Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за задвижвания на линии за бутилиране и пълнене
Линия за соджу с капацитет 400 бутилки в минута има пет станции, работещи едновременно - изплакваща, пълначна, затваряща, етикетираща и опаковъчна. Всяка станция има собствена червячна зъбна предавка. Ако някоя от двете зъбни колела работи с 2% по-бързо или по-бавно от съседите си, бутилките се задръстват, капачките се разместват, етикетите се изкривяват и линията спира. Синхронизацията между станциите не е удобство - тя е принципът на работа на всяка бутилираща линия на земята.
Линиите за бутилиране и пълнене използват множество задвижвания с червячни зъбни колела — по едно на станция — синхронизирани да работят с еднакви скорости, така че бутилките да преминават от изплакващата машина през пълнителя, затварящата машина, етикетиращата машина и опаковъчната машина без засядане, несъответствие или счупване. Архитектурата за синхронизация с множество станции е основното предизвикателство при проектирането: всяка червячна зъбна колела трябва да осигурява повтаряема точност на скоростта в рамките на плюс или минус 0,5 процента от целта, за да се поддържа синхронизацията между станциите. Съвременните линии използват двигатели, задвижвани от честотна предавка (VFD), с отделни червячни зъбни колела на всяка станция, синхронизирани от централен PLC. Мократа среда за бутилиране (пръски течности, пяна, почистващи химикали) изисква минимум IP65 за всички корпуси на червячни зъбни колела, като IP69K е за линии за млечни продукти и сокове, подложени на ежедневно горещо измиване под високо налягане. Превключването между размери на бутилки (200 ml, 360 ml, 500 ml, 1 литър) изисква регулиране на предавателното число на скоростта на всяка станция — постигнато чрез промяна на честотата на VFD, като червячната зъбна колела осигурява фиксираното механично предавателно число. Смазката NSF H1 с качество за напитки е стандартна за всички червячни зъбни колела в зоната на пълнене.
Защо бутилиращите линии използват червячни задвижвания на всяка станция
Линията за бутилиране не е една машина - тя е верига от 4 до 8 отделни машини (станции), всяка от които извършва една операция с бутилката, докато тя преминава през нея. Станциите трябва да работят с точно съчетани скорости, защото бутилките се движат по непрекъснат конвейер или система със звездовидни колела, която ги свързва всички. Несъответствието в скоростта между две съседни станции води до натрупване (струпване) на бутилките на по-бавната станция или гладуване (празнини) на по-бързата станция - и двете от които спират линията.
Всяка станция се нуждае от собствено независимо управляемо задвижване. Честотен регулатор (VFD) регулира скоростта на двигателя; червячната зъбна предавка осигурява фиксираното съотношение между двигателя и механизма на станцията. Тази комбинация дава на PLC фино регулиране на скоростта на всяка станция.
Станциите за бутилиране са разположени плътно една до друга – обикновено на разстояние от 800 до 1500 мм между станциите. 90-градусовата червячна предавка поставя двигателя под или зад механизма на станцията, като се вписва в плътния обхват на станцията, без да пречи на пътищата на потока на бутилките или достъпа на оператора.
Когато линията спре (за отстраняване на заседнали бутилки, смяна или аварийна ситуация), всяка станция трябва да задържи механичното си положение - дюзите за пълнене трябва да останат над гърлата на бутилките, а главите на капачките трябва да останат в прибрано положение. Самозаключващите се червячни зъбни колела задържат позицията си без отделни спирачки.
Многостанционна синхронизация — как червячните зъбни колела поддържат линията за бутилиране в синхрон
Диаграмата по-долу показва типична архитектура на линия за бутилиране с 5 станции. Всяка станция има независима двойка двигател и червячна предавка. PLC отчита сензорите за позиция на бутилката и регулира всеки VFD, за да поддържа синхронизацията между станциите в рамките на плюс или минус 0,5 процента от основната референтна скорост.
Червячната предавка на всяка станция осигурява фиксираното механично предавателно число — честотният регулатор (VFD) обработва финото регулиране на скоростта. Това разделяне на функциите (механично предавателно число чрез червячна предавка, регулиране на скоростта чрез VFD) е стандартната архитектура за всички съвременни бутилиращи линии от 100 до 1200 бутилки в минута.
