Korea Ever-Power · Guida all'ingegneria applicativa
Vite senza fine e ruota elicoidale per azionamenti di indicizzazione di macchine confezionatrici
In un reparto di confezionamento con 12 macchine in funzione simultaneamente, il livello di rumore deve rimanere al di sotto di 85 dB(A) per un'esposizione dei lavoratori di 8 ore. A ciascuna macchina è assegnato un livello di rumore di 78 dB(A). Ogni macchina ha da 6 a 10 sorgenti di rumore. La coppia di ingranaggi dell'azionamento di indicizzazione ha un'assegnazione di rumore compresa tra 65 e 68 dB(A) e il rispetto di tale limite dipende da una specifica: la finitura superficiale della vite senza fine.
Parla con un ingegnere specializzato in sistemi di azionamento per imballaggi →
Le macchine confezionatrici – astucciatrici, inscatolatrici, formatrici-riempitrici-sigillatrici, confezionatrici flow-wrap e tunnel di termoretrazione – utilizzano coppie di ingranaggi a vite senza fine per gli azionamenti di indicizzazione che fanno avanzare il prodotto attraverso la macchina in cicli precisi di avvio-arresto-avvio. Il metodo di allocazione del budget di rumore è lo strumento di specifica che collega il limite di rumore occupazionale del reparto di confezionamento (85 dB(A) secondo OSHA, 80 dB(A) secondo la Direttiva UE) al contributo acustico della singola coppia di ingranaggi a vite senza fine. Con 6-10 sorgenti di rumore per macchina, a ciascuna sorgente vengono assegnati 65-68 dB(A), valore raggiungibile con una vite senza fine rettificata a Ra 0,4 µm ma non con una vite senza fine fresata a Ra 1,6 µm (che produce 70-76 dB(A)). Gli azionamenti di indicizzazione per il confezionamento si differenziano dalle applicazioni a movimento continuo per il loro ciclo di avvio-arresto: da 60 a 200 cicli di indicizzazione al minuto creano picchi di coppia di accelerazione e decelerazione ad ogni ciclo, richiedendo un fattore di servizio da 1,5 a 2,0. Le coppie di ingranaggi a vite senza fine a singolo inizio mantengono la posizione tra gli indici (il cartone rimane in posizione durante il riempimento, la sigillatura o l'etichettatura); le coppie a doppio inizio migliorano l'efficienza nelle stazioni a movimento continuo dove non è necessario il mantenimento della posizione.
Perché le macchine confezionatrici utilizzano coppie di ingranaggi a vite senza fine per gli azionamenti di indicizzazione
Una macchina confezionatrice movimenta il prodotto attraverso una serie di operazioni: formazione della scatola, inserimento del prodotto all'interno, chiusura delle alette, incollaggio o sigillatura, stampa del codice data e raggruppamento in casse. Ogni operazione richiede che il prodotto si fermi brevemente (da 50 a 200 millisecondi) per poter essere eseguita, per poi avanzare alla stazione successiva. Questo movimento di avvio-arresto-avanzamento è chiamato indicizzazione.
La coppia vite senza fine è il sistema di indicizzazione preferito perché mantiene il prodotto fermo durante la fase operativa (autobloccante), avanza in modo fluido durante la fase di trasferimento (basse vibrazioni) e si adatta in modo compatto al telaio della macchina (orientamento del motore a 90 gradi). Queste tre caratteristiche rendono la vite senza fine e la ruota elicoidale la soluzione predefinita per l'indicizzazione degli imballaggi a velocità fino a 200 indici al minuto.
Il sistema di autobloccaggio mantiene il nastro trasportatore o la torretta fermi tra gli indici. Il prodotto rimane posizionato con precisione sotto la testa di riempimento, la barra di sigillatura o l'applicatore di etichette senza bisogno di un freno o di un blocco meccanico separato.
