Диссертация: Разработка и исследование мехатронных автоматов для дозирования и фасования сыпучих продуктов.

Актуальность работы. Актуальность данной работы определяется необходимостью повышения производительности, снижения затрат энергии, уменьшения габаритов фасовочно-упаковочных автоматов и обеспечение требований к погрешности дозирования. Основным направлением развития фасовочно-упаковочных автоматов является максимальная автоматизация производственных процессов с применением мехатронных принципов проектирования, сокращение цикла дозирования, контроль параметров, снижение энергетических затрат, мониторинг процесса дозирования, уменьшение санитарно-гигиенических и террористических рисков и влияние человеческого фактора на оборудование и дозируемый продукт. Задача совершенствования технологических процессов дозирования, фасования и упаковывания сыпучих материалов решалась многими авторами, однако в научной литературе отсутствует системный подход к анализу и проектированию фасовочно-упаковочных автоматов этого типа. На рынке фасовочно-упаковочных автоматов для сыпучих продуктов их ассортимент ограничен и в основном продается китайское оборудование, не всегда отличающееся надежностью. Остро стоит вопрос с фасованием сыпучих продуктов малыми дозами, что особенно актуально для предприятий фармацевтической и пищевой промышленности. Отметим также отсутствие российских разработок подобных устройств. Кроме того, на рынке отсутствуют фасовочно-упаковочные автоматы для малых предприятий. Таким образом, актуальной целью исследования является: разработка принципов построения новых мехатронных автоматов дозирования и упаковки сыпучих продуктов малыми дозами с возможностью регулирования их производительности и обеспечения энергосбережения. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: 1) анализ известных способов и конструктивных решений установок точного дозирования и упаковывания сыпучих продуктов в диапазоне от 0,5 до 1000 г; 2) разработка новых технологических схем дозирования и упаковывания сыпучих продуктов малыми дозами и обоснование их технических параметров путем построения и исследования их математических моделей; 3) разработка универсального мехатронного дозатора сыпучих продуктов нового типа с многократным дозированием единичной массы и его исследование на математической модели и экспериментальном образце; 4) построение нового, более совершенного устройства складывания и протягивания упаковочного материала и его исследование; 5) предложение новой системы приводов устройств дозирования и протягивания упаковочного материала, определение их параметров с учетом компенсации диссипативных потерь и возможности рекуперации энергии; 6) разработка способа автоматического регулирования объема дозы в процессе фасования; 7) повышение производительности фасовочно-упаковочных автоматов при погрешности не более предусмотренной ГОСТ 8. 575-2002.
Объект исследования – мехатронные автоматы для дозирования и фасования сыпучих продуктов.
Предмет исследования – геометрические и динамические характеристики процесса дозирования и формирования пакетов; геометрические, силовые и динамические характеристики мехатронных пружинных приводов с рекуперацией энергии, применяемых в фасовочно-упаковочных автоматах.
Научная новизна: 1) предложен способ регулирования объемного дозирования сыпучих продуктов малыми дозами путем симметричного изменения величины хода шибера дозатора; 2) доказано, что значение фактического отрицательного отклонения номинальной дозы, полученной многократным последовательным дозированием единичных доз, меньше допускаемых отклонений; 3) создание условий для гармонического колебания дозатора, при перемещении дозатора позволяет быстродействие на 10% по сравнению с традиционным режимом с использованием типовых пневматических цилиндров; 4) обосновано разделение движения упаковочного материала на два этапа: первый этап периодического разматывания рулона с упаковочным материалом в аккумулятор при включении привода во время дозирования и фасования продукта, второй этап – протягивание упаковочного материала в режиме постоянных нагрузок, что повышает надежность автоматов; 5) предложена геометрическая модель устройства для складывания упаковочного материала, обеспечивающего равномерное натяжение упаковочного материала, при условии, что складывающая щель имеет эллиптическую форму.
