Научное обеспечение процесса дозирования пищевой продукции

Дозирование – процесс измерения количества вещества путем определения его массы или объема либо счета числа одинаковых штучных объектов. По структуре рабочего цикла дозирование бывает непрерывным или дискретным.

При непрерывном дозировании измеряется количество вещества, переносимого потоком за определенный промежуток времени. Поток представляет собой движущую массу сплошной среды: газа, жидкости или твердого вещества в виде порошкообразного материала или мелких предметов. Для непрерывного дозирования применяют расходомеры и дозаторы непрерывного действия, используемые в различных технологических процессах, где требуется непрерывная подача материала с заданной производительностью либо осуществляется непрерывный учет количества транспортируемого материала.

При упаковывании продукции, как правило, применяется дискретное дозирование, заключающееся в периодическом повторении циклов измерения дозы продукта и подачи ее на упаковывание. Для дискретного дозирования применяются объемные и весовые дозаторы, измерители объема и массы продукции, а также питатели одинаковых штучных изделий.

Характер процесса дозирования прежде всего зависит от физического состояния дозируемой среды. Все виды пищевой продукции можно разделить на сплошные и дискретные среды.

К сплошным средам относятся жидкие, пастообразные и сыпучие продукты (напитки, творог, мука, крупы и т.п.), а также мелкоштучные изделия (драже, вермишель, сушки и т.п.). Такое объединение разнообразных видов пищевой продукции связано не столько с типом фазного состояния вещества, сколько с характером его отклика на действие силы. Сплошная среда непрерывно изменяет свою форму под действием постоянной сдвигающей силы, в результате чего наблюдаются явления течения или сыпучести веществ. Главное отличие в поведении жидкости и сыпучего продукта состоит в том, что большинство жидкостей почти несжимаемо, а сыпучий продукт сжимается, что приводит к изменению его плотности.

При дозировании сплошных сред выполняются следующие основные операции: отделение от общей массы сплошной среды определенной части для формирования из нее дозы, измерение объема или массы дозы, подача дозы на упаковывание.

Дискретными пищевыми средами являются штучные изделия, имеющие, как правило, твердую или твердообразную структуру (конфеты, брикеты пищеконцентратов, хлебобулочные изделия и т.п.). Доза продукта, из которого изготовлено штучное изделие, получается также в результате дозирования сплошной среды. Однако дозирование обычно выполняется перед операцией формования заготовки штучного изделия. Затем после формования выполняются операции, обеспечивающие стабилизацию структуры отформованной заготовки: выпечка, сушка, кристаллизация или охлаждение. Только после этого полученные штучные изделия подаются на упаковывание.

При дозировании дискретных сред, поступающих на упаковывание, выполняются следующие основные операции: перемещение изделий от входа питателя к его выходу, отделение индивидуального изделия от хаотичной массы изделий, фиксация и ориентирование изделия в пространстве и времени, подача изделия на упаковывание. При упаковывании сопряженно-штучных изделий перед последней операцией выполняется дополнительная операция – группирование индивидуальных изделий в пачку или стопку.

Систематизация процессов дозирования пищевой продукции. Известен способ дозирования порошкообразных продуктов с помощью объемных шнековых дозаторов. Одношнековый дозатор (рис. 27.1, а) состоит из корпуса 2, выполненного в виде конуса. Внутри корпуса размещена рамная мешалка 3 и вертикальный дозирующий шнек 4. Мешалка и шнек закреплены на разных вертикальных валах, вращающихся в противоположные стороны.

При работе дозатора продукт загружается конвейером 1 в корпус 2 и постоянно перемешивается мешалкой 3. Конструкция мешалки выполнена со скребками, очищающими коническую поверхность корпуса 2 и предотвращающими сводообразование продукта, а также снабжена поперечными лопастями, которые рыхлят продукт, усредняя его плотность в зоне верхних витков дозирующего шнека 4.

Заданный объем дозы подается в потребительскую тару 5 при дискретном вращении дозирующего шнека 4. Величина дозы зависит от шага шнека и числа его оборотов.

При дозировании легких порошкообразных продуктов, содержащих пыль, применяется закрытая двухшнековая конструкция дозатора (рис. 27.1, б). Порошок поступает в дозатор по трубе 1 и далее в горизонтальный шнек 2, подающий его в течку 7. Вращение шнека дискретное шнек имеет электрическую блокировку с чувствительным элементом 8, который разъединяет электрический контакт и останавливает шнек 2, если порошок не расходуется. Длительное вращение шнека при отсутствии расхода может вызвать комкование порошка или образование корочки на его витках. Последнее происходит из-за тепла, выделяющегося при трении порошка о вращающийся шнек.

