Transportery taśmowe dla przemysłu spożywczego

Cena zakupu transportera niewiele mówi o jego rzeczywistym koszcie. Przez cały okres eksploatacji w zakładzie spożywczym decydują o nim trzy pozycje, których katalog nie pokazuje: liczba wymian taśmy, czas codziennego mycia i liczba nieplanowanych przestojów w roku. Taśma źle dobrana – typowy przypadek to wersja standardowa pracująca w linii z gorącą wodą i parą – zaczyna się rozwarstwiać po kilku tygodniach, podczas gdy taśma odporna na hydrolizę w tych samych warunkach pracuje latami.

Z ramą jest podobnie. Rama z AISI 304 w zakładzie, w którym codziennie pracuje solanka albo agresywny środek myjący z chlorkami, z czasem koroduje w miejscach trudno dostępnych: pod listwami, w ślepych gwintach i w niedospawanych narożnikach, gdzie pojawiają się wżery. Wymiana ramy oznacza w praktyce zakup transportera od nowa.

Drugim ryzykiem jest zanieczyszczenie produktu. Powierzchnia TPU jest teoretycznie gładka, nieporowata i łatwa do umycia, ale w praktyce wszystko zależy od jakości powłoki i od reszty konstrukcji. Mikropęknięcia, strzępiące się krawędzie, źle zgrzane łączenie taśmy w pętlę, miejsca w ramie niedostępne dla szczotki i strumienia wody, zamknięte profile bez odpływu czy ślepe spoiny to potencjalne gniazda biofilmu. Jeśli zakład produkuje wyroby gotowe do spożycia, konsekwencją bywa wycofanie partii, audyt klienta sieciowego, a w najgorszym wariancie utrata uprawnień eksportowych.

Trzecie ryzyko dotyczy dokumentacji. Wszystko, co w zakładzie unijnym ma kontakt z żywnością, musi mieć deklarację zgodności. Materiały i wyroby do kontaktu z żywnością obejmuje rozporządzenie ramowe 1935/2004, a tworzywa, w tym taśmy TPU, dodatkowo rozporządzenie szczegółowe 10/2011. Deklarację dla taśmy powinna posiadać każda strona łańcucha dostaw poza handlem detalicznym, a brak dokumentu albo dokument wadliwy to pierwsza rzecz, która wychodzi przy poważniejszym audycie.

Rama nośna i wybór gatunku stali

Standardową stalą dla zabudowy spożywczej jest stal austenityczna chromowo-niklowa AISI 304 (oznaczenie europejskie 1.4301) lub AISI 316L (1.4404). Najważniejsza różnica to dodatek molibdenu w 316L – 2–3% – który wyraźnie poprawia odporność na korozję wżerową i szczelinową w obecności chlorków, czyli wszędzie tam, gdzie pojawia się solanka, marynata albo silny środek myjący. Druga różnica to obniżona zawartość węgla w wersji „L”. Zmniejsza ona ryzyko uwrażliwienia stali na korozję międzykrystaliczną podczas spawania – proces nazywany sensytyzacją, polegający na wytrącaniu się węglików chromu na granicach ziaren. W konstrukcji spawanej, a taką jest praktycznie każda rama transportera, ma to znaczenie.

Jeśli linia ma styczność z solankami, marynatami, gorącą wodą myjącą z dodatkiem chlorków albo mocno solonymi produktami (do tej kategorii należą i konserwy rybne, i część słonych przekąsek), albo jeśli środowisko jest wilgotne i kondensuje na konstrukcji, wybieramy 316L, przynajmniej tam, gdzie skupia się największe ryzyko. W zakładach suchych, w pakowaniu i w klasycznej piekarni, gdzie środowisko jest mało agresywne, AISI 304 sprawdza się dobrze i kosztuje znacząco mniej. W praktyce rama często łączy oba gatunki – projekt pod konkretny zakład pozwala dać 316L tam, gdzie jest potrzebna, a 304 tam, gdzie wystarcza, zamiast płacić za droższy gatunek na całej konstrukcji.