┌────────────────────────────────── ГЛАВЕН КОНТРОЛЕР НА PLC ────────────────────────────────┐ │ Зададена скорост Зададена скорост Зададена скорост Зададена скорост │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ [VFD-1] [VFD-2] [VFD-3] [VFD-4] [VFD-5] │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ [Мотор] [Мотор] [Мотор] [Мотор] [Мотор] │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ [ЧЕРВЕЙ] [ЧЕРВЕЙ] [ЧЕРВЕЙ] [ЧЕРВЕЙ] [ЧЕРВЕЙ] │ │ [СДВОИ] [СДВОИ] [СДВОИ] [СДВОИ] [СДВОИ] │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ ИЗПЛАКВАНЕ ──→ ПЪЛНЕЖ ──→ КАПАЧКА ──→ ЕТИКЕТИРАЩ ──→ ОПАКОВЧИК │ │ │ │ ←───── Бутилките се движат отляво надясно по транспортния конвейер / звездообразните колела ──→ │ │ │ │ [Сензор] [Сензор] [Сензор] [Сензор] [Сензор] │ │ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ │ └───────────────── Обратна връзка за позицията към PLC за регулиране на скоростта ────────────────────┘
Изискване за точност на скоростта. Ако станцията за пълнене работи с 400 бутилки в минута, а машината за затваряне работи с 398 бутилки в минута (разминаване от 0,5 процента), машината за пълнене произвежда 2 бутилки повече в минута, отколкото машината за затваряне може да обработи. За 60 минути това са 120 натрупани бутилки, което води до натрупване, което задръства секцията за прехвърляне за приблизително 8 до 12 минути. Ето защо всяка двойка червячни зъбни колела трябва да осигурява повтаряща се точност на скоростта: предавателното число трябва да е постоянно от двойка до двойка (производствен толеранс в рамките на плюс или минус 0,3 процента от предавателното число) и двойката не трябва да показва вариации на скоростта поради промени в натоварването (присъщата характеристика за намаляване на скоростта на червячната двойка е стабилна при променящ се въртящ момент, за разлика от ремъчните задвижвания, които се приплъзват под товар).
Гъвкавост при превключване. Когато линията за бутилиране премине от бутилки от 360 ml на бутилки от 500 ml, всяка станция трябва да промени скоростта си, за да съответства на новата стъпка на бутилката и времето за пълнене. Предавателното число на червячната зъбна предавка остава фиксирано — честотната предавка (VFD) регулира скоростта на двигателя, за да постигне новата скорост на станцията. Линия, работеща с 400 бутилки в минута с бутилки от 360 ml при честота на VFD 45 Hz, се променя на 300 бутилки в минута с бутилки от 500 ml при честота на VFD 34 Hz — червячната зъбна предавка получава различна входна скорост, но същото предавателно число. Ето защо VFD плюс червячна зъбна предавка е предпочитаната архитектура пред механичната скоростна кутия с множество фиксирани предавателни числа: смяната изисква промяна на рецептата на PLC, а не физическа смяна на предавката.
Влажна среда — класификация на зоната на пръски за червячни зъбни колела на бутилиращата линия
Линиите за бутилиране са по своята същност мокри. Станцията за пълнене разлива течност по време на всеки цикъл на пълнене (препълване, пръски, капки, пяна). Станцията за изплакване пръска вода или дезинфектант. Станцията за затваряне може да генерира конденз върху уплътнението на капачката. Циклите на почистване на място (CIP) заливат цялата линия с горещи разтвори на каустик и киселина. Корпусите на червячните зъбни колела се намират непрекъснато в тази мокра зона - и IP и спецификацията на материала трябва да съответстват на нивото на експозиция.
Една бутилираща линия може да съдържа двойки червячни зъбни колела от различни зони на разпръскване: пълнителят и затварящата машина в Z2 или Z3, а опаковъчната машина в Z1. Специфицирането на всички двойки в най-високата зона (Z4) води до загуба на пари; специфицирането на всички в най-ниската зона (Z1) рискува корозия и замърсяване в мокрите станции. Правилният подход е специфициране зона по зона — съпоставяне на IP, материала и уплътнението с действителното излагане на въздействието на всяка позиция на станцията.
