Tworzenie zrównoważonych opakowań do usług gastronomicznych zależy od solidnej inżynierii mechanicznej. Projekt przekształca spłaszczony papier w praktyczne,-wymiarowe produkty. Głównym narzędziem do tej pracy jestHydrauliczna maszyna do formowania płyt papierowych.System wykorzystuje hydrodynamikę, kontrolę termiczną i automatyczne polecenia. Części współpracują ze sobą, więc produkcja pozostaje taka sama. Ważne jest, aby zrozumieć każdą część i jej działanie. Operatorzy, fachowcy i kupujący potrzebują tej wiedzy. Używają go do sprawdzania wydajności maszyny lub rozwiązywania problemów. Technologia nie wygląda tak skupiona na liczbach wyjściowych, jak na materiałach sprzedażowych. Zamiast tego bada wnętrza tych maszyn. W tym badaniu przyjęto standardowe zasady inżynieryjne i normy branżowe. Każda część ma określoną rolę. Role te zapewniają dobre dopasowanie ciśnienia, ciepła i czasu. Dzięki tej kombinacji powstaje mnóstwo wysokiej jakości talerzy papierowych.
Zasilacz hydrauliczny: wytwarzanie serca i ciśnienia systemu
Zasilacz hydrauliczny (HPU) jest głównym źródłem energii każdej hydraulicznej maszyny do formowania płyt papierowych. Urządzenie posiada silnik elektryczny, pompę hydrauliczną, akumulator energii, filtr oraz zawory bezpieczeństwa. W oparciu o podstawowe książki hydrodynamiczne głównym zadaniem HPU jest przekształcanie energii elektrycznej w energię wodną. Energia ta pozostaje w płynie pod ciśnieniem [1]. Pompa tłoczy olej ze zbiornika do obwodu układu. Przepływ ten wytwarza ciśnienie w przypadku napotkania oporu cylindra formującego.
Nowe zasilacze HPU wykorzystują pompy o zmiennej wydajności zamiast pomp o stałej wydajności. Zmienne pompy zgodnie z systemem-czasu rzeczywistego muszą zmieniać moc wyjściową. Zmniejsza to straty energii, gdy maszyna jest na biegu jałowym lub przy niskim ciśnieniu. Badania zużycia energii wykazały, że systemy konwersji częstotliwości mogą zmniejszyć zużycie energii elektrycznej o 20% do 30%. Można to porównać do starego systemu stałego przepływu w procesie prasowania kołowego [2]. Filtry w zasilaczach HPU utrzymują płyny w czystości zgodnie z poziomami ISO 4406. Zapobiegnie to zakleszczeniu rdzenia i zużyciu uszczelek. W przeciwnym razie ciśnienie będzie nierówne i części przedwcześnie pękną. Bez wyboru lub konserwacji zasilacza HPU żadna inna część systemu nie będzie działać.
Kierunkowe zawory sterujące i regulacja przepływu
Gdy płyn pod ciśnieniem opuści HPU, kierunkowe zawory sterujące określają kierunek i czas przepływu. Te części elektromechaniczne działają jak układ nerwowy hydraulicznej maszyny do formowania płyt papierowych. Otrzymują sygnał z programowalnego sterownika logicznego (PLC). Następnie przesuwają rdzeń, aby wysłać olej do przedłużenia lub portu odzyskiwania głównego cylindra. Zawory proporcjonalne są obecnie standardową technologią. Zapewniają regulowany przepływ, a nie tylko przełączniki.
Badania elektrohydraulicznych układów sterowania pokazują, że zawór proporcjonalny może zapewnić stałą zmianę prędkości. Eliminuje to wpływ mechaniczny dyskretnych przełączników zaworów [3]. Ten płynny ruch jest bardzo ważny przy formowaniu płyty papierowej. Jeśli ruch stempla jest zbyt szybki lub gwałtowny, papier będzie się przesuwał, krawędzie będą nierówne lub powłoka zostanie uszkodzona. Zawory sterujące przepływem, które zwykle tworzą blok przyłączeniowy z zaworem komutatorowym, mogą samodzielnie kontrolować prędkości wydłużania i cofania. Działa to nawet w przypadku zmiany obciążenia. Zatem nawet jeśli grubość lub wilgotność papieru różnią się w zależności od partii, proces formowania pozostaje taki sam. Ma to bezpośredni wpływ na jednorodność produktu i powtarzalność obiegu.
