Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за индексиращи задвижвания на опаковъчни машини
Пакетираща зала с 12 машини, работещи едновременно, трябва да поддържа ниво на шум под 85 dB(A) за 8-часово излагане на работниците. Всяка машина е проектирана да бъде 78 dB(A). Всяка машина има от 6 до 10 източника на шум. Зъбната двойка на индексиращото задвижване получава ниво на шум от 65 до 68 dB(A) - и дали отговаря на този бюджет зависи от една спецификация: повърхностното покритие на червяка.
Опаковъчните машини — картониращи машини, машини за опаковане в кашони, машини за формоване, пълнене и запечатване, машини за опаковане в опаковъчна машина и машини за свиване — използват червячни зъбни колела за индексиращи задвижвания, които придвижват продукта през машината в прецизни цикли старт-стоп-старт. Методът за разпределение на бюджета за шум е инструментът за спецификация, който свързва ограничението за шум на работното място в опаковъчната зала (85 dB(A) според OSHA, 80 dB(A) съгласно Директивата на ЕС) с приноса на шума от отделната червячна зъбна колела. При 6 до 10 източника на шум на машина, всеки източник се разпределя с 65 до 68 dB(A) — постижимо със заземен червяк при Ra 0,4 µm, но не и с червяк с шлицова конструкция при Ra 1,6 µm (който произвежда 70 до 76 dB(A)). Индексиращите задвижвания за опаковане се различават от приложенията с непрекъснато движение по режима им на стартиране и спиране: 60 до 200 индексиращи цикъла в минута създават пикове на въртящия момент при ускорение и забавяне при всеки цикъл, което изисква сервизен фактор от 1,5 до 2,0. Едноходовите червячни зъбни колела осигуряват задържане на позицията между индексите (картонът остава на място по време на пълнене, запечатване или етикетиране); двуходовите зъбни колела подобряват ефективността на станции с непрекъснато движение, където не е необходимо задържане на позицията.
Защо опаковъчните машини използват червячни зъбни колела за индексиращи задвижвания
Опаковъчната машина премества продукта през серия от операции – сглобяване на картонена кутия, поставяне на продукта вътре, затваряне на капаците, залепване или запечатване, отпечатване на дата и групиране в кутии. Всяка операция изисква продуктът да спре за кратко (от 50 до 200 милисекунди), докато се изпълнява операцията, след което да премине към следващата станция. Това движение „старт-стоп-напред“ се нарича индексиране.
Червячната зъбна предавка е предпочитаният индексиращ механизъм, защото държи продукта неподвижен по време на работната фаза (самозаключваща се), движи се плавно по време на фазата на прехвърляне (ниска вибрация) и се побира компактно в рамката на машината (90-градусова ориентация на двигателя). Тези три свойства правят червяка и червячното колело стандартните за индексиране на опаковки със скорости до 200 индекса в минута.
Самозаключването държи конвейера или купола неподвижно между индексите. Продуктът остава прецизно позициониран под пълначната глава, запечатващата шина или апликатора за етикетиране без отделна спирачка или механично заключване.
Присъщият плъзгащ контакт на червячната зъбна двойка създава плавна крива на ускорение без вибрациите от удара на зацепването, които цилиндричните или спиралните зъбни колела генерират при всяко зацепване на зъба – важно, защото вибрациите в момента на индексно начало могат да изместят позицията на продукта в картонената опаковка или върху конвейера.
Пакетиращо хале с 8 до 20 машини трябва да се придържа към нормите за професионален шум при 8-часово излагане на работниците. Шумът от плъзгащото се зацепване на червячната зъбна предавка е с 8 до 15 dB(A) по-нисък от еквивалентния шум от зацепването на цилиндрични зъбни предавки – значителен принос към общия бюджет за шум на халето.
Разпределение на бюджета за шум — от ограничението на Хол до целта за двойка червячни зъбни колела
Методът за бюджетиране на шума работи в обратна посока от регулаторния лимит до разпределението на шума на отделните компоненти. Логиката се основава на правилото за събиране на децибели: N идентични източника на ниво L произвеждат комбинирано ниво от L + 10 × log₁₀(N). Работейки в обратна посока: нивото на отделния източник трябва да бъде L_total − 10 × log₁₀(N).
