Korea Ever-Power · Sprievodca aplikačným inžinierstvom
Šneková a závitovková kolesá pre indexovacie pohony baliacich strojov
Baliaca hala s 12 súčasne bežiacimi strojmi musí pri 8-hodinovej expozícii pracovníkov zostať pod úrovňou hluku 85 dB(A). Každý stroj má plánovanú hladinu hluku 78 dB(A). Každý stroj má 6 až 10 zdrojov hluku. Ozubené koleso na indexovacom pohone má hladinu hluku 65 až 68 dB(A) – a to, či tento rozpočet spĺňa, závisí od jednej špecifikácie: povrchovej úpravy závitovky.
Baliace stroje – kartónovacie stroje, baličky do krabíc, stroje na plnenie a uzatváranie fólií, prietokové baličky a zmršťovacie tunely – používajú páry závitovkových ozubených kolies na indexovacie pohony, ktoré posúvajú produkt strojom v presných cykloch štart-stop-štart. Metóda alokácie hlukového rozpočtu je špecifikačný nástroj, ktorý spája limit hluku v pracovnej hale (85 dB(A) podľa OSHA, 80 dB(A) podľa smernice EÚ) s hlukovým príspevkom jednotlivých párov závitovkových ozubených kolies. Pri 6 až 10 zdrojoch hluku na stroj je každému zdroju pridelených 65 až 68 dB(A) – čo je možné dosiahnuť so zemným závitovkou pri Ra 0,4 µm, ale nie so závitovkou s odvalcovaním pri Ra 1,6 µm (ktorá produkuje 70 až 76 dB(A)). Pohony indexovania baliacich zariadení sa od aplikácií s kontinuálnym pohybom líšia svojou prevádzkou pri štartovaní a zastavovaní: 60 až 200 indexovacích cyklov za minútu vytvára v každom cykle špičky krútiaceho momentu zrýchlenia a spomalenia, čo si vyžaduje prevádzkový faktor 1,5 až 2,0. Jednochodové páry závitovkových prevodov zabezpečujú udržiavanie polohy medzi indexmi (kartón zostáva na mieste počas plnenia, uzatvárania alebo označovania); dvojchodové páry zvyšujú efektivitu na staniciach s kontinuálnym pohybom, kde nie je potrebné udržiavanie polohy.
Prečo baliace stroje používajú páry závitovkových prevodov na indexovacie pohony
Baliaci stroj presúva produkt cez sériu operácií – zostavenie kartónu, umiestnenie produktu dovnútra, zatvorenie chlopní, lepenie alebo zatváranie, tlač dátumového kódu a zoskupovanie do krabíc. Každá operácia vyžaduje, aby sa produkt počas vykonávania operácie krátko zastavil (50 až 200 milisekúnd) a potom sa posunul na ďalšiu stanicu. Tento pohyb štart-stop-posuv sa nazýva indexovanie.
Závitovkový prevodový pár je preferovaným pohonom na indexovanie, pretože drží produkt počas prevádzkovej fázy nehybne (samosvorný), počas fázy prenosu sa plynulo posúva (nízke vibrácie) a kompaktne sa zmestí do rámu stroja (90-stupňová orientácia motora). Vďaka týmto trom vlastnostiam je závitovka a závitovkové koleso štandardným pohonom na indexovanie obalov rýchlosťou až 200 indexov za minútu.
Samosvorný mechanizmus drží dopravník alebo vežu medzi počítadlami nehybne. Produkt zostáva presne umiestnený pod plniacou hlavou, zváracou lištou alebo aplikátorom etiketovania bez samostatnej brzdy alebo mechanického zámku.
Vďaka vlastnému klznému kontaktu závitovkového ozubeného kolesa sa dosahuje hladká krivka zrýchlenia bez vibrácií spôsobených nárazom v zábere, ktoré čelné alebo špirálové ozubené kolesá generujú pri každom zábere zubov – čo je dôležité, pretože vibrácie v momente začiatku pohybu môžu zmeniť polohu produktu v kartóne alebo na dopravníku.
