На всех стадиях транспортировки, эксплуатации и хранения стеклянная тара подвергается разнообразным по характеру и различным по величине нагрузкам.
Такие нагрузки применительно к стеклянной таре могут быть систематические и случайные, термические и механические, динамические и статические (кратковременные и длительные), равномерно распределенные и локальные, осевые, радиальные и внутреннего давления, простые и комбинированные.
Термические удары бутылки и банки испытывают при мойке, механические нагрузки - на всех этапах транспортировки и обработки. При транспортировке стеклянная тара подвергается преимущественно ударным воздействиям, при использовании на промышленных линиях розлива - динамическим и статическим нагрузкам, которые действуют по оси тары и перпендикулярно к ней, а также изнутри тары.
Изучение характера разрушения бутылок на линиях розлива показало, что различным операциям свойственны специфические нагрузки и связанные с ними разрушения.
Например, на разливочном автомате при производстве пива и фруктовых вод наблюдаются взрывоподобные разрушения бутылок от внутреннего давления. Такой вид разрушения бутылок характерен и для низкоскоростных, и для высокоскоростных линий розлива, однако повышение скорости налива ведет к увеличению динамизма (скорости приложения) нагрузок, что вызывает в свою очередь рост потерь тары при ее наполнении.
Разрушение бутылок происходит в большинстве случаев в донной части, по сопряжению дна и цилиндрической части бутылок, что свидетельствует о слабости этой зоны, неравномерности распределения напряжений и выходе их на поверхность. Вредные концентрации напряжений на стыках поверхностей могут быть снижены за счет более плавного перехода от дна к стенке бутылок.
Разрушение бутылок от внутреннего давления при розливе тихих вин не наблюдается.
При укупорке бутылок с пивом и безалкогольными напитками корончатой крышкой разрушение наблюдается по венчику горла и в зоне перехода от горла к цилиндрической части (плечикам). На этой операции бутылки испытывают осевое сжатие и одновременно радиальное сжатие по венчику. Раздавливание венчика горла или разрушение по плечикам (зубчатого характера) свидетельствует о преобладающем действии нагрузки того или иного вида.
Кроме того, отклонения размеров венчика горла и высоты бутылок вызывают значительные изменения сил, действующих на бутылки. В результате такого изменения может увеличиться бой бутылок или оказаться некачественной укупорка.
Так, при изменении диаметра венчика бутылки от 26,0 до 26,8 мм осевая сила, действующая на бутылку, изменяется с 2,05 кН до 3,92 кН. Радиальная нагрузка на венчик горла со стороны каждой гофры корончатой крышки в этих же условиях увеличивается в 2 раза.
Приведенные результаты характеризуют работу укупорочного устройства автомата, снабженного обжимным кольцом и способным в некоторой степени компенсировать разницу диаметров венчика горла бутылок. Бой бутылок и скол горла из-за значительных колебаний размеров горла бутылок являются характерными видами брака при упаковке.
Неравномерность механических воздействий на бутылку усугубляется нестабильностью параметров корончатой крышки. В этом случае колебания осевой силы, действующей на бутылку, могут составить от 1,1 кН до 49 кН, следствием чего может явиться негерметичность укупорки или бой бутылок.
Нестандартность размеров горла бутылок сказывается отрицательно и при других видах укупорки. Например, при закатке алюминиевых колпачков на бутылках с ликеро-водочными изделиями несоответствие размеров горла ГОСТу может вызвать крошение стекла под колпачком, появление осколков стекла внутри бутылки.
При укупорке бутылок с винодельческой продукцией полиэтиленовыми пробками типа ниппельных нередко наблюдается бой бутылок из-за разрушения горловой части.
Причиной его в основном является заниженный внутренний диаметр венчика горла бутылки.
Применяемые бутылки имеют также значительное отклонение от оси. В этом случае прочность бутылок при осевом сжатии снижается, что также вызывает повышенный бой.
Следовательно, использование бутылок с отклонениями от стандартных размеров затрудняет работу автоматов, ведет к увеличению боя бутылок и к простоям оборудования.
При укупорке полиэтиленовой пробкой бутылок с тихими винами сжатие по венчику горла представляется неопасным, так как действует осевое сжатие, приводящее к разрушению плечиков и корпуса бутылок. Наблюдались также единичные случаи раскалывания бутылок по вертикальной оси.
На других операциях обработки в высокоскоростных линиях розлива бутылки испытывают нагрузки ударного характера, результаты действия которых проявляются в виде трещин, сколов и сквозных отверстий, особенно вблизи дна и плечиков.
В связи с этим наблюдаются значительные потери не только бутылок, но и дорогостоящих пищевых жидкостей.
Особое значение приобретает прочность стеклянных бутылок в настоящее время, когда пиво-безалкогольная и винодельческая промышленность переходят к использованию высокоскоростных линий розлива пищевых жидкостей.
Такие линии находят широкое применение в пищевой промышленности.
