IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов"

Сортировщик банкнот. Повышение надежности путем перехода к новому принципу действия.

Нечунаев Г.В.

 

Повышение надежности путем перехода к новому принципу действия

1. Современные сортировщики банкнот

1. Что это такое

Сортировщик банкнот – система, предназначенная для пересчета и сортировки денежной наличности. Эти аппараты имеют большое значение, работа банка в нынешних условиях без них практически невозможна. Существуют различные модели сортировщиков: от настольных компактных, до больших (весом до 200 и более кг.) Основные полезные функции сортировщика – это пересчет, определение подлинности, сортировка банкнот по номиналу, положению и ветхости. Скорость обработки довольно высока – 10 -15 банкнот в секунду. Анализ банкнот проводится по ряду признаков, определяемых специальными датчиками. Количество признаков для детекции различается для различных моделей, для настольных и больших систем. Сортировщики банкнот являются довольно сложными агрегатами, включающими в себя механические, электромеханические, электронные и программные компоненты.

Рис. 1 Сортировщики банкнот

На базе больших сортировщиков созданы комплексные системы выполняющие весь набор функций по обработке наличных денег – от пересчета и сортировки до обандероливания и упаковки в пачки и уничтожения ветхих купюр.

Объектом нашего внимания является компактный настольный вариант сортировщика, который содержит его функциональное ядро

1.2. Общий принцип действия.

Банкноты укладываются в приемный карман, и сортировщик начинает работать. В начале происходит разделение банкнот: благодаря взаимодействию фрикционных и вспомогательных элементов из пачки банкноты «слистываются» по одной и так, друг за другом банкноты попадают в транспортную систему, состоящую из роликов или, иногда, из ремней, которая проносит их через датчики, где происходит детекция, а затем, с помощью специальных устройств – стрелок, отправляет в соответствующий «карман» - отсек для отсортированных/ просчитанных банкнот. Количество карманов у сортировщика колеблется от одного у недорогой настольной модели до 16 и более у «больших» сортировщиков.

Заданные параметры сортировки определяют, в какой именно карман отправится банкнота. Банкноты не соответствующие заданным параметрам сортировки попадают в карман возврата. Туда же попадают банкноты, не прошедшие детекцию, т.е. если система не определила их подлинность или номинал.

Рис. 2. Принципиальная схема устройства настольного сортировщика с двумя рабочими карманом и одним карманом возврата.

1.Банкноты (далее БН); 2. фрикционные элементы;3.  удерживающие колеса; 4. направляющие (прижимные) колеса; 5.транспортные ролики; 6. блок датчиков; 7.направляющие пластины; 8. колесо укладчика; 9. Стрелки

Рис.3 Устройство стрелок

Слева на рисунке стрелка закрыта и БН проходят дальше, справа стрелка открыта и БН отправляются в карман укладчика. Стрелки приводятся в действие соленоидами или шаговыми двигателями.

 

1.3. Недостатки традиционной схемы

БН обрабатываются сортировщиком с высокой скоростью, до 15 БН/с. и выше при определенных условиях. Бумага БН при такой скорости имеет «хорошие» абразивные свойства. Все фрикционные элементы разделителя, удерживающие колеса, транспортные ролики сделаны из резиноподобного материала и быстро изнашиваются. Это приводит к ухудшению качества разделения, остановкам, заторам и отказам.

Отсюда вытекает насущная задача и важное направление для совершенствования этой техники – повышение надежности работы, безотказности, снижение критичности регулярного технического обслуживания.

2. Предлагаемое направление развития

Описанные недостатки традиционных сортировщиков БН обусловлены их принципом работы – применением роликов, ремней, фрикционных элементов, подшипников, зубчатых колес, рычагов, пружин и пр. Чтобы от этих недостатков избавится, мы должны отказаться от механических элементов. От механического поля трения следует перейти к более эффективным полям. (1) Учитывая природу БН, мы не можем использовать магнитные, химические или тепловые поля. Мы можем использовать электрическое поле т.к. бумага БН взаимодействует с электрическим (элекростатическим) полем. Также мы можем использовать и механическое поле, но на микроуровне, без трения, без изнашевыемых элементов. Такое поле может обеспечить газ –воздух, или жидкость. Но жидкость будет портить БН, значит – воздух.

Воздух низкого и высокого давления уже применяется для разделения БН в т.н. вакуумно-шпиндельных счетчиках и вакуумных разделителях (в «больших» сортировщиках), где БН разделяются благодаря «присасывающим» свойствам воздуха низкого давления.

Это обнадеживает, в статье (2) показано, что одним из механизмов перехода ТС на новый принцип действия является то, что на заключительном этапе развития в системе уже содержится подсистема, основанная на новом принципе действия.

