D o u ż y t k u w e w n ę t r z n e g o Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego WYBRANE ZAGADNIENIA Z BUDOWY I EKSPLOATACJI PRZENOŚNIKÓW W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM Ćwiczenia projektowe Opracowanie: Maciej Kabziński Kraków, 2015 1
WIADOMOŚCI WSTĘPNE Przenoszenie (transport materiałów) definiowane jest jako zespół czynności związanych z przenoszeniem tych materiałów przy użyciu odpowiednich środków. Transport materiałów stanowi istotną część procesu produkcyjnego, a środku transportu zaliczane są do środków produkcji. Transport w przetwórstwie spożywczym dzieli się na zewnętrzny i wewnętrzny. I tak, na transport zewnętrzny składają się dostarczanie surowców, półproduktów od dostawców do zakładu oraz produktów gotowych z zakładu do odbiorców. W tym przypadku środkami transportowymi są najczęściej pojazdy samochodowe i kolej, rzadziej natomiast statki i samoloty. Z kolei, transport wewnętrzny obejmuje przemieszczanie surowców, półproduktów, dodatków do produktu oraz wyrobu gotowego wewnątrz przedsiębiorstwa. Ponadto do tego rodzaju transportu zalicza się również odbiór surowców i półfabrykatów od dostawców, jak i wysyłkę wyrobów gotowych (powiązanie transportu wewnętrznego z zewnętrznym). W zależności od rodzaju przemieszczania w transporcie wewnętrznym można wyróżnić transport międzyoperacyjny (np. w przetwórstwie mleczarskim przemieszczenie mleka z wirówki do homogenizatora w obrębie wydziału aparatowni) i międzywydziałowy (np. przemieszczanie mleka odtłuszczonego z wydziału aparatowni do wydziału jogurtowni). Wewnętrznymi środkami transportowymi są najczęściej rurociągi (przenoszenie surowców, półproduktów i produktów w stanie ciekłym) oraz dźwignice i przenośniki (stosowane do materiałów sypkich, w porcjach, surowców w stanie stałym, produktów w opakowaniach). Dźwignice służą do przenoszenia ciał w sposób przerywany, natomiast przenośniki w sposób ciągły. Podstawowe cechy środków transportowych przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Cechy środków transportowych. Dźwignice udźwig (dopuszczalny ciężar użyteczny podnoszonych materiałów) prędkość ruchów (podnoszenia, jazdy, obrotu, zmiany wysięgu) Przenośniki rodzaj przenoszonego materiału kierunek ruchu wydajność Ponadto, w przypadku przemysłu spożywczego, dla środków transportowych mających kontakt z surowcami, półproduktami i wyrobem gotowym stawiane są specyficzne wymogi, między innymi: zapewnienie możliwości łatwego i wygodnego mycia ochrona produktu przed możliwością przenikania do niego ciał postronnych (zanieczyszczeń): smarów, produktów zużycia elementów trących itd. Najbardziej powszechnymi rodzajami przenośników w przemyśle spożywczym są przenośniki: podwieszone, taśmowe, członowe i zgarniakowe, wózki, ześlizgi i przenośniki rolkowe oraz przenośniki ślimakowe. PRZENOŚNIKI PODWIESZANE Przenośniki podwieszane (rys. 1.) są przenośnikami o trasie okrężnej, służące do przemieszczania ładunków jednostkowych (np. tuszek drobiowych) lub materiałów sypkich w pojemnikach zawieszonych na specjalnych wózkach. 2
Rys. 1. Przenośnik podwieszony w ciągu linii technologicznej rozbioru drobiu. Ze względu na konstrukcję i zasadę działania przenośniki podwieszone dzieli się na dwie zasadnicze grupy: 1) przenośniki jednotorowe (wózki podtrzymujące cięgno napędowe oraz wózki nośne, na których zawiesza się obciążenie użyteczne, są połączone na stałe cięgnem i poruszają się po jednym wspólnym torze), 2) przenośniki dwutorowe zaczepowe (wyposażone w dwa tory, z których jeden górny jest przeznaczony do prowadzenia wózków podtrzymujących cięgno z zaczepami, a dolny dla wózków dolnych z zawiesiami, na których umieszczone są transportowane ładunki; wózki nośne przeciągane są wzdłuż toru za pomocą zaczepów i mogą być włączane w obieg przenośnika lub wyłączane z niego poprzez zastosowanie odgałęzień torów lub rozjazdów). Długość