Główne zestawy cylindrów formujących i form
Cylinder formujący jest częścią, która przekształca ciśnienie hydrauliczne w siłę mechaniczną. Siła ta kształtuje papier w płyty. W typowej hydraulicznej maszynie do formowania płyt papierowych jest to cylinder podwójnego-działania. Wymiary wiercenia są ustawione tak, aby zapewnić wystarczający tonaż przy najwyższym ciśnieniu roboczym systemu. Matematyka inżynieryjna formowania masy celulozowej pokazuje, że dobre ciśnienie formowania musi przezwyciężyć dwa problemy. Jednym z nich jest elastyczne odbicie skompresowanych włókien. Kolejnym jest lepkość powłok termoplastycznych po podgrzaniu [4].
Zespół matrycy znajduje się na końcu tłoczyska cylindra. Pasował do form górnych i dolnych. Zazwyczaj są wykonane z aluminium lub stali i posiadają wewnątrz kanały grzewcze. Projekt matrycy ustawia rozmiar płyty, styl obręczy, układanie płyt w jeden. Precyzyjna obróbka kołków wyrównujących i tulei prowadzących utrzymuje połowę-rdzenia matrycy. Zapobiega to nierównej grubości ścian i pocienieniu paneli. Przepływ ciepła materiału matrycy bezpośrednio wpływa na czas cyklu. Formy aluminiowe nagrzewają się szybciej niż formy stalowe. Ale aluminium zużywa się szybciej. Dlatego inżynierowie muszą wybierać pomiędzy wymaganiami wyjściowymi a rodzajami papieru. Połączenie cylindra i matrycy stanowi zbieg wszystkich poprzedzających prac hydraulicznych i sterujących. To tam powstaje prawdziwy produkt.
Systemy grzewcze i elementy zarządzania ciepłem
Formowanie płyt papierowych to proces termoformowania. Dlatego wymaga precyzyjnej kontroli temperatury. Elementy grzejne znajdują się we wnęce matrycy. Aktywują materiał powłokowy i ustalają strukturę włókien poprzez kontrolowane ogrzewanie. Najpopularniejsze typy to pojemnościowe lub rurowe elementy grzejne. Ich wymiary są określane na podstawie gęstości mocy. Wymagania te wynikają z jakości formy i temperatury docelowej.
Sterowniki temperatury wykorzystują algorytmy PID. Sterowniki zmieniały moc nagrzewnicy. Utrzymują nastawę w zakresie + -2 stopni. Badania obróbki cieplnej materiałów celulozowych wykazały, że temperatura powierzchni matrycy jest ważniejsza niż temperatura rzeczywista. W niektórych obszarach gorące punkty przepalają powłokę. Zimne miejsca w innych obszarach mogą powodować słabe uszczelnienie i separację pomiędzy warstwami [5]. Termopary znajdują się w różnych regionach. Wysyłają informację zwrotną do kontrolera. Dzięki temu każdy obszar formy może się dostosować. Obiegi chłodzące, czasami instalowane w tych samych modułach, szybko odprowadzają ciepło po uformowaniu. Stabilizuje to kształt płyty przed wyrzuceniem. System zarządzania temperaturą współpracuje z układem hydraulicznym. Jego wydajność jest ustawiona na cykl
najszybciej jak to możliwe. Nieważne, jak dobra jest hydraulika.
Elektryczny układ sterowania i blokady bezpieczeństwa
Programowalny sterownik logiczny (PLC) i interfejsy człowiek-maszyna (HMI) to mózgi hydraulicznych maszyn papierniczych. PLC działa zgodnie z logiką-krok po-kroku. Ta logika steruje działaniem zaworów, wymianą grzałki, sprawdzaniem czujników i wykrywaniem usterek. Nowoczesne kontrolery przechowują wiele ustawień produktu. W rezultacie operatorzy mogą przywołać najlepsze parametry w oparciu o różne rozmiary płyt i materiały. Nie muszą już wszystkiego ręcznie ustawiać.
