной поверхности. Принимаем коэффициент с = 1,0.

5. Определение числа оборотов винта. 

Определим число оборотов вала из формулы производительности, подставив в нее определенные ранее параметры:

об/мин.

          Определение скорости транспортирования материла.

,м/с

Определение мощности.

Определим мощность дозатора по формуле [3]:

,КВт

где: Lsгоризонтальная проекция пути перемещения груза, м;

Hвысота подъема груза, м;

Wопытный коэффициент сопротивления при движении груза по 

желобу. 

Коэффициент сопротивления при движении груза по желобу определяется по таблице 3 [3]:

Таблица 3 - Коэффициент сопротивления при движении груза по желобу

Материал

W

Сухой неабразивный (зерновые продукты, мука, древесные опилки, угольная пыль)

,2

Влажный неабразивный (сахар-рафинад, сырой солод, хлопковые семена)

,2

Полуабразивный (сода, кусковой уголь, поваренная соль)

,5

Абразивный (гравий, песок, цемент)

,2

Сильно абразивный и липкий (зола, формовочная земля, известь, сахарный песок сырой, сера)

,0

Дозатор транспортирует сухой неабразивный материалмуку. Принимаем коэффициент сопротивления при движении груза по желобу W=1,2

Мощность будет равна:

 , КВт.

Анализ характеристик: производительность, скорость транспортирования, мощность при разных числах оборота винта

Таблица 4 - Характеристики дозатора при разных числах оборотов винта 

Характеристика

Значение

Число оборотов об/мин

Производительность кг/ч

,6

,26

,9

,53

,1

,8

Скорость трансп. м/с

,00666

0,0133

,02

,02666

,3333

,04

Мощность, МВт

,02203

,04406

,06609

0,08812

,1101

,1321

Проанализируем графически, полученную зависимость. 

Представим на рисунке 1 зависимость мощности от производительности, а на рисунке 2 зависимость числа оборотов от производительности.

Рисунок 3.1 - Зависимость мощности от производительности 

Рисунок 3.2 - Зависимость числа оборотов от производительности

Графическая зависимость линейна, без скачков и разрывов. Видно, при увеличении числа оборотов, увеличивается производительность и потребляемая мощность.

Расчет вала, произведем при максимальной мощности.

2.6 Расчет вала.

Диаметр вала определяется по формуле [4] :

;

где: Np мощность на валу с учетом КПД подшипников, двигателя и редуктора.

ηобщдв.·ηред.· ηподшип.=0,95·0,65·0,95=0,5866

Np=N/ ηобщ =0,00013218/0,5866=0,000225336 кВт

То минимальный диаметр вала будет:

,м или мм.

Стоить отметить, что в моей конструкции будет использован съемный шнектруба с наваренным червяком, надеваемая на цельнометаллический вал.

По этому выбираем вал диаметром 12 мм. 

Проверка на прочность.

Определим крутящий момент на валу.

 Н·м;

Рассчитаем массу вала при 12 мм:

 кг;

где Lр длина ротора (вала), м;

 ρстплотность стали, кг/м3

Рассчитаем массу витков червяка:

 кг;

Масса ротора равна:

Мрввит=0,1786+0,3611=0,53977 кг;

Для дальнейшего расчета нужно значение в Ньютонах. 

Мр = 0,53977 · 9,81 = 5,2951 H;

Определим погонный вес ротора:

 кг/м;

Для определения опасного сечения постоим эпюры сил и моментов, действующих на вал:

Рисунок 3.3 - Эпюры действующих на вал сил и моментов

Из эпюр видно, что максимальный изгибающий момент возникает в середине вала и он равен:

 H·м

А максимальный крутящий момент возникает на конце вала. Вал на прочность рассчитываем по формуле (5):

,

Где: Мимаксимальный изгибающий момент [H·м], Мкрмаксимальный крутящий момент [H·м], Wмомент сопротивления в опасном сечении 3],

Момент сопротивления в опасном сечении равен:

 м3;

Определим предельный момент на валу:

 H·м;

Для проверки на прочность вала выберем самый доступный материал Сталь 40Х для которой [σиз] = 10,3 · 107 H2 ;

 H2

Диаметр вала выбран, верно, т.к. σиз >σр.

Выбор подшипников.

Выбираем в качестве опор шарикоподшипники качения, радиальные, однорядные, средней серии по ГОСТ 8338:

Характеристика шарикоподшипников:

d= 12мм, D=24мм, b=6мм;

Выбор муфт.

