способ укупорки стеклянных емкостей крышками, выполненными из металлической фольги

Формула изобретения

Способ укупорки стеклянных емкостей крышками, выполненными из металлической фольги, включающий прижим крышки к горловине стеклянной емкости и закатку путем деформации краев крышки закатывающим инструментом в виде вращающихся роликов, отличающийся тем, что прижим крышки осуществляют путем перемещения захватывающей головки вместе с захватывающим инструментом к неподвижно установленной стеклянной емкости, а на операции закатки к ней прилагают усилие, величина которого удовлетворяет следующему соотношению:

где Р_доп - допустимая прочность стекла при сжатии, Н/м²;

k - заданный коэффициент запаса;

- предел текучести металла крышки, Н/м²;

r - внутренний радиус металлической крышки, м;

r_cm - наружный радиус горловины стеклянной емкости, м;

s=2хh, м²;

h - длина образующей ролика, контактирующая с крышкой, м;

R - радиус ролика, м;

n - число закатывающих роликов;

N - число оборотов ролика при закатке одной крышки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фармацевтической, пищевой и прочим отраслям промышленности, где возникает необходимость надежной укупорки стеклянных емкостей (бутылок, банок и др.) крышками, выполненными из металлической фольги. Основным условием всех технологий укупорки является наличие двух взаимно перпендикулярных усилий: прижима крышки к емкости и закатки по диаметру крышки. Конструкции укупорочных устройств обеспечивают эти усилия и, соответственно, взаимные перемещения крышки относительно стеклянной емкости - тары и инструментов закатки.

Широко известен способ укупорки стеклянных банок жестяными крышками, применяемый для консервирования в домашнем хозяйстве и состоящий в том, что горловину банки закрывают крышкой, придавливают захватывающей головкой и прилагают радиальные усилия по диаметру крышки посредством закатывающего инструмента, чаще всего содержащего ролик [1]. Способ не обеспечивает должного качества укупорки, а устройства, содержащие ручной закатывающий инструмент, ненадежны в эксплуатации.

Известен способ укупорки стеклянных банок металлическими крышками, используемый для серийного производства в асептических условиях и заключающийся в наложении также на неподвижно стоящую емкость крышки с отбортованными краями и приложении радиального усилия изнутри крышки к горловине банки [2]. Устройство, реализующее этот способ, содержит станину, неподвижную опору, в гнезде которой размещают укупориваемую емкость, и механизм укупорки, деформирующий крышку [2]. Поскольку в стеклянных емкостях часто имеют место напряжения, то известный способ порой приводит к раздавливанию банки с разлетом осколков наружу, что чревато травматизмом оператора. Поэтому устройства для реализации способа в обязательном порядке включают в себя сложные защитные экраны.

Известен способ укупорки стеклянных емкостей крышками, выполненными из металлической фольги, включающий прижим крышки к горловине стеклянной емкости и закатку путем деформации краев крышки закатывающим инструментом в виде вращающихся роликов [3, прототип]. Способ реализуется различными вариантами устройств, различающихся закатывающим инструментом. Наилучшим среди известных устройств является устройство, также описанное в [3, прототип], содержащее станину, опору с гнездом для укупориваемой емкости, захватывающую головку с закатывающим инструментом в виде вращающихся роликов, прижимающих крышку к горловине стеклянной емкости, и управляющий механизм. Вращающиеся ролики прижимаются к краям крышки центробежной силой согласно копиру. Известное устройство предназначено для использования в массовом производстве.

Недостатком способа и устройств типа [3] является использование принципа перемещения емкости вдоль оси устройства к захватывающей головке, жестко укрепленной по оси на станине закупорочного устройства, когда неизбежны сбои соосности и, соответственно, неоднородность усилий на операции радиального сжатия крышки вращающимися роликами. А это приводит либо к некачественной укупорке, либо к разрушению стеклянной емкости, когда разлетающиеся осколки могут травмировать оператора, а разливающаяся жидкость из емкости попасть в управляющий механизм, выводя его из строя. Перекосы же практически неизбежны, поскольку оператор не может осуществлять установку стеклянных емкостей одинаково от емкости к емкости и тем более на протяжении всей рабочей смены. Производственный травматизм повышается к концу смены.

Отметим, что все известные технические решения, включая и [3], недостаточно удобны в эксплуатации, при которой обычно встают такие требования, как соблюдение правил техники безопасности персоналом, так и определение количества закатанных емкостей. Для этого применяются отдельные специальные устройства.

Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении качества укупорки и исключении разрушения стеклянных емкостей в процессе производства. Техническим результатом настоящего изобретения является также повышение эксплуатационных характеристик укупоривающего оборудования.

Технический результат достигается за счет

- изменения (по сравнению с известным решением [3]) относительности перемещения стеклянной емкости и закаточной головки,

- следующей отсюда возможности устанавливать оптимальный режим приложения радиальных усилий к крышке и работы с необходимым числом оборотов закатывающих роликов,

- следующей отсюда возможности усовершенствовать конструкцию укупоривающего устройства путем, в частности,

- применения системы пружин, воздействующих на каждый ролик индивидуально,

- иного, чем в [3], размещения управляющего механизма, когда в принципе исключается попадание в механизм жидкости из стеклянной емкости, даже в случае разрушения стеклянной емкости,

- возможности использовать световые датчики, подающие сигнал запуска на управляющий механизм и использовать этот сигнал для счета закупоренных емкостей.

Эти решения позволяют обеспечить рациональный режим приложения радиального наружного давления на крышку и существенно снижают вероятность разрушения стеклянной емкости при укупорке.

Конкретно, предложен способ, в котором благодаря изменению относительности перемещения емкости и захватывающей головки выполняются условия укупорки, когда края металлической крышки деформируются радиально приложенным усилием, а стекло емкости при этом не разрушается. Это условие можно сформулировать в виде следующего неравенства для выбора усилия Р:

где Р_доп - допустимая прочность стекла при сжатии, Н/м²,

К - заданный коэффициент запаса,

- предел текучести металла крышки, Н/м²,

r - внутренний радиус металлической крышки, м,

r_ст - наружный радиус горловины стеклянной емкости, м,

s=2h, м²,

h - длина образующей ролика, контактирующая с крышкой, м,

где R - радиус ролика, м,

n - число закатывающих роликов,

N - число оборотов ролика при закатке одной крышки.

Левая часть неравенства достаточно очевидна: приложенное усилие должно быть меньше усилия, разрушающего стекло в используемой емкости. Величины этих разрушающих усилий для каждого конкретного вида стекла либо известны (например, из энциклопедического "Справочника по электротехническим материалам" /Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова и Б.М.Тареева, изд.3., М.: Электроатомиздат, 1987, с.194, где указано, что для всех стекол, применяемых в фармацевтической промышленности, прочность при сжатии составляет 2. 00...500 МПа), либо определены специально. Более того, чтобы снять сомнения в разнице между образцами одного и того же материала, величину допустимого усилия желательно использовать с некоторым заданным коэффициентом запаса k. Как правило, в подобных инженерных задачах коэффициент запаса берут в пределах от 3 до 10.

Правую часть неравенства можно сформулировать из условия сдавливания краев крышки закатывающим механизмом (вращающимися роликами). Действительно, (см. фиг.3), чтобы обеспечить сдавливание крышки, деформирующее напряжение, равное частности от деления усилия P на площадь контакта s ролика с крышкой, должно выйти за пределы закона Гука, т.е. должно соблюдаться неравенство

где - относительная деформация краев крышки, равная, как видно из фиг.3, отношению а - предел текучести металла крышки.

Площадь контакта s=2h, где h - длина образующей ролика, контактирующая с крышкой, а величину x нетрудно определить из геметрических соображений. Она равна

где R - радиус ролика, м,

n - число закатывающих роликов,

N - число оборотов ролика при закатке одной крышки.

Таким образом, в предлагаемом способе четко определяется режим сдавливания, когда прилагаемое усилие ограничивается свойствами материалов - стекла (Р_доп) и металла (), геометрическими размерами емкости и крышки (r_ст и r), а также инструмента (h и R) и режимом сдавливания (n и N).

Изобретение иллюстрируется фиг.1-4 а,б, на которых схематически представлены конструкции известного устройства [3] (фиг.1) и предложенного. На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства, на фиг.3 показано действие сил на крышку при операции закупорки. На фиг.4 схематически приведен опробованный вариант предложенного устройства.

На чертежах обозначены: захватывающая головка 1, прижим 2, закатывающие ролики 3, станина 4, закупориваемая стеклянная емкость 5, которая установлена в гнезде опоры 6, плита 7, перемещаемая в осевом направлении по направляющим 8, крышка 9 и пробка 10 (как правило, резиновая или пластмассовая), управляющий механизм 11, оптический датчик 12, счетчик 13. Захватывающая головка 1 включает в себя закатывающий механизм 14, состоящий из прижима 2 и закатывающих роликов 3.