Geometria ramy musi pozwalać na skuteczne mycie: bez martwych stref i zamkniętych profili, w których kondensuje wilgoć, z odpływem wody, z promieniami wewnętrznymi umożliwiającymi dotarcie szczotką albo strumieniem wody do każdego narożnika i bez otwartych gwintów w strefie kontaktu z produktem. Referencyjnym dokumentem dla transporterów taśmowych w przemyśle spożywczym jest EHEDG Doc. 43 „Hygienic Design of Belt Conveyors for the Food Industry” (pierwsze wydanie z kwietnia 2016), wypracowany przez grupę roboczą EHEDG i dotyczący przede wszystkim linii mytych na mokro.

Charakterystyka taśmy TPU – budowa warstwowa i jednorodna

Spożywcze taśmy TPU występują w dwóch zasadniczych odmianach konstrukcyjnych. Pierwsza to taśma warstwowa z tkaninowym rdzeniem nośnym, zwykle poliestrowym, w wersjach do mokrego mycia z impregnacją ograniczającą wsiąkanie wody przez krawędzie. Druga to taśma jednorodna (monolityczna), w której cały przekrój to ten sam TPU, opcjonalnie ze wzmocnieniem kordowym. Taśma warstwowa daje lepszy stosunek wytrzymałości na rozciąganie do ceny i jest standardem w transporcie ogólnym. Taśma jednorodna usuwa problem otwartych krawędzi tkaniny – w warstwowej tkanina przy krawędzi może się strzępić, włókna mogą trafić do produktu, a między warstwami może migrować woda. W zakładach z najwyższymi wymogami higienicznymi oraz tam, gdzie taśmę trzeba dociąć na wymiar już na obiekcie, sięga się po wersję jednorodną.

Temperaturowo wersje standardowe pracują typowo od −30°C do +80°C. Wersje wzmocnione termicznie i odporne na hydrolizę pracują w trybie ciągłym do około 110°C, co bardzo wydłuża żywotność w piekarni i wyraźnie zmniejsza ryzyko rozwarstwiania powłoki. Hydroliza – chemiczne rozpadanie się polimeru pod wpływem długotrwałego kontaktu z gorącą wodą albo parą – to dla TPU główne ograniczenie eksploatacyjne. Dlatego w liniach z mokrym myciem na gorąco, z parą i z tunelami chłodzącymi po obróbce termicznej trzeba sięgnąć po taśmę odporną na hydrolizę; zwykle są to TPU oparte na polieterze, nie na poliestrze.

Grubości sięgają od ułamków milimetra (taśmy bardzo cienkie, do precyzyjnych przekazań przez krawędzie o bardzo małym promieniu) po kilka milimetrów (taśmy nośne pod większe obciążenia, z reliefem na powierzchni). Z katalogów europejskich producentów wynika typowy zakres dla taśm spożywczych: grubość 1–3 mm, dopuszczalna szerokość bez szwu do 2000–4000 mm zależnie od typu, minimalna średnica bębna napędowego od kilkunastu milimetrów (dla cienkich taśm pracujących na bardzo małym promieniu przekazania) do kilkudziesięciu milimetrów dla taśm grubszych. Charakterystycznym parametrem taśmy jest tzw. siła robocza k1% – siła na milimetr szerokości przy 1% wydłużenia względnego – typowo w przedziale 4–7 N/mm.

