Одеська національна академія харчових технологій

Маламєн Георгій Дмитрович

УДК 621.798.1:664

Наукове обгрунтування і розробка оптимальних конструкцій тари ДЛЯ ПАКУВАННЯ харчових продуктів

Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Одеса - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній академії харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Гладушняк Олександр Карпович, Одеська національна академія харчових технологій, завідуючий кафедрою технологічного обладнання харчових виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гавва Олександр Миколайович, Український національний університет харчових технологій, професор кафедри технічної механіки і пакувальної техніки

доктор технічних наук, професор Дударєв Іван Романович, Одеський державний аграрний університет, професор кафедри механізації та автоматизації сільськогосподарського виробництва

доктор технічних наук Коптюх Леонід Андрійович, ЗАТ "Український науково-дослідний інститут паперу", заступник голови правління з наукової роботи

Провідна установа Харківська державна академія технології та організації харчування, кафедра устаткування підприємств харчування Міністерства освіти і науки України, м.Харків

Захист відбудеться 19.12.2002 р. о 10-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 при Одеській національній академії харчових технологій (65039, м.Одеса, вул. Канатна, 112).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської національній академії харчових технологій (65039, м.Одеса, вул.Канатна, 112).

Автореферат розіслано 18.11.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор О.І.Гапонюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Термін "Упаковка" об'єднує різні сфери економіки та екології. Це виробництво таропакувальних матеріалів, виробництво та споживання пакувальних виробів і тари, машин та обладнання для пакування, дизайн, утилізація, переробка та інші екологічні проблеми. Споживання упаковки в середньому світі дорівнює $ 83/на людину; у розвинутих країнах – $ 400/на людину; у всіх інших – $ 38/на людину. На Україні більш ніж половини тари виробляється з деревини та картону, частка пластмасової тари складає 3%, що в 10 разів менш ніж у західних країнах. Всесвітні тенденції розвитку тари доводять, що споживання її з традиційних пакувальних матеріалів буде зростати на 1…2%, а пластмасової – не менш як на 4% за рік. Тара є необхідний елемент упаковки будь-якого технологічного процесу виробництва, зберігання та транспортування харчових продуктів. Від її надійності залежить ефективність функціонування всього ланцюга: виробник сировини - переробне підприємство - споживач.

Тара може бути багатофункціональною (технологічною, споживчою та транспортною) або багатообіговою (транспортною). Вимоги до цих типів тари різні.

Багатообігова транспортна тара в багатьох випадках виготовлена за розробками і на пресформах закордонних фірм, але при цьому використовуються матеріали вітчизняного виробництва, що за своїми фізико-механічними характеристиками поступаються зарубіжним аналогам. Термін використання тари з вітчизняних матеріалів менше встановленого стандартом (3 роки) і складає від кількох місяців до 1,5-2 років. Виключити ці недоліки можна тільки на підставі встановлення впливу діючих на тару зовнішніх сил, впливу кліматичних чинників на матеріал, з якого виготовлена тара, та розробкою нових конструктивних схем тари.

Уніфіковані ряди тари різних конструкцій розроблені, проте методика вибору типу тари для конкретної продукції або цілого ряду одноманітних продуктів відсутня. Також відсутні математичні моделі для оптимального конструювання тари, для аналізу витрат матеріалу, вивчення їх напружено-деформованого стану.

У зв'язку з викладеним наукове обгрунтування принципів конструювання, вдосконалення та вибору тари і упаковки для зберігання і транспортування харчових продуктів, що дозволяє зберегти споживчі властивості продуктів, та підвищити міцність та довговічність, виготовленої з наявного матеріалу є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Підставою для початку робіт за цією темою стало звернення ВВО "Союзхарчотара" в 1986 році до керівництва ОТІХП ім. М.В.Ломоносова про важливість та необхідність виконання такої роботи. Дисертаційна робота базується на виконаних держбюджетних та госпдоговірних роботах ОДАХТ №51/86 "0птимізация конструктивних елементів транспортної полімерної тари", №302-89 "Аналіз міцності і розрахунок конструктивних елементів, виробів уніфікованого ряду тари з полімерних матеріалів", №302-90 "Дослідження і розрахунок оптимальних конструктивних елементів транспортної тари з пластмас", №1-94 "Модернізація, авторський нагляд за виготовленням та наладкою формуючого інструмента елементів жерстяних банок з переходом на тонку жерсть і №2-95 "Експертна оцінка технічного стану обладнання жерстянобаночних виробництв з послідуючою модернізацією". Робота виконувалась також у рамках держбюджетних планів ОДАХТ кафедри технологічного обладнання харчових виробництв і відповідає Закону України від 11 липня 2001 р. № 2623-3 "Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є зменшення витрат тарного матеріалу, забезпечення міцності і довговічності тари на розрахунковий термін роботи в залежності від дії зовнішніх сил, кліматичних чинників та властивостей продукту.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

- проаналізувати технологічний процес транспортування, зберігання і реалізації харчових продуктів з метою збереження їх споживчих властивостей;

- провести аналіз умов навантаження тари для визначення діючих на неї сил;

- узагальнити наявні конструкції металевої, скляної, картонної і полімерної тари;

- розробити базові розрахункові методики для кожного виду тари;

- виконати теоретичні дослідження напружено-деформованого стану конструктивних елементів тари та провести експерименти з кожним видом тари для перевірки розроблених математичних моделей;

- провести обстеження тари, що знаходиться в експлуатації, визначити обіговість, термін служби і типові руйнування її конструктивних елементів;

- визначити механічні властивості тари (банок, ящиків) різних заводів, нових і таких які були в експлуатації, а також їх матеріалу;

- розробити методику розрахунку статичної і динамічної міцності тари з урахуванням умов її експлуатації і зміни фізико-механічних властивостей матеріалу внаслідок старіння і санітарної обробки;

- розробити рекомендації по оптимальному конструюванню елементів багатофункціональної та багатообігової тари при заданому терміні служби.