Из течки 7 порошок поступает в вертикальный дозирующий шнек 3. Он отмеривает определенный объем дозы продукта, совершая строго определенное число оборотов. Доза порошка перемещается в потребительскую тару 5 через щель, образованную подвижными заслонками 4. Лопасти разрыхлителя 6 периодически вращаются с вертикальным шнеком, но в противоположную сторону.

Другой способ дозирования легкосыпучих продуктов и мелкоштучных изделий реализован в конструкции объемного дозатора с мерными стаканами. На рис. 27.2 дана схема дозатора для сыпучих продуктов (крупа, сахар-песок, поваренная соль и т.п.).

Основу дозатора составляют верхний диск 7 с вмонтированными в него мерными цилиндрами 6 и нижний диск 5 с мерными цилиндрами 4. Диск 7 смонтирован на вертикальном валу 12 и может вращаться вместе с ним. Движение вала 12 обеспечивает приводной вал 14 через зубчатую передачу 13. Нижний диск 5 кинематически связан с регулировочным винтом 17, который определяет его положение относительно диска 7. Палец 3 жестко соединен с диском 7, входит в отверстие, изготовленное в диске 5, и служит для передачи крутящего момента от верхнего диска нижнему, обеспечивая их совместное вращательное движение вокруг оси вала 12. Диаметры наружных поверхностей цилиндров 6 несколько меньше диаметров внутренних поверхностей цилиндров 4 и попарно образуют мерные емкости с регулируемым объемом. Донья 2 цилиндров 4 шарнирно соединены на нижней поверхности диска 5 и снабжены роликами 15, взаимодействующими с копиром 16. Над верхним диском 7 установлен цилиндрический бункер с укрепленным в нижней его части отсекателем 9. Внутри бункера 8 на пустотелом валу 11 установлен ворошитель 10. В зоне отсекателя под нижним диском 5 установлена труба с воронкой 1.

Для дозирования мелкодисперсных продуктов используют объемные дозаторы с поршневыми мерными емкостями (рис. 27.3). Мерные емкости выполнены в виде цилиндров 2, донья которых представляют собой управляемые поршни 1. Цилиндры смонтированы на окружности на диске 4, над которым установлен бункер 6 с отсекателем 3 и ворошителем 5. В конструкции поршней 1 предусмотрены герметизирующие приспособления, исключающие прохождение воздуха и пыли во время перемещения этих поршней относительно цилиндров 2. Поскольку в таком дозаторе вакуумирование мерных емкостей осуществляется путем перемещения поршня относительно цилиндров, отпадает необходимость применения специальной вакуум-системы с соответствующими фильтрующими устройствами.

Для пластичных и пастообразных продуктов (творог, сливочное масло и т.п.) применяется поршневой дозатор, схема которого показана на рис. 27.4, а, б.

Основу дозатора составляет мерный цилиндр 4 с поршнем 5 и камерой 1 с отсекателем 2. Подлежащий дозированию продукт загружается в бункер 3, откуда под давлением направляется в камеру 1. Давление может быть развито с помощью шнека, который в таком случае устанавливается в бункере 3, или подачей в бункер выше слоя продукта сжатого воздуха. В последнем случае необходима герметизация верхней крышки бункера 3. Величина дозы определяется рабочим объемом мерного цилиндра 4.

При дозировании вязких жидкостей (сметана, майонез, текучие кондитерские массы и т.п.) в дозаторе должна быть более надежная герметизация камеры отсекателя. Такая конструкция предусмотрена в поршневом дозаторе (рис. 27.5). В состав этого дозатора входят загрузочная воронка 1, камера с отсекателем 2, мерная камера цилиндрической формы 3 и поршень 4.

Дозатор работает в два такта: первый – наполнение мерной камеры 3 из воронки 4, второй – наполнение тары 5 отмеренной дозой продукта. В первом случае канал отсекателя соединяет воронку 2 с мерной камерой 3, а поршень 4 перемещается влево, обеспечивая всасывание продукта. Во втором отсекатель после поворота соединяет мерную камеру 3 с нижним выходным отверстием, а поршень 4 выдавливает продукт из мерной камеры 3. Особенность такого дозатора состоит в том, что в данном случае отсекатель 2 выполнен в виде пробки, надежно подогнанной к поверхности камеры, с криволинейным отверстием.

Жидкие продукты дозируют при упаковывании в основном двумя способами: по объему и по уровню.

При дозировании жидкостей по объему применяются дозировочные устройства с мерными стаканами. Такое устройство (рис. 27.6, а) состоит из мерного стакана 5, наполнительного клапана 7 с роликом 8, центрирующей розетки 9, сливного конуса 1, диафрагмы 2, вытеснителя 3 и центральной трубки 4. С помощью клапана 7 стакан 5 соединяется с коллектором 6.