В известном устройстве (см. фиг.1) стеклянная емкость 5 закрывается пробкой 10 и устанавливается оператором в гнезде опоры 6, которая имеет возможность перемещения в осевом направлении. Захватывающая же головка 1 жестко закреплена на станине 4, поэтому в процессе работы стеклянную емкость 5 перемещают в осевом направлении к головке 1, где прижимают прижимом 2 и закатывают роликами 3.

В предложенном устройстве (см. фиг.2.) стеклянную емкость 5 устанавливают в гнезде опоры 6, которая неподвижно закреплена на станине 4. 3ахватывющая же головка 1 выполнена таким образом, что она имеет возможность перемещения вдоль оси стеклянной емкости. Например, она может быть закреплена на плите 7, имеющей возможность осевого перемещения, скользя по направляющим 8. В процессе работы стеклянная емкость 5 остается на месте и никуда в осевом направлении не смещается. Захватывающую головку 1 подводят к горловине стеклянной емкости 5, закрытой пробкой 10 и металлической крышкой 9, и проводят укупорку путем деформации крышки 9 вращающимися закаточными роликами 3. Таким образом, осевые перекосы, присущие устройствам типа [3], изображенного на фиг.1, в нашем случае практически устранены.

Лучшим из инструментов закатки на настоящий момент является система вращающихся роликов. Но если в [3] закаточный инструмент выполнен в виде системы роликов, перемещаемых по копиру и обеспечивающих радиальный прижим за счет центробежной силы при вращении закатывающей головки с большой скоростью, то выполнение условий нашего изобретения позволяет применить и более совершенный инструмент закатки, а именно - систему пружин, индивидуальную для каждого ролика. Использование именно подпружиненных роликов обеспечивает заданную (а не плохо контролируемую в [3]) величину усилий, в том числе требуемых согласно изобретению). Обратим внимание, что в нашем случае эти усилия не только контролируемо устанавливаются при настройке, но и соблюдаются при эксплуатации, независимо от скорости вращения головки. Использование упругих свойств пружин вместо центробежных сил позволяет существенно снизить скорость вращения захватывающей головки. В нашем случае вращение головки необходимо только для деформации краев крышки по всему контуру. Таким образом, даже при разрушении стеклянной емкости (при наличии избыточных напряжений в системе) осколки не разлетаются.

Но если даже вдруг во время укупорки емкость раздавливается и содержимое ее разливается, то предложенный принцип технического решения позволяет предотвратить попадание содержимого емкости в электронные элементы управляющего механизма. Для этого достаточно разместить управляющий механизм просто выше горловины укупориваемой емкости.

Предложенный принцип технического решения позволяет повысить универсальность устройства путем выполнения закатывающего инструмента сменным, не меняя при этом захватывающей головки. Смена закатывающего инструмента не влечет за собой перенастройки всех механизмов устройства. Смена производится при переходе на другой тип металлической крышки.

Предложенный принцип технического решения позволяет улучшить и эксплуатационные характеристики укупоривающего оборудования. Поскольку стеклянная емкость устанавливается в гнездо на неподвижной опоре, перед ней удобно разместить устройство типа светового затвора, позволяющее получать сигнал о наличии емкости в гнезде. Этот же сигнал может быть подан на счетчик этих сигналов, т.е. судить о количестве стеклянных емкостей.

Понятно, что все перечисленные дополнительные узлы могут применяться как по отдельности в устройствах укупорки предложенного типа, так и одновременно.

Основные характеристики опробованного варианта (фиг.4) представлены в табл.1, где для сравнения приведены данные для известного устройства [3].

Таким образом, наш вариант устройства по основным характеристикам превосходит известное устройство [3].

Примеры реализации предложенного способа показаны в табл.2.

Опытные образцы опробованы в ряде фармацевтических учреждений Москвы, Санкт-Петербурга, Н. Новгорода с положительными результатами.

Источники информации

1. Книга о вкусной и здоровой пище. /Под ред. акад. А.А.Покровского), изд.8. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984, с.328.

2. H.G.Habbel, патент ФРГ №2750831, класс В 65 в 7/28, 1980.

3. Машина закаточная ЗМ-00-0 ПС. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Министерство медицинской промышленности СССР, Ждановский завод технологического оборудования, 1983 (прототип).