Il contatto di scorrimento intrinseco della coppia di ingranaggi a vite senza fine produce una curva di accelerazione uniforme, priva delle vibrazioni da impatto dovute all'ingranamento che gli ingranaggi cilindrici a denti dritti o elicoidali generano ad ogni innesto dei denti. Questo è importante perché le vibrazioni al momento dell'avvio dell'indicizzazione possono spostare la posizione del prodotto nella scatola o sul nastro trasportatore.
Un reparto di confezionamento con un numero di macchine compreso tra 8 e 20 deve rimanere al di sotto dei limiti di rumore sul lavoro per un'esposizione dei lavoratori di 8 ore. Il rumore di scorrimento dell'ingranaggio a vite senza fine è inferiore di 8-15 dB(A) rispetto al rumore di scorrimento di un ingranaggio cilindrico equivalente, un contributo significativo al budget sonoro complessivo del reparto.
Allocazione del budget di rumore: dal limite della sala al target della coppia di ingranaggi a vite senza fine
Il metodo del bilancio acustico procede a ritroso, dal limite normativo all'allocazione del rumore per ogni singolo componente. La logica si basa sulla regola di addizione dei decibel: N sorgenti identiche al livello L producono ciascuna un livello combinato pari a L + 10 × log₁₀(N). Procedendo a ritroso: il livello della singola sorgente deve essere L_totale − 10 × log₁₀(N).
La tabella seguente mostra come varia il budget di rumore della coppia di ingranaggi a vite senza fine in funzione del numero di macchine presenti nel capannone e dello standard normativo applicato.
La tabella rivela un dato cruciale: una coppia di ingranaggi a vite senza fine perfettamente accettabile in un capannone OSHA a 4 macchine (vite senza fine fresata con Ra 0,8 µm e budget di rumore di 71 dB) diventa non conforme in un capannone UE a 20 macchine (che richiede una vite senza fine lappata con Ra 0,2 µm più una ruota in POM con budget di rumore di 57 dB). La stessa specifica per la coppia di ingranaggi a vite senza fine non può essere applicata a tutti i capannoni di confezionamento: il budget di rumore dipende dal numero di macchine che condividono lo spazio. I produttori di macchine per il confezionamento che vendono a livello globale necessitano di almeno due classi di rumorosità per le coppie di ingranaggi a vite senza fine: standard (Ra da 0,4 a 0,8 µm) per i capannoni di piccole e medie dimensioni e premium (Ra 0,2 µm + POM) per i grandi capannoni regolamentati dall'UE.
Funzione di indicizzazione start-stop: coppia di accelerazione e fattore di servizio
I sistemi di indicizzazione per l'imballaggio si differenziano dai sistemi a movimento continuo per un aspetto fondamentale: il motore accelera il trasportatore da zero alla velocità massima, lo sposta di un passo di indicizzazione (da 50 a 300 mm), quindi decelera fino a tornare a zero, ripetendo il processo da 60 a 200 volte al minuto. Ogni fase di accelerazione genera un picco di coppia pari a 1,5-2,5 volte la coppia di funzionamento a regime, a seconda della massa del prodotto, del passo di indicizzazione e del tempo di accelerazione.
Fattore di servizio per l'indicizzazione dei dazi. I cataloghi standard per ingranaggi a vite senza fine per servizio continuo presuppongono un funzionamento a regime stazionario. Il servizio di indicizzazione richiede un fattore di servizio da 1,5 a 2,0 applicato alla coppia di accelerazione di picco (non alla coppia media). Per un'astucciatrice con indicizzazione a 150 cicli al minuto, con una massa di prodotto di 0,5 kg per stazione e 20 stazioni sul nastro trasportatore: la massa totale in movimento è di circa 10 kg più la massa della catena del trasportatore (tipicamente da 5 a 15 kg). Con un tempo di accelerazione di 0,1 secondi fino a una velocità di indicizzazione di 0,5 m/s, la coppia di accelerazione è circa 1,8 volte la coppia di funzionamento dovuta al solo attrito. Con un fattore di servizio di 1,5 per il servizio di indicizzazione, la coppia di ingranaggi a vite senza fine deve essere dimensionata per 2,7 volte la coppia dovuta al solo attrito, quasi tre volte il valore che un calcolo semplicistico basato solo sulla tensione della cinghia suggerirebbe.