Дозирующее устройство работает следующим образом. Ролик 8, обкатываясь по копиру, нажимает на клапан 7. Последний поднимается, и жидкость из коллектора 6 вытекает в мерный стакан 5. Затем ролик сходит с копира,  а клапан 7, опускаясь, закрывает кольцевое пространство, прекращая тем самым подачу жидкости в мерный стакан (стакан сменный на 0,5 и 0,7 л). В это время подъемный столик подает бутылку под дозировочное устройство. Розеткой 9 бутылка центрируется, горлышком нажимает на сливной конус 1, который давит на диафрагму 2, диафрагма сжимается и открывает кольцевое пространство для выхода жидкости из мерного стакана 5. Объем мерного стакана регулируется вытеснителем 3. Конец центральной трубки 4, входящей в горлышко бутылки, расширен, чтобы жидкость стекала самотеком в бутылку по ее стенкам. Воздух по мере заполнения бутылки вытесняется из нее по центральной трубке и поступает в расходный резервуар. Заполненная бутылка опускается и направляется на укупоривание.

Для дозирования жидкостей по уровню могут применяться сифонные дозировочные устройства. Основными составными частями такого устройства (рис. 27.6, б) являются: расходный бак 1, поплавок 2, гидравлический затвор 3, сифон 4, опорный ролик 5 и копир 6. Сифон 4 представляет собой изогнутую трубу, короткий конец которой погружен в расходный бак, а длинный – в горлышко бутылки. Если сифон предварительно не заполнен жидкостью, то он не может работать. Поэтому сифон в начале работы заполняется жидкостью либо повышением уровня продукта в расходном баке, либо кратковременным повышением давления в нем.

При работе устройства бутылка поднимается столиком и упирается горлышком в центрирующую розетку, обеспечивая открытие клапана на выходе жидкости из сифона. Происходит наполнение бутылки до уровня жидкости в расходном баке. Бутылки наполняются тем быстрее, чем длиннее конец трубки, погруженный в бутылку. Затем бутылка опускается и отходит от розетки, что позволяет клапану закрыть выход жидкости из сифона. При этом обеспечивается сохранность заправки сифона, а наполненная  бутылка  направляется на укупоривание.

На рис. 27.7, а показана схема рычажно-механического весового дозатора с циферблатным указательным прибором.

На призмах малого плеча грузоприемного рычага 4 подвешен бункер 2 с открывающимся дном 3. Большое плечо с помощью тяг 6, 12 и промежуточного рычага 7 связано с указательным прибором 13, на котором установлены датчики 10 и 11 грубой и точной массы, датчик 9 нулевого положения стрелки 8. На большом плече расположен также противовес 5. Управление питателем 1 и исполнительным механизмом открывания дна бункера производится по сигнальным датчикам  9…11.

При включении дозатора начинает работать питатель с полной производительностью. По мере заполнения бункера стрелка 8, перемещаясь по циферблату, достигает датчика 10 грубого взвешивания массы, который переводит питатель в режим малой производительности – досыпки. По достижению точной массы  датчик 11 дает команду на выключение питателя и открытия дна бункера. Датчики 10 и 11, связанные между собой, могут перемещаться вдоль циферблата, тем самым обеспечивая необходимую величину дозы продукта. Если вместо бункера установить бак с электромагнитным или пневматическим клапаном, а питание осуществить насосом, то данный дозатор можно использовать для жидких продуктов.

Для дозирования трудносыпучих продуктов (мука, сухое молоко и др.) применяется весовой дозатор с квадрантным силоизмерительным указателем (рис. 27.7, б). В его состав входят приемный бункер 1, шнековый питатель 13 с приводом 14 и весовой бункер 5. Последний подвешивается к рычагу 10 весовой системы посредством двух диаметрально расположенных опор 4. Для уменьшения амплитуды качания бункер крепится в третьей точке к неподвижной опоре с помощью струны 6. Циферблатный указатель 12 передает результаты измерений указателю, смонтированному на отдельной колонке, которую можно установить в любом месте, удобном для наблюдения.

На весовом рычаге смонтировано пять призм 11. Две из них являются осью поворота рычага и покоятся на неподвижных подушках, закрепленных на несущей раме дозатора. На двух других подвешен весовой бункер, а пятая призма связывает весовой рычаг с тягой циферблатного указателя, который также расположен на несущей раме.

Дозатор снабжен устройством досыпки, которое состоит из привода 2, включающего электродвигатель и редуктор, и шнекового питателя 3. Снизу бункер 5 снабжен поворотной заслонкой 7, которая приводится в движение поворотным механизмом 8. Разрушение сводов и полная выгрузка отмеренной дозы обеспечиваются вибратором 9, который расположен на конической поверхности бункера и включается синхронно с заслонкой 7.

При работе дозатора сыпучий продукт из приемного бункера 1 в весовой бункер 5 подается шнековым питателем 13. Для повышения точности дозирования используется досыпное устройство, которое заполняет весовой бункер частью заданной дозы продукта (15…20 %) при пониженной производительности питающего устройства.

