Transportery ślimakowe – transport produktów sypkich, mokrych i lepkich

Ślimak ma niewiele części ruchomych: spiralę, napęd, łożyska i rynnę. Koszty eksploatacji skupiają się więc w kilku obszarach, a każdy z nich zależy od decyzji podjętych na etapie projektu.

Pierwszy obszar to zużycie ścierne. Materiał przesuwa się względem spirali i rynny całą swoją masą, więc transport ślimakowy jest z natury cierny. Produkty twarde i ostre, jak sól gruboziarnista, cukier kryształ czy niektóre przyprawy, ścierają zwoje i wykładzinę w tempie zależnym od obrotów i wypełnienia. W praktyce trwałość rośnie, gdy tę samą wydajność uzyskuje się większą średnicą przy niższych obrotach. Maszyna dobrana wyłącznie według tabeli wydajności bywa tańsza w zakupie, ale wyraźnie szybciej się zużywa.

Drugi obszar to łożyska wieszakowe. Ślimak z wałem dłuższym niż pojedynczy odcinek spirali (zwykle 3–4 m) wymaga podparcia pośredniego: łożysk zawieszonych w rynnie, wokół których musi przepływać materiał. Takie łożysko pracuje zanurzone w produkcie. Smarowanie jest kłopotliwe (w zakładach spożywczych dopuszczalne są wyłącznie środki klasy NSF H1 albo łożyska bezsmarowe z tworzyw), a spowolniony przepływ wokół wieszaka sprzyja narostom przy produktach wilgotnych. Każde łożysko wieszakowe to dodatkowy punkt serwisowy i higieniczny, dlatego projektowo ogranicza się ich liczbę: krótszymi sekcjami, większą średnicą pojedynczego odcinka, a coraz częściej przejściem na ślimak bezwałowy, który takich łożysk nie ma.

Trzeci obszar to mycie. Rynna ślimaka jest przestrzenią półzamkniętą, a w szczelinie między spiralą a dnem po zatrzymaniu zawsze pozostaje trochę produktu. Przy materiałach suchych taka resztka jest niewielka i stabilna mikrobiologicznie, przy mokrych i organicznych staje się problemem sanitarnym. W wykonaniach spożywczych stosuje się więc pokrywy szybkootwieralne na zatrzaskach, klapy zrzutowe w dnie do opróżniania, spirale wyjmowane bez narzędzi (w krótkich maszynach) oraz promienie wewnętrzne i szlifowane spawy zgodne z zasadami projektowania higienicznego. Te rozwiązania podnoszą cenę zakupu, ale przez cały okres eksploatacji skracają czas mycia w trudno dostępnych miejscach.

Czwarty obszar dotyczy pyłów palnych. Mąka, cukier puder, skrobia, mleko w proszku i kakao tworzą w powietrzu atmosfery wybuchowe, a transporter, w którym produkt jest przesypywany i napowietrzany, bywa miejscem wyznaczania stref zagrożenia wybuchem w rozumieniu dyrektywy ATEX. Konsekwencje projektowe to wykonania przeciwwybuchowe napędów i czujników, uziemienia i ekwipotencjalizacja, eliminacja źródeł zapłonu (m.in. kontrola temperatury łożysk), a w większych instalacjach tłumienie lub odciążanie wybuchu. Te wymagania trzeba uwzględnić od pierwszego szkicu, bo ich pominięcie dyskwalifikuje maszynę przy odbiorze.

Spirala – geometria decyduje o wszystkim

Spirala (zwój roboczy) decyduje o parametrach całej maszyny. Podstawowe wielkości to średnica zewnętrzna (w zakładach spożywczych zwykle 100–500 mm), skok zwoju (standardowo równy średnicy, tzw. skok pełny) i grubość taśmy zwoju.