Об'єкт дослідження – тара для пакування та транспортування харчових продуктів.

Предмет дослідження – розробка науково обгрунтованих конструкцій тари, які мають мінімальну матеріалоємність і гарантований термін роботи.

Методи дослідження – експериментальні (на розроблених дослідних стендах і сучасному обладнанні науково-дослідних інститутів) і розрахункові – на базі моделювання тари з використанням метода скінчених елементів, прикладної та будівельної механіки, теорії коливань.

Наукова новизна одержаних результатів. В основу роботи покладена наукова концепція, яка полягає в тому, що нові результати можуть бути отримані сполученням науково обгрунтованих методів визначення раціональних геометричних і міцностних параметрів тари з вимогами до їх конструкції, щодо максимального збереження споживчих властивостей харчових продуктів. На основі проведених досліджень отримані такі наукові результати:

- визначені зовнішні і технологічні сили, що діють на тару в залежності від умов навантаження, транспортування і перевантаження;

- розроблені математичні моделі тари, котрі дозволять визначити мінімальні витрати тарного матеріалу, а також проаналізувати напружено-деформований стан її елементів в залежності від умов навантаження;

- запропоновані рівняння для визначення раціональних геометричних розмірів тари, яка має грану або поверхню обертання, які є базою для міцностних розрахунків;

- розроблено наукову методику розрахунку і конструювання тари, що має підвищену міцність та довговічність за умовами її виготовлення з наявної сировини вітчизняного виробництва та дозволяє зберегти споживчі властивості продукції;

- обгрунтовані основні співвідношення між конструктивними елементами тари, які дозволяють отримати рівноміцні конструктивні елементи тари;

- доведено, що збільшення маси основних несучих елементів ящиків на 20…30% збільшують термін служби тари не менш ніж у 1,5 рази і скорочують експлуатаційні витрати на 30%.

Отримані результати по дослідженню математичних моделей тари, а також нові експериментальні дані по фізико-механічним характеристикам тарних матеріалів і конструкції тари дозволили вирішити проблему конструювання тари з необхідними властивостями.

Теоретичне узагальнення результатів проведених досліджень дозволило вирішити наукову проблему по обгрунтуванню і розробці тари оптимальної конструкції.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні і експериментальні результати, отримані при виконанні цієї роботи, використано при розробці і впровадженні в експлуатацію нових конструкцій тари для плодів і овочів, для дріжджів, консервованої продукції, а також для модернізації існуючих конструкцій тари з метою підвищення її міцності і довговічності.

Результати роботи використані:

- при розробці нових конструкцій багатофункціональної та багатообігової тари, яка забезпечує цілісність споживчих властивостей харчової продукції на визначений термін зберігання і рекомендацій по визначенню основних параметрів конструктивних елементів тари меншої матеріалоємності і гарантованому терміну роботи;

- при визначенні вимог до сировини для виготовлення тари та граничних навантажень на існуючі конструкції тари в процесі її транспортування і перевантажень з метою підвищення її терміну служби.

Отримані результати впроваджені при розробці тари в НВО "Агропромпрогрес", консервних заводів м.Одеси і м.Каменка.

Особистий внесок здобувача. В наукових роботах і авторських свідоцтвах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать основні ідеї, наукове обгрунтування теоретичних положень, розробка математичних моделей і алгоритмів, реалізації їх на ЕОМ, постановка і інтерпретація результатів досліджень, формулювання висновків і результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення теоретичних і експериментальних досліджень доповідались і отримали позитивну оцінку на: - Всесоюзній конференції по тарі і упаковці в харчовій промисловості (Львів, 1989); Міжнародній науково-технічній конференції "Розробка та впровадження нових технологій та обладнання в харчовій та переробній галузях АПК (Київ, 1993); IX Міжнародній конференції "Удосконалення процесів та апаратів хімічних харчових та нафтохімічних виробництв (Одеса, 1996); ХVIII конференції країн СНД "Дисперсійні системи" (Одеса, ОГУ, 1996); Науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОДАХТ (Одеса, 1993-2001).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в наукових роботах, в тому числі: 23 статей в наукових фахових виданнях, 5 авторських свідоцтв, один патент, чотири статті депоновані і анотовані у наукових журналах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, дев'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.

Робота викладена на 332 сторінках, має 117 рисунків (на 35 сторінках), 46 таблиць (на 30 сторінках), 5 додатків (на 43 сторінках), 161 літературних джерел (на 13 сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, показано її народногосподарське значення, сформульовані мета і задачі досліджень.