Napęd, naciąg, prowadzenie

Napęd w transporterze z taśmą TPU jest cierny: moment z motoreduktora idzie przez bęben napędowy na taśmę dzięki tarciu między okładziną bębna a spodnią stroną taśmy. Wynikają z tego dwie konsekwencje. Po pierwsze, taśma musi być cały czas napięta z odpowiednią siłą wstępną: przy za małym napięciu ślizga się na bębnie, przy za dużym szybciej męczy się tkanina rdzenia, a taśma zaczyna uciekać w bok. Po drugie, stabilne prowadzenie taśmy wymaga konkretnych rozwiązań konstrukcyjnych: bombiastego (beczkowatego) profilu bębnów, który samocentruje taśmę dzięki łagodnemu zwężeniu ku środkowi w przybliżeniu parabolicznemu; bocznych prowadnic od spodu; ewentualnie wtopionej w taśmę listwy prowadzącej tam, gdzie geometria jest wymagająca – łuki, przewężenia, zmiany poziomu.

Naciąg taśmy bywa stały (śruba napinająca, regulacja manualna) albo kompensacyjny: sprężynowy, pneumatyczny, grawitacyjny z masą obciążającą bęben napinający. O wyborze decyduje długość transportera, zmienność obciążenia i warunki temperaturowe. TPU rozszerza się ze wzrostem temperatury, więc w transporterze pracującym w cyklach grzanie–chłodzenie napinacz kompensacyjny działa lepiej niż śruba ustawiona na stałą wartość.

Wszystkie elementy obrotowe – bębny napędowe i naciągowe, bębny czołowe, rolki podporowe – podlegają w zakładzie spożywczym wysokim wymogom higieny. Łożyska są zwykle uszczelnione, w wykonaniu spożywczym, dopuszczone do strefy kontaktu z żywnością. Żeby na bębnie napędowym nie pojawił się poślizg w trakcie pracy, kluczowe jest właściwe napięcie wstępne, a wszystkie obracające się elementy powinny być regularnie sprawdzane pod kątem czystości i sprawności mechanicznej.

Ograniczenia eksploatacyjne, o których trzeba wiedzieć

TPU jest mechanicznie bardzo dobrym materiałem, ale ma kilka twardych ograniczeń. Praca długotrwale powyżej deklarowanego zakresu temperatury obniża właściwości mechaniczne i plastyczność, a w najgorszym razie prowadzi do oddzielania się powłoki od rdzenia tkaninowego. Długotrwały kontakt z gorącą wodą albo parą uruchamia hydrolizę w wersjach standardowych – w liniach z myciem na gorąco i w tunelach parowych nie ma alternatywy dla wersji odpornej na hydrolizę. Kontakt z niektórymi rozpuszczalnikami organicznymi i silnie utleniającymi środkami myjącymi wymaga uprzedniego sprawdzenia tabeli odporności chemicznej konkretnej taśmy: TPU wypada tu znacznie lepiej od PVC, ale nie jest odporny na wszystko. Ostre krawędzie i twarde fragmenty na taśmie – kawałki stali, blachy, kości – potrafią naciąć powłokę; w takich liniach albo wybiera się TPU ze wzmocnioną wkładką, albo od razu inny typ transportera. I jeszcze jedno: TPU ma ograniczoną odporność na promieniowanie UV, więc w zabudowach z dostępem światła dziennego warto wybrać wersję ze stabilizatorami UV.

Tutaj transporter ogólnego przeznaczenia i transporter zaprojektowany pod kamerę przestają być tym samym urządzeniem. Kamera inspekcyjna – czy sprawdza wagę, obecność elementu, klasyfikuje kolor, wykrywa uszkodzenie, czy odczytuje kod – wymaga od transportera trzech rzeczy: stabilnej prędkości, stabilnej geometrii i dokładnej synchronizacji.