Таблицата по-долу показва как се променя бюджетът за шум на червячната зъбна предавка в зависимост от броя на машините в залата и прилагания регулаторен стандарт.
Таблицата разкрива важна информация: двойка червячни зъбни колела, която е напълно приемлива в хале на OSHA с 4 машини (червяк с фрезован профил Ra 0.8 µm при бюджет 71 dB), става несъвместима в хале на ЕС с 20 машини (изискващо припокрит червяк Ra 0.2 µm плюс POM колело при бюджет 57 dB). Една и съща спецификация за двойка червячни зъбни колела не може да се приложи във всички опаковъчни халета — бюджетът за шум зависи от това колко машини споделят пространството. Производителите на опаковъчни машини, които продават в световен мащаб, се нуждаят от поне две степени на шум за двойката червячни зъбни колела: стандартна (Ra 0.4 до 0.8 µm) за малки до средни халета и премиум (Ra 0.2 µm + POM) за големи халета, регулирани от ЕС.
Индексиращ режим на стартиране-спиране — въртящ момент на ускорение и коефициент на обслужване
Индексиращите задвижвания за опаковки се различават от задвижванията с непрекъснато движение по фундаментален начин: двигателят ускорява конвейера от нула до пълна скорост, премества го с една индексна стъпка (от 50 до 300 мм), след което забавя обратно до нула - 60 до 200 пъти в минута. Всяка фаза на ускорение генерира пик на въртящия момент от 1,5 до 2,5 пъти по-голям от установения въртящ момент, в зависимост от масата на продукта, индексната стъпка и времето на ускорение.
Коефициент на обслужване за индексираща мита. Стандартните каталози за червячни зъбни колела с непрекъснат режим на работа предполагат работа в стационарен режим. Индексиращият режим изисква сервизен коефициент от 1,5 до 2,0, приложен към пиковия въртящ момент на ускорение (не към средния въртящ момент). За картонираща машина, индексираща със 150 цикъла в минута с маса на продукта от 0,5 кг на станция и 20 станции на конвейера: общата движеща се маса е приблизително 10 кг плюс масата на веригата на конвейера (обикновено от 5 до 15 кг). При време на ускорение от 0,1 секунди до индексна скорост от 0,5 м/с, въртящият момент на ускорение е приблизително 1,8 пъти въртящия момент само от триене. При коефициент на триене 1,5 за индексиращ режим, червячната зъбна колела трябва да бъде номинална за 2,7 пъти въртящия момент само от триене - почти три пъти стойността, която би предположило едно наивно изчисление само от опъването на ремъка.
Еднократно стартиране срещу двукратно стартиране за индексиране. Индексните станции, които се нуждаят от задържане на позицията по време на фазата на престой (пълнещи глави, запечатващи шини, апликатори за етикети), изискват самозаключващи се червячни зъбни колела с един ход. Станциите с непрекъснато движение (входни конвейери, трансферни ленти) могат да използват двойки с 2 хода за по-висока ефективност с 15 до 25 процентни пункта. Типичната опаковъчна машина има 2 до 3 индексиращи червячни зъбни колела (едноходови) и 1 до 2 задвижвания с непрекъснато движение (2 хода) - правилната спецификация е за станция, а не за машина.