Indicizzazione a singolo inizio o a doppio inizio. Le stazioni di indicizzazione che necessitano di mantenere la posizione durante la fase di sosta (teste di riempimento, barre di sigillatura, applicatori di etichette) richiedono coppie di ingranaggi a vite senza fine autobloccanti a singolo avvio. Le stazioni a movimento continuo (nastri trasportatori di alimentazione, nastri di trasferimento) possono utilizzare coppie a doppio avvio per un'efficienza superiore del 15-25%. Una tipica macchina confezionatrice ha da 2 a 3 azionamenti a vite senza fine di indicizzazione (a singolo avvio) e da 1 a 2 azionamenti a movimento continuo (a doppio avvio): la specifica corretta è per stazione, non per macchina.
Un'azienda coreana di confezionamento a contratto di cosmetici, che gestisce 8 macchine astucciatrici in un capannone di confezionamento di 1.200 m², ha ricevuto una sanzione per rumore da parte della KOSHA (Korea Occupational Safety and Health Agency): una media ponderata nel tempo di 87,2 dB(A) nelle postazioni degli operatori, superando il limite di 85 dB(A). L'azienda aveva inizialmente valutato l'installazione di cabine insonorizzate intorno a ciascuna macchina, con un preventivo di 4.500 dollari per macchina (36.000 dollari in totale per 8 macchine). Prima di procedere, il tecnico della manutenzione ha misurato il rumore dei singoli componenti e ha scoperto che le coppie di ingranaggi a vite senza fine su 6 delle 8 macchine presentavano una finitura superficiale (Ra da 1,2 a 1,6 µm), ciascuna con un contributo di 72-76 dB(A). La sostituzione di tutte le coppie di ingranaggi a vite senza fine (18 coppie su 6 macchine) con coppie con finitura rettificata (Ra 0,4 µm) ha ridotto il rumore per macchina di 6-8 dB(A), portando il TWA del capannone da 87,2 a circa 81 dB(A), ben al di sotto del limite di 85 dB. Costo di sostituzione delle coppie di ingranaggi a vite senza fine: 18 coppie × 95 USD = 1.710 USD. Le cabine insonorizzate sono state annullate. Conformità ai requisiti di rumore raggiunta a 1.710 USD anziché 36.000 USD, con un risparmio del 95%. La lezione: prima di specificare cabine insonorizzate a livello di macchina per un capannone di confezionamento rumoroso, verificare se le coppie di ingranaggi a vite senza fine sono fresate o rettificate. Un miglioramento della finitura superficiale delle sole coppie di ingranaggi a vite senza fine potrebbe risolvere il problema del rumore con un costo pari al 5% di quello della cabina.
Tre casi di specifica per coppie di ingranaggi a vite senza fine per macchine confezionatrici
Caso 1 — Astucciatrice per cosmetici coreani: 120 cpm, capannone a 8 macchine, specifiche a bassa rumorosità
Un'azienda coreana di confezionamento a contratto di cosmetici ha specificato coppie di ingranaggi a vite senza fine per 3 azionamenti di indicizzazione per ogni macchina astucciatrice (indicizzazione del nastro trasportatore principale, formatrice di cartoni, chiusura delle alette) su 8 macchine. Velocità di indicizzazione: 120 cartoni al minuto. Peso del cartone: 85 g (con prodotto). Massa del nastro trasportatore: 12 kg. Passo di indicizzazione: 120 mm. Tempo di accelerazione: 0,08 secondi. Coppia di accelerazione di picco: 28 N·m. Fattore di prestazione per l'indicizzazione: 1,5. Coppia richiesta: 42 N·m per azionamento. Budget di rumore con 8 macchine nel capannone: 66 dB(A) per sorgente (limite OSHA di 85 dB). Coppia di ingranaggi a vite senza fine: a singolo avviamento, modulo 2, interasse 50 mm, rapporto 20:1, rugosità superficiale Ra 0,4 µm. Rumore misurato: 62 dB(A) per coppia — entro il budget di 66 dB(A) con un margine di 4 dB. Materiale: vite senza fine zincata, ruota in bronzo fosforoso. Costo per coppia: 68 USD. Costo per 3 unità × 8 macchine = 24 coppie: 1.632 USD. Rumore di Hall dopo la sostituzione delle coppie con fresatura con messa a terra: 81 dB(A) TWA — conforme.
