RU2172281C2

RU2172281C2 - Method of control resonance frequencies of superimposed oscillations

Info

Publication number: RU2172281C2
Application number: RU96111975A
Authority: RU
Inventors: Магнус РОБЕ
Original assignee: Тетра Лаваль Холдингз Энд Файнэнс С.А.
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 2001-08-20

Abstract

FIELD: food industry; sealing of containers with liquid foodstuff. SUBSTANCE: invention relates to ultrasonic sealing devices provided with exciter arranged in center and enclosed by reaction bodies, and bell. According to this method slots are made in reaction bodies. Slots are arranged symmetrically in places where superimposed oscillations have maximum potential or maximum shift, on the contrary. EFFECT: elimination of irregularities at sealing and increased service life of sealing device. 5 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу управления резонансными частотами накладывающихся колебаний в ультразвуковых запечатывающих устройствах, которые имеют расположенное в центре устройство возбуждения, окруженное телами реакции, и раструб с вытянутой узкой поверхностью запечатывания. The present invention relates to a method for controlling the resonant frequencies of overlapping vibrations in ultrasonic sealing devices that have a centrally located excitation device surrounded by reaction bodies and a bell with an elongated narrow sealing surface.

Общеизвестно, что ультразвуковые устройства применяются для запечатывания емкостей. Этот способ может также быть применен для запечатывания в наполняющих устройствах, которые упаковывают жидкие пищевые продукты в пакеты одноразового использования. В наполняющем устройстве лист упаковочного материала формируется в виде трубы с перекрывающимся продольным соединяющим швом или местом спайки. Упаковочный материал может состоять из внутренней части из бумаги или картона, которая ламинирована различными термопластичными слоями и, возможно, алюминиевой фольгой. Лист упаковочного материала, сформированный в виде трубы, заполняется предназначенным для этого содержимым, а труба из материала запечатывается в поперечном направлении через одинаковые повторяющиеся промежутки. Труба, заполненная жидкостью, затем разделяется в местах поперечного запечатывания на отдельные упаковки. It is well known that ultrasonic devices are used to seal containers. This method can also be used for sealing in filling devices that pack liquid food products into disposable bags. In the filling device, a sheet of packaging material is formed in the form of a pipe with an overlapping longitudinal connecting seam or weld point. The packaging material may consist of an inner part of paper or cardboard, which is laminated with various thermoplastic layers and, possibly, aluminum foil. A sheet of packaging material formed in the form of a pipe is filled with the contents intended for this, and a pipe of material is sealed in the transverse direction at regular repeating intervals. The pipe, filled with liquid, is then divided at the points of transverse sealing into separate packages.

Ультразвуковое устройство запечатывания, описанное в патенте Швеции N SE 9300918-1, в частности адаптировано для использования при поперечном запечатывании материала трубы в наполняющем устройстве описанного выше типа. Устройство запечатывания имеет вытянутую и узкую поверхность запечатывания, ширина которой соответствует ширине поперечного запечатанного соединения. Для того, чтобы обеспечить достаточно длинное поперечное запечатываемое соединение, должны быть объединены несколько запечатывающих устройств для получения составного законченного устройства запечатывающего оборудования. The ultrasonic sealing device described in Swedish patent N SE 9300918-1 is particularly adapted for use in transverse sealing of pipe material in a filling device of the type described above. The sealing device has an elongated and narrow sealing surface, the width of which corresponds to the width of the transverse sealed connection. In order to provide a sufficiently long transverse sealing joint, several sealing devices must be combined to form a composite finished device for sealing equipment.

Такое ультразвуковое запечатывающее оборудование со сложной геометрией должно работать с заданным основным видом колебаний на заданной рабочей частоте. Этот вид колебаний должен задаваться устройством возбуждения в устройстве запечатывания, и для того, чтобы можно было получить однородную и достаточно высокую амплитуду для запечатывания, не должно быть накладывающегося типа колебаний, расположенного слишком близко к рабочей частоте основного вида колебаний. Such ultrasonic sealing equipment with complex geometry should work with a given main mode of oscillation at a given operating frequency. This type of vibration must be set by the excitation device in the sealing device, and in order to obtain a uniform and sufficiently high amplitude for sealing, there should be no overlapping vibration type located too close to the operating frequency of the main vibration type.

