（机械设计及理论专业论文）高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统设计及技术研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 l l1 1 1 1 1 1 11 h i i ) ) ) ) ) i i h i bi i ) 1 2 13 5 6 7 6 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：川群辫 日期：矽f f 年了月；f 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密d 学位论文作者签名： 叩彳 日期：易口l | 年；月；1 日 艚撕躲劲秒 日期：纱够月乡日 东f 仁人学f 映f j 学位论文摘复 高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统设计及技术研究 摘要 啤酒瓶理瓶机是现代化啤酒包装生产线的配套设备，其功能是对杂乱的回收 啤酒瓶进行整理，使瓶体依照特定的次序排列，以满足后道工序的使用要求。 目前，国内啤酒包装以玻璃瓶为主，而现有的玻璃啤酒瓶理瓶技术并不成熟， 相应的理瓶机产品存在或多或少的缺陷，如结构复杂、体型庞大、价格昂贵、可 靠性差，并不能满足高速生产或符合企业需求。因此，对玻璃啤酒瓶理瓶机机械 系统进行深入的研究有较强的现实意义与迫切性。 本课题旨在研制出一套符合国内企业需求的高速玻璃啤酒瓶理瓶设备，使机 器理瓶取代传统的人工理瓶，提高啤酒包装生产线的尘产效率及自动化程度，同 时提升啤酒生产企业的经济性及市场竞争力。 课题之初，进行了大量的前期调研工作，分析、比较了国内外现有相关玻璃 瓶理瓶技术及产品的功能特性与优缺点，并结合国内啤酒生产企业的实际情况， 确定了水浮式玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统的设计方案。 为了确保水浮式理瓶的可靠性，从理论上对水浮式理瓶机的工作机理及理瓶 过程中可能会影响理瓶效果的众因素进行了深入的分析研究，为啤酒瓶瓶体运动 路线的合理规划及水浮式理瓶机的结构设计提供了可靠的理论依据。 在以上基础上，对水浮式理瓶机的主要参数进行了详细验算，细化了理瓶机 各部分的结构，并应用s o l i d w o r k s 软件完成了水浮式理瓶机三维模型的建立及 相关图纸的绘制。 最后，应用多体动力学软件r e c u r d y n 对水浮式玻璃啤酒瓶理瓶机出瓶系统 部分进行了动力学建模与仿真，虚拟呈现了出瓶系统的工作过程，得到了出瓶系 统运行过程中相关参数的变化曲线，验证了出瓶方案的可靠性，为出瓶系统的进 一步优化设计提供了有效的理论依据。 关键词：理瓶机；玻璃啤酒瓶；高速；水浮；多体动力学；r e c u r d y n 东华人学硕l j 学位论文摘曼 m e c h a n i c a ls y s t e md e s i g na n d k e y t e c h n o l o g yr e s e a r c ho nh i g h s p e e dg l a s s b e e rb o t t l eu n s c r a m b l e r a b s t r a c t b e e rb o t t l eu n s c r a m b l e ri sa na u x i l i a r ye q u i p m e n to fm o d e mb e e rp a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e ， w h i c hi su s e dt ou n s c r a m b l et h em i x e da n dd i s o r d e r e dr e c y c l i n gb e e rb o t t l e sa r r a n g i n gi ns p e c i f i c s e q u e n c e ，i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t i nn e x tw o r k i n gp r o c e d u r e c u r r e n t l y , i tg e n e r a l l yu s e sg l a s sb o t t l ef o rb e e rp a c k a g i n gi nd o m e s t i c ，w h i l et h ee x i s t i n g t e c h n o l o g yf o ru n s c r a m b l i n gg l a s sb e e rb o t t l