Konference diplomových prací 2007 Ústav konstruování, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT v Brně 5. – 6. června 2007, Brno, Česká republika
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ POHONU DOPRAVNÍKU Roman Zahradnik/
[email protected] ABSTRAKT Předmětem tohoto článku je popis návrhu konstrukčního řešení pohonu dopravníku. Pohon dopravníku je vázán na frekvenci otáček plnícího stroje. Hlavní důraz je kladen nejen na funkčnost, ale také na nízkou cenu řešení. K řešení byly využity programy Autodesk INVENTOR 10, ANSYS WORKBENCH a AutoCAD2006. ÚVOD Potraviny jsou spjaty s člověkem již od pradávna. Člověk vždy řešil dvě základní potřeby. Jak si zajistit dostatek jídla a jak toto jídlo uskladnit, aby se nezkazilo. Za několik tisíciletí existence lidstvo vymyslelo mnoho způsobů uchovávání a získávaní potravin, až do té podoby, ve které ji známe dnes. Bylo vyvinuto mnoho metod, bylo vymyšleno hodně technik a za poslední dvě století bylo zkonstruováno mnoho strojů a všechno to proto, aby si lidstvo zajistilo dostatek potravin. Všechny tyto aspekty vedly k vytvoření potravinového průmyslu. Potravinový průmysl je bezpochyby jednou z nejdůležitějších, ba i dokonce nejdůležitější částí všech průmyslových odvětví. V tomto článku se budu zabývat strojem, který pracuje v potravinářském průmyslu. Jedná se o pístovou plničku konzerv a o dopravník, který je její součástí. Pístová plnička bude plnit plechovky tuhou směsí (masné produkty). Především se budu zabývat jejím pohonem.. 1. KONSTRUKČNÍ POŽADAVKY Potravinářství je značně specifické průmyslové odvětví. Zařízení pracující v tomto průmyslu se značně liší od běžných strojírenských zařízení. Konstrukce těchto zařízení má proto různá specifika. Hlavním důvodem odlišnosti od konstrukce běžných strojírenských zařízení je dodržování mnohem přísnějších norem a hygienických předpisů. Tyto přísné normy mají značný vliv na výběr použitých materiálů. Použité materiály musí být zdravotně nezávadné, nesmí chemicky reagovat s plnící směsí, vodou nebo jiným použitým materiálem. Proto se v potravinářském průmyslu nejčastěji využívá nerezové oceli (dle ČSN vybrané oceli třídy 17) a různé druhy plastů. Dalším ovlivňujícím faktorem při konstrukci těchto strojů je dodržování velmi přísných hygienických norem pro používaná maziva a další provozní hmoty, což může ovlivnit volbu pohonu těchto strojů. Hygienické normy mají zásadní vliv i na celkový design těchto zařízení. Samotná konstrukce musí být jednoduchá, s využitím snadno přístupných a málo členitých ploch. Hlavním důvodem
Ing. Jiří Dvořáček/
[email protected] jednoduché konstrukce je, aby se snížilo riziko usazování plnících hmot, provozních hmot a jiných nečistot. Dále pak konstrukce musí umožňovat snadné čištění stroje, protože jakékoliv nečistoty můžou způsobit závadnost plnící směsi. Potravinářské stroje stejně jako ostatní strojírenská zařízení musí splňovat bezpečnosti normy pro ochranu zdraví osob obsluhujících tyto stroje. Jedná se především o použití ochranných krytů, správnou elektroinstalaci a správné umístění ovládacího panelu. 2. POPIS STROJE Plnička konzerv je velmi složité a komplikované zařízení, které se skládá z mnoha částí a komponentů. Základní rám tvoří nosnou část celého stroje. Slouží k uchycení dalších části stroje (buben, zdvihací zařízení bubnu, podávací zařízení). Je svařen z uzavřených profilů (U,I profily). Konstrukce rámu je doplněna snadno odnímatelnými kryty. Slouží k uchycení dalších části stroje (buben, zdvihací zařízení bubnu, podávací zařízení). Je svařen z uzavřených profilů (U,I profily). Konstrukce rámu je doplněna snadno odnímatelnými plechovými kryty. Buben s plnícími hlavicemi (obr. 1) je ve vertikální poloze zavěšen za hřídel na zdvihacím zařízení. Ve spodní části bubnu jsou umístěny plnící hlavice. Jejich počet závisí na požadovaném výstupu, velikosti nádoby a druhu
Obr. 1 Plnící hlava plničky firmy SIMA [1]
výrobku Ve spodní části bubnu je umístěn také plastový unášeč, který lze vyměnit podle druhu použitých plechovek. Zásobník je vyroben z nerezové plechu. Slouží jako zásobárna plnící hmoty. Zdvihací zařízení bubnu umožňuje nastavení bubnu do požadované vertikální polohy, která je určená výškou daného typu plechovky. Podávací zařízení se skládá
