Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячные передачи и червячные колеса для приводов линий розлива и розлива
Линия по розливу соджу производительностью 400 бутылок в минуту имеет пять одновременно работающих станций: ополаскиватель, разливочная машина, укупорочная машина, этикетировочная машина и упаковочная машина. Каждая станция имеет свою собственную пару червячных передач. Если какая-либо пара работает на 2 процента быстрее или медленнее, чем соседние, бутылки застревают, крышки смещаются, этикетки перекосятся, и линия останавливается. Синхронизация между станциями — это не удобство, а принцип работы любой линии розлива в мире.
Линии розлива и розлива используют несколько червячных передач — по одной на каждую станцию — синхронизированных для работы на одинаковых скоростях, чтобы бутылки проходили от ополаскивателя через разливочную машину, укупорочную машину, этикетировочную машину и упаковочную машину без заклинивания, смещения или поломки. Архитектура многостанционной синхронизации является основной конструктивной задачей: каждая пара червячных передач должна обеспечивать повторяемую точность скорости в пределах плюс-минус 0,5% от целевого значения для поддержания синхронизации между станциями. Современные линии используют двигатели с частотно-регулируемым приводом (ЧРП) с отдельными парами червячных передач на каждой станции, синхронизированными центральным ПЛК. В условиях влажного розлива (брызги жидкости, пена, чистящие средства) требуется минимальная степень защиты IP65 для всех корпусов червячных передач, а для линий розлива молочных продуктов и соков — IP69K, при условии ежедневной мойки горячим воздухом под высоким давлением. Переключение между размерами бутылок (200 мл, 360 мл, 500 мл, 1 литр) требует регулировки передаточного отношения на каждой станции — это достигается путем изменения частоты ЧРП с помощью пары червячных передач, обеспечивающей фиксированное механическое передаточное отношение. Для всех червячных передач в зоне заправки в стандартной комплектации используется смазка NSF H1, соответствующая требованиям для производства напитков.
Почему на линиях розлива на каждой станции используются червячные передачи?
Линия розлива — это не одна машина, а цепочка из 4–8 отдельных машин (станций), каждая из которых выполняет одну операцию над бутылкой по мере ее прохождения. Станции должны работать с точно согласованной скоростью, поскольку бутылки перемещаются по непрерывному конвейеру или системе звездообразных конвейерных колес, соединяющих их все. Несоответствие скорости между любыми двумя соседними станциями приводит к скоплению бутылок (накоплению) на более медленной станции или к «голоданию» (зазорам) на более быстрой станции — и то, и другое останавливает линию.
Для каждой станции необходим собственный, независимо управляемый привод. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) регулирует скорость двигателя; червячная передача обеспечивает фиксированное передаточное отношение между двигателем и механизмом станции. Эта комбинация позволяет ПЛК осуществлять точное управление скоростью на каждой станции.
Станции розлива расположены очень плотно — обычно с шагом от 800 до 1500 мм между станциями. Конструкция червячной передачи с углом 90 градусов размещает двигатель под или позади механизма станции, что позволяет ему вписываться в узкие рамки станции, не мешая потоку бутылок и доступу оператора.
Когда линия останавливается (для устранения замятия бутылок, переналадки или в аварийной ситуации), каждая станция должна удерживать свое механическое положение — разливочные форсунки должны оставаться над горлышками бутылок, а укупорочные головки — в убранном положении. Самоблокирующиеся червячные передачи удерживают положение без отдельных тормозов.
Синхронизация нескольких станций — как червячные передачи обеспечивают синхронизацию линии розлива.
На приведенной ниже схеме показана типичная архитектура 5-станционной линии розлива. Каждая станция имеет независимую пару двигателя и червячной передачи. ПЛК считывает показания датчиков положения бутылок и регулирует каждый частотно-регулируемый привод для поддержания синхронизации между станциями в пределах плюс-минус 0,5% от заданной скорости.
Червячная передача на каждой станции обеспечивает фиксированное механическое передаточное отношение, а частотно-регулируемый привод отвечает за точную регулировку скорости. Такое разделение функций (механическое передаточное отношение через червячную передачу, регулировка скорости через частотно-регулируемый привод) является стандартной архитектурой для всех современных линий розлива производительностью от 100 до 1200 бутылок в минуту.