В першому розділі наведено класифікацію упаковки (ДСТУ 2890-94), яка розподіляється на тару та допоміжні пакувальні засоби, а також результати аналізу технологічного процесу зберігання і транспортування харчових продуктів в тарі, виготовленої з різних матеріалів, з метою визначення умов зберігання і навантажень.

Тара для харчових продуктів може бути багатофункціональною (консервна, споживча, транспортна) або багатообіговою (транспортною). Перша використовується як транспортна тільки один раз. Так, наприклад, консервна жерстяна тара великих розмірів (ж/б № 14, № 15), ще в процесі наповнення томатною пастою деформується і змінює геометричну форму. Це приводить до витрат готової продукції та її конкурентоспроможності. Необхідно розробити таку конструкцію тари, котра була б стійкою до технологічних та зовнішніх чинників, а також була менш матеріалоємною.

Для багатообігової тари як показано роботами Є.П.Широкова, С.В.Харламова, Ю.Г.Скорикової, Л.В.Метлицького та інших авторів, а також в дослідах проведених у Всесоюзному науково-дослідному інституті тари та упаковки (ВНДЕКІТУ) при тривалому зберіганні плодів, овочів в свіжому стані необхідно регулювати процеси дихання і мати зв'язок продукції з навколишнім середовищем. Встановлено, що між завантаженими ящиками в стовпці повинен бути забезпечений простір для відведення вуглекислого газу. Основні вимоги до конструкції тари, виходячи з умов тривалого збереження споживчих властивостей продукту, наведено в табл. 1.

Особливі вимоги ставлять до матеріалів, з яких виробляється тара і упаковка. В процесі експлуатації полімерний матеріал зазнає впливу зовнішнього середовища і впливу продукту, які змінюють структуру і властивості початкового матеріалу, викликаючи його деструкцію. В процесі деструкції низькомолекулярні речовини: мономери, олігомери, т.і. можуть мігрувати в харчовий продукт.

В дослідженнях В.В.Станкевича, А.Г.Сироти, С.А.Рейлінгера та інструкціях по санітарно-хімічному дослідженню виробів із полімерних матеріалів показано, що в деяких випадках міграція продуктів деструкції матеріалу тари перевищує міграцію продуктів з початкового матеріалу. Санітарно-гігієнічні дослідження показали, що серед синтетичних матеріалів, що дозволені для використання в харчовій промисловості, найбільш розповсюдженими є поліетилен високого тиску низької міцності (ПЕВТ) і поліетилен низького тиску високої міцності (ПЕНТ).

Таблиця 1

Основні вимоги до конструкції тари

Найменування продукції Умови зберігання Вимоги до тари

Томати Вентиляція в штабелі і між ящиками Суцільні бокові стінки, просвіт між ящиками в стопі і штабелями

Цибуля Активне провітрювання Решітчата конструкція

Картопля Активне вентилювання Решітчата конструкція, просвіт між ящиками

Корнеплоди Вентилювання згори Суцільні бокові стінки і дно, без кришки

Огірки Вентилювання згори Суцільні бокові стінки і дно, без кришки

Груші, яблука Вентиляція в штабелі і стовпці, щільне укладення Просвіт між ящиками

Ягоди Активна вентиляція згори Суцільне дно і стінки, просвіт між ящиками

Аналіз транспортно-технологічних схем обробки тари на різних підприємствах з різноманітною продукцією показав, що на неї впливає весь спектр статичних, динамічних і циклічних навантажень, що викликані вертикальними силами тяжіння завантажених ящиків стовпця, а також кліматичного і температурного впливів, що пов'язані з санітарною обробкою тари. З зазначеного випливають основні вимоги, що визначають конструкцію тари і її елементів:

- збереження споживчих властивостей харчового продукту при транспортуванні, зберіганні і реалізації;

- запобігання механічного пошкодження продукту всередині тари (висота заповнення, тиск на продукт вищестоячого ящика, можливість співудару продукту);

- механічна міцність конструктивних елементів тари при заданому терміні служби;

- максимально можливе заповнення ящика; габаритних розмірів тари, що враховує розміри транспортних піддонів.

В другому розділі складено математичні моделі для знаходження мінімальних витрат матеріалу на виготовлення тари. Визначені геометричні розміри циліндричної, конічної і призматичної тари, за умови що забезпечують мінімальні витрати тарного матеріалу.

Для циліндричної тари відношення висоти Н до діаметра D рекомендується вибирати в межах 1<1,4,

де V - об'єм банки;

К - кількість денець;

d1 і d - товщина матеріалу корпусу та денець відповідно.

Для зрізаної конічної поверхні оптимальне значення

,

де d - менший діаметр, а h - висота зрізаного конуса.

Якщо конус не зрізаний, то d = 0; h = H

,

Оптимальне співвідношення для повної конічної поверхні (така, що має основу), таке

.

Рекомендованим співвідношення геометричних розмірів призматичної тари є:

де а і b - розміри основи тари (тобто основа тари - квадрат);

j - кількість денець (клапанів) тари.