Корейска компания за бутилиране на соджу инсталира нова линия с капацитет 400 бутилки в минута с 5 станции. Всичките 5 двойки червячни зъбни колела бяха поръчани от един и същ доставчик, със същата спецификация: еднократно стартиране, модул 3, междуосово разстояние 80 мм, съотношение 20:1. След въвеждане в експлоатация, станцията за етикетиране постоянно работеше с 0,8% по-бавно от станцията за пълнене, което доведе до изкривяване на етикета при приблизително 1 на 50 бутилки. PLC регулираше честотата на честотния регулатор, за да компенсира, но диапазонът на регулиране беше изчерпан при максимална скорост на етикета. Разследването разкри, че 5-те двойки червячни зъбни колела имат действителни предавателни числа в диапазона от 19,92:1 до 20,08:1 - производствено отклонение от общо 0,8%. Двойката за пълнене беше 19,92:1 (леко бързо), а двойката за етикетиране беше 20,08:1 (леко бавно). Несъответствието от 0,8% надвишаваше диапазона на регулиране на честотния регулатор при максимална скорост на линията. Резолюция: доставчикът измери и оцени всички двойки по действително съотношение. 5-те най-близко съвпадащи двойки (в рамките на плюс или минус 0,1 процента от номинала) бяха инсталирани заедно. Изкривяването на етикета беше намалено до нула. Поука за снабдяването с бутилираща линия: двойките червячни зъбни колела за многостанционни синхронизирани линии трябва да бъдат съгласувани по отношение на съотношението като комплект, а не да се избират произволно от склада. Цената за измерване и сортиране на съотношението е приблизително 5 щатски долара на двойка - пренебрежимо малка в сравнение със загубите в производството от изкривяване на етикета или засядане на бутилки, причинени от несъответствие на съотношението.
Спецификации на три червячни зъбни колела за бутилиране
Случай 1 — Бутилиране на корейско соджу: 400 удара в минута, синхронизирано с 5 станции, зона на пръскане Z2
Корейски производител на соджу е специфицирал червячни зъбни колела със съгласувано предавателно число за линия за зелено стъкло с производителност 400 бутилки в минута, с изплакваща машина, машина за гравитационно пълнене, капачка ROPP, етикетираща машина и опаковъчна машина за фолио. Бутилка: зелено стъкло 360 ml, празно тегло 200 g. Станции 1-4 (мокра зона Z2): червяк AISI 304, колело от фосфорен бронз, EPDM уплътнение IP65, грес от литиев комплекс NSF H1. Станция 5 (суха зона Z1): поцинкован червяк, колело от фосфорен бронз, IP44, стандартна грес. Всички двойки: едноходови, модул 3, междуосово разстояние 80 mm, предавателно число 20:1 (съгласувано предавателно число в рамките на плюс или минус 0,1 процента като комплект от 5 двойки). Двигател на станция: от 1,1 до 2,2 kW в зависимост от въртящия момент на станцията. Диапазон на изходния въртящ момент: от 45 до 120 N·m за 5-те станции (пълнител - най-висок, етикетираща машина - най-нисък). Точност на скоростта между станциите след съгласуване на съотношението: плюс или минус 0,15 процента — в рамките на прага от 0,5 процента. Цена за чифт Z2: 135 щатски долара. За чифт Z1: 82 щатски долара. Общо за комплект от 5 чифта: 622 щатски долара. Производство на линията: 192 000 бутилки на 8-часова смяна. Червячната предавка с мощност 622 щатски долара задвижва приблизително 430 000 щатски долара соджу на смяна на цена на дребно.
Случай 2 — Японска пивоварна за саке: 200 удара в минута, първокласно стъкло, чувствителен на вибрации пълнител
Японска пивоварна за саке от висок клас специфицира червячни зъбни колела за линия с производителност 200 бутилки в минута, пълнеща 720 мл първокласни стъклени бутилки (тънкостенни, висококачествени). Спецификацията за пълнене изискваше нулеви пръски и нулева пяна - всяко раздвижване на сакето по време на пълнене би довело до окисляване и влошаване на качеството. Червячната зъбна колела на станцията за пълнене изискваше ултраплавно въртене, за да се избегне предаването на вибрации през рамката на пълнителя към дюзите за пълнене. Червячна зъбна колела на пълнителя: едноходова, модул 2,5, междуосово разстояние 63 мм, съотношение 25:1, шлифован червяк Ra 0,3 µm (премиум покритие за намаляване на вибрациите), центробежно лято колело от фосфорен бронз. Спецификация Z3 (сакето е леко киселинно, pH 4,2 до 4,5): червяк от неръждаема стомана 316L. Изходен въртящ момент при пълнителя: 65 N·m. Вибрация при дюзата за пълнене: измерена 0,02 mm/s RMS - в рамките на спецификацията от 0,05 mm/s, която екипът по качеството на пивоварната е проверил, че няма да наруши повърхността на сакето по време на пълнене. Други станции (затваряща машина, етикетираща машина, опаковъчна машина): стандартна спецификация Z2 при Ra 0.6 µm — вибрациите не са критични. Допълнителна цена за пълнителна двойка Ra 0.3 µm: 45 USD над стандартната (185 USD спрямо 140 USD). Премията предпази партида саке на стойност 28 000 USD на смяна от загуба на качество, причинена от окисляване. Разгледайте червячен редуктор за линия за пълнене опции, които включват прецизно шлифовани двойки за чувствителни към вибрации приложения за пълнене.