Для снижения нагрузок на подшипники, редуктор и электродвигатель выбираем муфту по ГОСТ 24246, исполнение с призматическими шпонками.

Выбор привода.

В ходе расчета производительности выяснилось, что при заданной производительности 10 кг/ч число оборотов червяка будет 7,9 об/мин.

Поэтому рекомендуется использовать редуктор с передаточным числом Uред=25. 

Рисунок 3.4 - Эскиз шарикоподшипника

В качестве движущей силы рекомендуется использовать электродвигатель постоянного тока с низким числом оборотов [47].

4 Технологическая линия получения теста

Мука на предприятие поступает из автомуковозов, пройдя взвешивание на автомобильных весах, мука посредством разрежения, создаваемого компрессором, подается в бункер бестарного хранения (1), откуда под действием собственного веса ссыпается в мукопросеиватель (2)ПВГ-600М, расход муки контролируется  прибором 1-1. Далее мука поступает в тестомесильный аппарат (10)РЗ-ХТИ-3, температура в котором контролируется прибором 2-1. Параллельно подготавливается остальное сырье для замеса теста. Соль взвешивается на весах (3)ВР-0,5МС и ссыпается в тестомесильный аппарат. Сахарный раствор приготавливается в сахарожирорастворителе (5)СЖР-100, температура в нем контролируется прибором 3-1.Дрожжевая суспензия готовится в емкости (6) вручную, температура в емкости контролируется прибором 4-1. Взвешивание сахара, соли, дрожжей и меланжа производится вручную на весах(3).Вода подается центробежным насосом ОНЦ 0,5/10К к подогревателю ПВП1-6 и далее горячая вода (t =60700C) дозируется в сахарожирорастворитель с помощью проточного дозатора воды(4) ПДВ-01. Приготовленный раствор фильтруется в патронном фильтре(7)ФМО80-0,2 и насосом(8)ОНЦ 0,5/10К перекачивается в тестомесильный аппарат(10). 

Вода охлаждается в охладителе воды AN0207A (t =570C) и насосом через дозатор воды подается в дежу тестомесильного агрегата(10).

Включается тестомесильный аппарат и начинается замес. В это время доза маргарина  строгается в аппарате для шинковки маргарина(9)МПР-350М-02 и поступает по трубопроводу вниз в тестомесильный аппарат(10). Замес длится 3 минуты. Дрожжевое тесто после замеса остается на ленте конвейера для брожения, а после окончания брожения (один полный цикл производства бездрожжевого слоеного теста) снова направляется в тестомесильный аппарат, куда добавляется стружка маргарина. Замешанное тесто по ленточному конвейеру (11) Г86.51.02поступает в тестоделитель (12) А2-ХПО/5, где происходит деление теста на куски массой 1кг. Оператор помещает куски теста в холодильник(13), температура в котором контролируется прибором 5-1, для того, чтобы дать затвердеть маргариновой стружке в тесте. Затем заготовки ленточным конвейером подаются в машину для раскатки теста (14) МРСТ-120.Тесто раскатывают при зазоре 15мм. На середину пласта кладут маргарин, свободные концы теста заворачивают в виде конверта, защипывают, поворачивают на 90 градусов и раскатывают до толщины 10-12 мм. Складывают вчетверо , повернув пласт теста на 90 градусов и снова раскатывают до толщины 10-12 мм. таким образом раскатывают тесто 4-5 раз. После второго и четвертого раза раскатки делают отлежку. После последней раскатки тесто раскатывают до толщины 4,5-5 мм. 

Далее готовое тесто по конвейеру поступает в скороморозильный туннельный аппарат(15)АСТА-250, где охлаждается до температуры -10С в первой зоне парами азота; замораживается жидким азотом при температуре -1960С во второй зоне и выравнивается температура теста в третьей зоне. В итоге на выходе из морозильного аппарата получаем температуру теста -180С. Температура в каждой зоне контролируется приборами 6-1 , 7-1 , 8-1 соответственно. Содержание кислорода в воздухе рабочей зоны контролируется прибором 9-1. Давление в трубопроводе при подаче жидкого азота в аппарат(15) контролируется прибором 10-1.

После заморозки готовое тесто поступает на упаковку в упаковочный аппарат (16) и далее в склад готовой продукции.