Відношення К вартості тари Ст до вартості продукції в цій тарі См для циліндричної Кц та призматичної Кп тари ці співвідношення такі:

де rт, rм - густина матеріалу тари та продукції l=H/D;

qт, qм - приведена вартість матеріалу тари та продукції.

З використанням отриманих співвідношень виконано аналіз конкурентноздатності різних типів тари і розроблено рекомендації по визначенню мінімальних об'ємів упакованої продукції.

Для тари, що виготовлена з листового матеріалу (форматних листів) методами лінійного програмування складено алгоритм його розкрою при мінімальних відходах.

Запропоновано показник оптимальності тари з обмеженим терміном експлуатації.

В третьому розділі розглянуто конструктивні елементи тари однакового призначення різних заводів-виготовлювачів, а також конструктивні виконання тари для різних харчових продуктів. Систематизовані характерні пошкодження елементів тари, що використовується на харчових підприємствах.

Обстеження місць пошкодження тари показало, що в основному вони носять крихкий характер і викликані різноманітними зовнішніми навантаженнями, процесами старіння пластмас та наявністю концентраторів напружень. Іноді руйнування має втомний характер. Аналіз зруйнувань більш ніж 2000 ящиків для пляшок показав, що найбільш розповсюдженими є такі три види пошкоджень: руйнування стояків посередині верхньої вільностоячої їх частини - 30%; руйнування посередині верхніх з'єднуючих планок - 30%; руйнування в місцях сполучення верхніх планок зі стояками - 30%.

Основною причиною руйнування ящиків для плодів і овочів, ковбасних виробів і копченостей є вертикальний розлам ящика в місці сполучення бокових стінок. На основі аналізу місць руйнування тари встановлено, що її конструктивні елементи повинні розроблятися з урахуванням вертикальних і горизонтальних сил, а також з урахуванням погіршення міцності поліетилену в процесі тривалої експлуатації.

В четвертому розділі викладено результати дослідження навантажень на конструктивні елементи тари, що розглядалися у вигляді просторової стержньової конструкції.

На нижній найбільш навантажений ящик стовпця окрім вертикальних сил діють і горизонтальні сили, котрі викликані наявністю ухилів доріг і відхиленням несучої платформи на кут b (до 6°) і сил інерції Ті внаслідок прискорення при початку руху і гальмування транспортного засобу.

З урахуванням цього, сили що прикладені до несучих стояків ящика, що знаходиться на наклонній несучій платформі. визначаються залежностями:

дe A, B, C, D – сили, що прикладені до стояків ящика, Н; а і b розміри ящика в плані; j - кут відхилення місця прикладення сили R. Найбільш навантаженим стояком ящика буде стояк при j = j0, а tgj0 = a/b.

Розглядаючи просторову конструкцію ящика, як утворену плоскими рамами (фермами) визначали зусилля в стрижнях способом розкладу на плоскі рами. Для силового розрахунку використано комбінований спосіб розрахунку: при симетричному навантаженні – метод переміщень, а для несиметричного - метод сил. Прикладаючи отримані значення вертикальних складових сил А, В, С, D і горизонтальних T = Rsinj визначають внутрішні силові чинники в конструктивних елементах ящика. На прикладі ящика №5 виконали перевіряючи розрахунки для визначення напруги в його елементах. Результати розрахунку показали, що найбільш навантаженим є місце сполучення верхніх планок зі стояками ящика.

Перевірку на міцність і тривалість стиснуто-зігнутого стояка виконували за формулою:

(2)

де a = s0/sкр- відносна лінійна напруга, е - відносний ексцентриситет прикладеної осьової стискаючої сили; s0 – осьова стискуюча напруга; n - коефіцієнт розрахункової довжини стрижня, який залежить від умов спирання його кінців; l - гнучкість стрижня.

Перевірка на міцність і тривалість найбільш навантаженого стояка ящика № 5 для пляшок з харчовими рідинами (ГОСТ 17358-80) показала, що вона задовольняє умові (2) для нового ящика.

У випадку зміни розрахункової схеми ящика, необхідно складати нову систему канонічних рівнянь рівноваги його вузлів і отримати залежність для визначення внутрішніх силових чинників в його елементах.

В п'ятому розділі наведено результати досліджень по визначенню основних параметрів, котрі необхідні для розрахунку статичної, динамічної і довговічності тари.

Довговічність пакувального матеріалу визначається статичними навантаженнями і кліматичним впливом навколишнього середовища. У випадку, коли механічні навантаження є основними, а також з урахуванням фактору деструкції полімера довговічність може бути визначена за отриманою нами залежністю, яка базується на дослідженнях С.Н.Журкова:

, (3)

де (формула Журкова); sс і s - безпечна та роз-

рахункова напруги; Е і Еп - початковий та кінцевий модулі повзучості; t0 - період коливання кінетичних одиниць; U0 - енергія активації термохімічної деструкції; g - структурно-чутливий коефіцієнт; R - універсальна газова постійна; Т – температура.

Якщо традиційні пакувальні матеріали (картон, скло, жерсть) мають незмінні властивості за терміном зберігання харчового продукту, то у полімерних матеріалів вони змінюються за терміном служби багатообігової тари. Визначимо значення цих величин для залежності (3) для матеріалу, що більш всього вживається в багатообіговій тарі – поліетилену.

