全自動聯合灌裝機進瓶機構方案研究

楊鳴，楊帆

(杭州鋼鐵股份有限公司，浙江 杭州 310017)

0 引言

全自動(玻璃瓶飲料)聯合灌裝機是飲料生產企業主要工裝設備，集飲料灌裝及壓蓋封口為一體，無手工作業環節，所出成品品質穩定。玻璃瓶作為一種環保性良好的包裝容器以及能多次重復使用的特性，至今仍廣泛使用。

在玻璃瓶灌裝飲料的生產過程中，常見影響流水作業的故障主要有:爆碎瓶、玻璃瓶內灌液誤差及玻璃瓶壓蓋封口失效等。該三項故障導致生產線停機的頻率較高，占有效作業時間9.5%，而其中因爆碎瓶導致的停機故障又為主要因素，占該灌裝設備故障停機率的80%，每班平均影響減少有效作業時間40 min。流水線生產設備頻發性的故障停機除直接影響產量外，還會導致飲料理化指標發生偏差，影響產品的綜合合格率以及企業效益。

爆碎瓶故障的高頻率發生，會使有效生產時間減少，每爆碎瓶一次，停機處理最快也需耗時2 min;同時生產用原料非正常消耗增加，由于碎瓶處理需整機止動，除碎瓶帶來的瓶耗增加外，還會使飲料液體灌裝工位的準產品發生滿灌及少灌情況。因不允許手工輔助灌裝，故此類準產品均為不合格品，造成料漿非正常消耗增加。

爆碎瓶情況表現為兩種:1)進瓶蝸桿與輸送鏈間的機械擠爆瓶;2)連進瓶蝸桿與送瓶撥輪間的機械擠爆瓶。這二種情況發生時，玻璃瓶碎片飛濺，極易傷著機臺操作員。

對此，本文研究重點是:通過故障成因剖析，找出爆碎瓶原因，尋求解決措施，排除爆碎瓶故障，提高整機有效作業率，降低非正常的原輔料消耗，以及提高安全生產因素。

1 預備知識

1.1 灌裝機傳動模式介紹

全自動飲料灌裝機，主要用于飲料的玻璃瓶灌裝，該裝置為全自動設備，一次性完成灌裝進瓶、飲料灌裝、壓蓋封口及出瓶等工藝操作環節，生產能力為100～160 瓶/min。該機主體結構分4 個執行部分:1)變節距蝸桿進瓶機構;2)12 頭飲料灌裝機構;3)6 頭壓蓋封口機構;4)出瓶機構(圖1)。由一主傳動電機通過變速機構按序運行。其中進瓶機構主要部件由輸瓶導槽，變節距進瓶蝸桿及送瓶撥輪組成。送瓶撥輪工作軌跡為勻速運轉，但反映在水平軸上的水平速度為一三角函數(圖2)，其軌跡為V 水平=γ(1－cosd)。亦即送瓶撥輪工作時，其工作腔在水平工位上的速度為變速運動。而進瓶輸送鏈的運行為勻速運動，故需通過變節距蝸桿來達到工位的變速運動，從而滿足進瓶輸送鏈與送瓶撥輪之間的工位運動銜接。該蝸桿的結構特性為變節距，在輸送瓶過程中，蝸桿工作面與玻璃瓶身為線接觸，這在機械學上稱之為高副運動。通過變節距蝸桿的轉動，玻璃瓶通過運動副間產生的擠送力達到變速前行的目的。

圖1 全自動飲料罐裝機臺面執行部分傳動示意圖

圖2 送瓶拔輪水平軌跡示意圖

1.2 導致爆碎瓶因素構成

通過仔細觀察爆碎瓶現象形成過程，其原因歸結為兩種異常工況:

1)由于蝸桿材料選用的是工程塑料，在工作過程中由于運動副所產生的摩擦效應，其弧形工作面在工作行進反方向上會產生工作界面的磨損(圖3)，久之即產生輸瓶節距誤差。正是這不斷加大的誤差，導致進瓶蝸桿工作腔與送瓶撥輪工作腔間的工位差形成。以致擠(爆)玻璃瓶，形成生產故障。

圖3 變節距蝸桿工作腔磨損后形成對玻璃瓶產生異常力示意圖

2)隨著進瓶蝸桿弧形工作面的磨損增加，其工作腔由半圓形發展至半橢圓形，即工作腔拉長。由于蝸桿對玻璃瓶瓶身的輸送速度為變速(增速)運動，而玻璃瓶瓶底部輸送鏈的輸送速度為勻速運動，產生二者的行進速度差;當蝸桿工作腔異變加長后，導致所送玻璃瓶在蝸桿工作腔內傾斜(即倒瓶)。玻璃瓶部分底與蝸桿弧形工作面觸，使蝸桿與輸送鏈對瓶形成夾瓶狀態，導致擠碎玻璃瓶。

這兩種進瓶過程中的異常工況，雖然故障發生位置不同，但其根本原因均為進瓶蝸桿弧形工作面的磨損所至。弧形工作面的磨損，輕者導致進瓶蝸桿對與送瓶撥輪銜接工位的滯后，使送瓶撥輪對瓶身產生破壞力，形成擠爆瓶故障;重者進瓶蝸桿本身在輸送鏈的配合下，將瓶送往蝸桿底部帶，形成擠爆瓶故障。因此方案研究針對性目標是變節距進瓶蝸桿，目的是杜絕爆碎瓶故障成因的構成。