ei sn o tm a t u r e ，s ot h eu n s c r a m b l e rp r o d u c t sh a v e m o r eo rl e s sd e f e c t s ，s u c ha sc o m p l e xs t r u c t u r e ，l a r g es i z e ，h i g hp r i c ea n dp o o rr e l i a b i l i t y , w h i c h c a nn o ts a t i s f yt h eh i g h s p e e dp r o d u c t i o no ri na c c o r d a n c ew i t ht h eb u s i n e s sn e e d s t h e r e f o r e ， i n d e p t hr e s e a r c hf o rt h em e c h a n i c a ls y s t e mo fg l a s sb e e rb o t t l eu n s c r a m b l e rh a ss t r o n gp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ea n du r g e n c y t h i sp r o j e c ta i m st od e v e l o pah i g h s p e e dg l a s sb o t t l e su n s c r a m b l e ri na c c o r d a n c ew i t ht h e d o m e s t i ce n t e r p r i s en e e d s ，b yu s i n gm a c h i n eo p e r a t i o ni n s t e a do ft r a d i t i o n a lm a n u a lo p e r a t i o nt o i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o no f b e e rp a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e ，a n dt oi n c r e a s e t h ee c o n o m ya n dm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s sf o rb e e rp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp r o j e c t ，ag r e a td e a lo fp r o p h a s er e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n e ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gg l a s sb o t t l eu n s c r a m b l i n gt e c h n o l o g ya n dp r o d u c t si n d o m e s t i ca n df o r e i g nh a v eb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n dt h em e c h a n i c a ls y s t e md e s i g n s c h e m eo fw a t e r - f l o a t i n gg l a s sb o t t l e su n s c r a m b l e rc o m b i n e dw i t hb e e rp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s a c t u a ls i t u a t i o ni nd o m e s t i ch a sb e e nd e t e r m i n e d i no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fw a t e r - f l o a t i n gu n s c r a m b l e r , i n d e p t ha n a l y s i s o nt h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n df a c t o r sw h i c hm a yi n f l u e n c eu n s c r a m b l ee f