高速理蓋機正反蓋結構設計原理分析

王鋼

（四川科創源潔凈工程有限公司，四川 成都 610000）

傳統理蓋機的工作原理是將料斗中無序的瓶蓋經固定在傳送帶上面的擋塊提升到重心分離機構處,進行正蓋與反蓋的剔除，剔除反蓋并送出正蓋，正蓋進入正蓋料道在掛蓋機構處與裝好物品的瓶子相扣，再進入下一道擰蓋機構進行瓶蓋的擰緊。

料斗中的瓶蓋進入傳送帶時的姿態主要分為正蓋、反蓋、無序瓶蓋3種情況，無序瓶蓋在剔除機構處進行剔除分離，留下的正蓋與反蓋進入重心分離機構，重心分離機構對正蓋進行理順后送入到正蓋料道，并對反蓋進行剔除，剔除的反蓋通過專用通道返回到料斗中，和原有瓶蓋一起再次經傳送帶送入重心分離機構處進行正蓋的理順和反蓋的剔除。直到料斗中的瓶蓋全部用完。因為要剔除掉反蓋，因此理蓋機的工作效率低，特別是當料斗中的瓶蓋很少的時候，料道中的正蓋上蓋率更低，此結構降低了包裝生產線的整體工作效率。

針對以上缺點，新設計的重心分離機構將正蓋和反蓋進行分離，正蓋進入正蓋料道，反蓋進入反蓋料道內經過180°翻轉后成為正蓋，并與正蓋料道匯集后并入到掛蓋機構處。此設計采用小傾斜角、高的傳送帶帶速和完全利用了料道中的正蓋反蓋，從而提高了理蓋機的單機工作效率和包裝生產線的整體工作效率。

1 高速理蓋機的總體結構

理蓋機結構簡圖如圖1所示。通過調節調節母減小傾斜角a，使料斗中無序的瓶蓋以正蓋、反蓋或無序瓶蓋的姿態依附在傳送帶上的擋塊處，瓶蓋在傳送帶及擋塊的帶動下到達剔除機構處，剔除掉無序瓶蓋，正蓋與反蓋在保護罩的保護下到達拔桿處，依靠拔桿的反作用力及瓶蓋的重力，瓶蓋滾動進入到重心分離機構處，利用重心偏移法將正、反蓋分離。正蓋進入正蓋料道內，而反蓋被分離到反蓋料道內。反蓋料道經過180°的旋轉后，料道中的反蓋成為正蓋并匯集到正蓋料道內，最后瓶蓋進入掛蓋機構，理蓋機完成瓶蓋的理蓋工作。

2 剔除機構的結構設計

對剔除機構進行設計分析前，先對傳送帶上擋塊處瓶蓋的位姿進行說明。

對于已經在傳送帶上擋塊處的瓶蓋，利用概率論中隨機事件的概率進行分析，每一個瓶蓋處于傳送帶上的位姿均可能是正蓋(n1)、反蓋(n2)、無序瓶蓋(歪蓋)(n3)，如圖2所示。

因為正蓋(n1)與反蓋(n2)均為合格的瓶蓋，所以處于傳送帶上擋塊處的每一個瓶蓋是合格瓶蓋（A）的概率為：

圖1

圖2

剔除機構的結構簡圖如圖3所示。傳送帶將瓶蓋從料斗中向上提升，到達剔除機構處，歪蓋在剔除輪的轉動下被剔除，正蓋與反蓋繼續上行，進入到保護罩的保護中。通過調節螺母的位置來調節剔除輪與傳送帶的高度h，以適應不同規格瓶蓋的歪蓋剔除。其中主動輪與傳送帶依靠摩擦力傳遞動力。

3 瓶蓋重心偏移法力學分析

3．1 瓶蓋的重心計算

根據重心的概念，求圖4所示瓶蓋的重心，其中O為瓶蓋中心，OC為瓶蓋重心偏移量，則有：

圖3

圖4 并瓶蓋重心簡圖

圖5

瓶蓋的質量為：

瓶蓋的重力：

3．2 瓶蓋的重心偏移法靜力學分析

圖5中（1）為瓶蓋在進入重心分離機構前的重心偏移，圖5中（2）所示為瓶蓋在進入重心分離機構時的重心偏移。C為反蓋重心，C1為正蓋重心，C＇與C1＇是C與C1點在X軸上的投影。O點為支承瓶蓋轉動的矩心，a為傾斜角，β為偏移角。