Случай 3 — Бутилиране на вода във Виетнам: 600 удара в минута, високоскоростен PET, конкурентноспособен по отношение на разходите
Виетнамска компания за бутилирана вода е определила червячни зъбни колела за високоскоростна PET линия с капацитет 600 бутилки в минута, оборудвана с раздувна машина, моноблок с изплакване, пълнене и затваряне, етикетираща машина за ръкави и опаковъчна машина за тарелки. При 600 оборота в минута, скоростите на станцията са високи - звездообразното колело на пълнителя се върти с приблизително 120 об/мин. Скорост на двигателя: 1450 об/мин. Необходимо съотношение: 12:1 - по-ниско от типичното поради високата изходна скорост. Червячна зъбна колела за моноблок (интегрирано изплакване, пълнене и затваряне): 2 старта, модул 3, междуосово разстояние 80 мм, съотношение 12:1. Спецификацията с 2 старта е избрана, защото: (1) моноблокът е хоризонтален (не е необходимо самозаключване за задържане на позицията - електронно задържане на двигателя при спиране), (2) по-високата ефективност (72 процента спрямо 48 процента за еднократно затваряне) намалява размера на двигателя с 30 процента и (3) по-ниското генериране на топлина позволява запечатана грес, а не маслена баня. Зона на пръски: Z2 (вода, без киселини). Материал: Червяк AISI 304, колело от фосфорен бронз, EPDM уплътнение IP65. Цена на чифт: 95 щатски долара. При 600 уд./мин и 16 часа на ден, линията произвежда 576 000 бутилки на ден — червячната зъбна предавка от 95 щатски долара задвижва приблизително 46 000 щатски долара бутилирана вода на ден на едро. Годишна производствена стойност на долар от цената на зъбната предавка: приблизително 175 000 към 1.
Често задавани въпроси
В: Колко точно трябва да бъде съвпадението на съотношението за синхронизирани бутилиращи станции?
За линии до 300 удара в минута, съвпадение на съотношението плюс или минус 0,3 процента е адекватно — диапазонът на регулиране на PLC VFD може да компенсира оставащото несъответствие. За линии над 300 удара в минута се препоръчва съвпадение от плюс или минус 0,1 процента, тъй като по-високата скорост усилва кумулативния ефект на несъответствието (повече бутилки в минута означава, че натрупването или празнината се развива по-бързо). При 600 удара в минута, дори 0,2 процента несъответствие натрупва 1,2 бутилки в минута — което води до натрупване, предизвикващо задръстване, за по-малко от 5 минути в по-бавната станция. Съвпадението на съотношението се постига чрез измерване на действителното съотношение на всяка двойка на машина за изпитване на зъбни колела и групиране на двойките в рамките на необходимия диапазон на толеранс. Това добавя от 3 до 8 щатски долара на двойка към разходите — незначителна инвестиция спрямо производствените загуби от несъответстващ комплект.
В: Мога ли да използвам една двойка червячни зъбни колела, за да задвижвам няколко станции през линеен вал?
Това беше традиционният подход (един двигател, една двойка червячни зъбни колела, един линеен вал, задвижващ всички станции чрез синхронизиращи зъбни колела). Той гарантираше перфектна синхронизация, тъй като всички станции бяха механично свързани. Системите с линейни валове обаче не могат да регулират скоростите на отделните станции за превключване — промяната на размера на бутилката изисква смяна на физически зъбни колела във всяка точка на вземане на станцията. Съвременните линии за бутилиране над 200 bpm универсално използват индивидуални задвижвания (един VFD, един двигател, една двойка червячни зъбни колела на станция), тъй като гъвкавостта на превключването и диагностичните възможности (мониторингът на тока на станция открива проблеми, преди да причинят задръствания) надвишават сложността на синхронизацията. Системите с линейни валове все още се използват в ръчни или полуавтоматични линии с малък обем под 100 bpm, където превключването е рядко и цената на множество VFD не е оправдана.
В: Трябва ли червячните зъбни колела на бутилиращата линия да използват еднократни или многократни пускания?
Еднократното стартиране е настройката по подразбиране за станции, които се нуждаят от задържане на позицията при спиране на линията (дюзите за пълнене трябва да останат подравнени с отворите на бутилките). Многократното стартиране (2 или 3 стартирания) е предпочитано за високоскоростни станции, където задържането на позицията не е критично (като например опаковъчни машини в кашони и палетизатори) или където по-високата ефективност намалява размера на двигателя и разходите за енергия. При 600 уд/мин, двойка с 2 стартирания с ефективност 72% в сравнение с едно стартиране с 48% спестява приблизително 1 kW непрекъсната мощност на станция - което е съществено за множество станции, работещи 16 часа на ден. Решението е за всяка станция: пълнителят може да използва едно стартиране за задържане на позицията, докато опаковъчният използва дву стартиране за ефективност.
