pe瓶一體化旋蓋調(diào)速系統(tǒng)的研究

pe瓶一體化旋蓋調(diào)速系統(tǒng)的研究

在飲料行業(yè)，飲料的包裝方式包括回收瓶、瓶子、簡(jiǎn)易飲料袋、利樂(lè)袋、飲料袋等。PET瓶由于具有重量輕、易成型,不易破損、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn),是目前飲料業(yè)較流行的包裝方式。三位一體灌裝機(jī)是PET瓶飲料生產(chǎn)線中主要設(shè)備之一。飲料灌裝一般包括瓶子清洗、灌裝、旋蓋(也稱封蓋)等工序。目前,許多灌裝機(jī)一般是將這三個(gè)工序在一臺(tái)機(jī)器上完成,又稱三位一體灌裝機(jī)。三位一體灌裝機(jī)三個(gè)工序中旋蓋工序是飲料灌裝中較重要的工序。旋蓋質(zhì)量的好壞直接影響到飲料在瓶中的密封效果,從而影響產(chǎn)品的保質(zhì)期。旋蓋過(guò)程中出現(xiàn)的次品主要包括高蓋、歪蓋。高蓋是蓋子未旋到底,歪蓋是蓋子和瓶口螺紋未能正確旋合造成蓋子歪斜。這兩種情況都不能將瓶中飲料很好密封,無(wú)法達(dá)到保質(zhì)期要求,在后序生產(chǎn)線上將會(huì)作為不合格品被剔除。1旋蓋的質(zhì)量要求影響旋蓋質(zhì)量的因素主要有以下幾個(gè)方面:①瓶口螺紋和蓋子螺紋尺寸的匹配。②旋蓋時(shí)蓋子的溫度。③旋蓋頭尺寸和蓋子的適配度。④旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比和旋蓋凸輪的匹配。⑤旋蓋頭抓蓋位置和旋蓋凸輪的匹配。⑥止旋板的質(zhì)量。本文主要研究因素④對(duì)旋蓋質(zhì)量的影響。2種功能合的工作原理下面以娃哈哈非?？蓸?lè)公司2001年引進(jìn)的一臺(tái)意大利SIG三位一體灌裝機(jī)為例簡(jiǎn)單介紹三位一體灌裝機(jī)原理。SIG三位一體灌裝機(jī)是將洗瓶、灌裝、旋蓋三種功能合在一個(gè)機(jī)體上,其工作原理如圖1。瓶子經(jīng)風(fēng)道傳遞給星輪1,星輪1將瓶子傳遞給洗瓶機(jī),洗瓶機(jī)對(duì)其進(jìn)行清洗。瓶子經(jīng)過(guò)洗瓶機(jī)清洗后傳遞給星輪2,經(jīng)由星輪3、星輪4傳遞給灌裝機(jī)進(jìn)行料液灌裝。瓶子經(jīng)灌裝機(jī)灌裝料液后傳遞給星輪5,經(jīng)星輪5傳遞給旋蓋機(jī)的旋蓋星輪。瓶子在旋蓋星輪帶動(dòng)下順時(shí)針運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)中完成旋蓋。瓶子完成旋蓋后傳遞給星輪6,由星輪6傳遞到輸送帶上。輸送帶將瓶子送出三位一體灌裝機(jī)到后道工序。致此,瓶子灌裝全部完成。3旋轉(zhuǎn)蓋機(jī)的工作原理3.1旋蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)旋蓋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2,它由理蓋機(jī)構(gòu)和旋蓋機(jī)構(gòu)兩部分組成。理蓋機(jī)構(gòu)由理蓋斗、理蓋軌道、送蓋星輪等組成。蓋子由理蓋斗沿理蓋軌道送到送蓋星輪處,送蓋星輪旋轉(zhuǎn)將蓋子送到旋蓋頭抓蓋位置供旋蓋頭壓入。旋蓋機(jī)構(gòu)由立柱、旋蓋大盤、大齒輪、頂蓋、凸輪、旋蓋頭齒輪、旋蓋軸、磁盤離合器、旋蓋頭、旋蓋星輪、旋蓋瓶頸導(dǎo)向板等組成。其中立柱、大齒輪、頂蓋、凸輪固定為一體,靜止不動(dòng)。旋蓋大盤在主動(dòng)力齒輪帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),旋蓋頭在旋蓋大盤及旋蓋頭齒輪共同作用下圍繞立柱公轉(zhuǎn),同時(shí)各自又圍繞旋蓋軸自轉(zhuǎn)。在凸輪作用下,旋蓋頭在抓蓋位置將送蓋星輪中的蓋子壓入旋蓋頭中,在旋蓋位置將蓋子旋到瓶子上,完成旋蓋后上升到抓蓋位進(jìn)行下一次抓蓋,完成一個(gè)周期。