z podávacího šneku a dvou otočných unašečů a unašeče na plnícím bubnu. Podávací zařízení znázorňuje obr. 2. Šnek je realizován s volnou roztečí jako kuželový, který se dále mění ve válcový . Úkolem šneku je nastavení rozestupů mezi jednotlivými prázdnými plechovkami. aby přesně zapadaly do výřezů prvního otočného unášeče. První unašeč má za úkol dopravit prázdnou plechovku z dopravníku do výřezu unašeče na plnícím bubnu. Na tom unašeči pak následuje samotné plnění plechovek a unašeč již naplněné plechovky předává druhému otočnému unašeči. Druhý unašeč přebírá plnou plechovku z unašeče na plnícím bubnu a transportuje jí zpět na dopravník. Článkový dopravník zajišťuje přísun prázdných plechovek k plnícímu stroji a následný transport již naplněných plechovek k uzavíracímu stroji. Pás je tvořen článkovými řetězy s destičkami různého typu, vyrobené z plastů nebo z nerezové oceli.
-
Snadná synchronizace nastavením vhodných řídících frekvencí na jednotlivých měničích frekvence. - Možnost nastavení libovolných otáček pro každý člen zvlášť. - Snadnější dodržování hygienických předpisů (méně mechanických převodů). Nevýhody: - Jakákoliv odchylka otáček bubnu nebo podávacího zařízení od přednastavených řídících frekvencí může vést ke kolizím při plnění a podávání. - Vyšší nároky na řídící elektroniku. - Vyšší cena. b) Společný pohon bubnu, podávacího zařízení a dopravníku U této varianty pohonu se počítá s malým využitím ovládací elektroniky, avšak s mnohem větším využitím mechanických převodů. Může se zde využít elektromotor se šnekovou převodovkou nebo elektromotor se šnekovou převodovkou a frekvenčním měničem. Elektromotor pohání buben s plnícími hlavicemi. Pohon podávacího zařízení a dopravníku je realizován prostřednictvím mechanický převodů. Výhody: - Pevně daný převodový poměr mezi otáčkami plnícího bubnu, podávacího zařízení a dopravníkem, co má za následek, že nemůže docházet k žádným kolizím mezi zařízením a plechovkami.
Obr. 2 Schéma plničky a podávacího zařízení[2]
-
3. TYPY POHONŮ PLNÍCÍHO STROJE Plničky stejně jako řada strojů prošly mnoha konstrukčními úpravami a to i v oblasti používání pohonů. Setkáváme se zde ještě s konzervativními pohledy, využívajícími velké množství mechanických pohonů ale i s moderními trendy využívajícími především ve větší míře řídící elektroniku. Možné typy pohonu: a) Samostatný pohon bubnu, samostatný pohon podávacího zařízení a samostatný pohon dopravníku Buben, podávací zařízení a dopravník jsou poháněny vlastním elektromotorem. Jedná se o variantu, kdy je každá část má svůj vlastní elektromotor se šnekovou převodovkou a s vlastním frekvenčním měničem. Tuto variantu lze modifikovat na tři samostatné elektromotory a jeden frekvenční měnič. Tento měnič musí být kvalitnější a výkonnější než v původní variantě. V této variantě je použito minimum mechanických převodů a využívá se především elektrického ovládání, což odpovídá dnešním trendům. Výhody: - Jednoduché řešení odpadá zde nutnost řešení pohonu z jednoho členu na druhý pomocí mechanických převodů).
Využití jednoho elektromotoru se šnekovou převodovkou případně s jedním frekvenčním měničem. - Nižší nároky na ovládací elektroniku. - Ve srovnání s ostatními druhy pohonu velmi nízké náklady. Nevýhody: - Nutnost řešení problému přenosu hnací energie s jednoho členu na druhý použitím mechanických převodů. - Vyšší nároky na dodržení hygienických předpisů. - Relativní vysoká složitost zařízení. - Vyšší mechanické ztráty. - Vyšší výkon elektromotoru. - Hlučnost chodu. c) Společný pohon bubnu a podávacího zařízení a samostatný pohon dopravníku Tato varianta pohonu je vlastně kombinací dvou předchozích variant. Elektromotor s převodovkou a měničem frekvence pohání hřídel plnícího bubnu. Pohon podávajícího šneku a unášečů je realizován vhodnou kombinací řetězových a ozubených převodů od hřídele plnícího bubnu. Dopravník je poháněn vlastním elektromotorem s převodovkou a měničem frekvence. Výhody: - Nižší nároky na řídící elektroniku.