Заключение

Для выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

  1.  проведен обзор научно-технической и патентной литературы, где были показаны различные виды дозирующих устройств,  а также рассмотрены основные достоинства и недостатки дозаторов аппаратов;
  2.  изучены теоретические основы процесса копчения, физико-математическая модель, которая осуществляются в аппаратах периодического и непрерывного действия. Основным ее способом передачи теплоты является конвективный и отчасти радиационный тепло- и массоперенос;
  3.  В ходе выполненных расчетов были определены основные размеры и характеристики шнекового дозатора. Был проведен анализ производительности и мощности зависимости от числа оборотов. Выбран и проверен запас прочности вала шнека. Также были приведен выбор подшипников, муфт редуктора, а также рекомендации по выбору электродвигателя.В результате получили шнековый дозатор с диаметром червяка 4см, шагом винта 4см, выдающий заданную производительность 10 кг/ч при 7,9 оборотах в минуту. Скорость транспортирования равна 5,2·10-3 м/с. Затраты мощности  составляют 2,253·10-4 кВт. Выбран вал червяка равный 12мм, с большим запасом прочности. Оптимальное передаточное число редуктора. Рекомендуется выбрать электродвигатель постоянного тока для упрощенного и удобного изменения числа оборотов вала дозатора, а следовательно и изменения производительности.
  4.  Рассмотрена и проанализирована технологическая линия получения теста 

Результативность разработок и исследования 

Участие в 51-ой научной конференции ВолгГТУ, 03-07 февраля 2014 года, с докладом на тему : «Анализ конструктивного оформления стадии дозирования сыпучих пищевых продуктов»