После набора требуемой дозы заслонка 7 открывается, и продукт направляется на упаковывание.

Легкосыпучие продукты и мелкосыпучие изделия (гранулированные продукты, короткие макаронные изделия, орехи, конфеты, печенье и т.п.) обычно дозируются с помощью  линейно-вибрационных дозаторов (рис. 27.7, в). Он состоит из приемного бункера 2 с регулирующей заслонкой 3, вибрационного канала 4 и весовой платформы 5 с заслонкой 6.

При работе дозатора сыпучий продукт конвейером 1 загружается в приемный бункер 2 и при открытой заслонке 3 через виброканал 4 поступает на весовую платформу 5. Ориентировочный расход продукта регулируется положением заслонки 3.

После набора заданной дозы продукта открывается заслонка 6 и отмеренная порция через промежуточный бункер 7 и продуктопровод 8 направляется в пакет или коробку 9.

Для повышения точности взвешивания часто применяется двухпоточная схема подачи продукта на весовую платформу. Вначале работают два потока: высокопроизводительный и малопроизводительный, обеспечивающие соответственно грубую и точную подачу продукта. В конце взвешивания работает только тонкая подача продукта.

Для дозирования жидких продуктов используют эластичную мембрану, воспринимающую давление столба дозируемого продукта и передающую усилие на весовой механизм. Дозатор (рис. 27.7, г) состоит из емкости 1, вертикального стержня 3 с эластичной мембраной 2, весового механизма 4, контактной колодки 5, управляющей впускными и выпускными электромагнитными клапанами. Величина дозы регулируется установкой гири на весовом механизме.

Для загрузки жидкости в такой дозатор обычно применяется двухрежимный насос. Значительную часть дозы он подает с высокой производительностью, а на завершающем этапе взвешивания его производительность существенно снижается.

Весовой дозатор с роторными питателями (рис. 27.7, д) применяется для дозирования мелкоштучных изделий (карамели, конфет, печенья и т.п.). Он состоит из приемного бункера 1 с регулирующей заслонкой 9, двух роторных питателей 4 и 8 и весового бункера 7, смонтированного на рычажном весоизмерительном механизме.

В цилиндрическом корпусе питателя 8 установлен подвижный ротор 10 с мерными стаканами 11. В каждом стакане 11 набирается грубая основная доза изделий. Объем дозы регулируется. В корпусе питателя 4 смонтирован подвижный ротор 3 с ячейками 2 для индивидуальных штучных изделий. Таким образом этот питатель обеспечивает тонкую поштучную досыпку дозы в конце взвешивания. Скорость вращения ротора 3 с целью регулирования продолжительности досыпки может плавно изменяться.

В конце взвешивания ротор 10 останавливается и продолжает работать только ротор 3. Отмеренная доза после открытия донышка бункера 7 через продуктопровод 6 загружается в пакет или пачку 5, находящуюся на операционном роторе.

Весовой электротензометрический дозатор для мелкоштучных изделий (рис. 27.8, а) имеет двухсекционный приемный бункер 1. Дном бункера служит вибрационный лоток 2. Из каждой секции бункера изделия поступают на взвешивание по своей системе подающих лотков. Промежуточный лоток 3 закреплен на весовой системе и служит для предварительного дозирования изделий. В зависимости от количества изделий, находящихся на промежуточном лотке, включается и выключается электроконтактное устройство весовой системы лотка. Электроконтактное устройство через промежуточное реле управляет вибратором 4 подающего лотка, по которому изделие поступает из приемного бункера на промежуточный лоток. Настройка амплитуды колебаний этих лотков производится вручную в зависимости от свойств упаковываемых изделий.

С промежуточного лотка 3 изделия поступают на постепенно сужающийся лоток 5. Большая часть изделий с него ссыпается на ниже расположенный лоток 6 грубой подачи, меньшая часть остается на узком желобке с бункером 7, которым заканчивается лоток 5. По этому желобку изделия движутся на довес порции.

При поступлении сигнала на заполнение бункера весов 10 включаются одновременно электромагнитные вибраторы всех лотков. По мере заполнения бункера весов происходит последовательное выключение вибраторов промежуточного лотка и лотка грубой подачи 6. Одновременно с этим заслонка 11, выполненная в виде щетки и проворачиваемая с помощью электромагнита, перекрывает выход изделий с лотка грубой подачи. По желобку 5 продолжается досыпка изделий в бункер весов, но уже со значительно меньшей подачей. Затем выключается вибратор лотка тонкой подачи и специальные заслонки в бункере 7, также поворачиваемые с помощью электромагнита, перекрывают выход изделий с лотка 5. Благодаря этому предотвращается перевес дозируемых изделий.

После заполнения бункера весов изделиями поступает команда от синхронизирующего устройства агрегата на электромагнитные защелки, которые открывают нижние створки 8 у бункера весов 10. Отмеренная порция изделий из каждой секции поступает в отдельный ковш 9 элеватора. Элеватор движется периодически и перемещает отмеренную дозу изделий на упаковывание.