При изготовлении таких ультразвуковых устройств запечатывания могут быть несимметричности в материале, или может иметь место асимметрия в процессе обработки материала. Такие несимметричности могут составлять до 30 процентов производимых устройств. Эти несимметричности приводят к перекрывающимся видам колебаний на резонансных частотах, близких к рабочей частоте, что способствует неодинаковой амплитуде, которая в свою очередь, приводит к неровному запечатыванию. Они также дополнительно приводят к неблагоприятным усилиям и напряжениям в устройствах, что сокращает срок службы таких устройств. Степень эффективности запечатывающих устройств дополнительно ослабляется накладывающимися колебаниями. In the manufacture of such ultrasonic sealing devices, there may be asymmetries in the material, or asymmetry may occur during processing of the material. Such asymmetries can make up to 30 percent of manufactured devices. These asymmetries lead to overlapping modes of oscillation at resonant frequencies close to the operating frequency, which contributes to a different amplitude, which in turn leads to uneven sealing. They also additionally lead to adverse forces and stresses in the devices, which shortens the life of such devices. The degree of effectiveness of sealing devices is further attenuated by overlapping vibrations.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа управления резонансными частотами накладывающихся колебаний, которые приводят к упомянутым неудобствам. Используя способ согласно настоящему изобретению, возможно сдвигать резонансные частоты накладывающихся колебаний так, чтобы режимы колебаний не содержали элементов наложения. The technical result of the present invention is to provide a method for controlling the resonant frequencies of overlapping vibrations that lead to the above-mentioned inconveniences. Using the method according to the present invention, it is possible to shift the resonant frequencies of the superimposed oscillations so that the oscillation modes do not contain superimposed elements.

Другим техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение 100-процентной работоспособности производимых запечатывающих устройств и осуществление ими заданных функций. Another technical result of the present invention is to ensure 100% operability of the produced sealing devices and the implementation of the specified functions.

Эти и другие технические результаты достигаются в настоящем изобретении посредством того, что способ, описанный во введении, имеет отличительное свойство, заключающееся в том, что в телах реакции имеются симметрично расположенные пазы, эти пазы располагаются там, где накладывающиеся колебания показывают максимум потенциала или, наоборот, максимальное смещение. These and other technical results are achieved in the present invention by the fact that the method described in the introduction has a distinctive property, namely, that there are symmetrically located grooves in the reaction bodies, these grooves are located where overlapping vibrations show the maximum potential or, conversely , maximum displacement.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет схему известного ультразвукового запечатывающего устройства, для которого предназначен способ согласно настоящему изобретению,
фиг. 2 представляет запечатывающее устройство согласно настоящему изобретению,
фиг. 3 представляет симметричное отражение колебаний,
фиг. 4 представляет антисимметричное отражение колебаний.The invention is further illustrated by specific embodiments thereof with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 is a diagram of a known ultrasonic sealing device for which the method of the present invention is intended,
FIG. 2 represents a sealing device according to the present invention,
FIG. 3 represents a symmetrical reflection of vibrations,
FIG. 4 represents an antisymmetric reflection of vibrations.

