ZONGYI 利樂枕酸奶鮮牛奶包裝流水線工程案例 食品自動化裝箱碼垛流水線

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利樂枕二次包裝輸送系統的設計

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，效率低、作業工人多、勞動強度大的人工牛奶二次包裝已經越來越不能適應當今社會的發展，由于人工牛二次包裝可靠性難以達到要求，開發全自動也裝生產線已成為發展的必然趨勢。利樂枕是來自瑞典利樂公司的無菌包裝技術，其包裝形狀易于裝箱、運輸和存儲。從1997年正式推出，短短十幾年問，已經成為中國牛奶zui主要的包裝之一[1]。

利樂枕在裝箱過程中，裝箱速度遠遠低于灌裝速度，以500g利樂枕為研究對象，現在采用的A1灌裝生產線，500g灌裝速度達到7200包／h。而現在軟包的裝箱速度為60～80包／min。這樣導致一條灌裝生產線往往需要兩條或多條裝箱生產線來滿足，這樣不僅導致了資源的浪費，同時也占據了較大的廠房空間。雖然文獻[2]對利樂枕裝箱方法進行了詳細探討，但沒有考慮利樂枕灌裝對象對裝箱機生產效率的影響因素，因此，本文通過雙線輸送系統來實現裝箱功能，以期解決灌裝速度與包裝速度不匹配問題。

1 輸送系統原理與參數分析

為防止利樂枕在裝箱和運輸過程中破損，如圖1所示通常需要在包裝箱上下兩層牛奶中問、箱側邊提手部共加放兩塊隔板，且牛奶還必需在箱內傾斜放置，防止袋與袋之間產生擠壓，導致封口破損[2-3]。

圖1 利樂枕包裝箱結構簡圖
1-下層利樂枕 2-提手隔板 3-中間隔板 4-提手 5-上層利樂枕 6-紙箱下層物料輸送系統

1．1 輸送系統裝箱工藝流程

利樂枕二次包裝輸送系統以每箱充填2層，每層3包為例來說明輸送系統與關鍵結構的工作原理。

整個工藝工程如圖2所示：從開箱系統到封箱系統全過程。

                          下層物料輸送系統開箱系統               上層物料輸送系統開箱系統
                                       ↓                                                       ↓
開箱系統→送箱系統→充填底層枕系統→放置隔板系統→充填上層枕系統→封箱系統
圖2利樂枕裝箱工藝圖

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1．2 輸送系統工作原理

采取分雙線輸送系統包裝時，把充填系統分為充填上層枕系統和充填下層枕系統，其原理如圖3所示。

圖3利樂枕裝箱輸送系統示意圖
1-左過渡帶 2-左加速帶 3-左伸縮帶 4-右伸縮帶 5-右加速帶 6-右過渡帶 7-換位器 8-上過渡帶 9-左擋板

利樂枕以速度V0傳送過來，首先經過換位器傳向右過渡帶，經過右加速帶加速后再運動到右伸縮帶上[4]，再由伸縮式皮帶拋運到疊層托盤上，然后再人箱，充填底層。若每箱裝6包利樂枕，系統輸出3n(n為某一自然數)個利樂枕時，換向器換向，經過上過渡帶以速度V1到達左擋板，然后再經左過渡帶再轉向。運動到左加速帶上，然后運動到左伸縮帶，經疊層托盤入箱再填充上層。其中，在經過托盤入箱的過程中，托盤需根據利樂枕在箱中擺放的角度來確定其模型。如與右伸縮皮帶相配套的托盤模型制作如圖4(b)所示，通過此通道來確定利樂枕在箱子里面的角度。同樣，左伸縮皮帶輸出的利樂枕通過圖4(a)模型來確定上層利樂枕的擺放角度。模型中傾斜的角度與利樂枕在箱中擺放的角度是相等的。

圖4 托盤模型簡圖

1．3 輸送系統運動參數的確定

為保證裝箱系統連續工作，利樂枕輸送系統各側必須滿足的條件：灌裝生產線每小時灌裝Q袋牛奶，一箱裝袋個數為N。

則裝箱過程中一箱理論周期為

T=3600N/Q (1)

設填充底層周期為T1，放置隔板周期為T2，充填上層周期為T3。系統總周期為T0。

(1)以填充底層的右輸送帶為研究對象：

l11/v11=T1 (2)
l12/v12+l13/v13=T1 (3)
v11<v12 v12=v13 v11>0
l11、v11——分別為右過渡帶的長度與速度
l12、v12——分別為右加速帶的長度與速度
l13、v13——分別為右伸縮帶的長度與速度

過渡帶的目的是消除換向時間對充填連續性的影響。

加速帶上主要是起到加大利樂枕之問距離的目的，一方面有利于拋料式伸縮帶的使用，另一方面，由于當輸送帶以速度v0向右過渡帶輸送3袋利樂枕時，換向器會轉向，向上過渡帶再傳出3袋利樂枕，傳輸完成后，換向器同時又轉向，再向右過渡帶傳輸3袋利樂枕，那么前3袋與后3袋之間會相隔一個填充上層枕的周期，由于在右伸縮皮帶完成填充后，伸縮皮帶在回程時采用的是快速運動，其需要的時間遠遠小于充填上層枕的時間，此時會導致伸縮皮帶復位后，利樂枕還沒有運動到位，因此需要在中間設置一個加速帶來緩沖，減小他們之間的時間差。讓后續的利樂枕能經過右過渡帶快速的達到右伸縮帶，以達到其連續性。
(2)以填充上層的左輸送帶為研究對象

l0/v1=T2 (5)
l21/v21=T3 (6)
l22/v22+l23/v23=T3 (7)
v1>v21 v21<v22 v22+v23 (8)
l21、v21——分別為左過渡帶的長度與速度
l22、v22——分別為左加速帶的長度與速度
l23、v23——分別為左伸縮帶的長度與速度