Упрощенная технологическая схема дозатора показана на рис. 27.8, б. Весовой бункер 2 закреплен на упругой пластине 4, на поверхность которой приклеены тензометрические резисторы 5. При работе дозатора продукт с помощью вибролотка 1 загружается в весовой бункер 2. Сила тяжести продукта вызывает деформацию упругой пластине 4, что приводит к изменению сопротивления тензорезисторов 5. Когда доза продукта в весовом бункере достигает заданной величины, электрический сигнал резисторов приводит в действие исполнительный механизм раскрытия створок подвижного днища бункера 2 и отмеренная доза выгружается в ковш 3.

На рис. 27.8, в показана структурная схема автоматизации дозатора, которая состоит из тензометрического датчика, тензометрического усилителя ТУ, блока управления БУ с задатчиком отмеряемой дозы и блока регистрации БР, обеспечивающего контроль и учет расхода продукции.

Тензометрический датчик представляет собой измерительный мост, собранный на четырех проволочных резисторах, два из которых служат рабочими тензорезисторами ТР, а два других – термокомпенсационными R_к.

Измерительный мост позволяет преобразовать изменение сопротивления терморезисторов в изменение величины электрического тока в измерительной диагонали.

Сущность метода тензометрирования с использованием проволочных тензорезисторов заключается в том, что при деформации упругой детали прочно приклеенная к ее поверхности проволока также деформируется (растягивается или сжимается), что приводит к изменению ее омического сопротивления, а следовательно, и тока, идущего через эту проволоку. Изменение этого тока регистрируется соответствующими приборами.

Изменение сопротивления проволоки DR (Ом) тензорезистора и относительная деформация детали при одноосном напряжении в области упругих деформаций находятся в следующей зависимости:

,

где R – начальное сопротивление проволоки тензорезистора, Ом; e – относительная деформация проволоки тензорезистора (детали); Е – модуль упругости материала детали, Па; s – напряжение в упругой детали, Па; x – коэффициент тензочувствительности тензодатчика.

Коэффициент тензочувствительности лежит в пределах от 1,85 до 2,1 для проволочных тензодатчиков с базой от 5 до 20 мм.

Конструктивное исполнение питателей одинаковых штучных изделий зависит от формы и размеров изделий.

Для подачи на упаковывание крупных изделий, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда (плитки, брикеты), применяется шаговый питатель (рис. 27.9, а). Его основными рабочими органами являются три подвижные штанги 3, две неподвижные штанги 2 и конвейер с толкателями 4.

При работе шагового питателя в исходном положении изделие 1 размещается на всех штангах 2 и 3, расположенных в одной плоскости.  Затем подвижные штанги 3 совершают плоскопараллельное возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. Изделие 1 подхватывается и перемещается от входа питателя к его выходу с помощью подвижных штанг, когда они поднимаются, перемещаются вперед и опускаются. При обратном движении подвижных штанг в исходное положение (холостой ход) изделие находится на неподвижных штангах 2 в ожидании нового цикла (шага) перемещения.

В результате нескольких шагов перемещения изделия попадают на конвейер с толкателями 4, который имеет дискретное движение. На нем изделия фиксируют свое положение, ориентируются в пространстве и времени, что обеспечивает возможность их передачи на рабочие органы упаковочной (заверточной) машины.

Для подачи на упаковывание мелких изделий, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда (конфеты, кусочки прессованного сахара-рафинада), применяется конвейерный питатель (рис. 27.9, б). Он состоит из приемного стола 2, ленточного конвейера 1 и толкателя 5. Изделие 3 с приемного стола 2 подается на конвейер 1. При перемещении изделий конвейером осуществляется их ориентирование при помощи боковых направляющих 4. После остановки и фиксирования ориентированных изделий поперечной составляющей 6 они сдвигаются толкателем 5 на промежуточный столик 7 для передачи на завертывание.

Для подачи на завертывание плоских изделий с круглым и прямоугольным сечением (карамель, таблетки, крекер) применяется гравитационный питатель (рис. 27.9, в). В его состав входят приемный бункер 1, многоручьевой наклонный лоток 2, цилиндрическая щетка 3, передатчик 4 с ячейками и подающий цепной конвейер 6 с ячейками.

Питатель работает следующим образом. Изделия засыпаются в приемный бункер 1 и поступают в многоручьевой наклонный лоток 2. Ручьи лотка образованы продольными направляющими, между которыми образуются продольные желоба. Ширина желобов соответствует толщине изделий. Поэтому изделия размещаются в желобах в положении «на ребро».