f e c t o fw a t e r - f l o a t i n gg l a s s b o t t l e su n s c r a m b l eh a sb e e nd o n e ，w h i c hp r o v i d e dr e l i a b l et h e o r yb a s i sf o rb e e rb o t t l eo p e r a t i o n 东f 乎人学坝l ：学位论文摘要 r o u t ep l a n n i n ga n ds t r u c t u r ed e s i g n o nt h i sb a s i s ，r e l a t e d p a r a m e t e r sa n de a c hd e t a i l e dp a r ts t r u c t u r ef o rw a t e r - f l o a t i n g u n s c r a m b l e rh a v eb e e nc a l c u l a t e d ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fw a t e r - f l o a t i n gu n s c r a m b l e ru s i n g 3 d d e s i g ns o f t w a r eo fs o l i d w o r k sh a sb e e nc o n s t r u c t e d f i n a l l y , t h ed y n a m i cm o d e lo fb o t t l eo u t p u ts y s t e mw h i c hw a su s e di nw a t e r - f l o a t i n g h i g h s p e e dg l a s sb e e rb o t t l eu n s c r a m b l e rh a sb e e nb u i l ta n ds i m u l a t e db yt h em u l t i - b o d yd y n a m i c s o f t w a r er e c u r d y n ，i tr e p r o d u c e dt h em o v e m e n to fb o t t l eo u t p u ts y s t e me f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ， r e l a t e dp a r a m e t e rv a r i a t i o n sc a r v eh a so b t a i n e dw h e nb o t t l eo u t p u ts y s t e mi sw o r k i n g ，t h ed a t ao f s i m u l a t i o na l s ov e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo fc o n v e y i n gp r o c e s sa n dp r o v i d e sv a l u a b l et h e o r e t i c a lb a s i s f o ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：u n s c r a m b l e r ；g l a s sb e e rb o t t l e ；h i g h s p e e d ；w a t e r - f l o a t i n g ：m u l t i b o d y d y n a m i c s ；r e c u r d y n 东1 卑人学倾l j 学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引。言1 1 2 课题研究背景2 1 2 1 现代化啤酒包装流水线简介2 1 2 2 啤酒瓶理瓶机的引进3 1 2 3 现有理瓶机产品分析3 1 3 课题研究意义和内容7 1 4 本章小结8 第二章高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设计9 2 1 弓f 一言9 2 2 典型理瓶机工作原理9 2 3 玻璃啤酒瓶理瓶技术路线1 0 2 4 高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设计1 1 2 4 1 相关专利技术11 2 4 2 机械式理瓶系统方案13 2 4 3 混合式理瓶系统方案1 6 2 4 4 水浮式理瓶系统方案17 2 4 4 设计方案评价19 2 5 本章小结2 