┌──────────────────────────── ГЛАВНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ПЛК ────────────────────────────┐ │ Speed ref Speed ref Speed ref Speed ref Speed ref │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ [VFD-1] [VFD-2] [VFD-3] [VFD-4] [VFD-5] │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ [Мотор] [Мотор] [Мотор] [Мотор] [Мотор] │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ [ЧЕРВЬ] [ЧЕРВЬ] [ЧЕРВЬ] [ЧЕРВЬ] [ЧЕРВЬ] │ │ [ПАРА] [ПАРА] [ПАРА] [ПАРА] [ПАРА] │ │ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │ ОПОЛАСКИВАТЕЛЬ ──→ НАПОЛНИТЕЛЬ ──→ УКУПИТЕЛЬ ──→ МАРКИРОВЩИК ──→ УПАКОВЩИК │ │ │ │ ←───── Бутылки движутся слева направо по конвейерной ленте / звездообразным колесам ──→ │ │ │ │ [Датчик] [Датчик] [Датчик] [Датчик] [Датчик] │ │ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ │ └──────────────── Обратная связь по положению с ПЛК для регулировки скорости ─────────────────┘
Требование к скорости и точности. Если разливочная станция работает со скоростью 400 бутылок в минуту, а укупорочная машина — со скоростью 398 бутылок в минуту (разница составляет 0,5%), то разливочная машина производит на 2 бутылки в минуту больше, чем может обработать укупорочная машина. За 60 минут это составит 120 бутылок, что приведет к застреванию в перегрузочном участке примерно через 8–12 минут. Именно поэтому каждая пара червячных передач должна обеспечивать повторяемую точность скорости: передаточное отношение должно быть постоянным от пары к паре (производственный допуск в пределах плюс-минус 0,3%), и пара не должна демонстрировать колебаний скорости из-за изменения нагрузки (характеристика снижения скорости червячной передачи, присущая ей, стабильна при изменении крутящего момента, в отличие от ременных передач, которые проскальзывают под нагрузкой).
Гибкость при переналадке. Когда линия розлива переключается с бутылок объемом 360 мл на бутылки объемом 500 мл, каждая станция должна изменить скорость, чтобы соответствовать новому шагу бутылок и времени розлива. Передаточное число червячной передачи остается фиксированным — частотно-регулируемый привод (ЧРП) регулирует скорость двигателя для достижения новой скорости станции. Линия, работающая со скоростью 400 бутылок в минуту с бутылками объемом 360 мл при частоте ЧРП 45 Гц, переключается на скорость 300 бутылок в минуту с бутылками объемом 500 мл при частоте ЧРП 34 Гц — червячная передача получает другую входную скорость, но то же передаточное число. Именно поэтому ЧРП в сочетании с червячной передачей является предпочтительной архитектурой по сравнению с механическим редуктором с несколькими фиксированными передаточными числами: переключение требует изменения рецепта ПЛК, а не физической замены шестерни.
Влажная среда — классификация зон разбрызгивания для червячных передач линий розлива
Линии розлива по своей природе являются влажными. На станции розлива происходит разлив жидкости во время каждого цикла наполнения (перелив, брызги, капли, пена). Станция ополаскивания распыляет воду или дезинфицирующее средство. На станции укупорки может образовываться конденсат на крышках. Циклы очистки на месте (CIP) заполняют всю линию горячими растворами щелочи и кислоты. Корпуса червячной передачи постоянно находятся во влажной зоне, и степень защиты IP и характеристики материала должны соответствовать уровню воздействия.
На одной линии розлива могут использоваться пары червячных передач из разных зон разбрызгивания: разливочная и укупорочная машины — в зонах Z2 или Z3, а упаковочная машина — в зоне Z1. Указание всех пар в верхней зоне (Z4) приводит к нерациональному расходованию средств; указание всех в нижней зоне (Z1) увеличивает риск коррозии и загрязнения на участках с мокрым содержимым. Правильный подход — это зональное спецификационирование, при котором степень защиты, материал и уплотнение соответствуют фактическому воздействию на каждом участке линии.