drogi przenoszenia w przypadku tego rodzaju przenośników wynosi najczęściej kilkaset metrów (przy napędzie pojedynczym; przy zastosowaniu napędu wielokrotnego nawet do 3 km). Przenośniki podwieszone mogą być stosowane zarówno do transportu międzyoperacyjnego, jak i międzywydziałowego. W przetwórstwie spożywczym przenośniki te są szczególnie rozpowszechnione w przemyśle mięsnym. W skład przenośnika podwieszonego wchodzą następujące zespoły: - zespół napędowy (silnik, wariator, koło napędowe), - zespół napinający (koło napinające osadzone na przesuwnej ramie), - koła kierujące do zmiany kierunku przesuwu podnośnika, - łańcuch z zabierakami (popychaczami), - skrzyżowania i rozjazdy (opcjonalne). Do podstawowych parametrów technicznych przenośników podwieszonych należą: współczynnik napędu giętkiego elementu napędzającego, kąt nachylenia maszyny do poziomu przy transporcie ładunków bez napędu mechanicznego, prędkość elementu napędzającego, długość odcinka roboczego szyny przenośnika oraz moc silnika napędzającego. PRZENOŚNIKI TAŚMOWE Przenośnikami wykorzystywanymi praktycznie przez wszystkie gałęzie przemysłu spożywczego są przenośniki taśmowe (rys. 2). Ich zastosowanie jest możliwe począwszy od przyjęcia surowca (wyładunek, segregacja), w toku procesu technologicznego (np. operacje termiczne produktu wyłożonego na taśmę), jak i w końcowych etapach produkcji (rozlew do 3
opakowań, zamykanie opakowań jednostkowych, pakowanie opakowań jednostkowych do opakowań zbiorczych). Rys. 2. Przenośnik taśmowy. Budowę przenośników tego rodzaju przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Budowa i zasada działania przenośnika taśmowego: a) stacjonarnego: 1 bęben napędowy, 2 bęben napinający, 3 krążnik podtrzymujący taśmę; b) przejezdnego: 1 mechanizm roboczy (tak jak w punkcie a.), 2 mechanizm jezdny Zasadniczą częścią roboczą przenośników taśmowych jest taśma, na której bezpośrednio lub w pojemnikach umieszczony jest obrabiany produkt. W praktyce przemysłowej stosuje się dwa rodzaje taśm: 1) taśmy impregnowane z tworzywa sztucznego, stosowane wówczas, gdy temperatura przenoszonego produktu nie przekracza 65 o C, 2) taśmy ze stali nierdzewnej zarówno w formie pełnej jak i z ogniw stalowych (eksploatacja tego typu taśm jest skomplikowana ze względu na trudny montaż i regulację). Rodzaj materiału, z którego wykonana jest taśma ma decydujące znaczenie dla parametrów geometrycznych układu napędowo-prowadzącego taśmę. 4
I tak, dla taśm impregnowanych przyjmuje się szerokość bębna prowadzącego o 11 mm większą od szerokości taśmy, natomiast dla taśm stalowych o 50-100 mm mniejszą od szerokości taśmy. Średnice prowadzących i napinających bębnów wynoszą: dla taśm impregnowanych minimum 400-500 mm (dla taśm cienkich przy niedużym obciążeniu przenośnika minimalna średnica bębnów może wynosić 250-400 mm), dla taśm stalowych średnica bębnów jest około 1000 razy większa od grubości taśmy. Szybkość ruchu taśmy zależy od przeznaczenia przenośnika i rodzaju przenoszonego produktu. Dla materiałów sypkich nie podlegających obróbce, stosuje się szybkości rzędu 1-2 m/s, przy transporcie materiałów sypkich z jednoczesną ich obróbką szybkość taśmy zamyka się w granicach 0,1-0,3 m/s, natomiast w przypadku procesów załadowczo-wyładowczych wielkość ta wynosi odpowiednio 0,2-0,5 m/s. PRZENOŚNIKI ŚLIMAKOWE Przenośniki ślimakowe (rys. 4) stanowią, obok przenośników taśmowych i podwieszonych, kolejną ważną grupę maszyn transportowych w przemyśle spożywczym. Znajdują one zastosowanie tak do przenoszenia materiałów płynnych i półpłynnych (np. o konsystencji pastowatej), jak i transportu sypkich surowców i prefabrykatów spożywczych. Na przykład, w przetwórstwie mięsa mogą być one wykorzystywane do transportu: skwarek, soli, a także kęsów mięsa. Ponadto przenośniki ślimakowe mogą intensyfikować przebieg niektórych procesów, takich jak: nagrzewanie, schładzanie oraz rozpuszczanie. Rysunek 4. Przenośnik ślimakowy. Przenośnik ślimakowy składa się z: 1) korpusu ze zbiornikiem załadowczym, 2) wału z ułożyskowaniem, 3) ślimaka. Schemat i zasadę działania przenośnika ślimakowego ilustruje rysunek 5. 5