3.2頂壓彈簧及磁系統(tǒng)旋蓋頭在豎直方向的運(yùn)動(dòng)由凸輪軌道控制,圓周公轉(zhuǎn)由旋蓋大盤帶動(dòng),自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由旋蓋頭齒輪帶動(dòng)。旋蓋頭部分由頂壓彈簧、磁盤離合器、旋蓋頭等組成。頂壓彈簧功能是旋蓋時(shí)確保瓶蓋螺紋對(duì)瓶口螺紋有一定壓力,此壓力傳給瓶子支撐環(huán),瓶子支撐環(huán)對(duì)止旋板產(chǎn)生足夠摩擦力以阻止瓶子旋轉(zhuǎn),保證旋蓋進(jìn)行。頂壓彈簧另一個(gè)功能是可避免蓋子螺紋與瓶口螺紋剛性接觸損壞螺紋。磁盤離合器由上下磁盤組成,兩磁盤之間有一定間隙,上磁盤通過(guò)磁力將旋蓋齒輪扭矩傳給下磁盤帶動(dòng)旋蓋頭旋轉(zhuǎn)。旋蓋扭矩大小可通過(guò)調(diào)節(jié)上下磁盤間隙實(shí)現(xiàn)。磁盤離合器可保證旋蓋扭矩在要求范圍之內(nèi)。當(dāng)蓋子螺紋旋到位達(dá)到規(guī)定的旋蓋扭矩后,下磁盤和旋蓋頭靜止,上磁盤空轉(zhuǎn)。3.3旋蓋頭準(zhǔn)備旋蓋凸輪外圓展開(kāi)圖如圖3所示。旋蓋大盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn),在凸輪展開(kāi)圖中,旋蓋軸上部滾輪在凸輪軌道內(nèi)從右向左運(yùn)動(dòng)。滾輪從A點(diǎn)沿AB運(yùn)動(dòng),此時(shí)旋蓋頭位于最高位置,準(zhǔn)備抓蓋。BC開(kāi)始下降抓蓋,C點(diǎn)蓋子完全進(jìn)入旋蓋頭,完成抓蓋。CD準(zhǔn)備旋蓋,DE開(kāi)始下降,E點(diǎn)蓋子和瓶口接觸,EF開(kāi)始旋蓋,FG為水平,在G點(diǎn)附近旋蓋完成。GH段旋蓋頭靜止,與瓶口無(wú)相對(duì)旋轉(zhuǎn),準(zhǔn)備脫離蓋子。HA段旋蓋頭上升,旋蓋頭與蓋子脫離,旋好蓋的瓶子由旋蓋星輪傳遞給星輪6。HA上升進(jìn)入下一周期。凸輪軌道曲線中旋蓋曲線EF段對(duì)旋蓋質(zhì)量有重要影響,EF段下降速度應(yīng)比蓋子與瓶口螺紋自然旋合時(shí)蓋子下降速度要快。這樣可以確保蓋子螺紋對(duì)瓶口螺紋保持一定壓力,使得瓶口支撐環(huán)以一定壓力壓在止旋板的齒尖上,使齒尖與支撐環(huán)產(chǎn)生足夠大摩擦力以阻止瓶子旋轉(zhuǎn)。這樣才能確保在旋蓋時(shí)瓶子靜止蓋子旋轉(zhuǎn)。4尾蓋旋蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)原機(jī)是為生產(chǎn)28蓋500mL方瓶茶而引進(jìn)的專用三位一體灌裝機(jī)。旋蓋機(jī)的旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比、凸輪軌道和28茶蓋是相匹配的。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比i是恒定值,只適合28茶蓋這種螺紋尺寸。如果其它蓋子螺紋尺寸和28茶蓋差異較大將會(huì)產(chǎn)生較高歪蓋率。公司一款38蓋激活產(chǎn)品要在這臺(tái)機(jī)器上生產(chǎn),根據(jù)新瓶型設(shè)計(jì)加工了一批更換件。起初未對(duì)旋蓋系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)調(diào)試生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)歪蓋率較高,高達(dá)5‰左右,而原機(jī)在生產(chǎn)28蓋茶時(shí)的歪蓋率低于1‰。這顯然不能達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)生歪蓋的幾種因素分析后,認(rèn)為主要因素是旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比、凸輪軌道和38蓋不匹配。