Шнековый дозатор

Рисунок 5. Размещение корпуса шнека внутри трубы рукавообразователя: 1. Конический дункер 2. Приводной вал шнека 3. Лопасть-мешалка 4. Муфта 5. Шнек 6. Корпус шнека 7. Конический шнек 8. Труба рукавообразователя 9. Рукавообразователь 10. Патрубок 

Образовавшаяся  кольцевая щель способствует выходу воздуха из пакета. Иногда на трубе  рукавоообразователя устанавливается патрубок 10, подводом вакуума к которому можно проводить аспирацию — отсасывать пыль, поднимающуюся при поступлении дозы продукта в пакет.

 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 6. Расположение двух шнековых дозаторов с отклонением от вертикали 

При установке  шнековых дозаторов на многоручьевых автоматах вертикального типа,  изготавливающих плоский пакет или упаковку «стик», а иногда и на автоматах горизонтального типа, производящих дозирование одновременно в несколько единиц тары, возникают трудности, связанные с недостатком места из-за диаметрального размера конического бункера. Для преодоления этих трудностей, например, устанавливают два дозатора с отклонением оси бункера и шнека от вертикали (рис. 6) или превращают два дозатора в «сиамских близнецов», «сращивая» их конические бункеры (рис. 7). 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 7. Схема  сдвоенного шнекового дозатора для автоматов в двухручьевом исполнении 

Очень интересна  конструкция шнекового дозатора для многоручьевого исполнения автоматов, схема которого представлена на рисунке 8. Здесь конический бункер заменен клинообразным 2, из которого выходят несколько (по числу ручьев) дозирующих шнеков 3 в корпусах 5. Лопасти-мешалки 4 имеют не вертикальную, а несколько горизонтальных осей вращения и расположены внутри конического бункера таким образом, что перекрывают практически все пространство бункера, не давая в нем слеживаться продукту. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Проблемы, связанные с дозируемыми  продуктами

При использовании  шнековых дозаторов иногда возникают проблемы, связанные не столько с конструктивными особенностями дозаторов, сколько с физико-механическими свойствами дозируемых продуктов. Кроме трудносыпучих продуктов, бывают и легкотекучие порошкообразные продукты, и их, как ни покажется странным, лучше всего дозировать именно с помощью шнекового дозатора. А есть липнущие и слипающиеся продукты, тут без шнекового дозатора не обойтись. Когда-то давно автору пришлось иметь дело с порошкообразным химическим продуктом, который легко «протекал» сквозь неподвижный шнек, а при небольшом усилии слипался, как подтаявший снег.

 
 
 
 
 
 

Рисунок 8. Схем шнекового дозатора для автомата многоручьевого исполнения: 1. Приемная воронка 2. Клинообразный дункер 3. Шнек 4. Лопасти-мешалки 5. Корпус шнека 

Продукт, дозируемый с помощью шнека, может частично проходить сквозь остановившийся шнек, может налипать на выходной конец  шнека, а потом, оторвавшись от него, в самый неподходящий момент попасть  в пакет, нарушив тем самым  величину дозы, а то и между поперечными  губками, если дозатор используется на машине, оперирующей с гибкими  термосвариваемыми материалами. А это вызовет не образование поперечного шва на пакете и остановку работы автомата.

Чтобы не происходила  несанкционированная выдача продукта, при дозировании некоторых продуктов  на выходном конце корпуса дозирующего  шнека устанавливают заслонку. Самая  простая заслонка — это круглый  диск, крепящийся с одного своего края на торце выходного конца корпуса  шнека. Диск управляется тягой, проходящей снаружи корпуса, или скрытый  в продольном пазе, проходящем по наружной поверхности корпуса. В момент дозирования  заслонка откинута, а при прекращении  выдачи дозы — прижата к торцу  корпуса. Приходилось встречать  заслонку в виде двух дисков (подвижного и неподвижного) с радиальными  прорезями. При дозировании подвижный  диск находится в положении, когда  его прорези совпадают с прорезями  в неподвижном диске. По окончании  выдачи дозы подвижный диск поворачивается, и промежутки между его прорезями  перекрывают прорези неподвижного диска. Интересна и заслонка в  виде конуса 3, изготовленного из упругого материала (рис. 9). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 9. Заслонка в виде конуса: 1. Шнек 2. Корпус 3. Заслонка 4. Стержень 