Baliaca hala s 8 až 20 strojmi musí dodržiavať limity hluku na pracovisku pre 8-hodinovú expozíciu pracovníkov. Hluk posuvného záberu závitovkového ozubeného kolesa je o 8 až 15 dB(A) nižší ako ekvivalentný hluk záberu čelného ozubeného kolesa – čo predstavuje významný príspevok k celkovému rozpočtu hluku haly.
Rozdelenie rozpočtu na hluk – od limitu Hallovej komory po cieľový pár závitovkových prevodov
Metóda rozpočtu hluku pracuje spätne od regulačného limitu k alokácii hluku jednotlivých zložiek. Logika je založená na pravidle sčítania decibelov: N identických zdrojov na úrovni L produkuje kombinovanú úroveň L + 10 × log₁₀(N). Pri spätnom postupe: úroveň jednotlivých zdrojov musí byť L_total − 10 × log₁₀(N).
V nasledujúcej tabuľke je znázornené, ako sa mení rozpočet hluku závitovkového prevodového páru v závislosti od počtu strojov v hale a použitej regulačnej normy.
Tabuľka odhaľuje kritický poznatok: závitovkový prevodový pár, ktorý je dokonale prijateľný v hale OSHA so 4 strojmi (odvalcovaný závitovkový prvok Ra 0,8 µm s rozpočtom 71 dB), sa stáva nevyhovujúcim v hale EÚ s 20 strojmi (vyžaduje sa lapovaný závitovkový prvok Ra 0,2 µm plus koleso z POM s rozpočtom 57 dB). Rovnakú špecifikáciu závitovkového prevodového páru nemožno uplatniť vo všetkých baliacich halách – rozpočet na hluk závisí od toho, koľko strojov zdieľa priestor. Výrobcovia baliacich strojov, ktorí predávajú globálne, potrebujú aspoň dva stupne hluku závitovkového prevodového páru: štandardný (Ra 0,4 až 0,8 µm) pre malé až stredné haly a prémiový (Ra 0,2 µm + POM) pre veľké haly regulované EÚ.
Indexovací režim štart-stop – akceleračný krútiaci moment a prevádzkový faktor
Pohony na indexovanie obalov sa od pohonov s kontinuálnym pohybom zásadne líšia: motor zrýchľuje dopravník z nuly na plnú rýchlosť, posúva ho o jeden indexový krok (50 až 300 mm) a potom spomaľuje späť na nulu – 60 až 200-krát za minútu. Každá fáza zrýchlenia generuje krútiaci moment 1,5 až 2,5-násobku krútiaceho momentu v ustálenom stave v závislosti od hmotnosti produktu, indexového kroku a času zrýchlenia.
Servisný faktor pre indexovaciu povinnosť. Štandardné katalógy párov závitovkových prevodov s nepretržitou prevádzkou predpokladajú prevádzku v ustálenom stave. Indexovacia prevádzka vyžaduje servisný faktor 1,5 až 2,0 aplikovaný na špičkový akceleračný krútiaci moment (nie priemerný krútiaci moment). Pre kartónovač indexujúci pri 150 cykloch za minútu s hmotnosťou produktu 0,5 kg na stanicu a 20 stanicami na dopravníku: celková pohybujúca sa hmotnosť je približne 10 kg plus hmotnosť reťaze dopravníka (typicky 5 až 15 kg). Pri čase zrýchlenia 0,1 sekundy na indexovaciu rýchlosť 0,5 m/s je akceleračný krútiaci moment zhruba 1,8-násobok krútiaceho momentu len trením. Pri SF 1,5 pre indexovaciu prevádzku musí byť pár závitovkových prevodov dimenzovaný na 2,7-násobok krútiaceho momentu len trením – takmer trojnásobok hodnoty, ktorú by naznačoval naivný výpočet len z napnutia remeňa.
