Siłowniki elektryczne w aplikacjach w branży Food&Beverage muszą spełniać wiele wyśrubowanych wymagań.

Maszyny przetwarzające i pakujące żywność i napoje są nieustannie udoskonalane pod kątem zwiększenia poziomu automatyzacji, zmniejszenia ilości odpadów produkcyjnych, zwiększenia wydajności i zmniejszenia kosztów. Ponadto, producenci żywności mają obowiązek zapewnienia konsumentom bezpiecznych produktów, wytworzonych w higienicznych warunkach. Dlatego też maszyny dedykowane branży spożywczej muszą spełniać rygorystyczne wymagania w zakresie higieny produkcji, które określają normy ustalane przez takie organizacje jak European Hygienic Engineering & Design Group, 3A czy USDA. Zasady te regulują nie tylko sam proces produkcji, ale także sposób projektowania maszyn i dobór komponentów.

Siłowniki mają kluczowe znaczenie w przetwórstwie żywności jako jedne z najpopularniejszych elementów układów ruchu liniowego, dzięki którym produkty są przesuwane czy przenoszone. Coraz częściej, ze względu na ich właściwości higieniczne, w aplikacjach Food&Beverage stosowane są siłowniki elektryczne.

Producent tej maszyny do dozowania wolumetrycznego wybrał siłowniki higieniczne ze względu na ich dokładność oraz możliwość dopasowania w przypadku zmiany produktu. Zródło: Tolomatic

 

Konstruktorzy maszyn spełniają oczekiwania producentów i zachowują zgodność ze standardami bezpieczeństwa żywności, stosując najlepsze praktyki dotyczące doboru siłowników elektrycznych do urządzeń przetwarzających żywność i napoje. W ramach tych praktyk dąży się do opracowania projektów maszyn, które można myć w miejscu produkcji, tak aby zminimalizować ryzyko skażenia bakteryjnego. Oprócz przestrzegania najlepszych praktyk, zawsze warto poprosić o konsultację ekspertów EHEDG, USDA i odpowiedników tych organizacji w poszczególnych państwach, aby upewnić się, że projekt zgodny jest z obowiązującymi przepisami.

Wybierz siłowniki o higienicznej konstrukcji

Istnieje kilka czynników, które wpływają na higienę całego projektu.

Właściwe materiały. Siłowniki wykonane z nieodpowiednich materiałów mogą korodować i rozsiewać cząsteczki rdzy w środowisku przetwarzania. Dobrym wyborem w tym przypadku jest stal nierdzewna, ponieważ jest odporna na korozję, wytrzymuje warunki panujące w środowisku przetwórstwa żywności i napojów oraz spełnia normy branżowe.

Kilka stopów stali nierdzewnej dobrze sprawdza się w aplikacjach w przetwórstwie spożywczym. Najlepsze praktyki w zakresie higienicznej konstrukcji korpusów siłowników liniowych wymagają, aby obudowa silnika i elementy mocujące wykonane były ze stali typu 316/316L ze względu na bardzo wysoki stopień odporności na korozję. W niektórych przypadkach stosowana jest również stal nierdzewna typu 304/304L.

  • Zgodnie z EHEDG (Hygienic Equipment Design Criteria Doc 8, kwiecień 2004): Dla dobrej odporności na ogólną korozję atmosferyczną dla komponentów, które będą używane tylko z roztworami o pH między 6,5 a 8, o niskim poziomie chlorków (<50 mg/l), i niskich temperaturach (<25° C), najczęściej stosowanym metalem jest stal nierdzewna AISI-304.
  • Jeśli poziomy i temperatura chlorków przekraczają w przybliżeniu dwukrotność tych wartości (100 mg/l i 50° C), materiał będzie wymagał większej odporności na korozję szczelinową i wżerową, która może wynikać z lokalnych stężeń chlorków. Dodanie molibdenu do AISI-304 w celu uzyskania AISI-316 poprawia jego odporność na korozję.
  • Stal 316 wytrzymuje temperatury do 150 ° C.

Stalowe elementy siłownika powinny mieć wykończenie szlifowane numer 4 lub lepsze i być wolne od wżerów, pęknięć, zagięć i innych niedoskonałości. Dzięki temu części nadają się do zmywania. Jednak złącza spawane powinny być polerowane elektrolitycznie, kulkami szklanymi lub śrutowane do szlifu nr 4.

W pewnych warunkach odpowiednie mogą być stopy metali inne niż stal nierdzewna (np. aluminium). Należy unikać stopów zawierających ołów, miedź lub inne toksyczne metale.