Под действием силы тяжести изделия движутся по желобам наклонного лотка 2. Из него они загружаются рядами в поперечные ячейки передатчика 4. Изделия, оказавшиеся в положении «плашмя», в желоба не попали и переворачиваются в положение «на ребро» с помощью цилиндрической щетки. На выходе из передатчика 4 из индивидуальных изделий, размещенных в ячейках, образуется стопка или пачка изделий, т.е. сопряженно-штучное изделие 5. Последнее размещается в ячейку подающего цепного конвейера 6 и передается на завертывание.

Из плоских изделий, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда (печенье, вафли), обычно формируют сопряженно-штучное изделие (пачку, стопку) с помощью кассетного питателя (рис. 27.9, г). Он состоит из вертикальной шахты-кассеты 2, отсчетного механизма с пластинами-выталкивателями 3 и цепного конвейера 5 с гнездами для стопок изделий.

При работе питателя изделия 1 загружаются в вертикальную кассету 2. Пластины-выталкиватели 3 совершают возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости. Они, перемещаясь в направлении к центральной продольной оси цепного конвейера 5, выдвигают из кассет определенное число изделий и укладывают их в гнезда конвейера 5. Это происходит во время остановки конвейера. Стопка печенья 4 подается конвейером 5 на завертывание.

Изделия сложной формы (карамель, конфеты) передаются на завертывание с помощью роторного питателя.

Роторный питатель изделий (рис. 27.10, а) предназначен для равномерной подачи изделий на завертывание и ориентирования их относительно упаковочного материала. Основные части питателя – загрузочный бункер 1, вибролоток 6 и раскладочный ротор 9.

В бункере 1 размещен вибрирующий ворошитель 2, который препятствует сводообразованию изделий. На выходе бункера установлена регулирующая заслонка 19. Вибролоток 6 снабжен щелевыми отверстиями 18 для отвода крошки. Он установлен на упругих пластинчатых подвесках 7, прикрепленных на неподвижной плите 5. К ней же на кронштейне присоединен электромагнит 3. Якорь 4 электромагнита жестко связан с вибролотком 6 и ворошителем 2.

Раскладочный ротор 9 имеет коническую ориентирующую поверхность и профильные гнезда 16. Над ротором установлены щетка 14, перегородка 15, борт 17 и датчик 8, контролирующий толщину слоя изделий на роторе. Щетка 14 приводится во вращение от главного вала с помощью цевочного колеса 10, кулачка 11 и зубчатых передач 12 и 13.

При работе питателя из загрузочного бункера изделия подаются вибролотком на раскладочный ротор. Под действием центробежной силы, силы тяжести и вследствие конусности диска изделия перемещаются к периферии ротора и заполняют его гнезда, которыми и перемещаются к направляющему кольцу в зону механизма завертки. Вращающаяся ориентирующая щетка, установленная перед зоной передачи изделий из ротора в механизм завертки, способствует ориентированному заполнению  гнезд. Изделия, не попавшие в гнезда ротора, щеткой направляются на повторную раскладку. Толщина слоя изделий на роторе контролируется датчиком, который подает сигнал на включение или выключение электромагнитного привода вибролотка.

Контроль наличия изделий в гнездах ротора и блокировка подачи упаковочных материалов осуществляется механизмом, состоящим из щупа, приводных и блокирующих элементов.

Упрощенная технологическая схема процесса подачи изделий на завертывание показана на рис. 27.10, б. При работе питателя изделия из приемного бункера 1 выгружаются  на поверхности ротора 2 и размещаются в гнездах 3. Затем с помощью зажимного механизма 4 изделия извлекаются из гнезд и передаются  на операционный ротор 5.

Производительность упаковочного оборудования прежде всего зависит от производительности дозировочного устройства, величина которой определяется по его конструктивным характеристикам и режимом его работы.

Теоретическую производительность объемного дозатора П_од (кг/ч) можно определить из следующей формулы:

П_од = 60V_дr×n_цк,

где V_д – объем дозы, м³; r – средняя плотность продукта, кг/м³; n_ц – число циклов дозирования в минуту, мин^–1; к – число параллельных потоков дозирования, шт.

Точность процесса дозирования. Несмотря на стремление удержать процесс дозирования на постоянном уровне, масса дозы в упаковках все-таки имеет рассеяние значений. Такое рассеяние значений массы дозы можно подразделить на две категории: устранимое и неизбежное.

Первая категория – это систематическая погрешность производства, которая проявляется вследствие использования нестандартных сырья и материалов, нарушения технологического режима при выполнении операций, осуществления их по недоработанной технологической документации, возникшей неисправности оборудования. Следовательно, недопустимая колеблемость массы дозы происходит по вполне определенной причине, которую непременно следует устранить.

Вторая категория – это случайные погрешности производства, причинами которых могут быть колебания качества и количества сырья и материалов (в пределах допустимых отклонений), изменения условий производства (также в пределах допустимых отклонений). Попытка управления процессом для снижения рассеяния массы дозы по данной категории, как правило, не достигает цели.