Jednorazové verzus dvojrazové indexovanie. Indexovacie stanice, ktoré potrebujú udržiavať polohu počas fázy zotrvania (plniace hlavy, uzatváracie lišty, aplikátory etikiet), vyžadujú jednochodové samosvorné páry závitovkových prevodov. Stanice s plynulým pohybom (vstupné dopravníky, prepravné pásy) môžu použiť dvojchodové páry pre vyššiu účinnosť o 15 až 25 percentuálnych bodov. Typický baliaci stroj má 2 až 3 indexovacie závitovkové pohony (jednochodové) a 1 až 2 pohony s plynulým pohybom (2-chodové) – správna špecifikácia je na stanicu, nie na stroj.
Kórejský zmluvný baliar kozmetiky, ktorý prevádzkoval 8 kartónovacích strojov v baliacej hale s rozlohou 1 200 m², dostal pokutu za hluk od KOSHA (Kórejskej agentúry pre bezpečnosť a ochranu zdravia pri práci): časovo vážený priemer 87,2 dB(A) na stanovištiach operátorov – prekročenie limitu 85 dB(A). Spoločnosť pôvodne preskúmala akustické kryty okolo každého stroja s cenovou ponukou 4 500 USD za stroj (spolu 36 000 USD za 8 strojov). Predtým, ako pokračoval, údržbár zmeral hluk jednotlivých komponentov a zistil, že páry závitovkových ozubených kolies na 6 z 8 strojov boli odvalované (Ra 1,2 až 1,6 µm), pričom každý prispieval 72 až 76 dB(A). Výmena všetkých párov závitovkových ozubených kolies s indexovacím mechanizmom (18 párov na 6 strojoch) za páry s brúsenou povrchovou úpravou (Ra 0,4 µm) znížila hluk na stroj o 6 až 8 dB(A) – čím sa TWA haly znížilo z 87,2 na približne 81 dB(A), čo je výrazne pod limitom 85 dB. Náklady na výmenu páru závitovkových ozubených kolies: 18 párov × 95 USD = 1 710 USD. Akustické kryty boli zrušené. Stav vyhovujúci norme o hluku bol dosiahnutý za 1 710 USD namiesto 36 000 USD – čo predstavuje úsporu nákladov 95 percent. Ponaučenie: pred špecifikáciou akustických krytov na úrovni strojov pre hlučnú baliacu halu skontrolujte, či sú páry závitovkových ozubených kolies odvalcované alebo brúsené. Samotná modernizácia povrchovej úpravy párov závitovkových ozubených kolies môže vyriešiť problém s hlukom za 5 percent nákladov na kryt.
Špecifikácie troch párov závitovkových prevodov baliacich strojov
Prípad 1 – Baliareň kórejskej kozmetiky: 120 kópií za minútu, hala s 8 strojmi, špecifikácia riadená hlukom
Kórejský zmluvný baliar kozmetiky špecifikoval páry závitovkových prevodov pre 3 indexovacie pohony na jeden kartónovací stroj (indexovanie hlavného dopravníka, stavač kartónov, zatvárač chlopne) na 8 strojoch. Rýchlosť indexovania: 120 kartónov za minútu. Hmotnosť kartónu: 85 g (s produktom). Hmotnosť dopravníka: 12 kg. Rozstup indexov: 120 mm. Čas zrýchlenia: 0,08 sekundy. Maximálny akceleračný krútiaci moment: 28 N·m. SF pre indexovací režim: 1,5. T_required: 42 N·m na pohon. Hladina hluku s 8 strojmi v hale: 66 dB(A) na zdroj (limit OSHA 85 dB). Pár závitovkových prevodov: jednochodý, modul 2, stredová vzdialenosť 50 mm, prevodový pomer 20:1, brúsenie Ra 0,4 µm. Nameraná hlučnosť: 62 dB(A) na pár – v rámci limitu 66 dB(A) s rezervou 4 dB. Materiál: pozinkovaný závitovkový mechanizmus, koleso z fosforového bronzu. Cena za pár: 68 USD. Cena za 3 pohony × 8 strojov = 24 párov: 1 632 USD. Hlučnosť v hale po výmene odvaľovacích párov za uzemnenie: 81 dB(A) TWA – v súlade s normou.