Caso 2 — Confezionatrice blister farmaceutica giapponese: 180 cicli al minuto, adiacente alla camera bianca, basse vibrazioni
Un'azienda giapponese di imballaggi farmaceutici ha specificato coppie di ingranaggi a vite senza fine per l'azionamento dell'indice di termoformatura di una confezionatrice di blister con una velocità di 180 blister al minuto. La macchina era situata in una camera bianca di classe ISO 8 adiacente a una camera bianca. Due requisiti aggiuntivi rispetto agli imballaggi standard: basse vibrazioni (la stazione di termoformatura è sensibile al calore: le vibrazioni causano un riscaldamento non uniforme del PVC) e documentazione farmaceutica (certificati EN 10204 Tipo 2.2, grasso NSF H1). Coppia di ingranaggi a vite senza fine: a singolo inizio, modulo 2, interasse 50 mm, rapporto 15:1, rettifica Ra 0,4 µm, vite senza fine in AISI 304, ruota in bronzo fosforoso. Grasso sintetico NSF H1. Vibrazioni misurate nella stazione di termoformatura: 0,03 mm/s RMS, entro il limite di 0,08 mm/s tollerato dal processo di formatura. Rumore: 60 dB(A) a 1 m. Costo per coppia: 125 USD (incluso il sovrapprezzo per la documentazione farmaceutica). riduttore a vite senza fine per imballaggi Opzioni progettate per applicazioni di confezionamento in ambienti a bassa rumorosità e adiacenti alle camere bianche.
Caso 3 — Macchina termoretraibile per bevande vietnamite: 80 cpm, costo competitivo, reparto a 4 macchine
Un'azienda vietnamita di bevande ha specificato coppie di ingranaggi a vite senza fine per 2 azionamenti di indicizzazione per ogni macchina termoretraibile (indicizzazione di alimentazione e indicizzazione di avanzamento film) su 4 macchine. Velocità di indicizzazione: 80 confezioni al minuto. Peso della confezione: 6 kg (12 bottiglie in PET da 500 ml). Passo di indicizzazione: 250 mm. Tempo di accelerazione: 0,15 secondi. Coppia di accelerazione di picco: 85 N·m (confezione pesante). Fattore di sicurezza per l'indicizzazione: 2,0 (carico pesante, accelerazione elevata). Coppia richiesta: 170 N·m. Budget di rumore con 4 macchine, OSHA 85 dB: 71 dB(A) per sorgente — ottenibile con coppie di ingranaggi a vite senza fine con finitura fresata a Ra 0,8 µm (misurato 68 dB(A)). Il budget di rumore più ampio ha eliminato la necessità di una finitura rettificata, con un risparmio di circa 22 USD per coppia. Coppia di ingranaggi a vite senza fine: a singolo inizio, modulo 3, interasse 63 mm, rapporto 25:1, dentatura Ra 0,8 µm. Materiale: vite senza fine zincata, ruota in bronzo fosforoso. Costo per coppia: 58 USD. Costo per 2 azionamenti × 4 macchine = 8 coppie: 464 USD. Il caso dimostra che il metodo del budget acustico a volte giustifica la finitura a vite senza fine dentata, più economica: non tutte le applicazioni di confezionamento richiedono una finitura rettificata.