Корейски производител на козметични продукти, работещ с 8 картониращи машини в хале за опаковане с площ от 1200 м², получи акт за шум от KOSHA (Корейската агенция за безопасност и здраве при работа): 87,2 dB(A) среднопретеглена във времето стойност на операторските станции — надвишаване на ограничението от 85 dB(A). Първоначално компанията проучи акустичните ограждения около всяка машина на цена от 4500 щатски долара на машина (общо 36 000 щатски долара за 8 машини). Преди да продължи, инженерът по поддръжката измери шума на отделните компоненти и установи, че червячните зъбни колела на 6 от 8-те машини са с фрезовано покритие (Ra 1,2 до 1,6 µm), като всеки допринася с 72 до 76 dB(A). Подмяната на всички индексиращи червячни зъбни колела (18 двойки на 6 машини) с шлифовани двойки (Ra 0,4 µm) намали шума на машина с 6 до 8 dB(A) — като по този начин TWA на халето се повиши от 87,2 на приблизително 81 dB(A), доста под ограничението от 85 dB. Цена за подмяна на червячна зъбна предавка: 18 чифта × 95 USD = 1710 USD. Акустичните кутии бяха отменени. Постигнат е статут на съответствие с изискванията за шум на цена от 1710 USD вместо 36 000 USD — 95% икономия на разходи. Поуката: преди да се посочат акустични кутии на машинно ниво за шумно опаковъчно хале, проверете дали червячните зъбни предавки са обработени с фрезоване или шлайфани. Само подобрението на повърхностното покритие на червячните зъбни предавки може да реши проблема с шума на цена от 5% от цената на кутията.
Спецификации на три червячни зъбни колела за опаковъчна машина
Случай 1 — Картонираща машина за корейска козметика: 120 копия в минута, хале с 8 машини, спецификация, регулирана с шум
Корейски производител на козметични опаковъчни услуги е посочил червячни зъбни колела за 3 индексиращи задвижвания на картонираща машина (главен конвейер за индексиране, устройство за изправяне на картони, затваряне на капаци) на 8 машини. Скорост на индексиране: 120 картона в минута. Тегло на картона: 85 г (с продукт). Маса на конвейера: 12 кг. Стъпка на индексиране: 120 мм. Време за ускорение: 0,08 секунди. Пиков въртящ момент на ускорение: 28 N·m. SF за индексиране: 1,5. T_needed: 42 N·m на задвижване. Ниво на шум с 8 машини в халето: 66 dB(A) на източник (OSHA ограничение 85 dB). Червячна зъбна колела: едноходова, модул 2, междуосово разстояние 50 мм, съотношение 20:1, шлифован Ra 0,4 µm. Измерен шум: 62 dB(A) на чифт — в рамките на бюджета от 66 dB(A) с допустима разлика от 4 dB. Материал: поцинкован червяк, колело от фосфорен бронз. Цена на чифт: 68 USD. Цена за 3 задвижвания × 8 машини = 24 чифта: 1632 USD. Шум в Хол след подмяна на заземени чифтове: 81 dB(A) TWA — съответствие.
Случай 2 — Японска блистерна опаковъчна машина за фармацевтични продукти: 180 cpm, в близост до чисто помещение, ниски вибрации
Японска компания за фармацевтични опаковки е определила червячни зъбни колела за термоформовъчното индексно задвижване на блистерна опаковъчна машина, работеща със 180 блистера в минута. Машината е била разположена в помещение, съседно на чисто помещение по ISO клас 8. Две изисквания, освен стандартното опаковане: ниски вибрации (термоформовъчната станция е чувствителна към топлина - вибрациите причиняват неравномерно нагряване на PVC) и фармацевтична документация (сертификати по EN 10204 тип 2.2, грес NSF H1). Червячна зъбна колела: едноходова, модул 2, междуосово разстояние 50 mm, съотношение 15:1, шлифован Ra 0.4 µm, червяк AISI 304, колело от фосфорен бронз. Синтетична грес NSF H1. Измерени вибрации на термоформовъчната станция: 0.03 mm/s RMS - в рамките на границата от 0.08 mm/s, поносима от процеса на формоване. Шум: 60 dB(A) на 1 m. Цена за чифт: 125 USD (включително премия за фармацевтична документация). Разгледайте червячен редуктор за опаковане опции, предназначени за приложения за опаковане с контролиран шум и в близост до чисти помещения.
