Технологическое оборудование, оснастка и основы проектирования упаковочных производств

А.И. ВЕСЕЛОВ
И.А. ВЕСЕЛОВА

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано
Учебно-методическим объединением по образованию
в области технологии продуктов питания и пищевой инженерии
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки 
19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ 
ОБОРУДОВАНИЕ, ОСНАСТКА 
И ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
УПАКОВОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 664(075.8)
ББК 36.81-5я73
 
В38

Веселов А.И.
В38  
Технологическое оборудование, оснастка и основы проектирования 
упаковочных производств : учебное пособие / А.И. Веселов, И.А. Веселова. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 262 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). 

ISBN 978-5-16-004406-4 (print)
ISBN 978-5-16-105040-8 (online)
В учебном пособии приведены анализ и конструкции дозаторов, применяемых при упаковке сыпучих, пластических и жидких продуктов. Рассмотрены в соответствии с приведенной классификацией основные конструкции упаковочных машин, их технологические схемы и технические 
характеристики, приведены отдельные исполнительные механизмы и их 
конструктивные особенности. Отражены современные тенденции научнотехнического прогресса в этой области. Приведены методики и примеры 
расчетов машин и механизмов, связанных с проектированием упаковочных машин.
Предназначено для студентов и специалистов предприятий пищевой 
и перерабатывающей промышленности, изучающих упаковочное оборудование.

УДК 664(075.8)
ББК 36.81-5я73

ISBN 978-5-16-004406-4 (print)
ISBN 978-5-16-105040-8 (online)
© Веселов А.И., Веселова И.А., 
2011

ВВЕДЕНИЕ

Продукты, выпускаемые предприятиями пищевой промышленности 

в упакованном виде, можно разделить на следующие основные группы: 
сыпучие, пластические, полужидкие, жидкие и штучные изделия.

Сыпучие продукты делятся на порошкообразные, зернистые, 

кристаллические и продукты неправильной формы, такие как мука, 
сахар, крупы, бобовые, карамель, кофе, замороженные продукты, 
макаронные и кондитерские изделия.

Пластическими продуктами являются плавленый сыр, творог, 

масло, мороженое, полуфабрикаты, прессованное масло и др.

Полужидкие продукты — сгущенное молоко, повидло и др. 
Жидкие продукты — вино, ликеро-водочные изделия, безалко
гольные напитки, соки, молоко, растительное масло и др.

Штучные изделия, сыпучие и пластические продукты выпуска
ются упакованными в различные оберточные материалы или расфасованными в пакеты; полужидкие и жидкие продукты — в твердой 
таре: стеклянной, жестяной и др. — или в мягкой бумажной или 
пластиковой таре. Штучные изделия завертываются каждое отдельно 
или по несколько изделий в одну общую обертку.

В предлагаемом учебном пособии описаны конструкции фасо
вочно-упаковочных машин, которыми оснащены предприятия пищевой промышленности.

В настоящее время нет единой классификации упаковочного обо
рудования, поэтому предлагается простое деление, объединяющее 
упаковочные машины в зависимости от способа упаковки в различные пленки или готовую тару, на вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные, в свою очередь, разделяются на горизонтальные линейные и горизонтальные карусельные.

Отдельный раздел посвящен основам проектирования упаковочных 

машин, в нем представлены также справочные материалы по подбору 
мотор-редукторов с частотными преобразователями, сервоприводов и 
 пневмосистем управления исполнительными механизмами.

Предлагаемое вашему вниманию учебное пособие может быть 

использовано при изучении упаковочного оборудования и его подбора при курсовом и дипломном проектировании. 

В заключение считаем своим долгом выразить благодарность ре
цензентам книги Зайчику Ц.Р., Карамзину В.А., Мачихину С.А. и 
Хмелевскому Г.К. за сделанные замечания и дополнения при подготовке данного издания.

Отдельная благодарность Зайчику Ц.Р. за помощь при подготовке 

четвертой главы.

Глава 1. 
ДОЗАТОРЫ И ПИТАТЕЛИ 
ДЛЯ СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ

Машины для дозирования сыпучих пищевых продуктов можно 

классифицировать по ряду основных признаков: по принципу действия — объемные и весовые; по структуре рабочего цикла — с непрерывным и порционным (дискретным) дозированием; по степени 
управления — с ручным и автоматическим, с программирующим 
управлением различных уровней.