Prípad 2 – Japonský farmaceutický blistrový baliaci stroj: 180 cpm, v blízkosti čistej miestnosti, nízke vibrácie
Japonská spoločnosť zaoberajúca sa farmaceutickými baleniami špecifikovala páry závitovkových prevodov pre pohon indexového tvarovania za tepla pre baličku blistrov s výkonom 180 blistrov za minútu. Stroj sa nachádzal v miestnosti susediacej s čistou miestnosťou podľa normy ISO triedy 8. Dve požiadavky nad rámec štandardného balenia: nízke vibrácie (stanica pre termoformovanie je citlivá na teplo – vibrácie spôsobujú nerovnomerné zahrievanie PVC) a farmaceutická dokumentácia (certifikáty EN 10204 typ 2.2, mazivo NSF H1). Pár závitovkových prevodov: jednochodý, modul 2, rozostup 50 mm, pomer 15:1, brúsený Ra 0,4 µm, závitovka AISI 304, koleso z fosforového bronzu. Syntetické mazivo NSF H1. Namerané vibrácie na stanici pre termoformovanie: 0,03 mm/s RMS – v rámci limitu 0,08 mm/s, ktorý proces tvarovania toleroval. Hluk: 60 dB(A) na 1 m. Cena za pár: 125 USD (vrátane príplatku za farmaceutickú dokumentáciu). Prehliadať závitovkový redukčný prevod na balenie možnosti určené pre aplikácie balenia s kontrolou hluku a v blízkosti čistých priestorov.
Prípad 3 – Vietnamský zmršťovací baliaci stroj na nápoje: 80 kópií za minútu, cenovo konkurencieschopné, hala so 4 strojmi
Vietnamská spoločnosť zaoberajúca sa výrobou nápojov špecifikovala páry závitovkových prevodov pre 2 indexovacie pohony na jeden stroj na balenie do zmršťovacej fólie (vstupný index a index posunu fólie) na 4 strojoch. Rýchlosť indexovania: 80 balení za minútu. Hmotnosť balenia: 6 kg (12 × 500 ml PET fľaše). Rozstup indexov: 250 mm. Čas zrýchlenia: 0,15 sekundy. Maximálny akceleračný krútiaci moment: 85 N·m (ťažké balenie). SF pre indexovanie: 2,0 (vysoké zaťaženie, vysoké zrýchlenie). T_required: 170 N·m. Hlukový rozpočet so 4 strojmi, OSHA 85 dB: 71 dB(A) na zdroj – dosiahnuteľné s pármi závitovkových prevodov s odvaľovacou úpravou pri Ra 0,8 µm (namerané 68 dB(A)). Väčší hlukový rozpočet eliminoval potrebu brúseného brúsenia – ušetrilo sa približne 22 USD na pár. Pár závitovkových prevodov: jednochodý, modul 3, stredová vzdialenosť 63 mm, pomer 25:1, odvaľované Ra 0,8 µm. Materiál: pozinkovaný závitovkový dopravník, koleso z fosforového bronzu. Cena za pár: 58 USD. Cena za 2 pohony × 4 stroje = 8 párov: 464 USD. Prípadová štúdia ukazuje, že metóda rozpočtu hluku niekedy odôvodňuje lacnejšiu povrchovú úpravu závitovkového dopravníka odvaľovacou frézkou – nie každá obalová aplikácia vyžaduje brúsenú povrchovú úpravu.
Často kladené otázky
Otázka: Ako zmerám hlukový príspevok závitovkového prevodového páru na existujúcom stroji?