-
Využití relativně jednoduchého elektronického systému řízení. - Samostatný pohon dopravníku (odpadá problém řešení mechanického pohonu pro dopravník a dochází tím pádem ke konstrukčnímu zjednodušení). - Pevně daný převodový poměr mezi otáčkami plnícího bubnu a podávacího zařízení, co má za následek, že nemůže docházet k žádným kolizím mezi zařízením a plechovkami. Nevýhody: - Zůstává problém řešení mechanických převodů pro přenos hnací energie z bubnu na podávací šnek a unášeče. - Nutnost použití 2 elektromotorů, převodovek a měničů frekvence. 4. VOLBA TYPU POHONU Na volbu pohonu plničky má vliv řada kritérii. Jedním z důležitých faktorů je složitost konstrukčního řešení. Z hlediska konstrukčního řešení je nejjednodušší varianta samostatného pohonu plnícího bubnu, samostatný pohon podávacího zařízení a samostatný pohon dopravníku. Je to varianta, která odpovídá dnešnímu modernímu trendu tzn. minimum mechanických převodů a s větším využitím řídící elektroniky. Tato varianta má ale jednu značnou nevýhodu a tou je cena. Cena je zpravidla pro většinu zákazníků rozhodujícím kritériem pro výběr varianty pohonu, jestliže nechtějí investovat do nových a dražších technologií. Použití tří elektromotorů s převodovkou a tří měničů frekvence spolu nese větší finanční zátěž než u zbývajících dvou variant. Jako značně výhodnější varianta s hlediska ceny avšak značně konstrukčně složitější je varianta společného pohonu bubnu a podávacího zařízení a samostatného pohonu dopravníku. Tato varianta představuje kompromis mezi cenou a složitostí konstrukčního řešení. Jako jednoznačně nejlevnější se jeví varianta společného pohonu bubnu, podávacího zařízení a dopravníku. Tato možnost je konstrukčně nejnáročnější. Vyžaduje použití většího množství mechanických převodů. Při volbě varianty byla rozhodujícím faktorem cena, proto byla zvolena varianta společného pohonu bubnu, podávacího zařízení a dopravníku. 5. POPIS VYBRANÉHO TYPU POHONU Elektromotor se šnekovou převodovkou a měničem frekvence pohání vstupní hřídel. Pomocí přímého ozubeného soukolí se šikmými zuby dochází k přenosu kroutícího momentu ze vstupní hřídele na hřídel plnícího bubnu. Tímto dochází rovněž k pohonu unašeče pod plnícím bubnem. Na vstupním hřídeli je rovněž umístěno řetězové kolo přišroubované k ozubenému kolu, které je součástí řetězového převodu pohánějícího zbylé dva unašeče. Z unášeče transportujícího již naplněné plechovky zpět na dopravník, je pomocí řetězového převodu přenášen kroutící moment sloužící k pohonu dopravníku. Z důvodu velké vzdálenosti obou hřídelí, musí se zde použít napínací kladka. Z hřídele je pak pomocí kuželového soukolí přenášen kroutící moment na řetězové kolo
pohánějící dopravník. K pohonu podávacího šneku slouží řetězový převod, kardanův kloub, kuželové soukolí. Kroutící moment se z unašeče transportujícího prázdné plechovky na dopravník přenáší pomocí řetězového převodu s napínacími kladkami na hřídel umístěný v rámu dopravníku. Z hřídele dochází k přenosu momentu na kardan pomocí kuželového soukolí. Kardanův kloub přenáší moment na podávací šnek . Podávací šnek vyžaduje použití kardanova kloubu z důvodu své nastavitelnosti. Při podávání plechovek větších rozměrů je nutno podávací šnek posunout nahoru a šnek se nachází v poloze mimo osu oproti hřídeli s kuželovým ozubeným kolem. 