Структура рабочего цикла в машинах дискретного действия обес
печивает порционное объемное (весовое) дозирование продукта, однако при возрастании частоты циклов и уменьшении единичной дозы 
дискретное дозирование приближается к структуре непрерывного 
цикла. Поэтому в каждом конкретном случае в зависимости от специфики структуры сыпучих продуктов и массы единичной дозы возможно использовать объемный и (или) комбинированный принцип 
действия дозаторов. Для дозирования, когда требуется высокая скорость формирования и контроля дозы продукта, характерно применение комбинированной схемы: объемное дозирование на стадии 
подготовки основной части дозы продукта, затем досыпка минимальной дозы до заданной, ее весовой контроль и корректировка. 

В качестве исполнительных механизмов, осуществляющих под
готовку дозы продукта, в дозировочных установках применяются 
различные схемы объемных дозаторов непрерывного действия, такие 
как ленточные, шнековые, роторные, пневматич еские, вибрационные и т.п.

1.1. 
ПИТАТЕЛИ И ДОЗАТОРЫ 
ОБЪЕМНОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ

Достоинства объемных питающих и дозирующих устройств — 

высокая производительность, малые габариты, простота конструкции. Недостатки — изменение производительности в результате 
непостоянства физических свойств продукта, необходимость настройки при переходе на другой рецепт или продукт.

Колебания влажности, гранулометрический состав и другие фак
торы изменяют сыпучесть и объемную массу продукта. Реагировать 
на изменение объемной массы сыпучих продуктов объемные дозаторы не могут, что приводит к колебаниям их производительности и 
к погрешностям дозирования. При объемном дозировании его погрешность выражают обычно в процентах от номинального значения 
производительности.

С учетом технических возможностей и количества продукта при 

объемном дозировании установлены допустимые нормы отклонений.

Для объемных дозаторов (а также для питателей весовых доза
торов) характерно деление по конструктивному исполнению рабочего органа: барабанные, шнековые, тарельчатые, ленточные, вибрационные, стаканчиковые и т.д.

При непрерывном объемном дозировании (рис. 1.1) оборудование 

подает поток продукта с расходом (кг/с)

q = Svγ, 
(1.1)

где S — площадь поперечного сечения потока продукта, м2; v — скорость потока продукта, м/с; γ — объемная масса продукта, кг/м3.

Объемные дозаторы [2] непрерывного действия применяют как 

самостоятельное оборудование, а также в качестве питателей весовых 
дозаторов и другого технологического оборудования.

Барабанные дозаторы (рис. 1.1, а). Рабочий орган представляет 

собой барабан с несколькими карманами, заполняемыми продуктом 
под действием силы тяжести. Из карманов он поступает в выходной 
патрубок. Окружная скорость барабана в пределах от 0,025 до 1,0 м/с 
мо жет изменяться за счет преобразователя тока, установленного в 
системе питания электродвигателя.

Конструкция барабанов весьма разнообразна: от гладких бара
банов, ребристых до устройств с лопастями самых различных видов. 

Тип барабана выбирается в зависимости от свойств продукта и 

производительности дозатора. Чем крупнее частицы продукта и 
лучше его сыпучесть, тем глубже могут быть выполнены карманы. 
Например, рифленые барабаны могут применяться для порошкообразных и мелкозернистых продуктов, лопастные — для зернистых.

а
б

в

д

г

t

2

3

1

2R1
2R

B

2R0

2R2

β

C

h

A

D

Рис. 1.1. Схемы объемных дозаторов непрерывного действия

Производительность барабанных дозаторов Q (кг/с) определяют 

по формуле

Q = 1,67 · 10−2KSlznσγ, 
(1.2)

где S — площадь поперечного сечения кармана, м2; l — длина кармана, м; z — число карманов в барабане; nσ — частота вращения барабана, об/мин; γ — объемная масса продукта, кг/м3; K — коэффициент заполнения карманов (0,8–0,95).

Мощность (кВт), необходимая для привода барабана в движение, 

приближенно определяется выражением

N = 5 · 10−5k1k2pSnDtgϕ0, 
(1.3)

где k1, k2 — коэффициенты, соответственно учитывающие сопротивление продукта дроблению и потери, обусловленные преодолением 
сопротивлений в механической системе; для мелкозернистых и порошкообразных продуктов k1 = k2 = 1; для крупнозернистых и легкораспадающихся — k1 = 2; k2 = 1,1–1,25; p — удельное давление продукта на барабан, Па; S — площадь опорной поверхности столба 
продукта, м2; D — диаметр барабана, м; n — частота вращения барабана, об/мин; tgϕ0 — угол естественного откоса продукта в движении.

Шнековые дозаторы (рис. 1.1, б) применяют для подачи сыпучих 

продуктов в тех случаях, когда дополнительное измельчение шнеком 
отдельных частиц дозируемого продукта не имеет значения. Дозаторы 
можно устанавливать горизонтально, наклонно или вертикально.