Корейская компания по розливу соджу установила новую линию производительностью 400 бутылок в минуту, состоящую из 5 станций. Все 5 пар червячных передач были заказаны у одного поставщика с одинаковыми характеристиками: однозаходные, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм, передаточное отношение 20:1. После ввода в эксплуатацию станция этикетировщика постоянно работала на 0,8% медленнее, чем станция розлива, что приводило к перекосу этикеток примерно на 1 из 50 бутылок. ПЛК регулировал частоту частотного преобразователя для компенсации, но диапазон регулировки был исчерпан при максимальной скорости этикетирования. Расследование показало, что фактические передаточные отношения 5 пар червячных передач варьировались от 19,92:1 до 20,08:1 — общий производственный допуск составил 0,8%. Пара розлива работала с передаточным отношением 19,92:1 (немного быстрее), а пара этикетировщика — с 20,08:1 (немного медленнее). Разница в 0,8% превышала диапазон регулировки частотного преобразователя при максимальной скорости линии. Решение: поставщик измерил и оценил все пары по фактическому соотношению. Пять наиболее подходящих пар (с отклонением в пределах плюс-минус 0,1% от номинального значения) были установлены вместе. Перекос этикетки сведен к нулю. Урок для закупки оборудования для линий розлива: пары червячных передач для многопозиционных синхронизированных линий следует подбирать по соотношению как единый комплект, а не выбирать случайным образом со склада. Стоимость измерения и оценки соотношения составляет приблизительно 5 долларов США за пару — это ничтожно мало по сравнению с производственными потерями из-за перекоса этикеток или застревания бутылок, вызванными несоответствием соотношения.
Технические характеристики трех червячных передач для линий розлива
Пример 1 — Розлив корейской соджу: 400 бутылок в минуту, синхронизированная 5-позиционная система, зона разбрызгивания Z2.
Корейский производитель соджу выбрал червячные передачи с согласованным передаточным отношением для линии розлива в зеленые стеклянные бутылки производительностью 400 бутылок в минуту, включающей ополаскиватель, гравитационный разливочный аппарат, укупорочную машину ROPP, этикетировочную машину и термоусадочную упаковочную машину. Бутылка: 360 мл, зеленая стеклянная, вес пустого содержимого 200 г. Станции 1-4 (влажная зона Z2): червяк из стали AISI 304, колесо из фосфорной бронзы, уплотнение EPDM IP65, литиевая комплексная смазка NSF H1. Станция 5 (сухая зона Z1): оцинкованный червяк, колесо из фосфорной бронзы, IP44, стандартная смазка. Все пары: однозаходные, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм, передаточное отношение 20:1 (передаточное отношение согласовано с точностью до ±0,1% для комплекта из 5 пар). Мощность двигателя на станцию: от 1,1 до 2,2 кВт в зависимости от крутящего момента станции. Диапазон выходного крутящего момента: от 45 до 120 Н·м на всех 5 станциях (самая высокая станция разлива, самая низкая станция этикетирования). Точность скорости между станциями после согласования соотношения: плюс-минус 0,15 процента — в пределах порогового значения 0,5 процента. Стоимость пары Z2: 135 долларов США. Стоимость пары Z1: 82 доллара США. Общая стоимость комплекта из 5 пар: 622 доллара США. Производительность линии: 192 000 бутылок за 8-часовую смену. Комплект червячной передачи стоимостью 622 доллара США обеспечивает производство соджу на сумму приблизительно 430 000 долларов США за смену по розничной цене.
Пример 2 — Японская пивоварня саке: 200 бутылок в минуту, высококачественная стеклянная тара, виброчувствительный наполнитель.
Японский производитель саке премиум-класса заказал червячные передачи для линии розлива производительностью 200 бутылок в минуту, предназначенной для розлива в стеклянные бутылки премиум-класса объемом 720 мл (тонкостенные, высокого качества). Технические требования к розливу предусматривали отсутствие брызг и пены — любое перемешивание саке во время розлива привело бы к окислению и ухудшению качества. Червячная передача на станции розлива требовала сверхплавного вращения, чтобы избежать передачи вибрации через раму разливочной машины к разливочным форсункам. Червячная передача разливочной машины: однозаходная, модуль 2,5, межосевое расстояние 63 мм, передаточное отношение 25:1, шлифовка червяка Ra 0,3 мкм (премиальная обработка для снижения вибрации), центробежно отлитое колесо из фосфористой бронзы. Спецификация Z3 (саке слабокислое, pH 4,2–4,5): червяк из нержавеющей стали 316L. Выходной крутящий момент на разливочной машине: 65 Н·м. Вибрация в разливочном сопле: измеренная 0,02 мм/с СКЗ — в пределах спецификации 0,05 мм/с, которую группа контроля качества пивоварни подтвердила как не влияющую на поверхность саке во время розлива. Другие станции (укупорочная, этикетировочная, упаковочная): стандартная спецификация Z2 при Ra 0,6 мкм — вибрация не критична. Доплата за пару разливочных сопел Ra 0,3 мкм: на 45 долларов США выше стандарта (185 долларов США против 140 долларов США). Эта доплата защитила партию саке стоимостью 28 000 долларов США за смену от потери качества из-за окисления. червячный редуктор для заправочной линии варианты, включающие прецизионно отшлифованные пары для применений, чувствительных к вибрации при розливе.