Stabilna prędkość to przede wszystkim zagadnienie mechaniki. Kamera obszarowa pracująca z wyzwalaną migawką toleruje pewną zmienność prędkości, ale przy każdym wahnięciu spada ostrość obrazu i przesuwa się pozycja produktu w kadrze. Kamera linijkowa jest jeszcze bardziej wymagająca: każde drgnięcie prędkości natychmiast wykrzywia proporcje obrazu. Jeśli przy zastosowaniu enkodera widać rozciąganie albo ściskanie linii w obrazie, problemem zwykle jest poślizg – albo produkt ślizga się po taśmie, albo taśma po bębnie napędowym. Stąd konieczność precyzyjnego naciągu, prawidłowej geometrii bębnów i pewnego sprzęgnięcia ciernego. W niektórych instalacjach przechodzi się z napędu ciernego na napęd z zazębieniem kształtowym – taśma jednorodna TPU z noskami napędowymi wchodzącymi w wybrania w bębnie. Mechanika musi też tłumić drgania własne ramy, bo każda wibracja o niskiej częstotliwości – kilka herców i więcej – kończy się rozmyciem obrazu.

Stabilna geometria znaczy, że produkt w polu widzenia kamery zawsze trafia w to samo miejsce w poprzek taśmy i ma tę samą wysokość względem obiektywu. Wymaga to dobrze prowadzonej taśmy, która nie schodzi z bębnów; płaskiego stołu nośnego (najczęściej ślizg dolny z polietylenu UHMWPE); ewentualnie listwy prowadzącej; oraz minimalnego ugięcia ramy na całej szerokości. Im węższe pole widzenia kamery, tym ostrzejsze stają się te tolerancje.

Synchronizacja kamery i sterownika PLC odbywa się na dwa sposoby. Czasowy – gdy prędkość transportera jest stała. Pozycyjny – oparty na sprzężeniu zwrotnym z enkodera inkrementalnego. Dla pomiarów odległościowych enkoder jest praktycznie obowiązkowy. Najczęściej spotykane rozwiązanie to enkoder z kółkiem pomiarowym dociskanym ciernie do taśmy. Przykład: jeśli obróbka obrazu wymaga 5 pikseli na milimetr defektu, enkoder musi dawać 5 impulsów na milimetr przebiegu taśmy. Sygnały enkodera są typowo kwadraturowe – kanały A i B przesunięte względem siebie o 90 stopni – co pozwala wykryć kierunek ruchu i odfiltrować drobne ruchy zwrotne.

Sygnał wyzwalający migawkę kamery uruchamiany jest albo fotokomórką na krawędzi produktu, albo zliczaniem impulsów enkodera od znanej pozycji odniesienia. Sterownik PLC pełni rolę centrali: zbiera sygnały z fotokomórek, enkodera i kamery (przyjmij / odrzuć), steruje oświetleniem stroboskopowym (jeśli jest), uruchamia wyrzutnik produktu w razie odrzutu. To wszystko musi pracować deterministycznie, z gwarantowanymi opóźnieniami rzędu pojedynczych milisekund.

Oświetlenie to osobny temat, ale jego pewne mechaniczne zamocowanie jest częścią konstrukcji transportera. Uchwyty muszą się regulować w trzech osiach, drgania konstrukcji nie mogą się przekazywać do oświetlenia, dostęp do mycia musi być zapewniony, a klasa szczelności musi pasować do strefy. W KXM projektujemy konstrukcje tak, żeby kamera, oświetlenie, fotokomórki wyzwalające i wyrzutnik produktu były ze sobą zsynchronizowane czasowo i fizycznie zamontowane na sztywnej części ramy. To różnica między układem, który po skalibrowaniu działa i przechodzi audyt, a takim, który wymaga codziennej rekalibracji.

W instalacjach takich jak sortowanie i inspekcja słonych przekąsek – kontrola wagi pakietu, obecność wszystkich saszetek, wykrywanie deformacji – albo inspekcja optyczna konserw rybnych przed pakowaniem zbiorczym – sprawdzenie etykiety, daty, kodu, integralności wieczka – transporter jest punktem odniesienia dla systemu wizyjnego. Jego dokładność wykonania, sztywność i powtarzalność prędkości decydują, czy system pomiarowy w ogóle ma sens.