Geometrią spirali steruje się zachowaniem materiału. Skok skrócony (2/3 lub 1/2 średnicy) zagęszcza transport i ogranicza osypywanie się materiału wstecz na pochyleniach. Skok zmienny wzdłuż osi wyrównuje pobór materiału na całej długości zalanego wlotu. Zwoje cięte i cięto-wyginane dodają do transportu mieszanie, przydatne przy produktach skłonnych do rozwarstwiania i przy jednoczesnym dozowaniu kilku składników. Zwoje wstęgowe (taśma spiralna na wspornikach, z prześwitem przy wale) stosuje się do produktów lepkich, które obklejałyby pełny zwój przy rdzeniu.

W wykonaniu spożywczym spirala jest ze stali nierdzewnej 304 lub 316L (ta druga do środowisk chlorkowych i kwaśnych: solanek, zalew, marynat), ze spawami ciągłymi, szlifowanymi w strefie kontaktu z produktem. Przy materiałach silnie ściernych krawędzie zwojów wzmacnia się napawaniem albo nakładkami trudnościeralnymi, poza strefą bezpośredniego kontaktu z żywnością.

Wypełnienie przekroju i obroty – skąd bierze się wydajność

Wydajność ślimaka to iloczyn pojemności jednego skoku, obrotów i stopnia wypełnienia przekroju rynny. Wypełnienie jest z tych parametrów najczęściej niedoceniane, a w dużej mierze przesądza o trwałości maszyny. Wytyczne projektowe przewidują wypełnienie 45% tylko dla materiałów lekkich, swobodnie płynących i nieściernych; dla gęstych, opornych i ściernych projektuje się 15–30%. Materiał potrzebuje przestrzeni, żeby płynąć, a w ślimakach z wałem musi dodatkowo swobodnie przechodzić pod łożyskami wieszakowymi. Konstrukcja bezwałowa, pozbawiona rdzenia i wieszaków, pracuje przy wypełnieniach 30–45% również na materiałach trudnych – to obok braku łożysk drugi powód jej rosnącej popularności.

Obroty dobiera się odwrotnie proporcjonalnie do średnicy i ścierności: od 20–40 obr/min w konstrukcjach bezwałowych na materiałach trudnych do stu kilkudziesięciu obr/min przy małych średnicach i produktach lekkich. Zbyt wysokie obroty napowietrzają produkt, degradują jego strukturę, przyspieszają zużycie, a przy pyłach palnych zwiększają ryzyko zapłonu.

Nachylenie wyraźnie obniża wydajność: przy 15° spadek sięga około 30%, przy 25° przekracza 55%. Powyżej 45° klasyczny ślimak pochyły traci sens i stosuje się konstrukcje pionowe, projektowane według odrębnych zasad. Ślimak nachylony 10° i więcej projektuje się dodatkowo na warunki zsypu wstecznego: po zatrzymaniu materiał osuwa się w dół i dolna część rynny startuje w stanie przepełnienia.

Rynna albo rura – i co je różni

Ślimak rynnowy (przekrój U, z pokrywami) to standard transportu poziomego i lekko nachylonego: większe średnice, niższe obroty, łatwy dostęp serwisowy i myjący po zdjęciu pokryw, możliwość wielu wlotów i wylotów wzdłuż trasy. Ślimak rurowy (spirala w zamkniętej rurze) jest szczelniejszy, tańszy i lepiej znosi nachylenia, ale dostęp do wnętrza jest trudniejszy. W zakładzie spożywczym wymaga to przemyślanych rozwiązań rewizyjnych: den wyjmowanych, sekcji rozłącznych na klamrach albo spirali wyciąganej w całości.

Przy konstrukcjach bezwałowych spirala ślizga się po dnie rynny, dlatego standardem są wymienne wykładziny z polietylenu UHMWPE (te same, które prowadzą taśmy i łańcuchy w pozostałych typach transporterów), o niskim tarciu i z dopuszczeniem do kontaktu z żywnością. Wykładzina jest częścią eksploatacyjną, wymienianą co kilka lat w normalnym cyklu życia maszyny.