Domande frequenti
D: Come si misura il contributo acustico di una coppia di ingranaggi a vite senza fine su una macchina esistente?
Misurare il rumore complessivo della macchina con tutte le sorgenti in funzione (L_totale). Quindi arrestare o scollegare la trasmissione a vite senza fine (se meccanicamente possibile) e misurare il rumore con tutte le altre sorgenti in funzione (L_rimanente). Il contributo della coppia vite senza fine viene calcolato come segue: L_vite senza fine = 10 × log₁₀(10^(L_totale/10) − 10^(L_rimanente/10)). Se la coppia vite senza fine non può essere isolata, utilizzare una misurazione in campo vicino con una sonda di intensità sonora posizionata da 50 a 100 mm dall'alloggiamento della vite senza fine: questo fornisce il livello specifico della sorgente con meno interferenze da altre sorgenti. Confrontare il rumore misurato della coppia vite senza fine con l'allocazione del budget di rumore per la specifica configurazione della sala.
D: Il rumore prodotto dalla coppia di ingranaggi a vite senza fine aumenta con la velocità di indicizzazione?
Sì, il rumore di ingranamento aumenta di circa 3 dB(A) per ogni raddoppio della velocità di rotazione. Una coppia di ingranaggi a vite senza fine che produce 62 dB(A) a 60 giri al minuto produrrà circa 65 dB(A) a 120 giri al minuto e 68 dB(A) a 240 giri al minuto. Questa relazione velocità-rumore significa che il budget di rumore può essere rispettato a bassa velocità ma superato ad alta velocità sulla stessa macchina. Le macchine confezionatrici con capacità di velocità variabile devono essere testate a livello di rumore alla velocità nominale massima, non alla velocità operativa tipica: il budget di rumore deve essere rispettato nel caso peggiore.
D: Posso utilizzare un servomotore con una coppia di ingranaggi a vite senza fine per l'indicizzazione degli imballaggi?
Sì, i servomotori con feedback encoder sono sempre più diffusi per l'indicizzazione di precisione degli imballaggi. La coppia di ingranaggi a vite senza fine fornisce il rapporto meccanico e l'autobloccaggio; il servomotore fornisce un controllo preciso della posizione con profili di accelerazione programmabili. Questa combinazione elimina la necessità di indicizzatori meccanici a camme (meccanismi di Ginevra, camme a barilotto) che sono limitati a passi di indicizzazione fissi. Una combinazione servomotore-vite senza fine può modificare il passo di indicizzazione, il profilo di accelerazione e il tempo di sosta tramite modifiche software alle ricette, consentendo un rapido cambio di formato del prodotto. Il gioco della coppia di ingranaggi a vite senza fine deve essere specificato nella parte inferiore dell'intervallo (inferiore a 8 arcmin) quando si utilizzano servomotori, perché l'anello di controllo della posizione del servomotore può oscillare se il gioco supera la banda morta impostata dal controllore.
D: Quanto durano in genere le coppie di ingranaggi a vite senza fine delle macchine confezionatrici?
Le macchine confezionatrici in genere funzionano su uno o due turni (da 2.000 a 4.500 ore all'anno) con velocità di indicizzazione da 60 a 200 cicli al minuto. A 120 cicli al minuto e 3.000 ore all'anno, il numero di cicli annuali è di circa 21,6 milioni, tra le applicazioni con ingranaggi a vite senza fine a più alto numero di cicli. Nonostante questo elevato numero di cicli, la coppia per ciclo è bassa (tipicamente da 10 a 100 N·m), quindi il danno da fatica cumulativo per ciclo è modesto. La durata della ruota in bronzo in queste condizioni è di 3-6 anni, limitata più dalla crescita del gioco che influisce sulla precisione di indicizzazione che dalla rottura dei denti. La durata della vite senza fine in acciaio è di 8-15 anni. La misurazione annuale del gioco è lo strumento di monitoraggio principale: programmare la sostituzione della ruota quando il gioco supera la tolleranza di posizione di indicizzazione della macchina (tipicamente da 0,1 a 0,3 mm sul nastro trasportatore del prodotto).