На фиг. 1 представлена схема ультразвукового запечатывающего устройства 1, для которого предназначен способ согласно настоящему изобретению. Это ультразвуковое устройство 1 имеет размер, равный половине длины волны, т.к. в наполняющем устройстве, где он используется, ему предоставляется очень ограниченное пространство. Это сделано для того, чтобы запечатывающее устройство 1 можно было использовать в существующих наполняющих устройствах без необходимости их существенной переделки. Наполняющее устройство предназначено для упаковки жидких продуктов питания в пакеты одноразового использования. Лист упаковочного материала, состоящий из ламинированной бумаги или картона, различных термопластичных слоев и, возможно, алюминиевой фольги, в наполняющем устройстве формируется в виде трубы, которая заполняется предназначенным для этого содержимым. Лист материала запечатывается поперек трубы с жидким наполнителем, и лист материала разделяется в поперечном направлении для образования отдельных пакетов. Запечатывающее устройство 1 разработано для таких операций поперечного запечатывания. In FIG. 1 is a diagram of an ultrasonic sealing device 1 for which the method of the present invention is intended. This ultrasonic device 1 has a size equal to half the wavelength, because in the filling device where it is used, it is provided with very limited space. This is done so that the sealing device 1 can be used in existing filling devices without the need for significant alteration. The filling device is intended for packaging liquid food in disposable bags. A sheet of packaging material, consisting of laminated paper or cardboard, various thermoplastic layers and, possibly, aluminum foil, in the filling device is formed in the form of a pipe, which is filled with the intended contents. The sheet of material is sealed across the liquid-filled pipe, and the sheet of material is divided in the transverse direction to form separate bags. The sealing device 1 is designed for such transverse sealing operations.

Ультразвуковое запечатывающее устройство 1 (фиг. 1) состоит из расположенного в центре устройства возбуждения 2, которое подсоединено к источнику переменного тока (не показан). Устройство возбуждения 2 расположено в центре в точке пересечения двух плоскостей симметрии (см. фиг. 2), на которые запечатывающее устройство 1 может быть разделено. Устройство возбуждения 2 окружено симметрично расположенными телами реакции 3. Запечатывающее устройство 1 содержит также раструб 4, который заканчивается вытянутой узкой поверхностью 5 запечатывания. Ширина поверхности 5 запечатывания соответствует ширине поперечного запечатанного соединения. Для того, чтобы достичь длины поперечного запечатанного соединения должны быть объединены несколько описанных запечатывающих устройств 1 для получения законченного устройства запечатывающего оборудования. Узловая плоскость 6 запечатывающего устройства, т. е. плоскость, где амплитуда 1 равна нулю, должна быть найдена между раструбом 4 и телами реакции 3. Узловая плоскость 6 снабжается краем 7 для зацепления и является местом, в котором устройство 1 фиксируется в заполняющем устройстве. Назначение тел реакции 3 заключается в обеспечении противоположных (противофазных) колебаний, которые компенсируют силы, возникающие при колебаниях раструба 4. Ultrasonic sealing device 1 (Fig. 1) consists of a centrally located excitation device 2, which is connected to an AC source (not shown). The excitation device 2 is located in the center at the intersection of two planes of symmetry (see Fig. 2), into which the sealing device 1 can be divided. The excitation device 2 is surrounded by symmetrically arranged reaction bodies 3. The sealing device 1 also contains a bell 4, which ends with an elongated narrow sealing surface 5. The width of the sealing surface 5 corresponds to the width of the transverse sealed connection. In order to achieve the length of the transverse sealed connection, several described sealing devices 1 must be combined to produce a complete sealing equipment device. The nodal plane 6 of the sealing device, i.e., the plane where the amplitude 1 is zero, must be found between the bell 4 and the reaction bodies 3. The nodal plane 6 is provided with an edge 7 for engagement and is the place where the device 1 is fixed in the filling device. The purpose of the reaction bodies 3 is to provide opposite (antiphase) vibrations that compensate for the forces arising from the vibrations of the bell 4.

Ультразвуковое запечатывающее устройство 1, имеющее такую сложную геометрию, как описано выше, может генерировать большой набор различных видов колебаний, и каждое колебание имеет специфическую резонансную частоту. Чтобы устройство 1 могло работать удовлетворительно, должен быть выделен специфический основной вид колебаний или рабочий режим с заданной рабочей частотой из остальных видов колебаний. Этот рабочий режим должен обеспечить одинаковую амплитуду на всей поверхности 5 запечатывания, достаточно высокую амплитуду так, чтобы достичь однородного и надежного запечатывания, и точно заданную центральную плоскость 6, чтобы устройство 1 могло быть зафиксировано на крае 7 места крепления. Это должно ограничивать излишне высокие напряжения в материале или конструкции и должно дать возможность устройству возбуждения 2 задавать рабочий режим. An ultrasonic sealing device 1 having such a complex geometry as described above can generate a large set of different types of vibrations, and each vibration has a specific resonant frequency. In order for the device 1 to work satisfactorily, a specific main mode of vibration or an operating mode with a given operating frequency must be distinguished from the other modes of vibration. This operating mode should provide the same amplitude on the entire sealing surface 5, a sufficiently high amplitude so as to achieve a uniform and reliable sealing, and a precisely defined central plane 6 so that the device 1 can be fixed on the edge 7 of the mounting location. This should limit unnecessarily high stresses in the material or structure and should enable the excitation device 2 to set the operating mode.