Пример 3 — Вьетнамский розлив воды в бутылки: 600 бутылок в минуту, высокоскоростная упаковка в ПЭТ-бутылки, конкурентоспособная цена.
Вьетнамская компания по производству бутилированной воды выбрала червячные передачи для высокоскоростной линии по производству ПЭТ-бутылок производительностью 600 бутылок в минуту, включающей выдувную машину, моноблок ополаскивателя-наполнителя-укупорочной машины, этикетировщик и упаковщик лотков. При производительности 600 бутылок в минуту скорость вращения станций высока — звездообразное колесо наполнителя вращается примерно со скоростью 120 об/мин. Скорость вращения двигателя: 1450 об/мин. Требуемое передаточное отношение: 12:1 — ниже типичного из-за высокой скорости вращения. Червячная передача для моноблока (интегрированный ополаскиватель-наполнитель-укупорочная машина): 2-заходная, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм, передаточное отношение 12:1. Двухзаходная спецификация была выбрана по следующим причинам: (1) моноблок расположен горизонтально (для удержания положения не требуется самоблокировка — электронное удержание двигателя при остановке), (2) более высокая эффективность (72% против 48% для однозаходной) уменьшает размер двигателя на 30%, и (3) меньшее тепловыделение позволяет использовать герметичную смазку вместо масляной ванны. Зона брызг: Z2 (вода, без кислот). Материал: червяк из нержавеющей стали AISI 304, колесо из фосфористой бронзы, уплотнение из EPDM IP65. Стоимость пары: 95 долларов США. При производительности 600 бутылок в минуту и 16 часах работы в сутки линия производит 576 000 бутылок в день — пара червячных передач стоимостью 95 долларов США обеспечивает производство бутилированной воды на сумму приблизительно 46 000 долларов США в день (оптовая цена). Годовая стоимость производства на доллар стоимости пары передач: примерно 175 000 к 1.
Часто задаваемые вопросы
В: Насколько точным должно быть соответствие соотношений для синхронизированных станций розлива?
Для линий со скоростью до 300 бутылок в минуту достаточно согласования передаточного отношения с погрешностью ±0,3% — диапазон регулировки частотного преобразователя ПЛК может компенсировать оставшееся несоответствие. Для линий со скоростью выше 300 бутылок в минуту рекомендуется согласование с погрешностью ±0,1%, поскольку более высокая скорость усиливает кумулятивный эффект несоответствия (большее количество бутылок в минуту означает, что засоры или зазоры образуются быстрее). При скорости 600 бутылок в минуту даже 0,2% несоответствия приводят к накоплению 1,2 бутылок в минуту, вызывая засоры менее чем за 5 минут на более медленной станции. Согласование передаточного отношения достигается путем измерения фактического передаточного отношения каждой пары на машине для испытания шестерен и группировки пар в пределах требуемого диапазона допуска. Это добавляет от 3 до 8 долларов США к стоимости за пару — незначительные инвестиции по сравнению с производственными потерями из-за несогласованного комплекта.
В: Можно ли использовать одну червячную передачу для привода нескольких станций через вал?
Традиционный подход заключался в использовании одного двигателя, одной пары червячных передач и одного линейного вала, приводящего в движение все станции через зубчатые передачи. Он гарантировал идеальную синхронизацию, поскольку все станции были механически соединены. Однако системы с линейным валом не позволяют регулировать скорость отдельных станций при переналадке — изменение размера бутылки требует замены физических шестерен в каждой точке подключения станции. Современные линии розлива со скоростью более 200 бутылок в минуту повсеместно используют индивидуальные приводы (один частотно-регулируемый привод, один двигатель, одна пара червячных передач на станцию), поскольку гибкость переналадки и возможности диагностики (мониторинг тока на каждой станции выявляет проблемы до того, как они вызовут заторы) перевешивают сложность синхронизации. Системы с линейным валом по-прежнему используются на малообъемных ручных или полуавтоматических линиях со скоростью менее 100 бутылок в минуту, где переналадка происходит нечасто, а стоимость нескольких частотно-регулируемых приводов не оправдана.
В: Следует ли использовать червячные передачи в линиях розлива с одинарным или многозаходным пуском?