0 第三章水浮式高速玻璃啤酒瓶理瓶机关键技术分析2 l 3 1 引言21 3 2 水浮式理瓶机工作机理的研究2 1 3 2 1 啤酒瓶参数与模型2 1 3 2 2 实验数据2 3 3 2 3 瓶体竖立原理2 3 3 2 4 瓶体稳定性分析2 4 3 2 5 结论2 7 3 3 瓶体在流体中的漂浮特性2 7 l v 东f 仁人学顺l ：学位论文 目录 3 3 1 物体漂流的最大速度2 9 3 3 2 物体漂流的速度变化曲线2 9 3 3 3 结论3 0 3 4 本章小结3 1 第四章水浮式高速玻璃啤酒瓶理瓶机结构设计3 2 4 1 水浮式玻璃啤酒瓶理瓶机总体设计3 2 4 1 1 瓶体运动3 2 4 1 2 总体结构3 2 4 1 3 操作流程3 3 4 2 立瓶系统的设计3 4 4 2 1 预整理区域3 4 4 2 2 立瓶区域3 5 4 2 3 储存缓冲区域3 8 4 2 4 立瓶系统总体水位分析3 8 4 2 5 部分元器件的选用4 0 4 3 出瓶系统的设计4 2 4 3 1 送瓶装置的设计4 3 4 3 2 输送链的设计4 6 4 3 3 落瓶装置的设计4 9 4 3 4 传动的布置5 0 4 3 5 电机的选用51 4 4 本章小结5 2 第五章水浮式高速玻璃啤酒瓶理瓶机出瓶系统动力学仿真5 3 5 1 引言一一5 3 5 2r e c u r d y n 软件概述5 3 5 3 出瓶系统建模理论5 4 5 3 1 建模流程5 5 5 3 2 链条的建模5 7 5 3 3 链节间的力5 9 5 3 4 接触碰撞6 0 5 3 5 线性衬套6 1 5 4 出瓶系统动力学仿真6 2 5 4 1 送瓶装置可靠性分析6 2 5 4 2 输瓶链动态性能分析6 6 v 东7 # 人学顾。l j 学位论文 目录 5 4 3 落瓶装置稳定性验证7 1 5 5 本章小结7 2 第六章总结与展望7 3 6 1 课题总结7 3 6 2 未来工作的展望7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 8 致谢7 9 v i 东华人学顺，i j 学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 包装机械是包装工业的配套设备，在轻工机械中占有重要的地位。多年来， 包装机械为包装工业提供了重要的技术保障，对包装工业的发展起着重要的作 用。我国的包装机械从无到有，从小到大，从仿制到自主研发，经过多年来的发 展，如今已初具规模。 理瓶机( u n s c r a m b l e r ) 作为包装机械领域近年来出现的新产品，它的出 现不但对现有的包装机械种类进行了丰富与拓展，而且将有效提高包装生产流水 线的生产效率与自动化程度。 顾名思义，理瓶机是对杂乱无章堆放于料箱内的待处理瓶体进行整理，使其 按定的次序、方向排列，以满足下一道工序要求的机械设备。 国内理瓶机的大规模使用最早是在制药行业，出于对卫生的特殊性要求，使 得理瓶机成为制药行业的唯一选择，用以取代以前的手工操作，理瓶机的出现有 效改善了制药行业的生产状况。 抛开制药行业的特殊性要求，理瓶机的高效、节能、自动化程度高等一系列 优异特性引发了各相关行业的关注，饮料、乳品、啤酒等行业相继在自身生产线 上引进理瓶机，一个理瓶系统革新的时代来临了。 理瓶机的显著特点和重要性大致有以下三点： ( 1 ) 提高包装加工流水线的工作效率； ( 2 ) 保证被充填物特别是食品和药品的卫生清洁度； ( 3 ) 提高和完善包装机械全面自动化程度。 同大多数新产品一样，初期的理瓶机产品相对简陋，机器的主要功能是将瓶 体“放置”在流水线上，硬性的输出瓶体，设备性能较差，故障率较高，生产效 率较低。但它的出现还是为包装生产注入了新鲜血液，并随着产品的不断改进， 适应、促进着包装机械的发展【2 1 。 东o # 人学坝i j 学位论文 第一章绪论 1 2 课题研究背景 啤酒包装是啤酒生产过程中极为重要的一个环节，一条技术先进、设计合理 的啤酒包装生产线，能有效提升产品的竞争力，同时节约成本、降低能耗、提高 经济效益。 1 2 1 现代化啤酒包装流水线简介 多年来的技术引进、吸收，使国内加工工艺和技术发生了跳跃式的发展，现阶段 善等等。 图1 1 所示是现代化啤酒自动包i 空瓶回收剖卸垛l 装线的工艺流程简图1 ，我们可以看压瓦函冰= 再r 汹 裂：薹主薹：嚣霉竺薹显篓詈蔷茎要：吾事一 生产线涵盖范围非常广泛，涉及的内i 函，! 并型i 鸪r 士 容包括：卸垛、卸瓶、理瓶、洗瓶、陶t 洗箱、杀菌、灌装、贴标、装箱、码 。 过 1 一 i 贴标 = 割酒赢检查 = 爿瓶子装箱l 各单机设备生产能力必需相匹配、协l 堡堡墨蕉矧堕曼矧曼壅l 化程度的进一步提高，单机、整线生产效率的进一步提升，节能和节材、人性化 东。