В роботах різних авторів наведено різні значення t, U0 і g для поліетилену, що відрізняються один від одного більш ніж на порядок. В зв'язку з цим, нами були визначені значення цих величин на обладнанні в ВНДЕКІТУ, а саме:

при цьому, більші значення U 0 i g відносяться до менших значень s і більших – Т. Використовуючи ці отримані значення величин t0, U0 і g та формулу (3) були побудовані графіки залежності тривалої міцності поліетилену від температури і графіки залежності розрахункових напруг від терміну служби тари при різних температурах. Аналіз цих графіків показує, що температура починаючи з 25°С до 30°С чинить значний вплив на довговічність поліетилену, а розрахункові напруги при терміні служби 3 роки і температурі 25 °С до 30 °С, s = (1,6…3,5) МПа, що в середньому відповідає рекомендованій величині безпечної напруги.

При виконанні транспортно-перевантажувальних операцій на тару впливають різні динамічні навантаження, які можуть бути і імпульсними. Графіки імпульсів, що можуть мати місце при виконанні таких робіт, наведено в табл. 2.

Імпульсне навантаження одноразової дії визначається виразом:

Диференціальні рівняння системи під дією імпульсної сили мають вигляд:

. (4)

Розв'язання рівнянь (4) визначається виразами:

;

(5)

.

Підставляючи значення Р0 і f(t) в (5) для різних графіків прикладання імпульсу сили одержимо значення переміщення системи, найбільшого переміщення системи і динамічного коефіцієнта

Аналіз результатів розрахунків для різних технологічних схем обробки тари показав, що стояки ящиків треба розраховувати на тривалість з y =2 (табл. 2, графіки 1, 3), а при проведенні розрахунків на міцність, коефіцієнт динамічності слід вибирати в залежності від умов транспортування, тобто від складової вертикального прискорення а. При а=(0,1…0,2)g, коефіцієнт y = 1,4…1,8, або - усереднений коефіцієнт динамічності при циклічних навантаженняхy = 1,6.

В процесі перевезення завантаженої транспортної тари внаслідок нерівностей доріг виникають коливання платформи, які визначають динамічні транспортні навантаження на тару. Після розв'язання диференціального рівняння змушених коливань системи з одним ступенем свободи і при умовах: висота нерівностей дороги до 100 мм, частота коливань несучої платформи (0,7…1,8) Гц і середньоквадратичне прискорення (0,1…0,2)g, отримали значення для динамічного коефіцієнта y = 1,01…1,03.

Отже, транспортування завантаженої тари авто- і залізничним транспортом з частотою коливань платформи до 3 Гц не впливає на її динамічну міцність, а статична і динамічна міцність виробу відрізняються незначно.

Модуль повзучості Еп поліетилену залежить від терміну служби, температури при якій експлуатується тара і від тривалості впливу статичного і циклічного навантажень.

При розрахунках припустимих напруг, без урахування старіння полімера, коефіцієнт запасу міцності n треба брати n=4; з урахуванням чинника старіння пластмаси і при заданих умовах експлуатації тари для харчових продуктів нами доведено, що n=10. Тоді припуcтимі напруження співпадають із рекомендаціями інших авторів по визначенню безпечної напруги для ПЕ, sс =2,41 МПа.

В шостому розділі викладено результати експериментального визначення механічних характеристик пластмасової тари і її матеріалу.

Випробування зразків, що вирізані з перегородок, бокових планок і стояків нових ящиків, виготовлених з ПЕНТ марки 277-75, виконували згідно ГOСТ 18197-82 на обладнанні ВНДЕКІТУ. В табл. (чисельник) наведено результати дослідів та довідкові дані для ПЕНТ 277-75.

Дослідження фізико-механічних властивостей матеріалу ящиків, котрі були в експлуатації від 3 до 6 років (не захищеного від старіння різними додатками) і відбракованих внаслідок їх руйнування за зазначеною вище методикою показало, що незалежно від заводу-виготовлювача тари (досліди були проведені для тари п'яти різних заводів) межа міцності змінювалася не більш ніж на 10%, відносний розтяг зменшувався до 30% (табл. 3, знаменник).

Таблиця 3

Механічні характеристики ПЕНТ 277-75

Джерело sТ, МПа sр, МПа Е, МПа Відносний розтяг e, %

Зразки з перегородок 26,4/21,5 14,0/16,1 670 390/30

Зразки з стояків 22,0/21,0 14,0/16,1 400 430/120

По даним ТУ 6-05-1870-79 26,0 17,7 750 400

Тому матеріал для виготовлення тари повинен відповідати за своїми механічними характеристиками зарубіжним аналогам ПЕНТ для виготовлення тари марки Вестолен, Хостален або Ельтекс і бути захищеним від термо- і світлодеструкції різноманітними додатками за рецептурами 11, 12, 17, 20, 23 (ГОСТ 16335-85).

Жорсткість окремих елементів ящика для пляшок в цілому визначалася на стендах та розривній машині. На рис. 1 наведено графік згину верхньої довгої з'єднуючої планки, яка навантажена посередині горизонтальною силою для ящиків різних заводів-виготовлювачів тари.