С помощью метода конечных элементов (МКЕ) возможно определить появление всех видов колебаний, которые имеют место в устройстве запечатывания 1, а также определить резонансные частоты колебаний. Запечатывающее устройство 1 имеет две плоскости симметрии 8, как показано на фиг. 2, и в обеих этих плоскостях могут иметь место симметричные отражения S, как показано на фиг. 3, или несимметричные отражения A, как показано на фиг. 4. В результате наличия двух плоскостей симметрии 8 могут иметь место четыре случая SS, AS, SA и AA. И фиг. 3 и фиг. 4 изображают очень упрощенные примеры колебательных смещений тел реакции 3. Запечатывающее устройство 1 может иметь до 35 различных видов колебаний в диапазоне от 0 до 40 кГц. Using the finite element method (MKE) it is possible to determine the appearance of all types of vibrations that occur in the sealing device 1, as well as to determine the resonant vibration frequencies. The sealing device 1 has two planes of symmetry 8, as shown in FIG. 2, and symmetrical reflections S can occur in both of these planes, as shown in FIG. 3, or asymmetric reflections A, as shown in FIG. 4. As a result of the presence of two planes of symmetry 8, four cases of SS, AS, SA, and AA can occur. And FIG. 3 and FIG. 4 depict very simplified examples of vibrational displacements of reaction bodies 3. Sealing device 1 can have up to 35 different types of vibrations in the range from 0 to 40 kHz.

Основной вид колебаний, или рабочий режим, имеет тип SS. Он должен быть выделен и удален как можно дальше от других видов колебаний. В частности, другие колебания SS типа должны быть сохранены на расстоянии, по меньшей мере ± 5 кГц. Чтобы быть уверенным в достижении требуемого запечатывания, используя ультразвуковое запечатывающее устройство 1, должна быть проведена проверка на всех типах колебаний, которые расположены в диапазоне ± 10 кГц от частоты рабочего режима. The main mode of oscillation, or operating mode, is of type SS. It should be isolated and removed as far as possible from other types of vibrations. In particular, other SS type oscillations should be kept at a distance of at least ± 5 kHz. In order to be sure that the required sealing is achieved using the ultrasonic sealing device 1, a check must be carried out on all types of vibrations that are located in the range of ± 10 kHz from the frequency of the operating mode.

Так как асимметричности могут иметь место в материале или устройстве запечатывания 1 или могут появляться во время работы, то могут генерироваться режимы AS, SA и AA типов. Эти типы колебаний вызовут интерференцию, т. к. они имеют место в диапазоне ± 1 кГц от частоты рабочего режима. Чем ближе они расположены друг к другу, тем большую интерференцию они вызывают. Эти накладывающиеся колебания дают неодинаковую амплитуду, которая приводит к неровному запечатыванию. В худшем случае накладывающиеся колебания могут стать полностью преобладающими над рабочим режимом, и тогда вообще не осуществляется запечатывание. Накладывающиеся колебания приводят также к неблагоприятным напряжениям в материале и конструкции, которые сокращают срок службы запечатывающего устройства 1. В результате этих накладывающихся колебаний устройство запечатывания 1 будет менее эффективным из-за потерь энергии, которая рассеивается в виде тепла. Since asymmetries may occur in the material or the sealing device 1 or may appear during operation, types AS, SA and AA modes may be generated. These types of oscillations will cause interference, because they occur in the range of ± 1 kHz from the frequency of the operating mode. The closer they are to each other, the greater the interference they cause. These overlapping vibrations produce uneven amplitudes that result in uneven sealing. In the worst case, overlapping oscillations can become completely prevailing over the operating mode, and then sealing is not performed at all. Superimposed vibrations also lead to unfavorable stresses in the material and structure, which shorten the life of the sealing device 1. As a result of these superimposed vibrations, the sealing device 1 will be less efficient due to the loss of energy that is dissipated as heat.