Случай 3 — Виетнамска машина за свиване на напитки: 80 копия в минута, конкурентна цена, хале с 4 машини
Виетнамска компания за напитки е определила червячни зъбни колела за 2 индексиращи задвижвания на машина за фолио (индексатор за подаване и индексатор за подаване на фолио) в 4 машини. Скорост на индексиране: 80 опаковки в минута. Тегло на опаковката: 6 кг (12 × 500 ml PET бутилки). Стъпка на индексиране: 250 мм. Време за ускорение: 0,15 секунди. Пиков въртящ момент на ускорение: 85 N·m (тежка опаковка). Коефициент на затопляне за индексиране: 2,0 (голямо натоварване, високо ускорение). T_needed: 170 N·m. Ниво на шум с 4 машини, OSHA 85 dB: 71 dB(A) на източник — постижимо с червячни зъбни колела с фрезована повърхност при Ra 0,8 µm (измерено 68 dB(A)). По-големият бюджет за шум елиминира необходимостта от шлифоване — спестявайки приблизително 22 USD на чифт. Червячна зъбна колела: едноходова, модул 3, междуосово разстояние 63 мм, съотношение 25:1, фрезована Ra 0,8 µm. Материал: поцинкован червяк, колело от фосфорен бронз. Цена за чифт: 58 щатски долара. Цена за 2 задвижвания × 4 машини = 8 чифта: 464 щатски долара. Случаят показва, че методът за бюджетиране на шума понякога оправдава по-евтиното покритие на червяка с фрезоване — не всяко приложение за опаковане изисква шлифовано покритие.
Често задавани въпроси
В: Как да измеря приноса на шума от червячна зъбна предавка на съществуваща машина?
Измерете общия шум на машината при работещи всички източници (L_total). След това спрете или изключете червячното задвижване (ако е механично възможно) и измерете шума при работещи всички останали източници (L_remaining). Приносът на червячната двойка се изчислява от: L_worm = 10 × log₁₀(10^(L_total/10) − 10^(L_remaining/10)). Ако червячната двойка не може да бъде изолирана, използвайте измерване в близко поле със сонда за интензитет на звука, разположена на 50 до 100 mm от корпуса на червячната двойка — това дава специфичното за източника ниво с по-малко смущения от други източници. Сравнете измерения шум на червячната двойка с разпределението на бюджета за шум за конкретната конфигурация на залата.
В: Увеличава ли се шумът от червячната зъбна двойка със скоростта на индексиране?
Да — шумът от зъбното зацепване се увеличава с приблизително 3 dB(A) при удвояване на скоростта на въртене. Червячна зъбна предавка, която произвежда 62 dB(A) при 60 индекса в минута, ще произвежда приблизително 65 dB(A) при 120 индекса в минута и 68 dB(A) при 240 индекса в минута. Тази връзка скорост-шум означава, че бюджетът за шум може да бъде изпълнен при ниска скорост, но превишен при висока скорост на същата машина. Опаковъчните машини с възможност за променлива скорост трябва да бъдат тествани за шум при максималната номинална скорост, а не при типичната работна скорост — бюджетът за шум трябва да бъде изпълнен в най-лошия случай.
В: Мога ли да използвам серво мотор с червячна зъбна предавка за индексиране на опаковки?
Да — серво моторите с обратна връзка от енкодер са все по-често срещани за високопрецизно индексиране на опаковки. Червячната зъбна предавка осигурява механичното предавателно число и самозаключването; серво моторът осигурява прецизен контрол на позицията с програмируеми профили на ускорение. Комбинацията елиминира необходимостта от механични индексатори, задвижвани от гърбици (механизми Geneva, барабанни гърбици), които са ограничени до фиксирани стъпки на индексиране. Комбинацията от серво-червяк може да променя стъпката на индексиране, профила на ускорение и времето на задържане чрез промени в софтуерните рецепти — което позволява бърза смяна между формати на продуктите. Хлабината на червячната зъбна предавка трябва да бъде зададена в по-тесния край на диапазона (под 8 дъгови минути), когато се използва със серво задвижвания, тъй като позиционният контур на серво контролера може да осцилира, ако хлабината надвиши настройката на контролера за мъртва зона.
В: Колко дълго обикновено издържат червячните зъбни колела на опаковъчните машини?