Zmerajte celkový hluk stroja so všetkými bežiacimi zdrojmi (L_total). Potom zastavte alebo odpojte závitovkový prevodový pohon (ak je to mechanicky možné) a zmerajte hluk so všetkými ostatnými bežiacimi zdrojmi (L_remaining). Príspevok závitovkového prevodového páru sa vypočíta podľa vzorca: L_worm = 10 × log₁₀(10^(L_total/10) − 10^(L_remaining/10)). Ak závitovkový prevodový pár nie je možné izolovať, použite meranie blízkeho poľa so sondou intenzity zvuku umiestnenou 50 až 100 mm od telesa závitovkového prevodu – tým získate úroveň špecifickú pre zdroj s menším rušením od iných zdrojov. Porovnajte nameraný hluk závitovkového prevodového páru s rozdelením rozpočtu hluku pre konkrétnu konfiguráciu haly.
Otázka: Zvyšuje sa hluk závitovkového prevodového páru s rýchlosťou indexovania?
Áno – hluk v zábere ozubených kolies sa zvyšuje približne o 3 dB(A) na každé zdvojnásobenie otáčok. Závitovkový prevodový pár, ktorý produkuje 62 dB(A) pri 60 indexoch za minútu, bude produkovať približne 65 dB(A) pri 120 indexoch za minútu a 68 dB(A) pri 240 indexoch za minútu. Tento vzťah medzi rýchlosťou a hlukom znamená, že rozpočet hluku môže byť splnený pri nízkej rýchlosti, ale prekročený pri vysokej rýchlosti na tom istom stroji. Baliace stroje s možnosťou premenlivej rýchlosti by sa mali testovať na hluk pri maximálnej menovitej rýchlosti, nie pri typickej prevádzkovej rýchlosti – rozpočet hluku musí byť splnený v najhoršom prípade.
Otázka: Môžem na indexovanie obalov použiť servomotor so závitovkovým prevodom?
Áno – servomotory so spätnou väzbou od enkodéra sú čoraz bežnejšie pre vysoko presné indexovanie obalov. Závitovkový prevodový pár zabezpečuje mechanický prevodový pomer a samosvor; servomotor poskytuje presné riadenie polohy s programovateľnými profilmi zrýchlenia. Táto kombinácia eliminuje potrebu mechanických vačkovo poháňaných indexátorov (mechanizmy Ženeva, valcové vačky), ktoré sú obmedzené na pevné rozstupy indexov. Kombinácia servomotora a závitovky môže meniť rozstup indexov, profil zrýchlenia a čas zotrvania prostredníctvom zmien softvérových receptúr – čo umožňuje rýchlu zmenu medzi formátmi produktov. Vôľa závitovkového prevodového páru by sa mala pri použití so servopohonmi špecifikovať na užšom konci rozsahu (pod 8 oblúkových minút), pretože polohová slučka servo regulátora môže kmitať, ak vôľa prekročí nastavenie mŕtveho pásma regulátora.
Otázka: Ako dlho zvyčajne vydržia páry závitovkových prevodov baliacich strojov?
Baliace stroje typicky pracujú na jednu alebo dve zmeny (2 000 až 4 500 hodín ročne) s rýchlosťou indexovania 60 až 200 cyklov za minútu. Pri 120 cykloch za minútu a 3 000 hodinách ročne je ročný počet cyklov približne 21,6 milióna cyklov – čo patrí medzi aplikácie závitovkových prevodov s najvyšším počtom cyklov. Napriek tomuto vysokému počtu cyklov je krútiaci moment na cyklus nízky (typicky 10 až 100 N·m), takže kumulatívne poškodenie únavou na cyklus je mierne. Životnosť bronzového kolesa za týchto podmienok: 3 až 6 rokov, obmedzená skôr rastom vôle ovplyvňujúcou presnosť indexovania ako poruchou zubov. Životnosť oceľového závitovky: 8 až 15 rokov. Ročné meranie vôle je primárnym monitorovacím nástrojom – naplánujte výmenu kolesa, keď vôľa prekročí toleranciu polohy indexovania stroja (zvyčajne 0,1 až 0,3 mm na dopravníku produktu).