6. NAVRŽENÉ PŘEVODY Ozubené soukolí se šikmými zuby pohání plnící buben s příslušenstvím. Soukolí přenáší výkon 1,6 kW. Soukolí je navrhováno jako soukolí typu N. Materiál obou kol je vzhledem k potravinářskému průmyslu ocel 17 248 [5] s mezí pevnosti v tah Rm = 515MPa tvrdostí 215 HB. Jedná se o ocel stabilizovanou titanem se zvýšenou odolnosti proti mezikrystalické korozi. Ocel je vhodná pro prostředí vyžadující čistotu, vhodná pro prostředí se silnou oxidační povahou. K pohonu unašečů slouží řetězový převod. Je navržený jako jednořadý válečkový řetěz dle ČSN 02 3311 [3]. Řetězová kola budou vyrobeny z materiálu 17 241 [5]. Jedná se o ocel použitelnou v prostředí, které vyžaduje vysokou čistotu a pro součásti pracující v potravinářském a chemickém průmyslu do teploty 400° C. Dalším převodem sloužícím k pohonu dopravníku je
Obr. 3 Namáhání řetězu
řetězový převod s jednořadým válečkovým řetězem dle ČSN 02 3311 [3]. U tohoto řetězového převodu vzhledem k jeho délce je nutné použít napínací kladku, abychom zajistili optimální napnutí řetězu. Napínací kladka bude mít stejný počet zubů jako menší řetězové kolo. Napínací kladka bude uchycena k rámu. Napínání řetězu bude zajištěno pomocí pružiny, která bude dotlačovat napínací kladku směrem k řetězu. Použitým materiálem pro řetězová kola bude rovněž materiál 17 241.
7. KONSTRUKCE JEDNOTLIVÝCH ČÁSTI POHONU Vstupní hřídel bude vyroben z materiálu 17 240 [5]. Jedná se o ocel použitelnou v prostředí, které vyžaduje vysokou čistotu, je vhodná pro prostředí oxidační povahy. Vstupní hřídel je spojený s výstupním hřídelem z převodovky pomocí drážkovaného spojení. Jedná se o rovnoboké drážkování se středěním na vnitřní průměr. Hřídel bude uložen ve dvou podporách. Budou jimi dva valivá ložiska. Jedná se o jednořadé kuličkové ložisko a jednořadé kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem. Pro správné dosednutí ložisek na hřídel bude použito zápichů. Na vstupní hřídeli bude uloženo ozubené a řetězové kolo. Ke spojení hřídele s ozubeným kolem je použito spojení pomocí dvou per těsných. Drážky pro pera budou frézovány pod úhlem 120°. Ozubené kolo je zajištěno proti axiálnímu pohybu pomocí pojistného kroužku pro hřídele. Použitým uložením pro uložení ozubeného kola na hřídel je uložení H7/j6 jedná se o posuvné uložení s nepatrnou vůlí nebo s nepatrným přesahem [4]. Řetězové kolo je spojeno pomocí 5 šroubů s ozubeným kolem.. Šrouby rovněž zajišťují řetězové kolo proti axiálnímu pohybu a umožňují přesné ustavení součásti. Proti povolení jsou šrouby zajištěny pružnou podložkou. Použitým uložením pro spojení řetězového kola je rovněž H7/j6. Rozpěrný kroužek mezi řetězovým kolem a ozubeným kolem slouží k vymezení přesné vzdálenosti mezi těmito součástmi a rovněž jako opora pro řetězové kolo. Kuličkové ložisko je zajištěno proti axiálnímu posunutí pomocí pojistného kroužku pro hřídelea je uloženo ve víčku. Kuličkovému ložisku s kosoúhlým stykem brání v axiálnímu posunutí víko. Tyto víka jsou vzájemně sešroubovány a přišroubovány k uzavřenému profilu. Obr. 4 ukazuje uložení součástí na hřídeli.