Для трудносыпучих продуктов шнек выполняют двухзаходным 

сплошным с относительно неглубокой винтовой линией, профиль 
которой в продольном сечении представляет собой сегмент, часть 
эллипса и т.д.

Производительность регулируют, изменяя частоту вращения 

шнека. Производительность (кг/с) шнекового дозатора определяют 
по формуле

Q = 4,7 · 10−2Dtknγ, 
(1.4)

где D — диаметр шнека, м; t — шаг шнека; k — коэффициент заполнения, k = 0,8–1,0; n — частота вращения шнека, об/мин; для легкосыпучих продуктов n = 40–80 об/мин, для трудносыпучих продуктов 
n = 20–40 об/мин; γ — объемная масса продукта, кг/м3.

Потребную мощность электродвигателя (кВт) для привода шне
кового дозатора можно определить по формуле

N
Q
L K
H k
=
+
100
1
η(
) ,
г
с
 
(1.5)

где η — КПД привода; Lг — горизонтальная проекция пути перемещения продукта, м; Н — выcoтa подъема продукта; Kс — коэффи

циент сопротивления перемещению продукта в корпусе дозaтoрa; 
k1 — коэффициент, учитывающий потери на трение в подшипниках; 
k1 = 1,1–1,2.

Тарельчатые дозаторы. Основной рабочий орган тарельчатого до
затора (рис. 1.1, в, г) — вращающийся диск (тарель) 1, с которого 
продукт сбрасывается скребком 2. Высоту слоя продукта регулируют 
передвижной манжетой 3, надетой на выходной патрубок дозатора.

Вертикальный вал приводится в движение от электродвигателя 

через передаточный механизм. Продукт располагается на диске усеченным конусом, размеры которого зависят от высоты расположения 
манжеты. При вращении диска часть продукта снимается скребком.

Производительность дозатора зависит от высоты продукта на 

диске и частоты вращения диска. Продукт на тарели располагается 
в виде кольца треугольного сечения. Площадь поперечного сечения 
Sк кольца равна

S
h

к

о

=

2

2tg
,
ϕ
 
(1.6)

где h — расстояние между тарелью и манжетой, м; ϕо — угол откоса 
продукта при вращении тарели.

Расстояние Ro (м) между осью вращения тарели и центром тя
жести радиального сечения кольца материала, находящегося на 
диске,

R
R
h

о

о

=
+ 3tg
,
ϕ
 
(1.7)

где R — радиус манжеты, м.

Средняя скорость движения продукта υо (м/с) равна скорости 

движения центра тяжести:

υ
π
π

ϕ
о

о

о

=
=
+
⎛
⎝⎜

⎞
⎠⎟

nR
n R
h
tg
30
30
3
,  
(1.8)

где n — частота вращения диска, об/мин.

Подставляя значение υo и Sк в формулу (1.1) получим:

Q
nh
R
h
tg
=
+
⎛
⎝⎜

⎞
⎠⎟

π
γ
ϕ
ϕ

2

60
3
tg
.

о
о

 
(1.9)

Предельную частоту вращения диска определяют из условия, при 

котором наибольший модуль центробежной силы, действующей на 
частицы массой m (кг), меньше силы трения их о тарель:

mω2R1 < f1mg,

тогда

n
f
R
≤ 30
1

1

;    n
f

R
h
≤

+

30
1

tg

,

ϕо

 
(1.10)

где ω — угловая скорость, с−1; R1 — наибольший радиус сечения 
кольца продукта, м; f1 — коэффициент трения продукта о диск (тарель); g — ускорение свободного падения.

Определяя мощность для привода тарельчатого дозатора N (кВт), 

необходимо учитывать сопротивление трения продукта о поверхность диска и скребка, сопротивление дроблению продукта 
скребком, сопротивление закручиванию столба продукта, опускающегося из воронки бункера:

N
S L gf
K
f
=
+
К
о
γ
ν
η
β
1
2

2
1000
1(
cos ), 
(1.11)

где L — величина перемещения продукта, м; f1 и f2 — коэффициенты 
трения продукта соответственно о тарель и скребок; β — угол установки скребка относи тельно диаметра тарели; К2 — коэффициент, 
учитывающий сопротивление закручиванию и дроблению продукта 
(К2 = 1,2–2); η — КПД привода механизма дозатора.

Ленточный дозатор (рис. 1.1, д) представляет собой короткий кон
вейер, расположенный под питающим бункером. Вдоль ленты установлены борта, образующие желоб, по которому движется подаваемый продукт. Дозатор может быть использован в качестве питателя 
весового дозатора и других видов технологического оборудования.

Производительность регулируется перемещением заслонки,  изме
няющей высоту слоя продукта, а также изменением скорости ленты.