Rys. 5. Schemat przenośnika ślimakowego: 1 korpus, 2 wał, 3 ślimak, 4,5 łożyska, 6 łożysko podwieszone (opcjonalne). W zależności od przeznaczenia, w praktyce przemysłowej stosuje się ślimaki: śrubowe, spiralne, ciągłe, łopatkowe oraz w wykonaniu specjalnym (niekiedy również do konkretnych celów na zamówienie odbiorcy urządzenia). Najpowszechniej stosowane odmiany ślimaka wraz z ich zastosowaniem zebrano w tabeli 3. Tabela 3. Warianty ślimaków i ich zastosowanie. ŚLIMAKI: Śrubowe ciągłe Spiralne Łopatkowe O kształtach specjalnych ZASTOSOWANIE - transport materiałów sypkich, ziarnistych - w suszarniach i urządzeniach chłodniczych - transport produktów w postaci kęsów - transport produktów wilgotnych o dużej lepkości - w procesach mycia, suszenia i mieszania - transport produktów ziarnistych w postaci drobnych kęsków - w procesie mieszania, suszenia, nagrzewania, i schładzania produktów ziarnistych - transport produktów sypkich i ziarnistych w procesie ich mieszania Najczęściej wykorzystywanymi są ślimaki o średnicach zmieniających się w granicach 150-600 mm, w przenośnikach o długości w przedziale 10-30 m. Przenośniki ślimakowe osiągają zwykle wydajność rzędu 2-60 m 3 /h. OBLICZENIA PROJEKTOWE PRZENOŚNIKA TAŚMOWEGO Celem projektu jest zapoznanie studentów z aspektami konstrukcji wybranego rodzaju przenośnika stosowanego w przemyśle spożywczym. Przedmiotem ćwiczenia jest zaprojektowanie przenośnika taśmowego poziomego z przekładnią pasową (z pasem płaskim), służącego do przenoszenia mąki pszennej w postaci ciągłej warstwy. Dane projektu: Wydajność przenośnika, M [t/h] Długość przenośnika, L [m] Szerokość taśmy, B [m] W projekcie należy ponadto przyjąć następujące dane szczegółowe: Gęstość usypowa mąki pszennej, ρ 600 kg m -3 Wysokość wsporników bębnów 1,5 m 6
Współczynnik sprawności przekładni, η 0,7 Współczynnik przeciążenia przekładni, K 1,2 Obliczanie podstawowych parametrów geometrycznych elementów przenośnika Podstawowe parametry geometryczne elementów przenośnika, tj. średnice i szerokości bębnów oraz krążników określa się przy użyciu zależności, podanych w tabeli 2. Tabela 2. Zależności służące do obliczenia geometrii elementów przenośnika. Średnice bębnów D B = 0,4 0, 5m Średnice krążników podtrzymujących taśmę Szerokość bębnów i krążników podtrzymujących taśmę Ilość krążników podtrzymujących taśmę D K = 0, 1 D B B B / K = B + 100mm 1 szt. na 1m bieżący przenośnika Obliczanie podstawowych parametrów technologicznych przenośnika i dobór silnika Podstawowymi parametrami technicznymi przenośników taśmowych są: wydajność oraz moc silnika napędowego. Na podstawie wyrażenia na wydajność przenośnika przy transporcie materiałów sypkich, oblicza się szybkość ruchu taśmy (v): M v =, [m s -1 ] 2 0,128 B ρ gdzie: B szerokość taśmy, [m] ρ - masa usypowa, [kg m -3 ] Z kolei, moc silnika napędowego (N, dla przenośników taśmowych poziomych, z samoczynnym przeładunkiem), wyznacza się na podstawie wyrażenia: ( k1 L v + 0,00015 M L) k2 N =, [kw] η gdzie: k 1 współczynnik oporu ruchu taśmy (zależny od szerokości taśmy) (tabela 3) k 2 współczynnik uwzględniający długość przenośnika (tabela 3) Tabela 3. Współczynniki k 1 i k 2 B k 1 L k 2 400 mm 0,012 < 15 m 1,25 460 mm 0,014 15 30 m 1,12 540 mm 0,017 650 mm 0,020 Następnie, należy dobrać silnik z katalogu produktów dostępnych na rynku (tabela 4). Moc znamionowa silnika dostępnego na rynku powinna być nieznacznie większa lub równa od mocy obliczonej z równania powyżej. Z tabeli (4) należy odczytać symbol silnika, moc znamionową P 1 oraz prędkość znamionową n 1. Dane te posłużą do zaprojektowania przekładni pasowej, w dalszej części projektu. 7