Аналогічно вимірювали згин верхньої короткої з'єднуючої планки і в планках нижнього поясу. Виміри виконували в місці прикладення сили. На рис. 2 показано графік переміщення діагонально-розташованих стояків ящика в місцях 1, 2, 3.

З наведених графіків визначаємо, що найменш жорсткими є ящики ОЗУВ, а найбільш жорсткими - ящики фірми IPES.

За такою ж методикою досліджували жорсткість елементів ящиків, що полегшені.

З аналізу графіків випливає, що жорсткість полегшеного ящика на 12...15 % менша початкових ящиків. Транспортно-перевантажувальні операції з такими завантаженими ящиками при транспортуванні їх на автотранспорті показали, що в експлуатації вони не відрізняються від серійно виготовлених ящиків. Маса ящика при цьому може бути зменшена на 7...8 %.

В сьомому розділі викладено результати дослідження міцності елементів тари різного виконання і призначення.

Розрахунок тари, як просторової стрижневої конструкції і заміною її плоскими рамами, як, наприклад, ящики для пляшок, зводиться до розв'язання системи канонічних рівнянь. Подання розрахункової моделі тари, як просторової стрижневої конструкції, приводить до розв'язання складної системи рівнянь. Розв'язання цієї системи в загальному вигляді неможливе, тому що для кожної конструкції, що досліджується. треба складати окрему систему рівнянь і вибирати методику розв'язання.

Для дослідження напружено-деформованих елементів тари чисельним способом була використана програма LIRA, що орієнтована на розрахунки просторових стрижневих систем, плит що згинаються і оболонок способом скінчених елементів. На рис. 3 показано деякі з розрахункових схем навантаження ящика №5 силами від ваги 10 завантажених ящиків і при максимальному куті нахилу несучої платформи b = 6°. В схемі навантаження 1 (рис. 3) цифрами показано вузли, до яких прикладені розрахункові зусилля. Ці позначки використовуються і для інших схем.

При дослідженні різноманітних схем навантаження розрахункових моделей тари було встановлено, що розбіжність між переміщеннями, отриманими при розрахунках з використанням ППП і експериментальними даними (рис. 2, 3) не перевищує 7 %.

Розбіжність між величинами моментів і переміщень, що діють в стрижнях плоскої ферми (розділи 4, 6) і просторової конструкції складає не більш 10 %. Це вказує на адекватність розрахункової схеми тари її реальній конструкції. На підставі аналізу напружено-деформованого стану конструктивних елементів просторової конструкції тари при різноманітних варіантах навантаження виходить, що навантаження на нижній ящик стопи необхідно прикладати тільки до стояків ящика, виключаючи можливість її рівномірного або нерівномірного прикладення по верхньому поясі; необхідно виключити засіб перекидання ящиків за рахунок навантаження їх силою Р по верхній з'єднуючій планці (схема 1, рис. 3); при розрахунку внутрішніх силових факторів необхідно враховувати горизонтальні сили, тому що внутрішні силові чинники від цих сил порівняні з моментами від діючих навантажень.

Дослідженням напружено-деформованого стану конструктивних елементів були піддані одинадцять математичних моделей тари рамної і фермової конструкцій (рис. 4) і однакових габаритних розмірів. При цьому схеми 10 і 11, подібні схемам 1 і 8, але у них один із стояків не спирається на несучу платформу. Варіанти навантаження кожної моделі наведено в табл. 4.

Аналіз результатів досліджень напружено-деформованого стану тари по розрахунковим схемам 1...11 (рис. 4) при навантаженні їх силами (табл. 4) показав, що для всіх розрахункових схем треба виключити можливість навантаження по варіантам 4, 5, 6, 7, 8, 11, тому що розрахункові напруги в 2...4 рази перевищують безпечні, тобто конструкція тари повинна виключати можливість навантаження її такими поєднаннями сил.

В схемах 6, 7, 8, 9 центральний стрижень не навантажений і його можна не вводити до конструкції тари. Якщо конструкція тари виконана по схемам 5, 8, 9 необхідно підсилення верхньої консольної частини боковими розкосами по довгій стороні.

Це дозволяє зменшити навантаження на стояк в 2,5...3 рази. У випадку, якщо один з вузлів спирання не спирається на несучу платформу (розрахункові схеми 10, 11), то навантаження в елементах дна і нижнього поясу в 2...3 рази більше ніж в подібних розрахункових схемах 1 і 7, що спираються всією площиною на платформу, тобто треба уникати конструкцій ящиків за розрахунковими схемами 3, 5, 6, 9.

№ пп Схема навантажень Чисельні величини навантажень Розрахункові значення y, M, N

1 A=B=C=D=700Н Р=300Н М3=17Нм у3=5,38мм (у3)эксп=5,10мм z5=z1=zn=z12=0,68 N=750Н

2 q=2,2кН/м M5=M6=20Нм N=710Н

3 A=D=222Н В=С=1130Н Т=280Н M5=M6=5Нм N=1157Н

4 A=B=1120Н C=D=110Н T=280Н M5=M6=5Нм N=1160Н

5 A=720Н В=860Н С=640Н D=50Н Т=160Н Q=100Н M5=M6=4Нм N=910Н

6 q1=3,4 кН/м q2=0,3 кН/м T=280Н M5=M6=31Нм M3=23 Нм N=1000Н

Рис. 3. Розрахункові схеми навантажень.