2 方案設計

2.1 方案改進

原該機進瓶原理:水平輸送飲料瓶的速度與作圓周運動的撥輪在工作點上達到運行速度相等，并將玻璃瓶嚙合進工作腔。在本方案中，不考慮改變蝸桿材質及定時更換已損蝸桿的辦法，因此類辦法治標而治不了本，應舍棄該工作原理為前提，根據整機工況，改變進瓶運行路線，采用直接喂瓶的形式將玻璃瓶正常喂入送瓶撥輪工作腔。

2.2 改進型方案描述(圖4)

1)保持原灌裝機及輸送帶相對位置不變。將喂瓶(即喂入送瓶撥輪工作腔)位置提前75°角。利用輸送帶產生的推力，使待喂瓶始終貼著送瓶撥輪非工作腔外緣滑轉。待送瓶撥輪工作腔旋至75°角工位時，玻璃瓶即正常入腔。后瓶則重復前述動作，完成自動送瓶工序。在原進瓶蝸桿工作結構中由于輸送帶與被輸送瓶間的摩擦力使玻璃瓶得以向前運動，正常工況下輸送帶輸瓶量大于送瓶撥輪供瓶量，即在原進瓶蝸桿前形成一擠瓶區，擠瓶狀態所形成對前位瓶的推力即為喂入進瓶蝸桿所需的力。同樣該推力亦足以滿足新方案喂瓶所需的推力。而進瓶位置的變化，使得送瓶撥輪工作腔中心線與進瓶導槽中心線形成重疊時，所輸送的玻璃瓶即喂入送瓶撥輪工作腔，從而達到方案預期目的。

圖4 進瓶改進型方案示意圖

2)原聯合灌裝機及前后輸送裝置均保持原結構，僅將進瓶蝸桿部分拆除，新制圖示部分輸送導槽。輸送導槽底部為不銹鋼平板，無動力需求。導槽中心線與送瓶撥輪中心線呈15°夾角并固定之。(送瓶撥輪工作腔為6 工位，呈圓周均布)，即構成改型后的進瓶機構，在聯合灌裝機正常工作時，送瓶撥輪旋轉至15°夾角之工位時，玻璃瓶即行喂入送瓶撥輪工作腔，完成進瓶動作。

3 實用論證

3.1 改型進瓶機構的可行性

1)由于本方案僅改變了進瓶傳動形成及喂瓶方向，不影響全自動聯合灌裝機整體結構及工作性能。原進瓶蝸桿臺面部分只需拆除，另增加導槽設施即可。實際改動技術難度小，改動所需費用亦小。

2)原變節距蝸桿因磨損更換時，同時需更換送瓶撥輪(送瓶撥輪工作腔亦磨損)，除耗時、耗材外，主要因素是該蝸桿因磨損更換時間的不確定，勢必導致整機正常運行工況的不確定，形成整機帶障工作狀態，而采用改進型喂送方案后，設備改動結構小、簡單，但其作用是始終使喂瓶工序處于正常狀態。

3.2 改型后進瓶機構工作可靠性

1)進瓶動力源由平板輸送鏈提供，足以使待喂部瓶產生前行推力;當待喂瓶瓶身處于送瓶撥輪非工作腔外緣時，是處于緊貼滑轉狀態，當送瓶撥輪旋至嚙瓶工位時，瓶即正常喂入。較原使用進瓶蝸桿喂瓶更穩定，不會再發生因喂瓶位置誤差所導致的送瓶撥輪擠爆瓶及蝸桿底部夾瓶等故障。

2)進瓶路線符合聯合灌裝機產生工藝要求，僅喂瓶提前75°;對后續的液體灌裝、壓蓋封口及出瓶等工序無任何影響，由于該處爆碎瓶故障的消除，提高了灌裝和整機有效作業率。隨著因該處爆碎瓶故障停機的杜絕，使得液體灌裝工序及壓蓋封口工序亦處于穩定工況，確保整機生產工作可靠性的提高。

3)該改型裝置已投入實用(因生產所用灌裝瓶，其瓶身直徑異于d62 mm，原有進瓶蝸桿節距不符，而送瓶撥輪換型簡易，故以改變進瓶路線同時，更換送瓶撥輪達到生產要求)，效果達到生產要求。

3.3 改型后進瓶機構成效性

全自動聯合灌裝機進瓶機構按上述方案改型后，原進瓶蝸桿機構因磨損導致的擠(爆)瓶現象隨之消失，相應提高了該機的工作效率及產品品質的穩定性。

每班有效作業時間提高9.5%;降低玻璃瓶瓶耗8%;原來因處理爆碎瓶故障停機導致的料漿滿(缺)灌現象隨之消失:從而降低了料漿的非正常消耗，相對增加了產品得品率;由于送輸瓶運行工況的穩定，人工輔助送瓶環節取消，既減輕機臺操作員的工作強度，又消除產品二次污染的環節;原變節距蝸桿采購價昂貴，因取消了該件的使用，使得灌裝機使用成體下降。

改型后的進瓶機構，其結構簡單運行效果明顯，類似的瓶裝(食品飲料)自動灌裝設備均可采用，具有一定的推廣性。

4 結語

本方案從解決生產現狀問題著手，通過對進瓶過程的分析，本著解決問題、實用、有利的指導理念，形成改進方案。該方案實現簡便、推廣性強，其實用性及可靠性均優于原進瓶機構。

［1］西北工業大學機械原理及機械零件教研組編.機械設計［M］.北京:人民教育出版社，1980.

［2］大連工學院機械制造教研室編.金屬切削機床液壓傳動［M］.北京:科學出版社，1976.

［3］吳清一 主編.現代物流概論［M］.北京:中國物資出版社，2003.