將38蓋和原28蓋對(duì)比分析如下:28蓋外徑30.7mm、高19.6mm,螺紋為單頭螺紋,螺紋長(zhǎng)度5mm,旋合角θ1=650°;38蓋外徑40.6mm、高16.8mm,螺紋為雙頭螺紋,螺紋長(zhǎng)度5mm,旋合角θ2=290°。2種蓋螺紋長(zhǎng)度相同,旋合角之比θ2/θ1=290/650=0.45。2種蓋子從螺紋接觸開(kāi)始旋合到完全旋合蓋子下降高度相等,滾輪在凸輪軌道上運(yùn)行距離之比為0.45。反應(yīng)在凸輪軌道上應(yīng)該是38蓋凸輪軌道應(yīng)比28蓋更陡才能滿足38蓋旋蓋要求。如果用原來(lái)28蓋凸輪,在旋蓋EF區(qū)某段蓋子對(duì)瓶口壓力將會(huì)減小甚至?xí)?duì)瓶子有向上拉力,這樣會(huì)使旋蓋時(shí)瓶子不穩(wěn),產(chǎn)生歪蓋。5解決高粘度方案要降低歪蓋率有2種解決方案。①新設(shè)計(jì)一個(gè)適合38蓋的凸輪;②設(shè)計(jì)一套調(diào)速系統(tǒng),改變旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度之比。5.1次試驗(yàn)與一次循環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)速a方案1優(yōu)點(diǎn):技術(shù)改造簡(jiǎn)單(加工零件少,只有一個(gè)凸輪),成本低。方案1缺點(diǎn):凸輪更換較復(fù)雜。因與凸輪聯(lián)接相關(guān)零件較多,拆裝不方便,更換時(shí)間較長(zhǎng)。更換一次凸輪約需1天左右。更換后還需一段時(shí)間進(jìn)行調(diào)試,降低了生產(chǎn)效率。如果在此機(jī)器上再生產(chǎn)其他瓶蓋螺紋相差較大的產(chǎn)品,還得再設(shè)計(jì)另一種凸輪。方案2優(yōu)點(diǎn):一次改造調(diào)試完成后在以后更換其他產(chǎn)品時(shí)不必更換其他零件,只需通過(guò)變頻器調(diào)整減速電機(jī)轉(zhuǎn)速即可。調(diào)整時(shí)間短,生產(chǎn)效率高。方案2缺點(diǎn):加工零件較多,機(jī)構(gòu)較復(fù)雜,成本較高。5.2產(chǎn)品的更換公司生產(chǎn)的特點(diǎn)是生產(chǎn)品種較多,產(chǎn)品生產(chǎn)緊跟市場(chǎng)的需求變化快。每個(gè)分公司PET生產(chǎn)線應(yīng)具有生產(chǎn)總公司多種產(chǎn)品的能力。因此,分公司在生產(chǎn)中要根據(jù)總公司下達(dá)的定單任務(wù)經(jīng)常更換產(chǎn)品。在經(jīng)過(guò)對(duì)2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較后,決定采用第2種方案,對(duì)旋蓋系統(tǒng)進(jìn)行大的技術(shù)改造,在原系統(tǒng)中增加一套調(diào)速系統(tǒng)。5.3試驗(yàn)設(shè)備及轉(zhuǎn)速旋蓋系統(tǒng)經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后增加了調(diào)速系統(tǒng),結(jié)構(gòu)原理圖如圖4。在頂蓋上加一個(gè)變頻減速機(jī)。變頻減速機(jī)輸出軸帶動(dòng)小齒輪Z4,小齒輪Z4和大齒輪Z3嚙合,Z3和原大齒輪Z2固定在外圈軸承座上轉(zhuǎn)速同步。外圈軸承座和內(nèi)圈軸承座之間裝一對(duì)角接觸軸承。內(nèi)圈軸承座固定在中間柱上靜止不動(dòng)。這樣原大齒輪Z2由原來(lái)靜止變?yōu)榭稍谧冾l減速機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。我們可通過(guò)改變變頻器頻率改變減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速,通過(guò)2對(duì)嚙合齒輪改變旋蓋頭自傳速度與公轉(zhuǎn)速度之比,從而達(dá)到我們所需要的與凸輪匹配的速比。