Пакетиращите машини обикновено работят на една или две смени (от 2000 до 4500 часа годишно) при честота на индексиране от 60 до 200 цикъла в минута. При 120 цикъла в минута и 3000 часа годишно, годишният брой цикли е приблизително 21,6 милиона цикъла - сред приложенията на червячни зъбни колела с най-висок брой цикли. Въпреки този висок брой цикли, въртящият момент на цикъл е нисък (типично от 10 до 100 N·m), така че кумулативните повреди от умора на цикъл са умерени. Живот на бронзовото колело при тези условия: от 3 до 6 години, ограничен повече от нарастването на хлабината, влияещо върху точността на индексиране, отколкото от повреда на зъбите. Живот на стоманения червей: от 8 до 15 години. Годишното измерване на хлабината е основният инструмент за мониторинг - планирайте подмяната на колелото, когато хлабината надвиши допустимото отклонение на позицията на индексиране на машината (обикновено от 0,1 до 0,3 мм на продуктовия конвейер).
В: Има ли предимство по отношение на шума при използването на червячно колело от POM вместо бронз в опаковките?
Червячните колела от POM произвеждат с 8 до 12 dB(A) по-малко шум от бронзовите при същата скорост и натоварване — амортизиращият материал абсорбира енергията на вибрациите на мрежата. За опаковъчни машини, работещи в големи халета, регулирани от ЕС, където бюджетът на червячната зъбна предавка е под 60 dB(A), POM колело, комбинирано със шлифован или припокрит червяк (Ra 0,2 до 0,4 µm), може да постигне от 48 до 55 dB(A) — в рамките на най-ограничените бюджети. Компромисът е животът на колелата: POM издържа от 1,5 до 3 години при натоварване на опаковката в сравнение с 3 до 6 години за бронза. При ниските въртящи моменти, типични за опаковането (10 до 80 N·m), POM е механично адекватен — натоварването е в рамките на границата на контактното напрежение на POM. Разликата в цената на колело (POM от 4 до 8 USD спрямо бронз от 15 до 25 USD) допълнително благоприятства POM като рентабилно решение за шум, въпреки по-краткия цикъл на подмяна.
Червячните зъбни колела на опаковъчните машини работят на пресечната точка на регулирането на шума и прецизността на индексиране. Методът за разпределение на бюджета за шум – работещ назад от ограничението за професионална заетост в залата през броя на машините и източниците до целевия принос на отделната червячна зъбна колела – определя дали е необходима обработка с фрезована, шлифована или прилепнала повърхност. Зала с 4 машини под ограниченията на OSHA може да приема фрезовани двойки с Ra 0.8 µm; зала с 20 машини под ограниченията на ЕС може да изисква прилепнати двойки с POM колела с Ra 0.2 µm. Индексирането с честота от 60 до 200 цикъла в минута натрупва милиони цикли старт-стоп годишно, което изисква коефициенти на обслужване от 1.5 до 2.0, приложени към пиковия въртящ момент на ускорение – а не към средния работен въртящ момент. Спецификацията е за всяка станция: индексиращите станции се нуждаят от еднократно стартиращи самозаключващи се червячни зъбни колела; станциите с непрекъснато движение се възползват от ефективността при 2 старта.
За производителите на опаковъчни машини, нашият инженерен екип извършва изчисление на шумовия бюджет за конфигурацията на вашето хале и препоръчва степента на повърхностно покритие. Стандартен каталог компактни червячни зъбни колела Доставя се с фрезовано, шлифовано и пригладено покритие, с опции за бронзови и POM колела с разстояние между центровете от 40 до 80 мм. Изпратете спецификация на устройството за опаковане с индексна скорост, тегло на продукта, размер на залата и ограничение на шума.
Специфициране на червячни зъбни колела за индексиране на опаковъчни машини?
Изпратете индексна скорост (cpm), тегло на продукта, брой машини в залата, регулаторен стандарт за шум (OSHA, EU, Korea) и дали задвижването е индексиращо или непрекъснато. Ще изчислим бюджета за шум и ще препоръчаме правилната повърхностна обработка и материал за колелата.
Редактор: Cxm