Изучение условий эксплуатации стеклянных бутылок на высокоскоростных линиях розлива показало, что наряду с другими показателями, определяемыми стандартом, важное значение имеют такие параметры, как инерционная устойчивость, стабильность геометрических размеров и механическая прочность бутылок.
На стеклянную банку в процессе укупорки действуют осевые усилия, сжимающие ее по вертикали, и радиальные, приложенные к выступу горла по его периметру и направленные к центру.
На специальном стенде, смонтированном на базе укупорочной машины со встроенным в нее динамометром, были измерены осевые усилия на банку «Еврокап», укупориваемую крышками из жести различной толщины - от 0,2 до 0,24 мм.
На основании полученных данных были рассчитаны суммарные радиальные усилия, действующие на горло. Осевое усилие в процессе деформации крышки растет, достигая максимума при заходе завитка в цилиндр, после чего резко падает. При толщине жести 0,2 мм его максимальное значение составляет примерно 1,2 кН, а при 0,24 мм - 2,05 кН. Соответственно радиальные усилия достигают наибольшей величины также в момент захода в цилиндр, однако остаются на этом уровне до конца укупорки.
Значения суммарных радиальных усилий по периметру горла находятся в пределах 3,92-5,9 кН в зависимости от толщины жести крышек. Вместе с тем известно, что существующие банки СКО в процессе укупорки подвергаются осевому усилию порядка 0,8 кН и радиальному усилию (по периметру горла) 1,9 кН. Следовательно, на банку «Еврокап» б процессе укупорки действуют осевые и радиальные усилия, в несколько раз превышающие аналогичные усилия на банку СКО. Такие условия нагружения увеличивают возможность повышения боя банок «Еврокап».
Исследования причин боя банок «Еврокап» при укупорке проводились на ряде консервных заводов. В результате было обнаружено четыре основных вида разрушения: срезание горла, трещины либо откалывание кусков в области дна банок, мгновенное раскалывание всего корпуса на куски и разрушение, начинающееся от горла в виде двух вертикальных трещин.
Срезание горла наблюдалось при укупорке банок крышками из жести повышенной толщины (0,22-0,24 мм) как следствие чрезмерных радиальных усилий. В настоящее время этот вид боя практически отсутствует, так как используются крышки из жести толщиной 0,2 мм.
Трещины или откалывание кусков в области донышка происходило вследствие ударов банок о стол укупорочной машины при выходе из обжимного цилиндра. Этому виду боя способствует уменьшение толщины стенок нижней части банки. Основная причина - недостаточно тщательная регулировка укупорочной машины. Правильной наладкой оборудования указанный вид боя практически устраняется.
Мгновенное раскалывание банок на куски - наиболее распространенный вид боя. При использовании крышек из жести толщиной 0,2 мм вероятность такого разрушения снижается, но все же остается выше нормы. Воспроизведение этого вида боя в лабораторных условиях показало, что он характерен для нагрузок, действие которых не прекращается после начала образования трещин, а продолжается определенное время. Таким усилием, действующим на корпус банки, является осевая нагрузка. Она и вызывает бой банок с дефектами (посечками, разнотолщинным корпусом, плохим отжигом). Неравномерное нагружение банок при укупорке также способствует этому виду разрушения.
Характерный вид боя банок - разрушение, начинающееся от горла в виде двух вертикальных диаметрально расположенных трещин. При этом корпус иногда разрушается полностью, иногда остается только треснувшим, но в обоих случаях четко прослеживается начальная фаза разрушения - две вертикальные трещины. Часто бой происходит в самом начале захода банок в обжимной цилиндр, т. е. при относительно малых нагрузках.
Трещины возникают при укупорке банок с большой овальностью горла, причем, как правило, в плоскости минимального диаметра горла. Горло банки всегда имеет большую или меньшую овальность. При укупорке усилия на горло воспринимаются вначале лишь крайними точками максимального диаметра, горло банки деформируется как кольцевая оболочка, находящаяся под действием диаметрально противоположных сжимающих усилий.
В этом случае в горле возникают изгибающие моменты различного знака: в точках приложения радиальных усилий - положительные, в перпендикулярном направлении, т. е. на участках минимального диаметра, - отрицательные.
Поскольку стекло плохо сопротивляется растяжению, то разрушение горла происходит на участках, где возникают максимальные отрицательные моменты (в ненагруженном месте минимального диаметра горла).
Было смоделировано описанное силовое воздействие на горло при помощи специального патрона, который имел заходные фаски в виде двух диаметрально расположенных полосок шириной 25 мм. При усилиях укупорки всего 0,5-0,6 кН наблюдалось разрушение горла в плоскости, перпендикулярной направлению действия сил, в виде описанных выше характерных трещин. Это подтвердило предположение относительно возможности появления сверхнормативного боя при использовании банок «Еврокап» повышенной овальности.
Разрабатываются новые конструкции горла и обжимного цилиндра, снижающего осевые и радиальные нагрузки на горло банки на 30-40%.