Właściwe uszczelnienia. Uszczelnienia tłoczyska siłownika elektrycznego muszą być wykonane z trwałego materiału, który wytrzyma warunki pracy aplikacji. Takie uszczelnienia są często wykonane z Vitonu lub polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMW), aby chronić przed zanieczyszczeniami i wodą podczas mycia oraz przeciwdziałać korozji.

Wybierając siłownik elektryczny, firmy powinny uwzględnić czynniki wpływające na kolizję i tarcie uszczelnienia dla proponowanego profilu ruchu i oczekiwanych szacunków trwałości. Tarcie między uszczelnieniem tłoczyska a tłoczyskiem może spowodować uszkodzenie uszczelnień. Inżynierowie projektanci powinni również zbadać skład materiałowy wszystkich polimerów proponowanych do projektu, aby upewnić się, że stosowane materiały uszczelniające są zatwierdzone przez FDA.

Stopień ochrony IP69K jest najlepszy dla siłowników, które będą pracować w środowisku Food&Beverage. Najtrudniej jest uzyskać stopień ochrony IP69K w obszarze uszczelnienia tłoczyska. Uszczelnienia starzeją się i zużywają podczas pracy, a do spełnienia i utrzymania stopnia ochrony IP69K potrzebne jest odpowiednio zaprojektowane uszczelnienie. Uszczelnienia o wąskich tolerancjach wymiarów zapewniają prawidłowe dopasowanie do tłoczyska i wytrzymałość, która pozwala na wiele cykli wysuwania/wsuwania.

Należy upewnić się, że podczas instalacji uszczelki nie ulegną uszkodzeniu. Źródło: Tolomatic

 

W końcu uszczelki jednak będą wymagały wymiany. Producenci uszczelek zazwyczaj podają wytyczne dotyczące częstotliwości wymiany, ale to, jak szybko uszczelnienie naprawdę się zużywa, zależy od wielu czynników, w tym częstotliwości ruchu, dopasowania, częstotliwości czyszczenia i użycia odpowiednich środków czyszczących.

Łatwość czyszczenia. Siłowniki z wypukłymi lub zaokrąglonymi korpusami, zaokrąglonymi krawędziami i gładkim wykończeniem zapobiegają wnikaniu wilgoci, cząstek żywności i mikroorganizmów. Cząsteczki i płyny czyszczące łatwo spływają po takich siłownikach, usprawniając proces zmywania i minimalizując możliwość pozostawania zanieczyszczeń.

Również obudowy silników powinny być zaokrąglone, aby sprzyjać spływaniu wody i środków czyszczących. Prawidłowo zaprojektowany elektryczny siłownik higieniczny nie ma ostrych krawędzi, kątów (≤ 90 stopni) ani płaskich powierzchni, które mogą tworzyć krawędzie lub kieszenie, w których utknąć mogłyby resztki żywności.

Obłe kształty siłownika IMA-S oraz uszczelki przeznaczone do przemysłu spożywczego sprawiają, że siłownik nadaje się do zmywania pod ciśnieniem. Źródło: Tolomatic

Temperatury pracy. W przetwórstwie żywności występują niekiedy duże wahania temperatury. W ciągu dnia może występować kilka cykli zimno-ciepło-zimno, w zależności od temperatury otoczenia, sprzętu oraz wody (do 80° C), używanej do czyszczenia. Takie wahania powodują kondensację i podciśnienie w uszczelnionym sprzęcie z powodu zmiennego ciśnienia. Dlatego też w takim środowisku należy zapobiegać przedostawaniu się wilgoci do siłownika poprzez połączenie stopnia ochrony IP69K i portu odpowietrzającego.

Dodanie portu odpowietrzającego. Port odpowietrzający jest zwykle umieszczony z tyłu siłownika w pobliżu kabla/kabli. Prawidłowo stosowany zapobiega przedostawaniu się wilgoci poprzez wyrównanie ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz podczas pracy siłownika oraz w czasie zmian temperatury. Wymaga to uszczelnienia czołowego o stopniu ochrony IP69k. Dostarczane lub wymieniane powietrze powinno być suche i czyste, a wilgotność w rurze dostarczającej powietrze należy okresowo sprawdzać i czyścić w razie potrzeby.

Port odpowietrzający w siłowniku IMA-S. Źródło: Tolomatic

Zaprojektuj siłownik w systemie o otwartej architekturze

Siłowniki ze stali nierdzewnej pozwalają całej maszynie pracować w otwartej architekturze. Eliminuje to lub minimalizuje duże stalowe obudowy, usprawnia czyszczenie i daje duże prawdopodobieństwo zatwierdzenia projektu przez agencje regulacyjne.

