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(dòng)(玻璃瓶飲料)聯(lián)合灌裝機(jī)是飲料生產(chǎn)企業(yè)主要工裝設(shè)備，集飲料灌裝及壓蓋封口為一體，無(wú)手工作業(yè)環(huán)節(jié)，所出成品品質(zhì)穩(wěn)定。玻璃瓶作為一種環(huán)保性良好的包裝容器以及能多次重復(fù)使用的特性，至今仍廣泛使用。

在玻璃瓶灌裝飲料的生產(chǎn)過(guò)程中，常見(jiàn)影響流水作業(yè)的故障主要有:爆碎瓶、玻璃瓶?jī)?nèi)灌液誤差及玻璃瓶壓蓋封口失效等。該三項(xiàng)故障導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)的頻率較高，占有效作業(yè)時(shí)間9.5%，而其中因爆碎瓶導(dǎo)致的停機(jī)故障又為主要因素，占該灌裝設(shè)備故障停機(jī)率的80%，每班平均影響減少有效作業(yè)時(shí)間40 min。流水線生產(chǎn)設(shè)備頻發(fā)性的故障停機(jī)除直接影響產(chǎn)量外，還會(huì)導(dǎo)致飲料理化指標(biāo)發(fā)生偏差，影響產(chǎn)品的綜合合格率以及企業(yè)效益。

爆碎瓶故障的高頻率發(fā)生，會(huì)使有效生產(chǎn)時(shí)間減少，每爆碎瓶一次，停機(jī)處理最快也需耗時(shí)2 min;同時(shí)生產(chǎn)用原料非正常消耗增加，由于碎瓶處理需整機(jī)止動(dòng)，除碎瓶帶來(lái)的瓶耗增加外，還會(huì)使飲料液體灌裝工位的準(zhǔn)產(chǎn)品發(fā)生滿灌及少灌情況。因不允許手工輔助灌裝，故此類準(zhǔn)產(chǎn)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(xiàn)為兩種:1)進(jìn)瓶蝸桿與輸送鏈間的機(jī)械擠爆瓶;2)連進(jìn)瓶蝸桿與送瓶撥輪間的機(jī)械擠爆瓶。這二種情況發(fā)生時(shí)，玻璃瓶碎片飛濺，極易傷著機(jī)臺(tái)操作員。

對(duì)此，本文研究重點(diǎn)是:通過(guò)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(jī)有效作業(yè)率，降低非正常的原輔料消耗，以及提高安全生產(chǎn)因素。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 灌裝機(jī)傳動(dòng)模式介紹

全自動(dòng)飲料灌裝機(jī)，主要用于飲料的玻璃瓶灌裝，該裝置為全自動(dòng)設(shè)備，一次性完成灌裝進(jìn)瓶、飲料灌裝、壓蓋封口及出瓶等工藝操作環(huán)節(jié)，生產(chǎn)能力為100～160 瓶/min。該機(jī)主體結(jié)構(gòu)分4 個(gè)執(zhí)行部分:1)變節(jié)距蝸桿進(jìn)瓶機(jī)構(gòu);2)12 頭飲料灌裝機(jī)構(gòu);3)6 頭壓蓋封口機(jī)構(gòu);4)出瓶機(jī)構(gòu)(圖1)。由一主傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)變速機(jī)構(gòu)按序運(yùn)行。其中進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)主要部件由輸瓶導(dǎo)槽，變節(jié)距進(jìn)瓶蝸桿及送瓶撥輪組成。送瓶撥輪工作軌跡為勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，但反映在水平軸上的水平速度為一三角函數(shù)(圖2)，其軌跡為V 水平=γ(1－cosd)。亦即送瓶撥輪工作時(shí)，其工作腔在水平工位上的速度為變速運(yùn)動(dòng)。而進(jìn)瓶輸送鏈的運(yùn)行為勻速運(yùn)動(dòng)，故需通過(guò)變節(jié)距蝸桿來(lái)達(dá)到工位的變速運(yùn)動(dòng)，從而滿足進(jìn)瓶輸送鏈與送瓶撥輪之間的工位運(yùn)動(dòng)銜接。該蝸桿的結(jié)構(gòu)特性為變節(jié)距，在輸送瓶過(guò)程中，蝸桿工作面與玻璃瓶身為線接觸，這在機(jī)械學(xué)上稱之為高副運(yùn)動(dòng)。通過(guò)變節(jié)距蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，玻璃瓶通過(guò)運(yùn)動(dòng)副間產(chǎn)生的擠送力達(dá)到變速前行的目的。