Lp. Tabela 4. Katalog silników trójfazowych ogólnego przeznaczenia, BESEL SA Brzeg. (www.cantonigroup.com/pl/motors/besel) Moc Prędkość Moc znamionowa znamionowa Lp. Symbol znamionowa P 1, [kw] n 1, [min -1 ] P 1, [kw] Symbol Prędkość znamionowa n 1, [min -1 ] 1 Sh 63-8A 0.04 670 16 Sh 63-2A 0.18 2760 2 Sh 56-4A 0.06 1400 17 Sh 63-4B 0.18 1380 3 Sh 56-6B 0.06 900 18 Sh 71-6A 0.18 890 4 Sh 63-8B 0.06 660 19 Sh 80-8A 0.18 680 5 Sh 63X-8C 0.075 650 20 Sh 63-2B 0.25 2780 6 Sh 56-2A 0.09 2820 21 Sh 71-4A 0.25 1380 7 Sh 56-4B 0.09 1400 22 Sh 71-6B 0.25 860 8 Sh 63-6A 0.09 820 23 Sh 80-8B 0.25 680 9 Sh 71-8A 0.09 680 24 Sh 71-2A 0.37 2800 10 Sh 56-2B 0.12 2800 25 Sh 71-4B 0.37 1370 11 Sh 56X-4C 0.12 1400 26 Sh 80-6A 0.37 910 12 Sh 63-4A 0.12 1380 27 Sh 80X-8C 0.37 680 13 Sh 63-6B 0.12 870 28 Sh 80-4A 0.55 1400 14 Sh 71-8B 0.12 670 29 Sh 80-6B 0.55 900 15 Sh 63X-6C 0.15 870 30 Sh 80X-8D 0.55 690 Obliczanie parametrów przekładni pasowej Obliczona prędkość ruchu przenośnika rzadko pokrywa się z prędkością silnika. W związku z tym, konieczne jest zastosowanie przekładni. W urządzeniach przemysłu spożywczego powszechnie stosuje się przekładnie pasowe. Głównymi ich zaletami są: możliwość przenoszenia różnych mocy, praca przy różnych prędkościach cięgna (pasa), oraz duże rozstawienia osi kół. Schemat przekładni pasowej przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Schemat przekładni pasowej. Podstawowymi parametrami geometrycznymi przekładni, są: średnica koła napędowego (przy silniku), średnica koła napędzanego (przy bębnie przenośnika) oraz, na ich podstawie, przełożenie przekładni. Ponadto, podaje się odległość między środkami kół, tworzących przekładnię. Średnicę koła napędowego (D 1 ), oblicza się na podstawie obliczonej wcześniej prędkości ruchu taśmy (v) oraz, odczytanej z tabeli (4), prędkości znamionowej silnika (n 1, w min -1 ): 60 v D1 = π n 1 Średnicę koła napędzanego należy przyjąć, zgodnie z zależnością podaną poniżej: 8
D2 = 1, 5 D B Odległość pomiędzy środkami kół pasowych (a, inaczej rozstaw kół) określa się z równania: a = 2 ( D1 + D2 ) Przełożenie przekładni (i), opisujące (między innymi) stosunek średnic koła napędzanego do koła napędowego, oblicza się na podstawie wyrażenia: D2 i = D 1 PROJEKT WYBRANYCH PRZENOŚNIKÓW 1) Wykonanie projektu polega na dokonaniu obliczeń konstrukcyjnoeksploatacyjnych (wydajności przenośnika i mocy zainstalowanego napędu) przenośników taśmowego i ślimakowego, względem danych podanych przez prowadzącego (prędkość ruchu elementu roboczego, długość robocza przenośnika, inne niezbędne wymiary). Obliczenia przenośnika należy wykonać dla transportowanego medium sypkiego w postaci mąki pszennej (o ciężarze usypowym wynoszącym). 2) Studenci wykonują projekt w grupach dwuosobowych. 3) Kompletny projekt powinien składać się z: a) obliczeń wydajności i mocy napędu (pismem odręcznym, na papierze kancelaryjnym), b) rysunku przenośnika w formacie A3, wykonanego ręcznie, w wybranej przez studentów skali, zawierającego: - rzut z góry przenośnika, bez przekładni i silnika, z wymiarowaniem, - rzut boczny przenośnika, bez przekładni i silnika, z wymiarowaniem, - schemat przekładni pasowej w rzucie czołowym, z wymiarowaniem. c) tabeli z wyszczególnionymi: rodzajem przenośnika, danymi podanymi przez prowadzącego, parametrami geometrycznymi, mocą napędu oraz wydajnością. LITERATURA 1. Dietrich M. (red.) (2015): Podstawy konstrukcji maszyn. Tom 3. Wydawnictwo WNT, Warszawa. 2. Popko H., Gilewicz K., Opielak M. (1985): Maszyny przemysłu spożywczego. Transport wewnątrzzakładowy. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin. 3. Popko H., Popko R., Popko A. (1998): Podstawy konstrukcji maszyn przemysłu spożywczego. Przemysł mięsny. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin. 4. Rutkowski A. (2013): Części maszyn. Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa. 9