Увеличение количества дефектных упаковок иногда возможно из-за грубых ошибок обслуживающего персонала или аварий оборудования. Такие погрешности в процессе дозирования при оценке его точности не учитываются. Как правило, отклонение массы дозы от номинального значения есть результат наложения всех перечисленных выше погрешностей.

Производственные погрешности представляются в виде кривых плотности вероятности распределений, которые могут быть описаны рядом числовых характеристик. На рис. 27.11 изображено в общем виде распределение производственных погрешностей массы дозы в упаковке. Здесь e – отклонение центра группирования погрешностей х (среднего значения) от номинала х₀, характеризующее систематическую составляющую производственной погрешности х_maxс – х_min – поле рассеяния, характеризующее случайную составляющую производственной погрешности.

Значения систематической и случайной составляющих производственной погрешности используются для расчета точности процесса дозирования.

Под точностью процесса дозирования понимается степень соответствия поля рассеяния значений массы дозы продукции заданному полю допуска и его расположению.

Точность принято оценивать рядом количественных оценок.

Обобщенной оценкой точности производственного процесса является вероятность Р выхода годных изделий, показатели качества которых находятся в пределах установленного поля допуска. Эта оценка носит название «процента выхода годных» и является функцией систематической и случайной составляющих производственной погрешности.

Для оценки точности процесса дозирования с точки зрения действия систематических производственных погрешностей используется коэффициент смещения

Е = e/(2d),

где e – смещение, зависящее от положения центра группирования погрешностей (среднее значение);

e = |  – х₀|,

х₀ – номинальное значение массы дозы, расположенное, как правило, в середине поля допуска; d – абсолютная величина половины поля допуска на значение массы дозы.

На рис. 27.12 приведены распределения погрешностей массы дозы в упаковке, подчиняющихся нормальному закону при одинаковой случайной погрешности, но при разных значениях Е. Чем ближе к нулю значение коэффициента смещения Е, тем меньше влияние систематических погрешностей, т.е. тем выше точность процесса дозирования.

Точность процесса дозирования при действии случайной составляющей производственных погрешностей оценивается коэффициентом точности

Т = 2d/(Кs),

где s — среднее квадратичное отклонение массы дозы в упаковке в выборке; К – коэффициент, зависящий от закона распределения погрешностей массы дозы (для закона нормального распределения К = 6).

На рис. 27.13 приведено распределение погрешностей массы дозы в упаковке, подчиняющихся нормальному закону распределения при различных полях рассеяния погрешностей 6s, заданных в поле допуска 2d и центре группирования погрешностей, совпадающем с серединой поля допуска. При Т > 1 дозатор функционирует с высокой точностью, поскольку имеется запас точности. При Т = 1 поле допуска совпадает с границами кривой плотности вероятности распределения массы дозы и имеется опасение, что в любой момент могут появиться дефектные упаковки. В режиме Т < 1 появление дефектных упаковок уже возможно как результат функционирования дозатора.

Все три параметра точности дозатора (процент выхода годных упаковок Р, коэффициент смещения Е, коэффициент точности Т) взаимосвязаны. На практике для расчетов используют таблицы, в которых Р определяется как функция Р = f(Е, T).

Объем дозы. Формула для ее расчета зависит от конструкции измерителя объема. Для шнекового дозатора объема дозы V_д (м³) определяется по формуле

V_д = 0,25p(D² – d²)S×n_шj_ш,

где D –  наружный диаметр шнека, м; d – внутренний диаметр шнека, м; S – шаг шнека, м; n_ш – число рабочих оборотов шнека при отмеривании одной дозы, шт; j_ш – коэффициент заполнения рабочего объема шнека продуктом.

Для поршневого измерителя объема величина V_д (м³) определяется по формуле:

V_д = Fsn_nj_n,

где F – площадь поперечного сечения поршня, м; s – ход поршня, м; n_п – число двойных ходов поршня при отмеривании одной дозы, шт.; j_п – коэффициент заполнения рабочего объема цилиндра продуктом.

Для измерителя объема с помощью мерного стакана (или мерной емкости) величина V_д (м³) определяется по формуле

V_д = V_cj_зj₀,

где V_с – заданный рабочий объем мерного стакана, м³; j_з – коэффициент заполнения рабочего объема мерного стакана; j₀ – коэффициент опорожнения рабочего объема мерного стакана.

Влияние физико-механических свойств продукции на качество процесса дозирования. При измерении объема средняя плотность жидкости обычно совпадает с величиной ее физической плотности. Исключение составляют жидкости, насыщенные пузырьками газов.

Плотность сыпучего продукта существенно отличается от плотности материала, из которого получены частицы сыпучего продукта. Поэтому сыпучие продукты характеризуются величиной объемной массы (табл. 27.1).