Однократный запуск является режимом по умолчанию для станций, которым необходимо удерживать положение при остановке линии (наполнительные форсунки должны оставаться выровненными с горлышками бутылок). Многократный запуск (2 или 3 запуска) предпочтителен для высокоскоростных станций, где удержание положения не является критически важным (например, упаковочные машины и паллетизаторы), или где более высокая эффективность снижает размер двигателя и энергозатраты. При 600 бутылках в минуту пара двигателей с 2 запусками и эффективностью 72% по сравнению с однозапускным двигателем с эффективностью 48% экономит примерно 1 кВт непрерывной мощности на станцию — это имеет значение для нескольких станций, работающих 16 часов в сутки. Решение принимается для каждой станции отдельно: разливочная машина может использовать однозапускной режим для удержания положения, а упаковочная машина — двухзапускной для повышения эффективности.
В: Как технология CIP (очистка на месте) влияет на червячную передачу?
Циклы CIP (очистка на месте) предполагают заполнение линии розлива горячим (75–85 градусов Цельсия) раствором каустической соды (2–3% NaOH), затем горячей кислотой (1–2% азотной или фосфорной кислотой), после чего следует промывка горячей водой. Корпус червячной передачи подвергается воздействию этих химических веществ во время каждого цикла CIP (обычно ежедневно для молочных продуктов и соков, еженедельно для воды и безалкогольных напитков). Воздействие на червячную передачу происходит исключительно за счет износа уплотнений и коррозии корпуса — внутренние зубья шестерни защищены герметичным корпусом. Уплотнения из EPDM устойчивы к щелочным растворам, но разрушаются в азотной кислоте; уплотнения из FKM (Viton) устойчивы к обоим. Для линий розлива молочных продуктов с ежедневной CIP, включая промывку кислотой, обязательны уплотнения из FKM — EPDM трескается в течение 3–6 месяцев. Материал корпуса должен быть из нержавеющей стали 304 или 316L для любой станции, находящейся в зоне заполнения CIP.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи в линии розлива?
Линии розлива обычно работают в 2 смены (от 3500 до 5000 часов в год). При такой нагрузке правильно подобранная бронзовая червячная передача служит от 3 до 6 лет, прежде чем увеличение люфта повлияет на синхронизацию работы станции. Стальной червяк (из нержавеющей стали или с покрытием) служит от 8 до 12 лет. Замена уплотнений необходима каждые 1,5–3 года в зависимости от воздействия химических веществ при CIP-мойке. Планируйте замену червячной передачи комплектом — замена одной пары за раз вводит новую пару с другим (более малым) люфтом в комплект изношенных пар, что потенциально может привести к нарушению синхронизации. Заложите в бюджет замену всего комплекта каждые 4–5 лет при плановом капитальном ремонте линии, а замену отдельных уплотнений — при ежегодном техническом обслуживании.
В линиях розлива и розлива в качестве распределенного приводного элемента в многостанционной синхронизированной архитектуре используются червячные передачи — по одной паре на станцию, каждая из которых обеспечивает фиксированное механическое передаточное отношение, а частотно-регулируемый привод (ЧРП) регулирует скорость для синхронизации работы каждой станции. Диаграмма архитектуры синхронизации иллюстрирует, как управляемые ПЛК ЧРП координируют от 4 до 8 независимых червячных передач для поддержания согласованности скорости ±0,5% по всей линии. Согласованность передаточных отношений между парами (±0,1–0,3%) имеет важное значение для высокоскоростных линий со скоростью более 300 бутылок в минуту. Классификация зон разбрызгивания (Z1 — сухая, Z4 — CIP-мойка) сопоставляет положение каждой станции с правильным IP, материалом и спецификацией уплотнения. Влажная, кислая, химически агрессивная среда розлива делает спецификацию уплотнения и материала столь же важной, как крутящий момент и передаточное отношение — и стоимость неправильного материала измеряется отзывами из-за загрязнения, а не просто заменой пары.
Для производителей линий розлива и инженеров предприятий по производству напитков наш инженерный отдел предлагает комплекты червячных передач с согласованным передаточным отношением и спецификацией зоны разбрызгивания для каждой станции. Стандартный каталог червячные передачи пищевого качества Поставляется комплектами с межосевым расстоянием от 50 до 125 мм, с комплектами материалов Z1–Z4. Отправьте запрос. Технические характеристики привода линии розлива с учетом скорости линии (уд/мин), количества станций, типа продукции и режима CIP.
Выбираете червячные передачи для линии розлива или розлива?
Укажите скорость линии (уд/мин), количество станций, тип продукта, материал бутылки и используемые химикаты для CIP-мойки. Мы классифицируем каждую станцию по зоне разбрызгивания, порекомендуем материал и упаковку для герметизации, а также предоставим комплекты, подобранные по соотношению компонентов.
Редактор: Cxm