Elementy zabezpieczające są nieodzowną częścią układu sterowania. Kurtyny świetlne,-przyciski dwuręczne, obwody zatrzymania awaryjnego i zamki mechaniczne do osłon są zgodne z zasadami bezpieczeństwa ISO 13849. Zasady te chronią ludzi przed niebezpieczeństwami związanymi z kompresją i ciepłem [6]. Przekaźniki poziomu bezpieczeństwa sprawdzają przełączniki położenia osłon. Jeżeli bariera ochronna otworzy się podczas niebezpiecznego ruchu, spowoduje to zatrzymanie pompy hydraulicznej. Czujniki ciśnienia i enkodery położenia wysyłają informację zwrotną do sterownika PLC. Umożliwia to sterowanie adaptacyjne. System można dostosować do zużycia, zmian grubości płynu lub różnic materiałowych. To połączenie bezpieczeństwa i kontroli procesu pozwala maszynie pracować w ustalonych granicach. Chroni również pracowników przed intensywnym ciśnieniem i ciepłem podczas formowania hydraulicznego.
Wniosek
Hydrauliczna maszyna do formowania płyt papierowych to kompletny system. Wydajność każdej części ma bezpośredni wpływ na ogólną wydajność. Hydraulika zapewnia potrzebną moc. Zawory kierunkowe i proporcjonalne kontrolują precyzyjny ruch. Zespół bębna formującego i matrycy jest formowany fizycznie. Systemy termiczne zarządzają reakcją materiału na ciepło. Elektryczny układ sterowania obsługuje wszystkie funkcje, aby zapewnić bezpieczeństwo operatora. Zrozumienie tych części i wzajemnej zależności może pomóc ludziom w dokonaniu właściwych wyborów. Opcje te obejmują wybór sprzętu, priorytety konserwacji i ulepszenia procesów. W miarę jak branża zmierza w kierunku bardziej zrównoważonej i wydajnej produkcji, lepsze projektowanie tych kluczowych komponentów zadecyduje o tym, którzy producenci będą w stanie sprostać nowym wymaganiom rynku dzięki stabilnej-produkcji o wysokiej jakości. Wiedza techniczna w tych obszarach pozostaje podstawą siły konkurencyjnej w produkcji opakowań jednorazowych.
Referencje
[1] Manring, N. i Johnson, R. (2021).Hydrauliczne układy sterowania: teoria i praktyka. Prasa akademicka Wiley. Obszerny materiał dydaktyczny obejmujący projektowanie agregatu hydraulicznego, dobór pomp i podstawowe zasady budowy obwodów w zastosowaniach w prasach przemysłowych.
[2] Ivantysynova, M. i Weber, J. (2022). „Poprawa wydajności układu hydraulicznego dzięki technologii zmiennej wydajności”.International Journal of Fluid Power, 23(1), 45-62. W tym artykule zbadano ilościowo oszczędność energii adaptacyjnych systemów pomp.
[3] Jelali, M. i Saha, B. (2023).Elektrohydrauliczne serwo i technologia zaworów proporcjonalnych. Publikacje inżynieryjne Springera. Akademickie materiały referencyjne dotyczące dynamiki zaworów proporcjonalnych, charakterystyki reakcji i możliwości profilowania ruchu w zastosowaniach związanych z formowaniem precyzyjnym.
[4] TAPPI (2022). „Wymagania mechaniczne i termiczne dotyczące opakowań z włókien termoformowanych”.Dokumenty techniczne czasopisma TAPPI, 21(9), 78-89. Publikacja Stowarzyszenia Technicznego dokumentująca parametry ciśnienia i temperatury niezbędne do skutecznego sprasowania włókien celulozowych i aktywacji powłoki.
[5] Didone, M. i Dumon, J. (2021). Równomierność wymiany ciepła w formowaniu masy celulozowej: strategie pomiaru i optymalizacji.Stosowana Inżynieria Cieplna, 117452. Badano wpływ gradientu termicznego na jakość produktu i czas cyklu podczas procesu formowania.
[6] Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (2023).ISO 13849-1:2023 Bezpieczeństwo mechaniczne — elementy systemów sterowania związane z bezpieczeństwem. Norma techniczna ISO. Międzynarodowe normy bezpieczeństwa definiujące wymagania dotyczące poziomu wydajności w zakresie niezawodności urządzeń ochronnych i systemów sterowania w urządzeniach pras hydraulicznych.