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Конструирование и расчет машин химических производств : учебник для вузов / Ю. И. Гусев [и др.] ; под ред. Э.Э. Кольман-Иванова. - Москва : Машиностроение, 2005. - 406 с.
  2.   Машины и аппараты химических и нефтехимических производств / М.Б. Генералов [и др.] ; под общ. ред. М. Б. Генералова. - Москва : Машиностроение. - 2004. - 832 с.
  3.  Генералов, М. Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах химической технологии / М. Б. Генералов. - Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. - 592 с.
  4.  Алексеев, Е. В. Использование метода весовой седиментации для экспериментального изучения стесненного осаждения частиц / Е. В. Алексеев, С. О. Дорофеенко, Н. Г. Квеско // Исследования по баллистике и смежным вопросам механики: сб. науч. ст. / ЦИОРАН Том.гос. ун-та. - Томск, 1999. - Вып. 2. - С. 89-90.
  5.  Алексеев, Е. В. Разработка компьютеризированного комплекса весовой седиментации частиц / Е. В. Алексеев, А. Т. Росляк, Н. Г. Квеско // Исследования по баллистике и смежным вопросам механики : сб. науч. ст. / ЦИОРАН Том. гос. ун-та. - Томск, 2002. - Вып. 5. - С. 134-135.
  6.  Алексеев, Е. В. Программно-измерительный комплекс анализа гранулометрического состава осадочных пород на основе седиментации частиц из стартового слоя / Е. В. Алексеев // Проблемы геологии и освоения недр: сб. науч. ст. - Томск, 2006. - С. 385-386.
  7.  Коузов, П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / П. А. Коузов.Санкт-Петербург : Химия, 2006. - 280 с.
  8.  Першин, В. Ф. Расчет относительной плотности и координационного числа полидисперсного материала. I. Плоская задача / В. Ф. Першин // Порошковая металлургия. - 2009. -3. - С. 9 - 14.
  9.  Оцука, А. Основные свойства порошков / А. Оцука // Кагаку соти. - 2004. - Т. 16,7. - С. 58 - 67.
  10.      Аракава, М. Свойства сыпучих тел и степень зернистости / М. Аракава // Секубай. - 2004. - Т. 16,3. - С. 51 - 58.
  11.  Аракава, М. Характеристики порошков и их измерения / М. Аракава // Сэрамиккусу. - 2004. - Т. 12,5. - С. 399 - 412.
  12.  Классен, П. В. Основы техники гранулирования / П. В. Классен, И. Г. Гришаев. - Москва : Химия, 2005. – 272 с.
  13.  Основы технологии подготовки дисперсных материалов при переработке энергетических конденсированных систем. В 2 ч. Ч. 1. Изучение свойств и подготовка дисперсных материалов / Н. А. Симбирцев [и др.]. - Москва : Эврика, 2006. - 191 с.
  14.  Автоматизированное определение углов естественного откоса / А. И. Шершукова [и др.] // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. - Тамбов, 2007. - Вып. 20. - С. 78 - 81.
  15.  Карноушенко, Л. И. Взаимосвязь напряжения в своде с основными параметрами сыпучих материалов / Л. И. Карноушенко, Е. Г. Иоргачева // Применение аппаратов порошковой технологии и процессов термосинтеза в народном хозяйстве : материалы Всесоюз. конференции. - Томск, 2007. - С. 84-85.
  16.  П. м. 2259313 Российская Федерация, МПК B 65 D 88/68. Шнековый дозатор / В. К. Ермолаев ; заявитель и патентообладатель ЗАО "ТАУРАС-ФЕНИКС". -2004105907/12 :заяв. 18.02.2004 ; опубл. 25.08.2005.
  17.  П. м. 2293952 Российская Федерация, МПК G 01 F 11/34.  Дозатор сыпучих веществ / А. Ю. Базанов, С. Ю. Лалетин, М. А. Мощенков ; заявитель и патентообладатель ООО "Ставрон". -2005131863/28 : заяв. 14.10.2005 ; опубл. 20.02.2007.
  18.  П. м. 2464535 Российская Федерация, МПК G 01 F 11/24. Устройство для объемного дозирования сыпучих материалов / В. Ю. Архангельский, В. Г. Джангирян, Л. Ю. Шершикова, Н. М. Вареных, В. И. Романов ; заявитель и патентообладатель ОАО "Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт прикладной химии" -2011115537/28 ; заяв. 21.04.2011 ; опубл. 20.10.2012..
  19.  П. м. 2485450 Российская Федерация, МПК G 01 F 11/00. Весовой дозатор для порошкообразных материалов / Л. П. Гаранин, Ю. В. Замахаев, В. Е. Ковтун, А. В. Теплыгин; заявитель и правообладатель ОАО "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" -2012100592/28 ; заяв. 10.01.2012 ; опубл. 20.06.2013.
  20.  П. м. 2282569 Российская Федерация, МПК B 65 B 1/36. Устройство дозирования сыпучих пищевых продуктов /  C. Е. Варламов, Н. Б. Болотин -2005105165/12 ; заяв. 24.02.2005  ; опубл. 27.08.2006.
  21.  П. м. 2287263 Российская Федерация, МПК A 01 K 5/02. Бункер-дозатор сыпучих кормов / В. А. Мухин, Ю. В. Шестера, А. А. Акульшин, А. С. Романов -2005100247/12 ;  заяв. 11.01.2005 ; опубл. 20.11.2006.
  22.  Соколовский, В. В. Статика сыпучей среды / В. В. Соколовский. - Москва : Физматгиз, 2005. - 243 с.
  23.  Свойства сыпучих материалов и термины / М. П. Макевнин [и др.] // Механика сыпучих материалов : тез. докл. IV Всесоюз. конф. - Одесса, 2007. - С. 6-7.
  24.  Першин, В. Ф. Коэффициенты трения сыпучих материалов / В. Ф. Першин, М. М. Свиридов, В. В. Черный // Сушка и грануляция продуктов микробиологии и тонкого химического синтеза : тез. докл. респ. науч. конф. - Тамбов, 2008. - С. 113-114.
  25.  Першин, В. Ф. Энергетический метод описания движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося цилиндра / В. Ф. Першин // Теоретические основы химической технологии. - 2008. - Т. XXII,2. - С. 255 - 260.
  26.  Першин, В. Ф. Использование энергетического подхода при определении режимов движения сыпучего материала во вращающемся барабане / В. Ф. Першин, Г. А. Минаев // Теоретические основы химической технологии. - 2009. - Т. XXIII,5. - С. 659 - 662.
  27.  Першин, В. Ф. Моделирование процесса смешения сыпучего материала в поперечном сечении вращающегося барабана / В.Ф. Першин // Теоретические основы химической технологии. - 2006. - Т. XX,4. - С. 508 - 513.
  28.  Першин, В. Ф. Модель процесса смешивания сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана / В. Ф. Першин // Теоретические основы химической технологии. - 2009. - Т. ХХШ,3. - С. 370 - 377.
  29.  Минаев, Г. А. Моделирование процесса гранулирования методом окатывания / Г. А. Минаев, В. Ф. Першин // Теоретические основы химической технологии. - 2009. - Т. 24,1. - С. 91 - 97.
  30.  Першин, В. Ф. Моделирование процесса классификации в барабанном грохоте / В. Ф. Першин