Отже, при конструюванні тари навантаження треба прикладати в верхніх вузлах і вздовж стояків тари; бокові сили повинні сприйматися розкосами, які в залежності від конструкції тари можуть закріплятися в нижній частині стояка, в місцях закріплення бокових перегородок зі стояками або дещо вище; необхідно забезпечити максимально можливе спирання дна тари на несучу платформу.

Дослідження напружено-деформованого стану конструктивних елементів і міцності тари відкритої (оболонкової конструкції, яка може бути виготовлена з будь яких пакувальних матеріалів) виконували за програмою LIRA способом скінчених елементів в варіанті засобу переміщень.

Розрахунками на міцність підлягали ящики для пляшок №2 і №5 за ГОСТ 17358-80, ящики №15 для ковбаси за ОСТ 49-127-78, ящики № 2, 1, 3 для транспортування овочів і фруктів за ОСТ 10-15-86, ящика №3 для м'ясних продуктів по ОСТ 49-127-78. Використання ППП для дослідження напружено деформованого стану і міцності конструктивних елементів розрахункових моделей тари показано на прикладі розрахунку ящика №3 для плодів і овочів, який має найбільшу висоту (285 мм).

Розрахункова схема чверті ящика зображена на рис. 5 а.

Номери деяких скінчених елементів показано на рис. 5 д, е. Незважаючи на використання симетрії ящика число скінчених елементів дорівнює 753, загальне число невідомих засобів переміщень дорівнює 4985. Граничні умови виділеної чверті ящика залежать від вигляду навантажень. На рис. 6 показано різні варіанти одиничних навантажень і відповідні їм умови закріплення.

Таблиця 4

Варіанти навантаження тари

№ п/п кH кН/м

А В С D T/2 Q/2 P q1= q2 q3= q4

1. 0,5 0,5 0,5 0,5 - - -

2. - - - - 0,1 - -

3. - - - - - 0,1 -

4. - - - - - - - 2,0 2,0

5. - - - - - - - 2,0 1,0

6. - - - - - - - 2,0 0,2

7. 0,1 0,55 0,55 0,1 0,14 0,14 - 0,3 1,5

8. 0,55 0,55 0,05 0,05 0,14 0,04 - 1,7 0,15

9. 1,1 1,1 0,1 0,1 - 0,14 - -

10. - - - - - 0,14 - 3,4 0,3

11. - - - - - - 0,1 - -

Аналізом отриманих значень нормальних і дотичних напружень у центрі кожного кінцевого елементу для одиничних навантажень (рис. 6) доведено, що найбільш навантаженими є елементи, які прилягають до нижньої грані.

Найбільш небезпечним при цьому є перше одиничне навантаження (рис. 6). На рис. 5 б, г зображено епюри еквівалентних напружень у найбільш навантажених перерізах А-А, Б-Б ящика.

Навантаження II, III, VII викликають відносно незначні напруження. Навантаження VI описує тиск овочів на бокові стінки ящика при його нахилі, і це навантаження дає значні величини напружень. Головні і еквівалентні напруги визначали по залежності:

sекв. = smax -ksmin,

де k = sр/sсж, а sр і sсж - межа міцності ПЕНТ при розтягуванні та стискуванні.

Значення smax , smin , sекв приведені в табл. 5. Аналіз результатів показує, що порушення міцності sекв Ј [s] Ј sc = 2,4 МПа має місце в елементах 319, 554, 499, 600, які прилягають до нижнього опорного вузла.

Таблиця 5

Напруження (МПа) smax, smin, sекв в елементах овочевого ящика №3 при розрахункових сполученнях навантажень 1…5

№ КЕ 1 № КЕ 2 № КЕ 3 № КЕ 4 № КЕ 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10,71 22,77 18,53 0,35 1,52

319 -0,13 319 -0,48 319 -0,15 695 -3,07 319 -0,85

10,75 22,61 18,58 1,43 1,81

-2,59 -3,71 -3,96 3,82

458 -5,16 458 -7,41 458 -7,00 734 1,38

0,77 1,10 1,18 3,33

7,46 9,89 10,22 1,26 -0,47

459 3,15 459 4,17 459 4,48 459 1,38 459 -1,03

6,35 8,42 8,63 1,21 0,10

18,31 23,30 24,69 3,59

554 3,09 554 3,45 554 3,86 554 0,76

17,23 22,08 23,33 3,32

6,51 0,35 9,96

600 0,60 600 0,85 600 0,91

6,30 9,05 9,64

Аналогічна картина в скінчених елементах, що лежать в перетинах А-А і Б-Б (рис. 5 б, г). Значні напруження (до 25 МПа) в означених елементах є наслідком згину елементів дна через ексцентричне положення нижньої опорної вертикальної планки відносно стінок ящика.

Треба зазначити повний збіг місць руйнування ящика при експлуатації з найбільш навантаженими скінченими елементами, що отримані розрахунками (рис. 5 б, г).

Аналогічно аналізували напружено-деформований стан конструктивних елементів зазначеної вище тари. Результати обчислень повністю підтвердили висновки, які отримали раніше при аналізі розрахункових просторових моделей тари відносно конструкцій і засобів навантаження.