В: Как CIP (почистване на място) влияе на червячната зъбна двойка?
CIP циклите заливат линията за бутилиране с гореща (75 до 85 градуса по Целзий) сода каустик (2 до 3 процента NaOH), последвана от гореща киселина (1 до 2 процента азотна или фосфорна киселина), след което се изплаква с гореща вода. Корпусът на червячната зъбна двойка е изложен външно на тези химикали по време на всеки CIP цикъл (обикновено ежедневно за млечни продукти и сокове, седмично за вода и безалкохолни напитки). Въздействието върху червячната зъбна двойка е изцяло чрез деградация на уплътненията и корозия на корпуса - вътрешните зъби на зъбното колело са защитени от запечатания корпус. EPDM уплътненията са устойчиви на каустични разтвори, но се разграждат в азотна киселина; FKM (Viton) уплътненията са устойчиви и на двете. За млечни линии с ежедневно CIP, включително киселинно изплакване, FKM уплътненията са задължителни - EPDM ще се напука в рамките на 3 до 6 месеца. Материалът на корпуса трябва да е от неръждаема стомана 304 или 316L за всяка станция в зоната на наводнение на CIP.
В: Какъв е типичният експлоатационен живот на червячна зъбна предавка на линия за бутилиране?
Линиите за бутилиране обикновено работят на 2 смени (3500 до 5000 часа годишно). При този режим на работа, правилно специфицирана бронзова двойка червячни зъбни колела издържа от 3 до 6 години, преди нарастването на хлабината да повлияе на времето на станцията. Стоманеният червяк (неръждаем или с покритие) издържа от 8 до 12 години. Подмяната на уплътненията е необходима на всеки 1,5 до 3 години, в зависимост от излагането на химикали по време на CIP почистване. Планирайте подмяната на червячните зъбни колела като комплект — подмяната на един чифт наведнъж въвежда нов чифт с различен (по-стегнат) хлабина в комплект износени двойки, което потенциално може да създаде прекъсване на синхронизацията. Бюджетирайте пълна подмяна на комплекта на всеки 4 до 5 години при планиран основен ремонт на линията, с индивидуална подмяна на уплътненията по време на годишните прозорци за поддръжка.
Линиите за бутилиране и пълнене използват двойки червячни зъбни колела като разпределен задвижващ елемент в синхронизирана архитектура с множество станции — по една двойка на станция, всяка от които осигурява фиксираното механично съотношение, докато честотният регулатор (VFD) обработва регулирането на скоростта за синхронизиране между станциите. Диаграмата на архитектурата на синхронизация илюстрира как PLC-контролираните VFD координират 4 до 8 независими задвижвания с червячни зъбни колела, за да поддържат съгласуване на скоростта с плюс или минус 0,5 процента по цялата линия. Съгласуването на съотношението между двойките (плюс или минус 0,1 до 0,3 процента) е от съществено значение за високоскоростни линии над 300 bpm. Класификацията на зоната на пръски (Z1 сухо до Z4 CIP измиване) съпоставя всяка позиция на станцията с правилната спецификация на IP, материала и уплътнението. Влажната, киселинна, химически агресивна среда за бутилиране прави спецификацията на уплътнението и материала толкова важна, колкото въртящия момент и съотношението — а цената на грешното избор на материал се измерва в изтегляния от производство поради замърсяване, а не само в подмяна на двойки.
За производителите на бутилиращи линии и инженерите на инсталации за напитки, нашето инженерно бюро предлага комплекти червячни зъбни колела с пределен номер и спецификация за зона на разпръскване за всяка станция. Стандартен каталог комплекти червячни зъбни колела за хранителни цели Доставят се в съответстващи комплекти с разстояние между центровете от 50 до 125 мм с пакети материали от Z1 до Z4. Изпратете Спецификация на задвижването на бутилиращата линия със скорост на линията (уд/мин), брой станции, вид продукт и режим на CIP.
Специфициране на червячни зъбни колела за линия за бутилиране или пълнене?
Изпратете скорост на линията (уд/мин), брой станции, вид продукт, материал на бутилката и CIP химикали. Ще класифицираме всяка станция по зона на пръски, ще препоръчаме материала и пакета уплътнения и ще доставим съответстващи на съотношението двойки като комплект.
Заявка за спецификация на задвижването на бутилираща линия →
Редактор: Cxm