Колебания имеют несколько максимумов потенциала и несколько максимумов смещения. Для того чтобы можно было перемещать резонансную частоту накладывающихся колебаний, должен быть выделен максимум, который не совпадает с любым максимумом потенциала или смещения основного, или рабочего вида колебаний. Основной вид колебаний предпочтительно должен иметь минимум потенциала или смещения, там, где имеет место модификация. Oscillations have several potential maxima and several bias maxima. In order to be able to move the resonant frequency of superimposed oscillations, a maximum must be selected that does not coincide with any maximum potential or bias of the main or working mode of oscillation. The main mode of oscillation should preferably have a minimum of potential or bias, where the modification takes place.

Для того, чтобы избежать этих накладывающихся колебаний в соответствии с настоящим изобретением возможно управлять резонансными частотами накладывающихся колебаний таким образом, чтобы они далее не вызывали интерференции. Это обеспечивается посредством пазов 9 в телах реакции 3 запечатывающего устройства 1. Эти пазы 9 должны быть расположены и сформированы симметрично. Пазы 9 размещены в местах, где достигается максимум потенциала, т.е. максимум кривизны нежелательного вида колебаний, в то же время рабочий режим не должен изменять характер или сдвигаться от рабочей частоты. С другой стороны, симметрично расположенные пазы или скосы делаются там, где накладывающиеся колебания показывают максимум смещения. В этом случае основной вид колебаний также не должен изменять характер или сдвигаться от рабочей частоты. Основной вид колебаний сохраняет свой характер и резонансную частоту, если изменения сделаны там, где основной вид колебаний показывает более слабый потенциал и меньшие смещения. In order to avoid these overlapping vibrations in accordance with the present invention, it is possible to control the resonant frequencies of the superimposed oscillations so that they no longer cause interference. This is achieved by means of the grooves 9 in the reaction bodies 3 of the sealing device 1. These grooves 9 must be arranged and formed symmetrically. The grooves 9 are placed in places where the maximum potential is reached, i.e. the maximum curvature of the undesirable mode of oscillation, at the same time, the operating mode should not change the nature or shift from the operating frequency. On the other hand, symmetrically spaced grooves or bevels are made where overlapping vibrations indicate maximum displacement. In this case, the main mode of oscillation should also not change the character or shift from the operating frequency. The main mode of oscillation retains its character and resonant frequency if changes are made where the main mode of oscillation shows a weaker potential and smaller displacements.

Глубина, ширина и длина пазов 9 управляют величиной смещения. Если существует несколько накладывающихся колебаний, то необходимо сделать пазы 9 на каждой стороне для каждого режима колебаний. С другой стороны, максимум потенциала или максимум смещения для нескольких различных накладывающихся колебаний могут совпадать, и это делает возможным сделать только один общий паз 9 на каждой стороне для режимов колебаний. The depth, width and length of the grooves 9 control the amount of displacement. If there are several overlapping vibrations, then it is necessary to make grooves 9 on each side for each vibration mode. On the other hand, the maximum potential or maximum bias for several different overlapping oscillations can coincide, and this makes it possible to make only one common groove 9 on each side for the oscillation modes.