При відомих напруженнях в елементах тари можна оцінити вплив чинників старіння пластмас на термін служби тари. Довговічність t визначається виразом (3) (величина найбільших еквівалентних напружень для ящика №15 дорівнює s = 2,3МПа) і наведена в табл. 6.

Таблиця 6

Довговічність ящика №15 (років)

Умови експлуатації Довговічність Без врахування старіння З урахуванням старіння пластмаси (без сан. обробки) З урахуванням старіння і сан. обробки

tф 1,9…4, 9 1,0... 2,5 0,25...1,4

Вплив санітарної обробки ящиків гарячими мийними розчинами дуже суттєвий (табл. 6), при цьому термін служби ящиків зменшується не менше ніж в 4 рази і співпадає з дійсним терміном служби ящика №15 (3...4 місяці), при числі обігів в рік, який дорівнює 200.

В восьмому розділі викладена математична концепція остаточного руйнування транспортної тари під дією циклічних навантажень.

Внаслідок крихкого руйнування тари застосовані методи лінійної механіки руйнування. Зв'язки між напругами і деформаціями вважають лінійними. Залежність для визначення коефіцієнту інтенсивності напружень Kі таке

,

де l - довжина тріщини, YI - поправочна функція.

Між KI і швидкістю тріщин v є функціональна залежність, яка визначається кінетичною діаграмою втомного руйнування (КДВР). Використовуючи дослідні дані побудована КДУР для тарного поліетилену.

Залишковий ресурс роботи тари N за наявністю початкової тріщини l0 розраховується за залежністю:

де цикл, мм;

де n1 і K* - дослідні сталі матеріалу; lс - критичний розмір тріщини; Ds = smax - smin - розмах напружень.

Результати розрахунків N свідчить при сталих властивостях матеріалу тари (n = 2) залишкова довговічність нижнього ящика у стовпці дорівнює 1…3 місяців, при n = 4…6 - до одного місяця.

В дев'ятому розділі викладено основні положення для оптимального конструювання елементів тари для пакування харчових продуктів.

Основними несучими елементами жерстяних банок є корпус банки. На нього діє осьове навантаження Q0 від рівностороннього тиску, що спричиняться технологічним процесом стерилізації або гарячого наповнення та вертикальними навантаженнями від штабелювання на піддонах (Q1 - в один ярус; Q2 - в два яруси; Q3 - в три яруси).

Приведені навантаження Qq визначаються як сума Q0 і Q2 або Q0 і Q3 (табл. 7).

Стандартні конструкції банок не забезпечують жорсткість їх корпуса, що приводить до браку ж/б №14 - 44 % та ж/б №15 - до 60 %. Підвищення усталеності корпуса банки може бути досягнуто або за рахунок підвищення товщини жерсті S, або за рахунок вдосконалення конструкції банки. Для підвищення жорсткості корпусів банок на них наносять кільцеві зиги. Однак кількість, форма та їх розташування не визначені нормативно-технічною документацією.

Теоретичні дослідження по визначенню усталеності корпусів банок виконувались для зигів, конструкцію котрих показано на рис. 7.

Умова усталення при комбінованому навантаженні має вигляд

N/Nкр + Р/Ркр = 1,

де N і Nкр - розрахована і критична стискуюча сила в осьовому напрямку, що визначається за формулою Лоренца-Тимошенка, Р і Ркр - розраховане та критичне значення тиску від всебічного тиску, що визначається за залежністю П.Р.Папковича.

Таблиця 7

Конструктивні розміри та навантаження на банки

Номер банки Конструктивні параметри, мм Кількість зігів Погонне навантаження на корпус, Н/см

Внутрішній діаметр D Товщина корпуса, S Висота, H Q0 Q1 Q2 Q3 Qq

№14 151,3 0,25 172,5 4 33,8 67,6 72,7 77,8 105,42

№15 215,0 0,32 249,7 5 42,5 95,0 109,65 115,3 159,0

Дослідження напружено-деформованого стану корпуса банки дозволило сконструювати та виготовити декілька варіантів банок з найбільш оптимальними профілями зигів (рис. 7). Лабораторні та дослідно-промислові дослідження довели, що тороїдальні зигі рівнорозташовані за схемою n + n (5 + 5, для ж/б №14) та за схемою n + m + n (3 + 6 + 3 для ж/б №15) є найбільш оптимальними. Напруги, розраховані методом скінчених елементів, в зигованих стінках корпуса банки sz = (120…150) МПа знаходяться в межах упруго-пластичної зони і менш ніж sТ = 280 МПа (рис. 8 в).

Промислові дослідження розроблених конструкцій банок (рис. 8 а, б) з геометричними параметрами, наведеними в табл. 8, довели, що банки нової конструкції виготовлені на зиговочній машині KEZ 100.1 фірми "BLEMA" (ж/б №14) і зиговочному верстаті (ж/б №15) з розробленим нами формуючим інструментом, мають підвищену жорсткість корпуса і меншу товщину жерсті.

Ці банки виготовляють на ЗАО "Одеський консервний завод" та консервному заводі "Ільїчівський" м.Одеса.

Основними несучими елементами тари для навалочних