Носителем сильного электростатического поля может быть электрет. В последнее время объем применения полимерных электретов стремительно растет. В технических целях чаще всего применяются электреты, полученные из фторполимерных пленок.

 Для наших целей – фиксации БН пригоден т.н. моноэлектрет с высокой концентрацией внедренного заряда в приповерхностном слое. Такой результат дает метод электризации диэлектрических пленок в коронном разряде, который и стал наиболее распространенным на практике. (3)

Электреты используются для создания электрических полей (электретные линзы для фокусировки электронов, электретные фильтры для очистки дымовых газов и др.) и для создания преобразователей механических перемещений в электрические (электретные микрофоны, электретные клавиши и др.) и наоборот (электретные громкоговорители). То, что электреты способны создавать довольно сильное поле, говорит например описание электростатического реле на электретах и электретного сепаратора измельченных минералов (4) Можно предположить, что получение электретной монозаряженной пленки с плотностью заряда, достаточной для надежной фиксации листа бумаги силами электростатического притяжения – вполне реальная задача.

3. Основная идея

3.1. Описание принципа действия

Принцип работы предлагаемого электретно – пневматического сортировщика показан на рис. 4. Изображен сортировщик с двумя рабочими карманами и карманом возврата.

Главные части системы - разделитель-транспортер, пневматические пульсаторы с форсунками, удерживающий вакуумный элемент с насосом и укладчики с направляющими пластинами. Разделитель-транспортер представляет собой барабан, покрытый с внешней стороны электретным покрытием. В поверхности выполнены отверстия площадью около 1 кв.мм. в количестве порядка 5 шт./кв. см. Приводится в движение электромотором.

Рабочая (нижняя) поверхность удерживающего вакуумного элемента покрыта фрикционным резиноподобным материалом и также имеет отверстия. Внутри элемента насос постоянно поддерживает пониженное давление.

Пневматический пульсатор – это источник воздушных импульсов высокого и низкого давления для разделителя и только высокого давления для стрелок, а также форсунки – деталь, передающая эти импульсы в отверстия барабана. Низкое давление, создаваемое пульсатором, должно быть в несколько раз ниже, чем низкое давление в удерживающем вакуумном элементе.

БН кладутся на панель приемного отсека 9, световой барьер дает сигнал и барабан начинает вращаться. Одновременно включается насос удерживающего вакуумного элемента 2. Когда устанавливается нужная скорость, начинает работать пульсатор разделителя. Пульсатор создает попеременно импульсы низкого и высого давления. Низкое давление в пульсаторе приводит к «присасыванию» БН к поверхности барабана. Электростатические силы, которые, как известно обратно пропорциональны квадрату расстояния, фиксируют БН. Вращающийся барабан тянет БН. Над участком разделения появляются новые части этой БН, которые так же фиксируются на поверхности. Сверху лежащая БН благодаря силам трения так же тянется вперед (влево на рисунке), но попадая под удерживающий вакуумный элемент, присасывается к нему.

В тот момент, когда задняя кромка первой БН попадает на поверхность барабана, низкое давление сменяется высоким. 1я БН все таки проходит т.к. ¾ ее уже зафиксировано на поверхности разделителя-транспортера. (Зона фиксации у панели приемного отсека составляет примерно ¼ длины БН) 2я продолжает удерживаться вакуумным элементом.

Через некоторое время, за которое 1я БН успевает отдалиться от вакуумного элемента на ½ своей длины, высокое давление вновь сменяется низким. 2я БН отрывается от удерживающего вакуумного элемента и фиксируется на поверхности барабана. Цикл повторяется.

Рис.4 Принципиальная схема электретно – пневматического сортировщика

1.Банкноты; 2. удерживающий вакуумный элемент; 3 блок датчиков; 4 разделитель – транспортер; 5 форсунка воздушного пульсатора разделителя; 6 форсунка воздушного пульсатора стрелки; 7 колесо укладчика; 8 направляющая пластина; 9 панель приемного отсека; 10 карманы укладчиков.

 

БН проходят через блок датчиков. При подходе БН к нужному укладчику срабатывает пульсатор стрелки, давление в форсунке повышается и отрывает переднюю кромку, а затем переднюю часть от поверхности барабана. БН попадает на направляющую пластину и, таким образом, направляется в карман. Импульс высокого давления продолжается пока БН проходит примерно ½ или немного меньше своей длины. Далее БН отделяется от барабана благодаря направляющей пластине и вращению барабана и попадает в колесо укладчика. Прохождение БН в карман регистрируется световым барьером, как и в сортировщиках традиционной конструкции.

Отметим, что в данной конструкции произошла свертка: разделитель – транспортер выполняет функции и разделителя и транспортной системы, т.е. он заменяет множество роликов, колеса, зубчатые ремни, фрикционные элементы, а удерживающий вакуумный элемент с насосом заменяет удерживающие колеса с обгонной муфтой и прижимными роликами. Мы, таким образом, избавляемся от проблем традиционной схемы, описанных выше.