Na końcach pracują łożyska czołowe z uszczelnieniami wału. Uszczelnienie przejścia wału przez ścianę rynny to detal o dużych konsekwencjach eksploatacyjnych: dławice sznurowe są tanie, ale wymagają obsługi, natomiast uszczelnienia mechaniczne i labiryntowe z barierą powietrzną kosztują więcej i nie przepuszczają produktu na zewnątrz ani smaru do wnętrza. Przy produktach pylących i mokrych od jakości tego węzła zależy czystość całej strefy wokół maszyny.

Podajnik to nie transporter – zalany wlot zmienia obliczenia

Rozróżnienie, które oszczędza kosztownych pomyłek: transporter ślimakowy przyjmuje materiał dozowany (z góry spada tyle, ile spirala odbiera), a podajnik ślimakowy pracuje z wlotem zalanym – pod lejem silosu albo zbiornika, gdzie nad spiralą stoi słup materiału. Podajnik oblicza się inaczej. Spirala pod zalanym wlotem jest obciążona ciężarem złoża, pobór trzeba wyrównać na całej długości wlotu (skokiem zmiennym albo średnicą stopniowaną), a moment rozruchowy po postoju bywa wielokrotnie wyższy od momentu pracy ustalonej, bo skonsolidowany materiał stawia zupełnie inny opór niż świeżo nasypany. Zastosowanie w roli podajnika ślimaka policzonego jak transporter to jedna z częstszych przyczyn spalonych napędów i skręconych spiral w pierwszym roku eksploatacji.

Funkcje dodatkowe – ślimak jako maszyna procesowa

Ślimak łatwo łączy transport z funkcją procesową. Rynna z płaszczem wodnym lub glikolowym chłodzi albo podgrzewa przesypywany produkt, zwoje cięte mieszają, sekcja z dnem perforowanym odwadnia, a dwa równoległe ślimaki we wspólnej rynnie (układ bliźniaczy) radzą sobie z masami, które obkleiłyby pojedynczą spiralę. Funkcję procesową trzeba jednak przewidzieć na etapie projektu – dobudowanie płaszcza do gotowej rynny oznacza w praktyce budowę nowej maszyny. To kolejny argument za konstrukcją projektowaną 1:1 zamiast katalogowej.

Ślimak dobrze współpracuje z automatyką wagową i recepturową. Napęd z falownikiem w połączeniu z tensometrycznym pomiarem masy (zbiornik naważający na tensometrach, waga taśmowa za wylotem albo pomiar ubytku masy silosu w układzie loss-in-weight) zamienia transporter w precyzyjny system dozowania składników: mąki do mieszałki, przypraw do mieszanki, soli do solanki. Pętla regulacji obrotów względem zadanego strumienia masowego jest standardem nowoczesnych naważalni. To zarazem typowy obszar, w którym mechanika i automatyka muszą powstać razem: dobieg spirali po komendzie stop i ilość materiału w locie między wylotem a wagą wynikają z konstrukcji, a nie z nastaw sterownika.

Diagnostyka predykcyjna ślimaków opiera się na trzech sygnałach. Pobór prądu napędu z narastającym trendem wskazuje na narosty i zużycie wykładzin. Temperatura łożysk czołowych i wieszakowych ostrzega przed awarią, a przy pyłach palnych przed potencjalnym źródłem zapłonu. Czujnik obrotów na końcu biernym wykrywa zerwanie lub skręcenie spirali, zanim pełna rynna zablokuje linię. Dodatkowo czujniki poziomu w rynnie i nad wlotem chronią przed pracą na sucho i przed przepełnieniem.

Systemy wizyjne odgrywają przy ślimakach mniejszą rolę niż przy taśmach, bo produkt jest zamknięty w rynnie. Stosuje się je na przesypach: do kontroli obecności ciał obcych na wlocie i monitoringu strugi na wylocie. W zakładach o wyższych wymaganiach w ciągu przesypowym pracują też detektory metali i separatory magnetyczne, z którymi ślimak musi być zgrany geometrycznie i sterowniczo.