podložkou. Pro takový to způsob zajištění musí být v závitové části hřídele vyrobená drážka pro zub MB podložky. Celá tato hřídel je uložena ve dvou jednořadých kuličkových ložiscích. Bude se jednat o ložiska s těsněním na jedné straně. Jejich vzdálenost je vymezena použitím rozpěrného kroužku z oceli 17 240. Ložiska a rozpěrný kroužek jsou uloženy ve skříni. Proti axiálnímu posunutí jsou ložiska zajištěny pomocí pojistného kroužku pro díry. Celá skříň bude přišroubovaná čtyřmi šrouby k uzavřenému profilu. A samotný unášeč bude přišroubován šroubem ke hřídeli. Konstrukční provedení unašeče plných plechovek je identické jako provedení unášeče podávajícího prázdné plechovky. Kroutící moment je na unášeč přiváděn pomocí řetězového převodu a pomocí řetězového převodu slouží k pohonu dopravníku. Vzdálenost mezi dvěma řetězovými koly je opět vymezena rozpěrným kroužkem z oceli 17 240. Všechny tyto součásti jsou spojeny s hřídelí pomocí pera těsného. Zajištění proti posunutí je provedeno pomocí kruhové matice
Obr. 5 Unášeč prázdných plechovek
Obr. 4 Vstupní hřídel se součástmi
Unašeč prázdných plechovek (obr.5) je poháněn řetězovým převodem. Druhé řetězové kolo umístěná na hřídeli unašeče slouží k pohonu podávacího šneku. Vzdálenost mezi dvěma řetězovými koly je vymezena pomocí rozpěrného kroužku. Kroužek je vyroben z oceli 17 240 a je stejně jako oba řetězová kola spojen s hřídelí pomocí pera těsného Cela tato soustava řetězových kol a rozpěrného kroužku je zajištěna proti axiálnímu posunutí kruhovou maticí KM 4 se zářezy a pojistnou
KM se zářezy a pojistné podložky MB. Hřídel je uložena ve dvou kuličkových ložiscích s těsněním na jedné straně. Proti axiálnímu posunutí budou zabezpečeny pojistným kroužkem pro hřídele a pojistným kroužkem pro díry. Rozpěrný kroužek bude sloužit jak opora ložisek a bude určovat vzdálenost mezi nimi. Ložiska, rozpěrný kroužek a pojistný kroužek pro díry budou uloženy ve skříni, která bude pomocí čtyř šroubů přišroubováno k nosnému uzavřenému profilu. V horní částí hřídele je opět přišroubován unášeč šroubem. Kroutící moment se přenáší na hřídel, sloužící ke spojení s kuželovým soukolím, pomocí řetězového převodu. Řetězové kolo je spojeno s hřídelem pomocí pera těsného. Je zajištěno proti posunutí pomocí dvou kontra matic. Hřídel je uložena v jednom kuličkovém ložisku s kosoúhlým stykem. Ložisko je zajištěno proti axiálnímu posunutí pomocí pojistným kroužkem. Bude s obou stran uzavřeno ve vících. Tyto víka budou
vzájemně sešroubovány pomocí 8 šroubů a 8 pružných podložek. V obou vících se bude nacházet těsnění, aby nedocházelo ke znečištění ložiska. Jedná se o plstěné kroužky a budou umístěny v drážce pro těsnění, která se nachází v každém víku. Pro návrh kuželového soukolí s přímými zuby jsem použil výrobní program firem LPM s.r.o. [6] a BETZ s.r.o. [7]. Kuželové soukolí bylo vybráno dle katalogu firem. Bude vyrobeno s lítého polyamidu PA 6 G 210 s mezí kluzu Re 90 MPa a tvrdosti dle Brinella 160 HB. Součástí těchto ozubených kol bude hřídel se závitem a konzola ve kterém bude uložená hřídel v kluzném ložisku. Následně se hřídel kola našroubuje do hřídele. Konzoly s koly a víka se přišroubují do základní desky a ta bude opět přišroubovaná do uzavřeného profilu. ZÁVĚR V článku je řešen návrh pohonu dopravníku plnícího stroje. Jsou zde popsány tři varianty řešení, které se v současné době vyskytují na trhu. Především z cenových důvodů byl vybrán společný pohon dopravníku, plnícího bubnu a
podávacího zařízení jedním elektromotorem s frekvenčním měničem. PODĚKOVÁNÍ Tento článek vznikl za podpory VAV 13290. LITERATURA [1] SIMA Food Machines Ltda – Prospekty http://www.simafood.com.br/. [2] Zilli&Belini srl. – Prospekty http://www.zilli-bellini.com. [3] Řetězy Vamberk – volba válečkového řetězu, URL:
[cit. 2007-02-27] [4] SVOBODA, P., KOVÁRÍK, R., BRANDEJS, J. Základy konstruování. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2001. 186 s. ISBN: 80-7204-212-2 [5] Interlloy – Stainless Steel Bar URL: [cit. 2007-03-10] [6] LPM, s.r.o. – Prospekty http://www.lpm.cz [7] BETZ, s.r.o. – Prospekty http://www.betz.cz