Otázka: Existuje pri použití závitovkového kolesa z POM namiesto bronzu v balení výhoda z hľadiska hluku?
Závitovkové kolesá z POM produkujú pri rovnakej rýchlosti a zaťažení o 8 až 12 dB(A) menej hluku ako bronzové kolesá – tlmenie materiálu absorbuje energiu vibrácií siete. Pre baliace stroje prevádzkované vo veľkých halách regulovaných EÚ, kde je rozpočet na pár závitovkových ozubených kolies nižší ako 60 dB(A), môže koleso z POM v kombinácii s brúseným alebo lapovaným závitovkou (Ra 0,2 až 0,4 µm) dosiahnuť 48 až 55 dB(A) – čo je v rámci najobmedzenejších rozpočtov. Nevýhodou je životnosť kolies: POM vydrží 1,5 až 3 roky pri indexovaní balenia oproti 3 až 6 rokom pre bronz. Pri nízkych krútiacim momentoch typických pre balenie (10 až 80 N·m) je POM mechanicky postačujúci – zaťaženie je v rámci limitu kontaktného napätia POM. Rozdiel v nákladoch na jedno koleso (POM 4 až 8 USD oproti bronzu 15 až 25 USD) ďalej zvýhodňuje POM ako cenovo výhodné riešenie z hľadiska hluku napriek kratšiemu cyklu výmeny.
Závitovkové ozubené kolesá baliacich strojov pracujú na priesečníku regulácie hluku a presnosti indexovania. Metóda alokácie hlukového rozpočtu – spätne od limitu pracovnej sily v hale cez počet strojov a zdrojov až po cieľový podiel jednotlivých závitovkových ozubených kolies – určuje, či je potrebná povrchová úprava s odvaľovacou, brúsenou alebo lapovanou úpravou. Hala so 4 strojmi pod limitmi OSHA môže akceptovať odvaľované ozubené kolesá s Ra 0,8 µm; hala s 20 strojmi pod limitmi EÚ môže vyžadovať lapované kolesá s POM kolesami s Ra 0,2 µm. Indexovanie pri 60 až 200 cykloch za minútu akumuluje milióny cyklov štart-stop ročne, čo si vyžaduje prevádzkové faktory 1,5 až 2,0 aplikované na špičkový akceleračný krútiaci moment – nie na priemerný prevádzkový krútiaci moment. Špecifikácia sa vzťahuje na stanicu: indexovacie stanice potrebujú jednochodové samosvorné závitovkové ozubené kolesá; stanice s kontinuálnym pohybom profitujú z účinnosti 2-chodového chodu.
Pre výrobcov baliacich strojov naša technická linka vykoná výpočet hlukového rozpočtu pre konfiguráciu vašej haly a odporučí stupeň povrchovej úpravy. Štandardný katalóg kompaktné závitovkové prevodovky Dodávame s odvalovanou, brúsenou a lapovanou povrchovou úpravou s možnosťou výberu bronzových a POM kotúčov s rozostupom osí od 40 do 80 mm. Odošlite žiadosť špecifikácia baliaceho disku s indexovou sadzbou, hmotnosťou produktu, veľkosťou haly a limitom hluku.
Špecifikácia párov závitovkových prevodov pre indexovanie baliacich strojov?
Pošlite indexovú rýchlosť (cpm), hmotnosť produktu, počet strojov v hale, regulačnú normu hluku (OSHA, EÚ, kórejská) a či je pohon indexovací alebo kontinuálny. Vypočítame rozpočet na hluk a odporučíme správnu povrchovú úpravu a materiál kolesa.
Redaktor: Cxm