Таблица 27.1. Значения плотности и объемной массы некоторых пищевых продуктов

Продукт	Плотность, кг/м3	Объемная масса, кг/м3
Мука пшеничная	1450	450…550
Крахмал	1623	550
Сахар-песок	1538…1588	800…880
Молоко сухое	560…659	400…500
Какао-порошок	857…1475	430…500

Величина объемной массы сыпучих продуктов существенно зависит от условий транспортирования и силового воздействия рабочих органов дозирующих устройств. Поэтому объемное дозирование сыпучих продуктов отличается невысокой точностью.

При объемном дозировании жидкости с помощью мерного стакана продолжительность наполнения бутылки и точность дозирования существенно зависят от  процесса опорожнения рабочего объема мерного стакана. Особенности процесса опорожнения определяются поверхностным натяжением и вязкостью дозируемой жидкости.

При опорожнении мерного стакана жидкость вытекает в бутылку через наполнительный штуцер. После истечения основного объема дозы из стакана жидкость не всегда может резко прекратить движение и часто продолжает капать. Дополнительные капли жидкости, во-первых, нарушают заданную дозировку, а во-вторых, попадают в промежутки между бутылками (или банками), загрязняя тару и фасовочную машину.

Диаметр наполнительного штуцера должен быть согласован с величиной поверхностного натяжения дозируемой жидкости. Чем ниже поверхностное натяжение, тем меньше должен быть диаметр штуцера, способный предотвратить капание. Если диаметр штуцера слишком велик, то фасовочная машина должна работать медленнее, с тем чтобы капли падали в бутылку (эти капли изменяют объем содержимого) или необходимо часто чистить машину и упакованную продукцию.

Если наполнительный штуцер имеет небольшой диаметр, то возникают другие проблемы: из-за высокой скорости выпуска жидкости может иметь место разбрызгивание или вспенивание продукта. На процессы опорожнения мерного стакана и наполнения тары существенно влияет также вязкость дозируемого продукта.

В общем продукты с низким коэффициентом вязкости могут легко разливаться на простом оборудовании, но они, как правило, образуют пену, в то время как некоторые плотные продукты, имеющие консистенцию сливок, расфасовываются очень легко, поскольку вообще не дают пены.

Чтобы свести вспенивание к минимуму и обеспечить регулируемый поток жидкости при розливе в упаковку, следует правильно выбрать тип штуцера с учетом вязкости продукта, поверхностного натяжения и вида упаковки, поскольку спектр обтекания должен зависеть от конфигурации упаковки.

Некоторые штуцеры направляют поток прямо вниз сплошной струей, в то время как другие направляют поток вниз по боковым стенкам упаковки и имеют множество выпускных отверстий или внутренние сита для сбивания пены с продуктов. В этом случае штуцер должен соответствовать размерам и форме упаковки. Наиболее типичные конфигурации штуцеров показаны на рис. 27.14.

Ни один из штуцеров не является универсальным. Он должен изменяться с изменением вида затариваемой продукции и вида упаковок, в противном случае могут иметь место потери продукта, несоблюдение установленной нормы розлива, загрязнение упаковок и машин, а также снижение производительности оборудования.

Заслуживают внимания следующие обстоятельства. Влияние свойств жидкости на процесс дозирования существенно проявляется при способах фасования, которые характеризуются истечением продукта из наполнительного штуцера в бутылку только в поле действия гравитационных сил, т.е. самотеком. Такой процесс происходит, когда в мерном стакане и бутылке поддерживается одинаковый уровень давления изобарометрический, изосверхбарометрический или одинаковый уровень разрежения (изовакуумный).

Если же разрежение (вакуум) создается только в бутылке, то истечение продукта происходит под действием разности давлений в мерном стакане (атмосферное) и в бутылке (разрежение). При этом влияние свойств жидкости на процесс значительно уменьшается, что позволяет сократить продолжительность наполнения тары продуктом и соответственно увеличить производительность фасовочной машины.

Фасование с помощью вакуума – это самый экономичный способ затаривания продуктов. Несмотря на соблюдение осторожности при изготовлении и очистке бутылок, всегда существует определенный процент бракованных бутылок (наличие трещин, дырок, осколков). Эти дефекты нелегко обнаружить при предварительной стерилизации бутылок – до дозирования, но машина с применением вакуума автоматически «бракует» такие бутылки. Кроме того, при вакуумном дозировании не бывает никаких подтеков или грязи, и поэтому нет необходимости мыть или вытирать бутылки перед тем, как наносить этикетку.

Производительность питателя штучных изделий П_п (кг/ч) можно определить по следующей формуле:

П_п = 60n_цкh_п/а,

где n_ц – число циклов подачи изделий на упаковывание в минуту, мин^–1; к – число параллельных потоков подачи, шт.; h_п – коэффициент полезного действия питателя, зависящий от формы и физико-механических характеристик изделия; а – число штук изделий в 1 кг, шт/кг.