4個(gè)齒輪模數(shù)m=2.5,齒數(shù)分別是:Z1=28;Z2=260;Z3=22;Z4=192。n1—旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度;n2—旋蓋頭公轉(zhuǎn)速度(大盤轉(zhuǎn)速);n3—減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速;n4—大齒輪Z2轉(zhuǎn)速;原結(jié)構(gòu)旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與旋蓋頭公轉(zhuǎn)速度之比i1=n1/n2=Z2/Z1=260/28=9.29;38蓋所需旋蓋頭自轉(zhuǎn)速度與旋蓋頭公轉(zhuǎn)速度之比理論值i2=(θ2/θ1)i1=0.45×9.29=4.18;技術(shù)改造后新旋蓋系統(tǒng)為i2=[(n2-n4)/n2](Z2/Z1)=[(n2-n4)/n2]i1(1)n3/n4=Z4/Z3(2)由(1)和(2)可得n3=(Z4/Z3)n4=(Z4/Z3)(1-i2/i1)n2=(192/22)(1-4.18/9.29)n2=4.8n2。三位一體灌裝機(jī)最高生產(chǎn)速度為36000瓶/h,正常工作范圍在30000~36000瓶/h。旋蓋機(jī)20頭,旋蓋機(jī)最大公轉(zhuǎn)速度n2=(36000/20)×60-1=30r/min;變頻電機(jī)使用范圍20~60Hz,設(shè)定60Hz時(shí)灌裝機(jī)達(dá)到最高生產(chǎn)速度,此時(shí)n2=30r/min,50Hz時(shí)n2=(50/60)×30=25r/min,灌裝速度為(50/60)×36000=30000瓶/h?？紤]到灌裝機(jī)工作范圍及變頻電機(jī)使用范圍,以30000瓶/h生產(chǎn)速度選減速機(jī)。n3=4.8n2=4.8×25=122r/min減速機(jī)理論速比i=1440/122=12。根據(jù)以上計(jì)算分析我們選擇了一臺(tái)帶變頻調(diào)速電機(jī)的減速機(jī)。型號(hào)為SAF47DT90L4/BMG/VS/ESIC/M5A180。主要參數(shù)為速比i=12.1;4極電機(jī)功率P=1.5kW;帶制動(dòng)器、風(fēng)扇。5.4灌裝速度對(duì)旋蓋系統(tǒng)的影響由n3=4.8n2可知,n3與n2成正比關(guān)系,即在生產(chǎn)中減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)和三位一體灌裝速度成正比關(guān)系。這就要求變頻電機(jī)頻率與灌裝速度成正比關(guān)系。60Hz時(shí)灌裝速度36000瓶/h,20Hz時(shí)灌裝速度為36000×(20/60)=12000瓶/h。設(shè)灌裝速度為v(瓶/h),減速機(jī)電機(jī)頻率為f,則f=(v/36000)×60=v/600Hz。將減速機(jī)電機(jī)頻率按f=v/600設(shè)置,頻率隨灌裝速度變化。當(dāng)灌裝速度低于12000瓶/h減速機(jī)電機(jī)停止工作。這時(shí),旋蓋系統(tǒng)恢復(fù)到原結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在生產(chǎn)中三位一體灌裝機(jī)正常工作速度范圍在30000~36000瓶/h,在速度低于12000瓶/h范圍工作時(shí)間很少,所占整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間不到5%。所以,在生產(chǎn)中低于12000瓶/h范圍內(nèi)所產(chǎn)生的歪蓋占整個(gè)生產(chǎn)中歪蓋比例極小,可忽略不計(jì)。在生產(chǎn)中絕大部分時(shí)間調(diào)速系統(tǒng)都在工作,這樣就大大降低了歪蓋率。6產(chǎn)品更換增加了產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)旋蓋