Рис.5 Вепольная схема перехода к новым принципам действия

В бн - вещество банкноты; В фр - вещество фрикционных элементов и роликов; П мех - механическое поле трения; В р – вещество поверхности разделителя; Пмех * - механическое поле воздуха; П Эл - электростатическое поле

 

3.2. Воздушный пульсатор

Импульсы давления создаваемые пульсатором должны быть довольно короткими. При скорости счета 15БН/с. и диаметре барабана 20см. импульс пульсатора разделителя должен быть около 0,04 с., а пульсатора стрелки около 0,025с. При скорости 30 БН/с. соответственно примерно 0,02 и 0,01 с. Для достижения таких параметров также предлагается применить электреты.

Рис. 6 Устройство пульсатора разделителя и диаграммы напряжений на электродах пульсаторов U и давлений в форсунках P

1 – электроды; 2 – электретная мембрана; 3 – изолятор; 4 – канал для воздуха; 5 – общий патрубок для воздуха

Элемент пульсатора представляет собой ячейку, состоящую из 2х изолированных друг от друга электродов и электретной мембраны между ними. При подаче на электроды переменных импульсов высокого напряжения мембрана занимает крайние противоположные положения. Это создает то низкое, то высокое давление воздуха в патрубке и в форсунке разделителя. Для увеличения мощности предлагается перейти к полисистеме – использовать батарею элементов. Такая батарея из 10 элементов дает 400 -500 куб.см. Учитывая, что это происходит за 0,02 -0,04 с. давление должно быть значительным.

Пульсатор стрелок отличается от пульсатора разделителя следующим:

1. Время импульса примерно в 2 раза короче – 0,01 -0,025 с. в зависимости от скорости
2. Пульсатор обслуживает все стрелки, причем одновременно он этого сделать не сможет
3. Пульсатор работает только на вытеснение воздуха, причем время релаксации – готовности к следующему импульсу должно быть в несколько раз меньше времени импульса, т.е. 0,002 -0,004 с., иначе пульсатор не успеет отправить очередную БН в нужный карман.

Для реализации такой задачи предлагается использовать быстродействующие клапаны, выполненные так же с применением электретов и оборудовать ячейки пульсатора воздушными каналами для движения воздуха «холостого хода». Подробнее об устройстве пульсаторов в работе (5).

1. О компоновке сортировщика

Описанный электретно – пневматический сортировщик сложно удачно скомпоновать из за достаточно большого размера барабана. (см. рис. 4). Больше возможностей для компоновки дает переход от разделителя – транспортера в виде жесткого барабана к гибкой транспортной ленте из полимерного электрета или с электретным покрытием, имеющей отверстия, совпадающие с отверстиями барабана разделителя. Возможные варианты показаны на рис. 7 и 8.

Рис.7 Возможный вариант компоновки сортировщика

1– БН; 2 – удерживающий вакуумный элемент; 3 – барабан разделителя; 4 – форсунка разделителя; 5 – форсунка стрелки; 6 – карман укладчика; 7- транспортная лента; 8 – блок датчиков

Рис. 8. Возможный вариант компоновки сортировщика

1.БН; 2. Стол подачи БН; 3. Барабан разделителя; 4. Форсунка разделителя; 5. Форсунка стрелки; 6. Карман укладчика; 7.Транспортная лента; 8. Блок датчиков; 9. Возникающие задачи

С помощью обратного мозгового штурма и элементов диверсионного анализа выявлен ряд задач, от которых зависит осуществимость предлагаемой концепции и предложены их решения.

• Быстродействующий воздушный клапан
• Минимизация зазора между форсункой и барабаном
• Снижение нагрузки на мембрану пульсатора
• Предотвращение преждевременной фиксации 1й банкноты
• Точное совпадение отверстий в барабане разделителя и транспортной ленте
• Минимизация зазора между форсункой и поверхностью ленты
• Предотвращение отрывания БН от поверхности ленты на повороте вокруг ролика

Подробно эти задачи описаны в работе (5)

Литература

1. Г.С. Альтшуллер, Б.Л. Злотин, А.В. Зусман, В.И. Филатов. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Картя Молдовэняскэ, Кишинев, 1989

2. А.Л. Высоцкий, Д.Л. Высоцкий. Об одном пути перевода технических систем на новые принципы действия. Журнал ТРИЗ №2/3, 1996г., стр.4

3. Электреты / Пер. с англ. под ред. Г. Сесслера. М.: Мир, 1983.

4. А.Н. Губкин. Электреты. Наука, Москва, 1978. стр.181

5. Г.В. Нечунаев. Сортировщик банкнот – целевой прогноз развития. 2012