圖1 全自動(dòng)飲料罐裝機(jī)臺(tái)面執(zhí)行部分傳動(dòng)示意圖

圖2 送瓶拔輪水平軌跡示意圖

1.2 導(dǎo)致爆碎瓶因素構(gòu)成

通過(guò)仔細(xì)觀察爆碎瓶現(xiàn)象形成過(guò)程，其原因歸結(jié)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(guò)程中由于運(yùn)動(dòng)副所產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)，其弧形工作面在工作行進(jìn)反方向上會(huì)產(chǎn)生工作界面的磨損(圖3)，久之即產(chǎn)生輸瓶節(jié)距誤差。正是這不斷加大的誤差，導(dǎo)致進(jìn)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(chǎn)故障。

圖3 變節(jié)距蝸桿工作腔磨損后形成對(duì)玻璃瓶產(chǎn)生異常力示意圖

2)隨著進(jìn)瓶蝸桿弧形工作面的磨損增加，其工作腔由半圓形發(fā)展至半橢圓形，即工作腔拉長(zhǎng)。由于蝸桿對(duì)玻璃瓶瓶身的輸送速度為變速(增速)運(yùn)動(dòng)，而玻璃瓶瓶底部輸送鏈的輸送速度為勻速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生二者的行進(jìn)速度差;當(dāng)蝸桿工作腔異變加長(zhǎng)后，導(dǎo)致所送玻璃瓶在蝸桿工作腔內(nèi)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(duì)瓶形成夾瓶狀態(tài)，導(dǎo)致擠碎玻璃瓶。

這兩種進(jìn)瓶過(guò)程中的異常工況，雖然故障發(fā)生位置不同，但其根本原因均為進(jìn)瓶蝸桿弧形工作面的磨損所至?；⌒喂ぷ髅娴哪p，輕者導(dǎo)致進(jìn)瓶蝸桿對(duì)與送瓶撥輪銜接工位的滯后，使送瓶撥輪對(duì)瓶身產(chǎn)生破壞力，形成擠爆瓶故障;重者進(jìn)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(duì)性目標(biāo)是變節(jié)距進(jìn)瓶蝸桿，目的是杜絕爆碎瓶故障成因的構(gòu)成。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案改進(jìn)

原該機(jī)進(jìn)瓶原理:水平輸送飲料瓶的速度與作圓周運(yùn)動(dòng)的撥輪在工作點(diǎn)上達(dá)到運(yùn)行速度相等，并將玻璃瓶嚙合進(jìn)工作腔。在本方案中，不考慮改變蝸桿材質(zhì)及定時(shí)更換已損蝸桿的辦法，因此類辦法治標(biāo)而治不了本，應(yīng)舍棄該工作原理為前提，根據(jù)整機(jī)工況，改變進(jìn)瓶運(yùn)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(jìn)型方案描述(圖4)

1)保持原灌裝機(jī)及輸送帶相對(duì)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(chǎn)生的推力，使待喂瓶始終貼著送瓶撥輪非工作腔外緣滑轉(zhuǎn)。待送瓶撥輪工作腔旋至75°角工位時(shí)，玻璃瓶即正常入腔。后瓶則重復(fù)前述動(dòng)作，完成自動(dòng)送瓶工序。在原進(jìn)瓶蝸桿工作結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)，正常工況下輸送帶輸瓶量大于送瓶撥輪供瓶量，即在原進(jìn)瓶蝸桿前形成一擠瓶區(qū)，擠瓶狀態(tài)所形成對(duì)前位瓶的推力即為喂入進(jìn)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(jìn)瓶位置的變化，使得送瓶撥輪工作腔中心線與進(jìn)瓶導(dǎo)槽中心線形成重疊時(shí)，所輸送的玻璃瓶即喂入送瓶撥輪工作腔，從而達(dá)到方案預(yù)期目的。

圖4 進(jìn)瓶改進(jìn)型方案示意圖

2)原聯(lián)合灌裝機(jī)及前后輸送裝置均保持原結(jié)構(gòu)，僅將進(jìn)瓶蝸桿部分拆除，新制圖示部分輸送導(dǎo)槽。輸送導(dǎo)槽底部為不銹鋼平板，無(wú)動(dòng)力需求。導(dǎo)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(gòu)成改型后的進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)，在聯(lián)合灌裝機(jī)正常工作時(shí)，送瓶撥輪旋轉(zhuǎn)至15°夾角之工位時(shí)，玻璃瓶即行喂入送瓶撥輪工作腔，完成進(jìn)瓶動(dòng)作。