Wyrównanie i odpowiedni montaż. Prawidłowe ustawienie siłownika względem obciążenia aplikacji i osi ruchu minimalizuje obciążenie boczne. Jednak nawet umiarkowane obciążenie boczne naraża tłoczysko i uszczelki tłoczyska na zużycie i uszkodzenia. Oznacza to, że tłoczysko siłownika musi być prowadzone lub podparte, aby zminimalizować obciążenia boczne. Obciążenia powinny być ustawione równolegle do kierunku ruchu tłoczyska.

Siłowniki powinny być ustawione tak, aby tłoczysko wystawało w dół lub w bok, a nie w górę. Zmniejsza to ryzyko przedostania się zanieczyszczeń do siłownika.

Warto jest również zostawić siłownikowi przy montażu pewien zakres możliwości poruszania się, co pomoże uniknąć bocznego obciążenia. Użycie do montażu czopu, łącznika kabłąkowego lub kulistej końcówki zwiększają podatność siłownika na ruch.

Łączenie serwosilników z siłownikami. Serwosilniki używane w aplikacjach higienicznych dzielą się na dwie klasy:

  • o stopniu ochrony IP67 i pomalowane białą powłoką epoksydową. Nadają się one do suchych powierzchni, rzadko poddawanych zmywaniu. Ich uszczelnienie, farba epoksydowa i niklowane złącza nie są odporne na zwykłe środki czyszczące rozpylane pod wysokim ciśnieniem. Farba epoksydowa może odpryskiwać, płyny czyszczące mogą przedostawać się przez uszczelnienia wału, a niklowane złącza odbarwiają się w wyniku utleniania.
  • o stopniu ochrony IP69K i wykonane ze stali nierdzewnej. Silniki z klasą IP69K stosowane są tam, gdzie higiena i czystość mają kluczowe znaczenie. Udowodniono, że są trwałe i odporne na wodę, chemikalia, wysokie ciśnienie i wysokie temperatury podczas czyszczenia.

Silniki higieniczne dostępne są ze specjalnymi typami kołnierzy, które są łatwiejsze do uszczelnienia i czyszczenia. Powinny też być uszczelnione o-ringiem zgodnym z regulacjami odpowiedniej organizacji certyfikującej. Warto upewnić się, że silnik zaopatrzony jest w o-ring, ponieważ niektórzy dostawcy nie oferują go w standardzie.

Zarządzanie okablowaniem. Z biegiem czasu na kablach i dławikach mogą gromadzić się płynne zanieczyszczenia, takie jak olej i roztwory czyszczące. Aby zminimalizować wprowadzanie zanieczyszczeń do dławnic, sugeruje się montaż siłownika w taki sposób, aby dławik był poniżej siłownika. Montaż z dławikiem z boku wymaga zagięcia lub pętli. Siłowniki nie powinny być montowane tak, aby dławik był skierowany do góry. Jeśli nie można uniknąć montażu siłownika z dławikiem kablowym skierowanym do góry, kabel należy ułożyć w pętlę przed wprowadzeniem do dławnicy. Urządzenia montowane z dławikiem poniżej siłownika nie wymagają pętli.

Porównaj siłowniki tradycyjne ze zintegrowanymi

Konstruktorzy maszyn mogą dokonać wyboru pomiędzy siłownikiem zintegrowanym z silnikiem oraz tradycyjną konstrukcją siłownika, który napędzany jest przez zewnętrzny silnik. Przy wyborze tradycyjnego siłownika można zastosować montaż silnika w linii lub równolegle. Istnieje też opcja równoległego montażu odwróconego, która wykorzystuje pasek i koło pasowe lub mechanizm przekładniowy do przenoszenia mocy. Taka konstrukcja zajmuje dużo mniej miejsca, ale wiąże się ze znacznymi dodatkowymi kosztami.

Siłownik i silnik połączone w jeden element eliminują konieczność typowego uszczelnienia między silnikiem a siłownikiem. Zintegrowana konstrukcja zmniejsza liczbę punktów umożliwiających przedostanie się wilgoci lub rozwój bakterii. Eliminuje również ryzyko zerwania lub przesunięcia uszczelek podczas montażu.

Poniższa tabela zawiera porównanie obu typów konstrukcji siłownika / silnika:

 

Artykuł opracowany został na podstawie artykułu “Top 5 best practices for designing electric actuators into food processing equipment”, dostępnego na stronie internetowej Tolomatic: https://bit.ly/3tsOaR9