左側的輸送情況基本與右側的輸送系統一樣，時間推遲一個周期T2。在其左側的zui左邊加一個做擋板，由于利樂枕以速度V1向左運動，速度瞬間達到零，其引起的沖擊力*，同時應在左擋板上裝上緩沖襯墊，如橡膠、海綿等。

(3)總體周期分析

由于采用分工位、按模塊來設計系統，因此在設計上要求系統各段工作周期需滿足：

T0≥T1=T2=T3且T0≤T(9)

其中影響系統周期的關鍵參數是T1和T3。為保證系統質量，提高系統性能，下面對本系統中關鍵設備(伸縮皮帶)來分析其工作原理與設計參數，以期保證工作周期和能滿足下式要求。

T1≤T0  T3≤T0 (10)

2 伸縮皮帶工作原理與參數分析

2．1 伸縮皮帶工作原理

入箱系統主要依靠伸縮皮帶將利樂枕拋送到疊層托盤上，在由疊層托盤打開人口由利樂枕入箱。伸縮皮帶工作原理如圖5所示：

圖5 伸縮皮帶工作原理圖
1-皮帶電機 2-利樂枕 3-伺服電機 4-伸縮皮帶導桿組件 5-同步齒形帶 6-伸縮皮帶 7-光電傳感器 8-疊層托盤 9-紙箱

供料裝置主要由伸縮皮帶、伸縮皮帶導桿組件、同步齒形帶、皮帶電機(M1)和伺服電機(M2)組成。當利樂枕袋裝物經過減速帶皮帶減速后，達到伸縮皮帶上，在皮帶電機作用下，將利樂枕袋裝物，按一定速度送入疊層托盤中，其輸送速度可根據要求變頻可調。同時，伸縮皮帶還在伺服電機的驅動下，通過伸縮皮帶導桿組件每次移動一定的長度將軟袋包裝物依次擺放于疊層托盤中[5]。


2．2 伸縮皮帶運行參數

假定伸縮皮帶工作周期為T'，實際單包充填時間為t：

且 T'≤mt (11)

式中m——每箱包數
t=t1+T2+t3 (12)
式中 t1——光電傳感器檢測包裝物到拋出時的h延時時間，且t1=nh3/v1
t2——伸縮皮帶每次以V2速度移動的距離所需時間的總和，且t2=n△h/v2
t3——n袋包裝物擺完后，伸縮皮帶返回原先位置所需要的時間，且t3=n△h/v3

將t1、t2、t3代入式(9)得：

t=t1+t2+t3=n(h3/v1+△h/v2+△h/v3) (13)

式中n——裝箱中每層利樂枕所裝的個數。
v1——利樂枕包裝袋在伸縮皮帶上的移動速度
v2——同步齒形帶工作段移動速度
v3——同步齒形帶回程段移動速度
△h——伸縮皮帶每次伸縮的距離
h3——檢查包裝袋的光電傳感器離伸縮皮帶端部的距離

△h與包裝袋寬度有關，一般要求△h比袋寬W大，這是由于包裝袋以速度平拋出伸縮皮帶并落人疊層托盤8時，若△h=w，則必出現當前包裝袋對上一次擺好的包裝袋存在沖擊，影響包裝物在疊層托盤中整齊擺放，因此，常取△h=1．1—1．2w。

為保證伸縮皮帶與利樂枕包裝袋運動的*性，包裝袋在伸縮皮帶上的移動h的距離所需的時間應剛好等于包裝物通過h與伸縮皮帶縮回一個△h所需的時間之和，即：

t'=h3/v1+△h/v2=h/v1 (14)

式中h3/v1+△h/v2——包裝物通過h3與伸縮皮帶縮回一個△h所需時間之和
h/v1——包裝袋在伸縮皮帶上的移動h的距離所需的時間
由式(11)式化簡得
v1=(h0-h3)v2/△h (15)
由式(12)式可得
v1與v2相關，且v1>v2 (16)
由式(16)可以得出：要想滿足式(I1)要求，必須保證利樂枕包裝袋在伸縮皮帶上的移動速度v1大于同步齒形帶工作段移動速度v2。

3 結論

目前我國在機械包裝方面的技術大多是消化*而得到的，在牛奶灌裝方面，國外已經超出國內水平很多，如何利用國內現有的包裝入箱速度來達到國外的灌裝生產線的速度，本文在此嘗試用分工位的方法來減少裝箱的周期。達到裝箱速度與灌裝速度相匹配的目的[6]。

參考文獻：
[1]張宗偉．灌裝輸送線設計技術與系統[J]．機械工程師，2010，42(1)：21—24．
[2]王忠平．百利袋裝箱技術淺析[J]．中國包裝工業，2009，18(11)：37—38．
[3]利樂中國．乳品消費發展趨勢[J]．中國乳業，2009，8(8)：6—7．
[4]侯海濤．國內外大袋包裝方式與設備選擇簡述[J]．中國包裝，2005，26(4)：89—90．
[5]張國全．利樂枕裝箱技術的方案設計[J]．中國食品工業，2007，22(5)：62—64．
[6]王曉花，丁世云，張國全，等．大袋包裝機自動套袋裝置設計[J]．包裝與食品機械，2010，28(6)：26—29．

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