扛人学顾l j 学位论文第一章绪论 1 2 2 啤酒瓶理瓶机的引进 成品啤酒按包装形式的不同，可分为瓶装啤酒、罐装啤酒及桶装啤酒，国内 啤酒包装以玻璃瓶为主，每年使用的玻璃啤酒瓶高达2 5 0 3 0 0 亿只【6 】。为降低生 产成本，啤酒生产企业需要回收利用大量玻璃啤酒瓶空瓶( 据统计，企业所使用 的啤酒瓶中，新瓶占2 0 左右，回收瓶占8 0 左右) ，这些回收的玻璃啤酒瓶大 多以编织袋散装的形式运回生产企业。 回收的啤酒瓶要经过清洗、消毒等一系列前处理工序直至用于啤酒灌装，在 此之前，则需要将啤酒瓶瓶体整齐的排放在生产线上，传统的方式是通过人工操 作来完成以上工作，俗称人工理瓶。面对大量杂乱的回收啤酒瓶，人工理瓶的效 率显得十分低下，通常一条中等规模的生产线需要配备2 5 3 0 人理瓶【7 】，不但增 加了企业的用工人数和成本，也限制了企业的生产效率。 中国啤酒包装流水线正朝着高速化的趋势发展，目前国内已能自主生产 4 0 ，0 0 0 瓶小时的高速啤酒灌装设备【”，与此对应的是效率低下的人工理瓶方式， 其远不能适应高速生产的需求。 因此，提高理瓶工序的效率势在必行，而用机器理瓶取代传统的人工理瓶无 非是最佳的选择，即啤酒瓶理瓶机的引进。 1 2 3 现有理瓶机产品分析 目前，市面上所能见到的理瓶机产品种类繁多，数量更是高达百余种。 纵观现有的理瓶机产品，用来实现理瓶功能的方法多种多样，例如：借助理 瓶模板、借助特殊机械装置、借助压缩空气等等。不同的理瓶方法具有不同的特 点，面向的对象也有所差异，例如：“借助理瓶模板与特殊机械装置”的理瓶方 法广泛应用于制药行业药品塑料瓶的整理，“借助压缩空气 的理瓶方式则广泛 应用于饮料行业p e t 塑料瓶的处理。 相比塑料瓶理瓶，玻璃瓶理瓶技术发展较晚，由于玻璃瓶自身的特殊物理性 质，适用于玻璃瓶理瓶的方法相当有限，而适用于大体积玻璃瓶体玻璃啤酒 瓶的方法更是少之又少。 东华人学颂? i ：学位论文 第一章绪论 1 2 3 1 国内理瓶机产品 图l 一2 图1 2 所示是江苏星a 包装机械集团有限公司生产的l p x 型理瓶机【引，该 产品是以国外先进技术为基础，根据我国饮料灌装设备向高速方向发展的需要， 开发、研制的一种具有国内领先水平的排瓶设备，利用瓶体瓶口与瓶底直径大小 不一这一特点进行理瓶。 瓶体先在送瓶桶内经过刮板和送瓶导轨整理成横向状态，推入送瓶槽，进入 理瓶机构，再由光电传感器检测瓶底瓶口不同状态，控制气缸进行二次理瓶。整 理好的瓶体成竖直方向从出瓶口送出进入下道工序。 该型号理瓶机最高生产速度可达3 3 ，0 0 0 瓶d , 时，但仅适用于制药、化妆品、 饮料等行业圆形塑料瓶的理瓶工序。 图l - 3 图1 3 所示是晨星包装机械有限公司生产的l p 2 0 0 型自动整理机，该产品利 用电磁振动将贴标工序之前和贴标工序之后零乱无序的西林瓶进行自动有序排 列，并整齐装入格盘等待下工序，从而减轻劳动强度及提高生产效率，提高生产 4 i 锄_ | 缀一除瓢| | 蕊谶避 ；。；。蘩糕擎王 东华人学坝i j 学位论文 第一章绪论 线自动化程度。 该型号理瓶机最高生产速度可达1 2 ，0 0 0 瓶小时，适用于制药行业中粉针生 产企业西林瓶( 小体积玻璃瓶) 的整理工序。 图l 一4 图1 4 所示是青岛海博尔机械设备有限公司研发的玻璃啤酒瓶理瓶机，该产 品借助特殊机械装置，经过预理瓶、竖瓶、立瓶等一系列过程，实现将无序化存 放的瓶体整理成完全序列化状态的功能，以备下道工序使用。 具体流程为：通过皮带提升输送机，将多样化包装存储的啤酒瓶输送至散瓶 斜桥；经分离隔栅去除碎玻璃渣后，瓶体水平滚入改向分流轨道槽；经过改向调 流二次去除碎玻璃后，瓶体进入调向机构；序列时差阻瓶装置与时差装置对啤酒 瓶进行首次调序；瓶体进入分瓶导轨，进行二次调序；瓶体被输送至接瓶整列机 构进行9 0 。翻转；最后，进入集瓶排出区。 该理瓶机通过采用双列并列式装机的模式，最高生产速度可达3 6 ，0 0 0 瓶d , 时，适用于玻璃啤酒瓶理瓶。 图1 5 ) 东牛人学坝l ：学位论文 第章绪论 图1 5 所示是深圳市金刚手机电有限公司研发的玻璃啤酒瓶理瓶机，该产品 根据玻璃啤酒瓶在水中表现出来的一系列特性，全程利用水浮力及水动力实现瓶 体的整理与运送功能，设计生产速度可达4 3 ，0 0 0 瓶时。 综上所述，国内现有的玻璃啤酒瓶理瓶机产品主要分为“机械式”与“水浮 式 两种，由于采用了不同的理瓶方式，因此具备不同的特点： ( 1 ) “机械式”理瓶机，利用机械装置带动瓶体，经过一系列复杂的运动， 实现理瓶功能。 优点：1 结构相对紧凑； 2 积极式理瓶方式，保证了理瓶的高可靠性； 3 理瓶过程便于控制； 缺点：1 机械装置与瓶体、瓶体与瓶体之间的碰撞，限制了理瓶的速度， 也导致了较高的碎瓶率及大量噪音； 2 单个机构某一时刻只能处理单个瓶体，采用多理瓶通道的配置， 势必导致昂贵的造价。 ( 2 ) “水浮式”理瓶机，利用瓶体在水中漂浮、自主竖立的特性，实现理瓶 功能。 优点：1 不存在机械装置与瓶体的碰撞，且通过“水的缓冲 作用，缓解 了瓶体与瓶体之间的碰撞，有效降低了碎瓶率与噪音； 2 各瓶体的理瓶过程同步进行，能够达到较高的理瓶速度： 缺点：1 属于消极式理瓶，加上水流环境下瓶体运动状态的不稳定性，理 瓶可靠性相对较差，理瓶过程不易控制； 2 需要配备水源，因此对使用场地有一定要求。 可以看出，国内现有的玻璃啤酒瓶理瓶技术并不完善，现有玻璃啤酒瓶理瓶 机产品存在或多或少的缺陷，并不能满足“高速”生产或符合企业需求。 1 2 3 2 国外理瓶机产品 目前，美国、德国、西班牙等发达国家的玻璃啤酒瓶理瓶技术已经发展到了 很高的水平。例如：2 0 0 5 年德国克朗斯公司为f r u h 酿酒公司打造了一条高速玻璃 6 东。仁人学顺i - 必t 位论文 第一章绪论 啤酒瓶理瓶系统，茭j f r u h 公司6 0 ，0 0 0 瓶，j 时高速灌装生产线服务 9 1 。 该理瓶系统由卸垛机、理瓶轨道、容器选出机以及下游线性排除装置组成， 通过复杂的控制系统将整个理瓶系统内部动作以及理瓶系统与生产线有机结合， 极大限度提高了生产效率，用以满足生产速度要求。该理瓶系统同时集机、电、 气、光等高新技术未一体，能针对直径、颜色、高度以及外形等参数选出容器。 克朗斯公司生产的高速玻璃啤酒瓶理瓶系统无疑向我们展示了玻璃瓶理瓶 技术未来的发展方向，即“高速”、“高自动化”以及“高兼容性”。但不可否 认，该理瓶系统规模庞大、造价昂贵，并不符合中国现有国情。 1 3 课题研究意义和内容 我国啤酒包装生产设备发展2 0 年来，为适应产业集中度的提高，设备已向 大型化和高速化发展。 随着高速包装线瓶箱输送系统自动控制技术的同臻成熟，玻璃啤酒瓶的自动 理瓶技术及设备必定成为啤酒包装生产线这条“高速公路”发展的瓶颈，国内急 需高性能玻璃啤酒瓶理瓶产品。 面对市场需求以及国内玻璃瓶理技术现状，对玻璃瓶理瓶机械系统进行深入 的研究有很强的现实意义与迫切性。通过研究，在现有高速玻璃啤酒瓶理瓶机械 产品的基础上，进行技术革新与优化，使其满足国内啤酒生产流水线的要求，以 取代传统的人工理瓶，提高效率，节约人力资源，提升啤酒生产企业经济性和市 场竞争力。 ( 1 ) 本课题旨在研制出一套符合国内啤酒生产企业需求的高速玻璃啤酒瓶 理瓶设备，主要通过以下几方面的工作来完成： 1 前期调研，分析、比较国内外现有相关玻璃瓶理瓶技术及产品的功能特 性与优缺点，并结合国内啤酒生产企业的实际情况，确定总体设计方案； 2 理论分析，对玻璃啤酒瓶理瓶机工作机理进行系统分析，拟定相关设计 参数，为理瓶的可靠性及后续设计工作提供依据； 3 方案细化，运用s o l i d w o r k s 软件对玻璃啤酒瓶理瓶机各部进行详细设计及 相关图纸的绘制； 7 东1 仁人学硕i ：学位论文 第一章绪论 4 虚拟仿真，应用多体动力学软件r e c u r d y n 对玻璃啤酒瓶理瓶机的关键部 件进行动力学建模与仿真。 ( 2 ) 根据企业需求，高速玻璃啤酒瓶理瓶机械系统的具体技术要求如下： 1 处理对象：编织袋、料箱或其它包装形式的回收玻璃啤酒瓶； 2 啤酒瓶尺寸：7 0 2 8 5 ( m m ) ( 国内啤酒生产企业现用玻璃啤酒瓶种类繁 多，其中以3 5 5 m l 、5 0 0 m l 、6 4 0 m l 三种规格最为常见，本课题将以6 4 0 m l 规格 的啤酒瓶参数作为依据进行设计计算，其设计结果最终能适应5 0 0 m l 6 4 0 m l 规 格的啤酒瓶) ； 3 理瓶能力：3 6 ，o o o 瓶小时。 1 4 本章小结 本章简要介绍了国内啤酒包装生产线的发展情况，阐述了对高速玻璃啤酒瓶 理瓶机机械系统进行设计与深入研究的现实意义与迫切性，并结合现代化包装机 械设计理念与国内外的相关技术，制定了课题的目标与工作计划。 东f 扛人学硕i j 学位论文 第二章，哥速玻璃啤酒瓶理瓶尉【机械系统方案改汁 第二章高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设计 2 1 引言 方案设计是机械系统设计的核心环节，是保证设计水平和质量的重要阶段， 方案设计的好坏对项目的成败及技术性能的优劣有着决定性的影响。 本章将在对典型理瓶机工作原理分析的基础上，结合国内外相关技术，确定 玻璃啤酒瓶理瓶的技术路线，构思实现功能的原理和方法，拟定相应的设计方案， 并选定实现预期设计目标的最佳方案。 2 2 典型理瓶机工作原理【1 0 图2 - 1 图2 一l 所示是典型的转轮式定向理瓶机结构简图，该理瓶机主要由三部分组 成：a 瓶体输入料斗( 结构简图中省略) ；b 理瓶转筒；c 输出拨轮。 具体理瓶过程如下： ( 1 ) 待整理瓶体被倾倒进入瓶体输入料斗，由提升机将瓶体源源不断输送到 理瓶机上部的直壁圆形转筒内。