D: L'utilizzo di una ruota elicoidale in POM al posto di una in bronzo negli imballaggi offre un vantaggio in termini di riduzione del rumore?
Le ruote a vite senza fine in POM producono da 8 a 12 dB(A) di rumore in meno rispetto al bronzo alla stessa velocità e allo stesso carico: lo smorzamento del materiale assorbe l'energia di vibrazione dell'ingranaggio. Per le macchine confezionatrici che operano in grandi capannoni regolamentati dall'UE, dove il budget per la coppia di ingranaggi a vite senza fine è inferiore a 60 dB(A), una ruota in POM combinata con una vite senza fine rettificata o lappata (Ra da 0,2 a 0,4 µm) può raggiungere da 48 a 55 dB(A), ben entro i limiti più stringenti. Il compromesso riguarda la durata della ruota: il POM dura da 1,5 a 3 anni in condizioni di indicizzazione per il confezionamento, contro i 3-6 anni del bronzo. Alle basse coppie tipiche del confezionamento (da 10 a 80 N·m), il POM è meccanicamente adeguato: il carico rientra ampiamente nel limite di sollecitazione di contatto del POM. La differenza di costo per ruota (POM da 4 a 8 USD contro bronzo da 15 a 25 USD) rende ulteriormente il POM una soluzione economicamente vantaggiosa per la riduzione del rumore, nonostante il ciclo di sostituzione più breve.
Le coppie di ingranaggi a vite senza fine delle macchine confezionatrici operano all'intersezione tra regolamentazione del rumore e precisione di indicizzazione. Il metodo di allocazione del budget acustico – che parte dal limite di occupazione del capannone, passando per il numero di macchine e sorgenti, fino ad arrivare al valore target di contributo di ciascuna coppia di ingranaggi a vite senza fine – determina se è richiesta una finitura superficiale fresata, rettificata o lappata. Un capannone con 4 macchine che rispetta i limiti OSHA può accettare coppie fresate con una rugosità superficiale Ra di 0,8 µm; un capannone con 20 macchine che rispetta i limiti UE può richiedere coppie lappate con ruote in POM a una rugosità superficiale Ra di 0,2 µm. Il lavoro di indicizzazione da 60 a 200 cicli al minuto accumula milioni di cicli di avvio-arresto all'anno, richiedendo fattori di servizio da 1,5 a 2,0 applicati alla coppia di accelerazione di picco, non alla coppia media di funzionamento. La specifica è per stazione: le stazioni di indicizzazione necessitano di coppie di ingranaggi a vite senza fine autobloccanti a singolo avvio; le stazioni a movimento continuo beneficiano dell'efficienza a doppio avvio.
Per i produttori di macchine per l'imballaggio, il nostro ufficio tecnico esegue il calcolo del budget acustico per la configurazione del vostro capannone e raccomanda il grado di finitura superficiale più adatto. Catalogo standard set di ingranaggi a vite senza fine compatti spedizione con finitura dentata, rettificata e lappata con opzioni di ruote in bronzo e POM da 40 a 80 mm di distanza tra i centri. Invia un specifiche dell'unità di imballaggio con indice di variazione, peso del prodotto, dimensioni della sala e limite di rumore.
Come specificare le coppie di ingranaggi a vite senza fine per l'indicizzazione delle macchine confezionatrici?
Inviaci il numero di cicli al minuto (cpm), il peso del prodotto, il numero di macchine presenti nel capannone, la normativa sul rumore (OSHA, UE, Corea) e se l'azionamento è a indicizzazione o a movimento continuo. Calcoleremo il budget di rumore e ti consiglieremo la finitura superficiale e il materiale della ruota più adatti.
Redattore: Cxm