1934年中央蘇區還發行了“中華蘇維埃共和國借谷證”，面額高的有“伍拾斤”“壹佰斤”，低的只有“捌兩”“玖兩”“拾兩”“拾壹兩”“壹斤”。票面注明“此票專為1934年向群眾借谷充足紅軍給養之用”，還明顯標示“糧食人民委員陳潭秋”及印章（黨的一大代表陳潭秋是我黨我軍的“第一任糧食部長”）。借谷證是根據當時紅軍戰時流動性很大、經常轉戰遷移等特征而發行的糧票。憑此證可以沿途在群眾家吃飯或向當地政府倉庫、紅軍倉庫、糧食調劑局、糧食合作社、備荒倉以及群眾借取糧食，然后憑借谷證向政府結算。其他革命根據地也都發行有類似的借谷證、米票、飯票，如1934年閩浙贛省蘇區發行的“紅軍飯票”。

根據相似三角形定理，求得正蓋重心C1＇到矩心O的距離OC1＇為：

反蓋重心C＇到矩心O的距離OC＇為：

根據平面力系中力對點之矩可知，瓶蓋的重力使瓶蓋繞矩心O轉動，因此求得正蓋轉矩：

反蓋轉矩：

式中：G為瓶蓋重力；M(z)為正蓋轉矩；M(F)為反蓋轉矩。

根據圖5中（1）圖所示，正蓋轉矩M(z)與反蓋轉矩M(F)均使瓶蓋緊貼AA面。利用小的傾斜角a可實現正蓋與反蓋同時到達重心分離機構處。

圖5中（2）所示，當選取小的傾斜角a1且固定不變時，通過調節偏移角β實現重心偏移，從而達到正反蓋分離，根據式（9）求得偏移角β為：

3．3 瓶蓋的重心偏移法動力學分析

如圖6所示，C1點為正蓋質心，C點為反蓋質心，傳送帶以V（m/s）速度勻速運動，在直角坐標系xoy中：

根據動量矩定理求得正蓋動量矩：

反蓋動量矩：

為了保證勻速運動的瓶蓋的穩定性，需滿足條件：

由C1O＇＜CO＇可知，在整個理蓋過程是以反蓋的穩定性為主，根據上式求得使瓶蓋穩定運行時傳送帶最高速度：

4 重心分離機構結構設計

重心分離機構的結構簡圖如圖7所示，正蓋在平衡板的保護下，從a處滾動到AA處，在重心偏移的作用下，正蓋緊貼重心偏移板運行，反蓋緊貼平衡板運行，如圖中A—A所示。當瓶蓋滾動出平衡板的保護邊線，進入到BB處時。

（1）如圖7中B—B所示，反蓋失去平衡板的支撐，在進行滾動的同時作順時針旋轉，反蓋最后進入到反蓋料道，運行路線如a—o—c。

（2）此時正蓋在重心偏移的作用力下，繼續緊貼重心偏移板運行，最后進入到正蓋料道，運行路線如a—o—b。

為了使產品適合不同瓶蓋直徑、瓶蓋厚度，調節上軌導與下軌導的距離可以適應不同直徑的瓶蓋，調節蓋板與底板的距離以適應不同高度的瓶蓋，調節微調母1使重心偏移板有不同的轉角以適應不同規格瓶蓋的重心偏移。

圖6

圖7

5 產品應用分析

以兩種規格的瓶蓋來分析理蓋機的工作效率。其中傳送帶凈寬180mm，擋塊間距為60mm，為了提高理蓋機工作效率，傾斜角a1取50°。首先根據不同的瓶蓋按式（10）計算出偏移角。再根據式（17）計算傳送帶的最高速度，結果如表1中所示。

表1

根據隨機事件的概率分析，料斗中無序的每個瓶蓋，在通過自重到達傳送帶上的擋塊處時，均有能與不能到擋塊處兩種情況，結合式（1）得知每個瓶蓋的正確理蓋概率為1/3。當瓶蓋直徑為20mm時，每個擋塊上的瓶蓋位數為9。當瓶蓋直徑為40mm時，每個擋塊上的瓶蓋位數為4。則每分鐘理蓋機可能理順的瓶蓋數量Q為：

而實際市場上的產品中，理蓋機的工作效率一般在400～600個/min。通過計算，此結構的理蓋機工作效率是市場上現有產品的30倍以上。

6 結語

在高速理蓋機正反蓋結構設計過程中，先對瓶蓋進行靜力學與動力學的計算，再合理地設計出新的重心分離機構。新的重心分離機構將正蓋與反蓋全部利用，提高了理蓋機的單機工作效率和包裝生產線的整體工作效率。