瓶体输入料斗是理瓶机的选用配套装置。 ( 2 ) 理瓶转筒将对瓶体进行初步整理，使其形成规律的队列： 1 瓶体被旋转的理瓶转筒甩至边缘处，其中平躺的瓶体被纳人槽沟( 此时或 瓶口朝前或瓶底朝前) ，并继续随转筒转动，在筒壁出口处被导杆导出转筒外。 东。芦人学顺l ：学位论文 第一二章i 矗速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设计 2 转筒内姿态不f 确的瓶体( 或直立的，或宽面朝下的) 不能被纳入槽沟， 继而被转筒内壁上附设的喷气孔以及清除轮推离槽沟，一方面保证槽沟内的瓶体 无阻挡地运出转筒，另一方面使未被纳人槽沟的瓶子有机会重新调整姿态直到落 入槽沟。 3 理瓶转筒外侧水平安置的定时传送带可对被导出的瓶子进行速度控制， 使平躺着瓶子在传送带上保持一定的间距( 瓶1 2 1 朝前或瓶底朝前) 。 理瓶转筒大小根据瓶体的大小和理瓶的速度确定，一般直径在1 2 米。理瓶 转筒底部由电机带动，作轴向旋转运动，转速根据瓶体的大小以及排料速度确定， 一般转速为每分钟十几周次。筒底与筒壁之问有一道槽沟，其宽度与瓶体的直径 相同( 若是非圆形瓶体则与瓶体窄面的宽度相同) 。 ( 3 ) 经理瓶转筒初步整理过后的瓶体被导杆送到一个垂直安置的转轮上，转 轮的作用是使瓶体定向，在转轮的外缘安装有一个钩瓶装置，当转轮夹持着瓶体 向下旋转时，瓶口朝前的瓶体会被钩瓶装置钩住瓶口，翻转成为瓶底朝前的姿态， 然后脱离转轮送至排料带。 ( 4 ) 瓶底一致朝前的瓶体在排料带上继续向前输送，被一个凸块顶起呈瓶口 朝上的直立姿态，被后续输送带运送至下一道工序。 至此该理瓶机的整个运作过程完成。转轮式定向理瓶机适用于各类大型、小 型或造型奇异的瓶体容器，但一般局限于抗冲击材料制成的瓶体，如塑料瓶。 2 3 玻璃啤酒瓶理瓶技术路线 根据以上对典型理瓶机工作过程及原理的分析，可以得出，玻璃啤酒瓶瓶体 从回收入厂到有序排列在流水线上，这样一个完整的理瓶过程大致需要经历如下 所示的四个阶段： 1 袋装的同收啤酒瓶2 初步整理形成队列3 对啤酒瓶进行竖立 4 输出至下游设备 1 0 东乍人学硕f j 学位论文 第二章高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设汁 其中，“高速”理瓶的实现，需要解决好两大关键问题： ( 1 ) 瓶体的快速成y o ( 初步整理) ：在对瓶体进行竖立工序之前，需要使杂乱 的瓶体形成规律的队列，这要求待成列的众瓶体之间保持一定的距离，即众瓶体 能否快速分离将直接决定整个理瓶系统的效率。 由于玻璃啤酒瓶瓶体的脆性物理性质，瓶体快速分离产生的频繁碰撞，势必 导致碎瓶率的大幅度提升，这有悖于理瓶系统的设计初衷。因此，寻求一种快速、 有效的瓶体分离方法是理瓶系统待解决的难点问题。 ( 2 ) 瓶体的快速竖立( 定向、竖立) ：经过成列的瓶体还需要经过竖立工序才 能输出，经计算，平均每秒要完成1 1 个瓶体的竖立，才能保证设计要求。虽然 可以采用多通道的方式延长单个瓶体的竖立时间，但速度还是太快，不同于塑料 瓶的竖立，玻璃啤酒瓶瓶体的大质量及体积都影响到了竖立过程的稳定性。因此， 寻求一种高效、可靠的瓶体竖立方法，也是实现“高速”理瓶的必备条件。 2 4 高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设计 高速玻璃啤酒瓶理瓶机是近些年才出现的新产品，国内外很多技术尚处于保 护状态，缺乏可以借鉴的资料及技术支持，因此，高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系 统的方案设计主要建立在对国内外相关专利技术研究、改进、创新的基础上。 2 4 1 相关专利技术 ( 1 ) u s 2 0 0 6 0 15 7 4 9 7 a 1 图2 - 2 东华人学顺f j 学位论文 第二章高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设汁 如图2 2 所示，卜料箱内的瓶体被带挡板的1 1 一输送链不断运出，期间保证 相邻挡板内只有1 个瓶体，被送至2 9 - 机构的瓶体发生在自身重力作用下产生翻 转，并最终竖立在4 卜输送带上。 u s 2 0 0 6 0 1 5 7 4 9 7 a 1 阐述的是一套机械式理瓶系统，但该专利只是给出了一 个大致方向，并没有实质的解决“高速”理瓶的两大关键问题 ( 2 ) z l 2 0 0 6 1 0 0 3 1 5 1 5 3 图2 - 3 如图2 3 所示，由卜皮带运输机构送入的瓶体落入2 一水槽中，并顺水流漂 向瓶子3 一摆向机构，摆放整齐的瓶体滚入4 一瓶子轨道、瓶巢机构，圆辊状的瓶 巢机构将瓶子依次送入5 一落瓶机构，落瓶机构设有跌落轨道，使瓶体最终站立 在6 一输送带上。 