Теоретическая и практическая значимость. Предложен научнообоснованный выбор конструкций дозаторов в зависимости от свойств продукта, допускаемых погрешностей дозирования и требуемой производительности: 1) даны рекомендации по выбору устройства дозирования, их главных характеристик, разработаны алгоритмы расчета основных конструктивных размеров дозаторов; 2) разработана мехатронная система дозирования сыпучих продуктов малыми дозами с массой меньше 5 г; 3) разработаны новые виды дозаторов, реализованные в виде экспериментальных образцов, некоторые из них используются в ООО «Аквамир»; 4) для пищевых и фармацевтических предприятий предложен ряд объемных дозаторов сыпучих продуктов с закрытыми мерными объемами с одновременной загрузкой одного или несколько пакетов; 5) разработан дозатор сыпучих продуктов для получения номинальной дозы способом последовательного многократного дозирования единичных доз, перекрывающий диапазон дозирования от 100 г до 1000 г; 6) разработано устройство разматывания рулонов с упаковочным материалом в дискретном режиме в интервале времени (патент РФ. № 2753622), отведенном на дозирование и фасование, что позволило обеспечить работу привода протягивания упаковочного материала, в режиме постоянной рабочей нагрузки, без снижения производительности и с минимальными затратами энергии; 7) разработано устройство формирования пакетов из ленточного упаковочного материала (патент РФ. № 2741139), позволяющее повысить скорость протягивания упаковочного материала и уменьшить его линейные габаритные размеры за счет того, что упаковочный материал после горизонтального направляющего ролика поступает в вертикальную щель, имеющую форму эллипса, где происходит его складывание; 8) разработан мехатронный пружинный привод для протягивания упаковочных материалов на базе кулисного механизма (патент РФ. № 2742446), показана возможность менять характеристики этого привода, за счет изменения предварительной деформации пружины; 9) разработанные мехатронные пружинные приводы с рекуперацией энергии позволяют, по крайней мере, в 5 раз снизить затраты энергии в приводах дозаторов и протягивания упаковочного материала.
Методы исследования – при решении поставленных задач использованы методы теоретической механики, теории механизмов и машин, роботов и мехатронных систем и математического компьютерного моделирования с использованием программы Mathcad.
Научные положения, выносимые на защиту: 1) методы расчета и проектирования зависимостей движения систем дозирования, разматывания и протягивания упаковочных материалов при использовании мехатронных пружинных приводов с рекуперацией энергии, входящих в состав робототехнических и мехатронных систем и машин, в том числе на основе принципов оптимизации; 2) исследование автоматизированных технологических процессов дозирования и фасования сыпучих продуктов, создаваемых на базе мехатронных систем, на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации; 3) повышение производительности создаваемых систем дозирования и фасования сыпучих продуктов, разработка безопасных методов их эксплуатации; 4) методика определения производительности в зависимости от геометрических характеристики плунжера и мерных объемов; 5) предложена эллиптическая зависимость движения шиберов дозаторов в дискретном режиме при использовании мехатронных пружинных приводов, применение которых увеличивает быстродействие на 10% по сравнению с традиционным трапецеидальным законом с использованием типовых пневматических цилиндров.
Реализация работы. Полученные результаты диссертационной работы использованы для дозирования и фасования биологической добавки «Зостерин» с массой дозы 0,5 г на предприятии ООО «Аквамир».
Апробация работы. Результаты работы докладывались в СПбПУ на международной конференции «Современное машиностроение. Наука и образование» в 2017 и 2018 годах, на международной конференции «Проблемы механики современных машин материалы 7-ой международной научной конференции» (Улан-Удэ), на международной конференции «6-th international BAPT conference “POWER TRANSMISSIONS 2019”» (Болгария), а также на международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбПУ» в 2017 и 2018 годах.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 работа, из них 3 статьи опубликованы в международных журналах, индексируемых в реферативной базе Scopus, 5 работ опубликовано в журналах, рекомендуемых ВАК, получено 3 патента РФ на изобретение, на рассмотрении в Роспатенте находятся еще 2 заявки на изобретение.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Основные результаты диссертации работы соответствуют специальности 05.02.05 – Роботы, мехатроника и робототехнические системы по пунктам 5, 6 и 7, указанным в паспорте специальности.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 133 страницы, включает 70 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 138 наименований, приложения даны на 19 страницах.