Заслонка крепится на стержне 4, располагающемся в отверстии, проходящем внутри шнека 1. Когда нет  выдачи дозы, заслонка прижата к  торцу корпуса 2. При дозировании  стержень и заслонка каким-то механизмом опускаются, и продукт выходит  из дозатора. К сожалению, на открытие и закрытие заслонки любой конструкции  требуется, пусть и небольшое, время, которое снизит и без того не самую  высокую производительность шнекового дозатора. Время на открытие снизится, а конструкция упростится, если стержень заслонки, изображенной на рисунке 9, соединить не с механизмом привода, а подпружинить где-то вверху. Тогда при нагнетании шнеком продукт сам оттянет заслонку и будет проходить в тару.

Очень интересна совершенно безприводная и безинерционная заслонка, защищенная некогда авторским свидетельством СССР (успешно применявшаяся при фасовании некоторых продуктов) в виде круглой волосяной щетки (рис. 10). 
 
 
 
 

Рисунок 10. Заслонка из круглой щетки: 1. Шнек 2. Корпус 3. Щетка 
 
 
 

Круглая волосяная  щетка 3 диаметром несколько большим, чем внутренний диаметр корпуса  шнека, крепится с возможностью свободного вращения на конце дозирующего шнека 1. Для обеспечения этой возможности, к примеру, используется небольшой подшипник. Когда шнек не вращается, концы щетины благодаря своей упругости упираются во внутренние стенки корпуса шнека 2 и не дают возможности продукту высыпаться из дозатора. При вращении шнека, нагнетаемый продукт отдавливает щетину и поступает в тару. При прекращении нагнетания щетина разгибается и запирает продукт.

С точки зрения некогда популярной у нас в  стране среди специалистов, занимающихся техническим творчеством, теории решения  изобретательских задач (ТРИЗ), это  почти идеальное техническое  решение. У заслонки нет никакого привода. Да и сама заслонка есть, когда  продукту нельзя выходить, и ее нет, когда продукт нагнетается. Плюс то, что затраты на установку такой  заслонки мизерные. А слово «почти»  употреблено потому, что недостаток у нее все-таки есть. Волосяная  щетка в процессе ее эксплуатации имеет тенденцию «лысеть», и щетинки, выпадающие из нее, попадают в тару с продуктом. Ладно, когда дозируется химический продукт, а если детское  питание? Ребенок не отравится, но вряд ли попавший в кашу волосок улучшит  его аппетит. Практически все  дозируемые шнеком продукты пылят. И  различаются они тем, больше или  меньше пыли поднимается (а главное, оседает на стенках тары) при поступлении  дозы продукта в тару. Для упаковочных  материалов, образование и закрытие тары из которых производятся тепловой сваркой или склеиванием с применением клеев, запыленность поверхностей страшна: может просто не получиться качественный шов или надежное склеивание.

Избежать пыления  не удается, производители оборудования просто не имеют права изменять свойства фасуемых продуктов, поэтому приходится ограждать места будущих соединений в таре. При фасовании, к примеру, муки в бумажные пакеты дозой 2 кг для уменьшения запыленности применяют двойное дозирование с досыпкой. Вначале в пакет поступает продукт величиной примерно половина дозы, потом несколько меньше половины дозы, потом следует досыпка. А между этапами дозирования и после них пакет с продуктом подвергается утряске, чтобы доза заняла меньший объем в пакете, а со стенок пакета стряхнулась пыль.