z l 2 0 0 6 1 0 0 3 1 5 1 5 3 阐述的是一套混合式理瓶系统，不过，通过该专利，我 们首先看到的是一个复杂、冗长的理瓶过程。 ( 3 ) z l 2 0 0 6 1 0 0 5 3 8 2 5 5 a 。一 lb f 1 de r | c g r - 图2 - 4 如图2 4 所示，瓶体落入水槽后，在水流带动下向前漂游并发生自主竖立， 东华人学坝i j 学位论文 第二章哥速玻璃啤酒瓶理瓶4 , jl j j l 械系统方案改汁 设在循环水槽中的集瓶机和多瓶分隔机构把竖立在水中的瓶体收拢汇聚在循环 水槽的后端，被升降机构升送到出瓶传送带。 z l 2 0 0 6 1 0 0 5 3 8 2 5 5 阐述的是一套水浮式理瓶系统，该专利提到了利用“水 浮力”来实现理瓶，这样一个全新的概念，但该专利还有待改进，例如往复运动 的升降机构的低效率就很难达到预期的高速要求。 ( 4 ) 结论 虽然以上相关专利技术并不完善，但不乏值得借鉴之处，根据以上相关专利 技术，本文对应的提出了以下3 种高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统的设计方案。 2 4 2 机械式理瓶系统方案 机械式理瓶系统是在典型理瓶机技术基础上的一种改进，通过对传统机械装 置的巧妙应用与组合，使其能够适应玻璃啤酒瓶的脆性物理性质，来实现理瓶的 功能。 如图2 5 所示是机械式理瓶系统方案的功能简图： 回收的 啤酒瓶 一塑量嫩粤玻璃回收箱 ，l l ，1j “一i t t r j i l 图2 - 5 机械式理瓶系统方案功能简图 如图2 - 6 所示是机械式理瓶系统方案的总体布局图： 图2 - 6 机械式理瓶系统方案总体布局图 整个系统通过两大部分装置来实现理瓶功能，其中装置1 用来实现瓶体的快 东1 # 人学坝i j 学位论文 第二章，南速玻i 离啤沁瓶理瓶机机械系统方案设计 速成列( 初步整理) ，装置2 用来实现瓶体的快速竖立( 定向、竖立) 。 回收的袋装玻璃啤酒瓶在装置1 前端处输入，经由装置1 和装置2 的相继作 用，最后在装置2 末端处输出。 ( 1 ) 可用于实现玻璃瓶体快速成列的方法有多种，其中常见的有利用振动、 特殊模板、梳理刷等，但其效果都不理想。 顼部输送萤二正自 图2 - 7 初步整理装置( 装置1 ) 经过对比分析，最终确定选用图2 7 所示的结构来实现该功能。该结构主要 由上下两层输送带组成，其中顶部的相邻输送带运动方向相反，产生一个扭转的 力，将倒入的瓶体引导成与沟槽同方向的姿念，并使其落入沟槽内，被下层输送 带运送至下道工序中。 ( 2 ) 用于物件定向的方法分为两种：1 消极法2 积极法。 消极法的特点是，采取适当措施让符合要求的物件继续保持稳定的运动状 态，不符合要求的物件被剔除，并使之集中回流，该方法的工作效率一般小于 1 0 0 。 积极法的特点是，采取强制性措施使原来不符合要求的物件全部改变为符合 要求的形式，其工作效率为1 0 0 。考虑到理瓶机的设计理念，宜采用积极定向 方法。 1 4 东+ 卑人学坝f j 学位论文 第二章i 面速玻璃啤酒瓶理瓶) o l h l 械系统方案i 5 2 计 图2 - 8 定向装置( 装置2 ) 如图2 8 所示是用于实现瓶体定向功能的装置，该装置主要构件是一个可作 摆向运动的吊环，吊环的内径大于瓶颈外径，小于瓶底外径。瓶体在输送带的作 用下被送入定向装置： 1 当瓶体瓶口朝前时，瓶颈套入吊环，随着瓶体继续向前运动，瓶颈被吊 环抬起，瓶体产生倾斜，达到极限位置时，瓶体底部脱离输送带，瓶体在重力的 作用下从吊环脱落，沿装置内壁下滑，最终进入垂直通道，并竖立在底部输送带 上。 2 当瓶体瓶底朝前时，由于尺寸原因，瓶底不能套入吊环，瓶体推动吊环 运动，并最终在重力作用下落入垂直通道，并竖立在底部输送带上。 ( 3 ) 虽然瓶体在下落的最后阶段能够直接竖立在底部输送带上，但是此时的 瓶体状态极不稳定，会产生一定的晃动，如果处理不好极易出现倾覆现象，所以 需要在定向装置的后面加装积极式竖立装置，其结构如图2 - 9 所示。 图2 - 9 竖立装置( 装置2 ) 由于瓶体的整个下落过程均在倾斜的沟槽中进行，所以运动过程相对稳定， 当瓶体到达沟槽末端时被作旋转运动的转轮扶f ，并运送至下道工序中。 东1 仁人学坝，l ：学位论义 第二章高速玻璃啤酒瓶理瓶机机械系统方案设计 如图2 10 所示是机械式理瓶系统方案的总体结构图： 图2 1 0 机械式理瓶系统方案总体结构图 总的来说，机械式理瓶系统结构紧密，能够可靠的实现理瓶功能。但是由于 机械装置处理脆性物体的先天局限性，机械式理瓶效率很难获得较大幅度的提 升，因此，要想实现高速度的理瓶，更多情况是通过“并联机的方式来实现， 这势必增加理瓶机的占地面积及制造成本，并不迎合国内企业的需求。 当然，不可否认，对于理瓶系统