3 實(shí)用論證

3.1 改型進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)的可行性

1)由于本方案僅改變了進(jìn)瓶傳動(dòng)形成及喂瓶方向，不影響全自動(dòng)聯(lián)合灌裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)及工作性能。原進(jìn)瓶蝸桿臺(tái)面部分只需拆除，另增加導(dǎo)槽設(shè)施即可。實(shí)際改動(dòng)技術(shù)難度小，改動(dòng)所需費(fèi)用亦小。

2)原變節(jié)距蝸桿因磨損更換時(shí)，同時(shí)需更換送瓶撥輪(送瓶撥輪工作腔亦磨損)，除耗時(shí)、耗材外，主要因素是該蝸桿因磨損更換時(shí)間的不確定，勢(shì)必導(dǎo)致整機(jī)正常運(yùn)行工況的不確定，形成整機(jī)帶障工作狀態(tài)，而采用改進(jìn)型喂送方案后，設(shè)備改動(dòng)結(jié)構(gòu)小、簡(jiǎn)單，但其作用是始終使喂瓶工序處于正常狀態(tài)。

3.2 改型后進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)工作可靠性

1)進(jìn)瓶動(dòng)力源由平板輸送鏈提供，足以使待喂部瓶產(chǎn)生前行推力;當(dāng)待喂瓶瓶身處于送瓶撥輪非工作腔外緣時(shí)，是處于緊貼滑轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)送瓶撥輪旋至嚙瓶工位時(shí)，瓶即正常喂入。較原使用進(jìn)瓶蝸桿喂瓶更穩(wěn)定，不會(huì)再發(fā)生因喂瓶位置誤差所導(dǎo)致的送瓶撥輪擠爆瓶及蝸桿底部夾瓶等故障。

2)進(jìn)瓶路線符合聯(lián)合灌裝機(jī)產(chǎn)生工藝要求，僅喂瓶提前75°;對(duì)后續(xù)的液體灌裝、壓蓋封口及出瓶等工序無(wú)任何影響，由于該處爆碎瓶故障的消除，提高了灌裝和整機(jī)有效作業(yè)率。隨著因該處爆碎瓶故障停機(jī)的杜絕，使得液體灌裝工序及壓蓋封口工序亦處于穩(wěn)定工況，確保整機(jī)生產(chǎn)工作可靠性的提高。

3)該改型裝置已投入實(shí)用(因生產(chǎn)所用灌裝瓶，其瓶身直徑異于d62 mm，原有進(jìn)瓶蝸桿節(jié)距不符，而送瓶撥輪換型簡(jiǎn)易，故以改變進(jìn)瓶路線同時(shí)，更換送瓶撥輪達(dá)到生產(chǎn)要求)，效果達(dá)到生產(chǎn)要求。

3.3 改型后進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)成效性

全自動(dòng)聯(lián)合灌裝機(jī)進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)按上述方案改型后，原進(jìn)瓶蝸桿機(jī)構(gòu)因磨損導(dǎo)致的擠(爆)瓶現(xiàn)象隨之消失，相應(yīng)提高了該機(jī)的工作效率及產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。

每班有效作業(yè)時(shí)間提高9.5%;降低玻璃瓶瓶耗8%;原來(lái)因處理爆碎瓶故障停機(jī)導(dǎo)致的料漿滿(缺)灌現(xiàn)象隨之消失:從而降低了料漿的非正常消耗，相對(duì)增加了產(chǎn)品得品率;由于送輸瓶運(yùn)行工況的穩(wěn)定，人工輔助送瓶環(huán)節(jié)取消，既減輕機(jī)臺(tái)操作員的工作強(qiáng)度，又消除產(chǎn)品二次污染的環(huán)節(jié);原變節(jié)距蝸桿采購(gòu)價(jià)昂貴，因取消了該件的使用，使得灌裝機(jī)使用成體下降。

改型后的進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行效果明顯，類似的瓶裝(食品飲料)自動(dòng)灌裝設(shè)備均可采用，具有一定的推廣性。

4 結(jié)語(yǔ)

本方案從解決生產(chǎn)現(xiàn)狀問(wèn)題著手，通過(guò)對(duì)進(jìn)瓶過(guò)程的分析，本著解決問(wèn)題、實(shí)用、有利的指導(dǎo)理念，形成改進(jìn)方案。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、推廣性強(qiáng)，其實(shí)用性及可靠性均優(yōu)于原進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)。

［1］西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研組編.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:人民教育出版社，1980.

［2］大連工學(xué)院機(jī)械制造教研室編.金屬切削機(jī)床液壓傳動(dòng)［M］.北京:科學(xué)出版社，1976.

［3］吳清一 主編.現(xiàn)代物流概論［M］.北京:中國(guó)物資出版社，2003.