Производительность и потребную мощность двигателя опре
деляют по формулам, изложенным в курсе «Подъемно-транспортные 
установки».

Вибрационные дозаторы. Рабочий орган вибрационных доза
торов — опорный или подвесной лоток, получающий колебания от 
вибропривода. В качестве привода используются эксцентриковые 
колебатели или мотор-вибраторы (рис. 1.2, а), а также электромагнитные вибраторы (рис. 1.2, б).

В вибрационных дозаторах производительность регулируют из
менением частоты или амплитуды колебаний.

Производительность (кг/с) вибрационных дозаторов можно опре
делить по формуле

Q = Bhvγ, 
(1.12)

где В — ширина лотка, м; h — высота слоя продукта на лотке, м; v — 
средняя скорость перемещения продукта, м/с; γ — объемная масса 
продукта, кг/м3. 

Величина средней скорости (м/с) перемещения продукта по лотку 

при частоте колебаний больше или равной 30 Гц

v = kaωcosβ, 
(1.13)

где k = k1 + k2sinα; k1 и k2 — коэффициенты, зависящие от  свойств 
продукта, определяемые опытным путем; a — амплитуда колебаний, 
м; ω — угловая частота колебаний, с−1; α — угол наклона лотка; 
β — угол между направлением тягового усилия и лотком.

В дозаторе с электромагнитным вибратором (рис. 1.2, в) статор 2 

электромагнита устанавливается на массивном основании 3, якорь 
6 прикрепляется к лотку 1, соединенному с основанием плоскими 
пружинами-рессорами 5. Между основанием и корпусом установлены опорные пружины 4. Слой сыпучего материала перемещается за счет сил трения и инерции по внутренней поверхности 
лотка 1. Такое перемещение обусловлено углом β = 15–22° между 
направлением колебаний (под этим углом установлен вибродвигатель по отношению к лотку) и поверхностью рабочего органа, благодаря чему частицы материала и весь слой как бы подталкиваются 
вдоль лотка. 

Амплитуду колебаний, находящуюся в пределах 0,1–3 мм, обычно 

регулируют изменением частоты, вследствие чего вибрационные дозаторы объемного действия особенно широко применяются как питатели в весовых дозаторах.

Несмотря на значительное количество классификационных и 

технологических признаков способов дозирования в упаковочной 
технике, где дозирование основано на дискретном действии, до настоящего времени не упорядочена классификация по функциональному (технологическому) назначению. Основным аргументом в 
пользу выбора определенного принципа дозирования сыпучих пи
I

2

3

4

6

5

β

в

15...20°

15...20°

а

б

Рис. 1.2. Схемы вибрационных дозаторов непрерывного действия

щевых продуктов являются их физико-механические свойства и, 
в частности, гранулометрический состав частиц продукта, их форма 
и насыпная масса, коэффициенты внутреннего и наружного трения, 
влажность и т.д. Учитывая отмеченные свойства, целесообразно сыпучие продукты условно распределить на три основные группы. На 
рис. 1.3 представлены наиболее распространенные схемы дозаторов, 
применяемых при упаковке продуктов.

Первая группа объединяет порошковые продукты с размером 

частиц 0,02–0,6 мм: какао, молочный и яичный порошок, мука, порошковые, макаронные смеси для детского и лечебно-диетического 
питания и т.п. Для дозирования таких продуктов наиболее широкое 
применение получили вертикальные шнековые дозаторы (рис. 1.3, а); 
дискретное вращение шнека с определенной частотой обеспечивает 
подачу необходимой дозы продукта. Объем или масса порции продукта находится в зависимости от шага и частоты вращения шнека.

Особую сложность дозирования этой группы составляют пы
лящие порошковые продукты, поэтому в дозаторах используют 
длинные вертикальные шнеки.

Вторая группа сыпучих продуктов объединяет пищевые продукты 

с размерами частиц в пределах 0,6–6 мм, такие как соль, сахарный 
песок, макаронные изделия типа «суповые засыпки», а также различные крупы: рис, горох, гречка, пшено и т.п. Для дозирования этих 
видов продуктов наиболее широкое применение получили различные типы объемных дозаторов (рис. 1.3, б), в частности стаканчикового типа. Регулировка дозы производится изменением объема 
стаканов. В таких системах можно получить высокую точность дозы 
и значительную производительность — до 60 упаковок в минуту при 
массе дозы до 1 кг.

К третьей группе можно отнести сыпучие пищевые продукты с 

размерами частиц примерно 6 мм и более (орехи, сухие завтраки, 
карамель, чай, кофе, замороженные продукты, короткие макаронные 

а
б
в

Рис. 1.3. Схемы дозато ров, применяемых при упаковке