Путем изготовления пазов 9 в телах реакции 3, где отдельный режим колебаний имеет максимум потенциала, устойчивость режима уменьшают. Можно предположить, что распределение масс и жесткости в теле являются решающими для режимов колебаний в теле. Это может быть выражено так, что отдельный режим колебаний имеет данную устойчивость и инерцию массы. Области с максимумом потенциала составляют устойчивость режима колебаний, а области с максимумом смещения составляют инерцию массы режима колебаний. Если устойчивость режима колебаний сокращается, уменьшается его резонансная частота, а если устойчивость увеличивается, то резонансная частота увеличивается. Соответственно, сокращенная инерция массы для режима колебаний влечет за собой увеличение его резонансной частоты, а увеличенная инерция массы для режима колебаний влечет за собой уменьшенную резонансную частоту. By manufacturing the grooves 9 in the reaction bodies 3, where a separate vibration mode has a maximum potential, the stability of the mode is reduced. It can be assumed that the distribution of masses and stiffnesses in the body are decisive for the modes of oscillations in the body. This can be expressed so that a separate vibration mode has a given stability and mass inertia. Regions with a maximum of potential make up the stability of the oscillation regime, and regions with a maximum of bias make up the inertia of the mass of the oscillation regime. If the stability of the oscillation mode is reduced, its resonance frequency decreases, and if the stability increases, the resonance frequency increases. Accordingly, the reduced mass inertia for the vibration mode entails an increase in its resonant frequency, and the increased mass inertia for the vibration mode entails a reduced resonance frequency.

Преимущество смещения резонансных частот накладывающихся колебаний к более низкому уровню в данном случае заключается а том, что рабочая частота основного режима колебаний может увеличиваться до 1 кГц в рабочей фазе. То, что существует относительно простая мера сокращения устойчивости по отношению к увеличивающейся массе, является предпочтительным альтернативным вариантом воплощения. The advantage of shifting the resonant frequencies of the superimposed oscillations to a lower level in this case is that the operating frequency of the main oscillation mode can increase to 1 kHz in the working phase. The fact that there is a relatively simple measure of reducing stability with respect to increasing mass is a preferred alternative embodiment.

В то же время при управлении накладывающимися колебаниями следует контролировать, чтобы никакие другие режимы колебаний не стали накладывающимися посредством изготовления пазов 9 в телах реакции 3, которые вводятся в действие согласно изобретению. Важно, что эти выполняемые меры, т.е. изготовление пазов 9, являются сколь это возможно легкими, но в то же время сохраняют эффект управления. At the same time, when controlling overlapping vibrations, it should be controlled so that no other vibration modes become superimposed by manufacturing the grooves 9 in the reaction bodies 3, which are activated according to the invention. It is important that these measures be implemented, i.e. the manufacture of grooves 9 are as light as possible, but at the same time retain the control effect.

Как ясно из приведенного описания, настоящее изобретение реализует способ управления накладывающимися резонансными частотами в ультразвуковом запечатывающем устройстве 1 так, чтобы запечатывающее устройство 1 могло обеспечить однородное и надежное поперечное запечатанное соединение. Способ также сопровождается сокращением неблагоприятных напряжений и усилий в материале и конструкции запечатывающего устройства 1. As is clear from the above description, the present invention implements a method for controlling overlapping resonant frequencies in an ultrasonic sealing device 1 so that the sealing device 1 can provide a uniform and reliable transverse sealed connection. The method is also accompanied by a reduction in adverse stresses and forces in the material and design of the sealing device 1.

Настоящее изобретение не должно рассматриваться ограниченным только приведенными выше и изображенными на чертежах вариантами, могут быть сделаны множество модификаций без потери смысла и формы прилагаемой формулы изобретения. The present invention should not be considered limited only by the above and depicted in the drawings options, many modifications can be made without losing the meaning and form of the attached claims.

Claims

1. A method for controlling the resonant frequencies of superimposed oscillations in ultrasonic sealing devices containing an excitation device located in the center surrounded by reaction bodies and a bell with an elongated narrow sealing surface, in which the resonant frequencies of the superimposed vibrations are displaced, characterized in that for shifting the resonant frequencies of the superimposed vibrations in the reaction bodies, symmetrically located grooves are performed in places where overlapping vibrations have a maximum potential or m maximum displacement.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the offset of the resonant frequencies of the overlapping oscillations depends on the height, depth and length of the groove.

3. The method according to claim 1, characterized in that the control of the resonant frequencies of the superimposed oscillations involves a displacement of the superimposed oscillations, the stability of which is reduced so as to effect an offset.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the resonant frequencies of the superimposed oscillations are shifted down in the frequency range.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the resonant frequencies of the superimposed oscillations are shifted by at least 1 kHz.