 
 
 
 

Рисунок 11. Изоляция мест сварки пакета при фасовании пылящих продуктов на автомате вертикального воротникового типа: 1. Шнек 2. Корпус шнека 3. Труба рукавообразователя 4. Кольцевая камера 5. Мембрана 6. Упаков. Материал 
 
 
 
 
 

На оборудовании вертикального типа стремятся оградить места будущих швов от попадания  на них пыли. Вот один из вариантов  такой защиты (рис. 11). Вокруг трубы  рукавообразователя 3 воротникового автомата концентрично с зазором устанавливают кольцевую камеру 4. Внутренняя поверхность камеры изготовлена из упругого материала, являясь мембраной 5. Перед дозированием продукта в камеру подается сжатый воздух, мембрана выгибается и прижимает упаковочный материал к обволакиваемой им трубе, тем самым предотвращая попадание пыли на материал выше линии прижима.

Продольный шов  пакета образуется выше этой линии, а  когда воздух из камеры стравливается, транспортеры протяжки опускают рукав  вниз, и сварка поперечных швов осуществляется на не запыленном участке материала. Автор некогда применил на автомате такое устройство. Изоляция от пыли была надежной. Правда, мембрану достаточно часто приходилось менять. Коллега  применил (а потом и получил  авторское свидетельство) на не менее  эффективное, но более надежное устройство.

Он заменил  гибкую внутреннюю стенку камеры на жесткую, по диаметру которой были просверлены  несколько отверстий-сопел. В момент дозирования сжатый воздух, выходящий из сопел прижимал упаковочный материал к трубе рукавообразователя. Шнековый дозатор — достаточно сложное устройство. Здесь, естественно, описаны не все особенности и не все «хитрости», применяемые проектировщиками и изготовителями при создании надежного и точного дозатора. Сложны в изготовлении многие его детали. Например, лопасти-мешалки должны иметь такие рабочие поверхности, чтобы не просто взрыхляли дозируемый продукт, но и нагнетали его к дозирующему шнеку. Сложна и механика приводов. Дорогостоящи комплектующие изделия. Тут стоит упомянуть высокоточные электромагнитные муфты или серводвигатели, обеспечивающие точное включение и остановку шнека. Впрочем, несложным устройством, обеспечивающим получение дискретной дозы разных продуктов, дозаторы любых типов просто быть не могут. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Расчет параметров  шнекового рабочего органа 

2.1 Методика расчета 

Шаг шнека «Н»  и диаметр вала «d» определяем из расчета наружного диаметра шнека:

                              H=k₁*D      (1)

                              d=k₂*D      (2)

где D – наружный диаметр шнека,

k₁=0,7-0,8 – коэффициент коррекции шага шнека,

k₂=0,25-0,4 – коэффициент коррекции диаметра вала.

                        Н=0,75*0,13=0,1 м

                        d=0,3*0,13=0,04 м.

По ГОСТ 8734-88 в соответствии с полученным расчетным  значением диаметра вала шнека выбираем бесшовную холоднотянутую трубу  из стали 12Х18Н9Т трубу с наружным диаметром d=0,04 м и толщиной стенки δ=3,2 мм.

Угол подъёма  винтовой линии витка шнека в  зоне большого диаметра:

                              α_D=arctg(H/πD)     (3)

                        α_D=arctg(0,1/(3,14*0,13))=0,24 рад

Угол подъёма  у вала:

                              α_d=arctg(H/πd)     (4)

                        α_d=arctg(0,1/(3,14*0,04))=0,66 рад

Среднеарифметическое  значение угла наклона винтовой линии:

                              α_ср=(α_D+α_d)/2      (5)

                        α_ср=(0,24+0,66)/2=0,45 рад

Определим коэффициент  отставания перемещаемого шнеком продукта в процессе выполнения технологической  операции:

                              k₀=1 - (cos²α_ср - 0,5fsin2α_ср)    (6)

где f – коэффициент трения.

В качестве коэффициента трения принимаем коэффициент внутреннего  трения продукта. При этом f=tgφ.

                        k₀=1 - (cos²0,45 – 0,5*0,45*sin0,9)=0,365

Определим расчетный  предельный диаметр вала шнека:

                              d_пр=H*tgφ/π      (7)

                              d_пр=0,1*tg 0,45/3,14=0,015 м

d> d_пр, следовательно условие прочности выполняется.

Определим наибольшее значение изгибающего момента в  последнем витке шнека по внутреннему  контуру: