高速理蓋機(jī)正反蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理分析

王鋼

（四川科創(chuàng)源潔凈工程有限公司，四川 成都 610000）

傳統(tǒng)理蓋機(jī)的工作原理是將料斗中無(wú)序的瓶蓋經(jīng)固定在傳送帶上面的擋塊提升到重心分離機(jī)構(gòu)處,進(jìn)行正蓋與反蓋的剔除，剔除反蓋并送出正蓋，正蓋進(jìn)入正蓋料道在掛蓋機(jī)構(gòu)處與裝好物品的瓶子相扣，再進(jìn)入下一道擰蓋機(jī)構(gòu)進(jìn)行瓶蓋的擰緊。

料斗中的瓶蓋進(jìn)入傳送帶時(shí)的姿態(tài)主要分為正蓋、反蓋、無(wú)序瓶蓋3種情況，無(wú)序瓶蓋在剔除機(jī)構(gòu)處進(jìn)行剔除分離，留下的正蓋與反蓋進(jìn)入重心分離機(jī)構(gòu)，重心分離機(jī)構(gòu)對(duì)正蓋進(jìn)行理順后送入到正蓋料道，并對(duì)反蓋進(jìn)行剔除，剔除的反蓋通過(guò)專(zhuān)用通道返回到料斗中，和原有瓶蓋一起再次經(jīng)傳送帶送入重心分離機(jī)構(gòu)處進(jìn)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?yàn)橐蕹舴瓷w，因此理蓋機(jī)的工作效率低，特別是當(dāng)料斗中的瓶蓋很少的時(shí)候，料道中的正蓋上蓋率更低，此結(jié)構(gòu)降低了包裝生產(chǎn)線的整體工作效率。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，新設(shè)計(jì)的重心分離機(jī)構(gòu)將正蓋和反蓋進(jìn)行分離，正蓋進(jìn)入正蓋料道，反蓋進(jìn)入反蓋料道內(nèi)經(jīng)過(guò)180°翻轉(zhuǎn)后成為正蓋，并與正蓋料道匯集后并入到掛蓋機(jī)構(gòu)處。此設(shè)計(jì)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(jī)的單機(jī)工作效率和包裝生產(chǎn)線的整體工作效率。

1 高速理蓋機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

理蓋機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)母減小傾斜角a，使料斗中無(wú)序的瓶蓋以正蓋、反蓋或無(wú)序瓶蓋的姿態(tài)依附在傳送帶上的擋塊處，瓶蓋在傳送帶及擋塊的帶動(dòng)下到達(dá)剔除機(jī)構(gòu)處，剔除掉無(wú)序瓶蓋，正蓋與反蓋在保護(hù)罩的保護(hù)下到達(dá)拔桿處，依靠拔桿的反作用力及瓶蓋的重力，瓶蓋滾動(dòng)進(jìn)入到重心分離機(jī)構(gòu)處，利用重心偏移法將正、反蓋分離。正蓋進(jìn)入正蓋料道內(nèi)，而反蓋被分離到反蓋料道內(nèi)。反蓋料道經(jīng)過(guò)180°的旋轉(zhuǎn)后，料道中的反蓋成為正蓋并匯集到正蓋料道內(nèi)，最后瓶蓋進(jìn)入掛蓋機(jī)構(gòu)，理蓋機(jī)完成瓶蓋的理蓋工作。

2 剔除機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)剔除機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析前，先對(duì)傳送帶上擋塊處瓶蓋的位姿進(jìn)行說(shuō)明。

對(duì)于已經(jīng)在傳送帶上擋塊處的瓶蓋，利用概率論中隨機(jī)事件的概率進(jìn)行分析，每一個(gè)瓶蓋處于傳送帶上的位姿均可能是正蓋(n1)、反蓋(n2)、無(wú)序瓶蓋(歪蓋)(n3)，如圖2所示。

因?yàn)檎w(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(gè)瓶蓋是合格瓶蓋（A）的概率為：

圖1

圖2

剔除機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。傳送帶將瓶蓋從料斗中向上提升，到達(dá)剔除機(jī)構(gòu)處，歪蓋在剔除輪的轉(zhuǎn)動(dòng)下被剔除，正蓋與反蓋繼續(xù)上行，進(jìn)入到保護(hù)罩的保護(hù)中。通過(guò)調(diào)節(jié)螺母的位置來(lái)調(diào)節(jié)剔除輪與傳送帶的高度h，以適應(yīng)不同規(guī)格瓶蓋的歪蓋剔除。其中主動(dòng)輪與傳送帶依靠摩擦力傳遞動(dòng)力。

3 瓶蓋重心偏移法力學(xué)分析

3．1 瓶蓋的重心計(jì)算

根據(jù)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(jiǎn)圖

圖5

瓶蓋的質(zhì)量為：

瓶蓋的重力：

3．2 瓶蓋的重心偏移法靜力學(xué)分析

圖5中（1）為瓶蓋在進(jìn)入重心分離機(jī)構(gòu)前的重心偏移，圖5中（2）所示為瓶蓋在進(jìn)入重心分離機(jī)構(gòu)時(shí)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(diǎn)在X軸上的投影。O點(diǎn)為支承瓶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)的矩心，a為傾斜角，β為偏移角。

1934年中央蘇區(qū)還發(fā)行了“中華蘇維埃共和國(guó)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(zhuān)為1934年向群眾借谷充足紅軍給養(yǎng)之用”，還明顯標(biāo)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(zhǎng)”）。借谷證是根據(jù)當(dāng)時(shí)紅軍戰(zhàn)時(shí)流動(dòng)性很大、經(jīng)常轉(zhuǎn)戰(zhàn)遷移等特征而發(fā)行的糧票。憑此證可以沿途在群眾家吃飯或向當(dāng)?shù)卣畟}(cāng)庫(kù)、紅軍倉(cāng)庫(kù)、糧食調(diào)劑局、糧食合作社、備荒倉(cāng)以及群眾借取糧食，然后憑借谷證向政府結(jié)算。其他革命根據(jù)地也都發(fā)行有類(lèi)似的借谷證、米票、飯票，如1934年閩浙贛省蘇區(qū)發(fā)行的“紅軍飯票”。

根據(jù)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(jù)平面力系中力對(duì)點(diǎn)之矩可知，瓶蓋的重力使瓶蓋繞矩心O轉(zhuǎn)動(dòng)，因此求得正蓋轉(zhuǎn)矩：

反蓋轉(zhuǎn)矩：

式中：G為瓶蓋重力；M(z)為正蓋轉(zhuǎn)矩；M(F)為反蓋轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)圖5中（1）圖所示，正蓋轉(zhuǎn)矩M(z)與反蓋轉(zhuǎn)矩M(F)均使瓶蓋緊貼AA面。利用小的傾斜角a可實(shí)現(xiàn)正蓋與反蓋同時(shí)到達(dá)重心分離機(jī)構(gòu)處。

圖5中（2）所示，當(dāng)選取小的傾斜角a1且固定不變時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏移角β實(shí)現(xiàn)重心偏移，從而達(dá)到正反蓋分離，根據(jù)式（9）求得偏移角β為：

3．3 瓶蓋的重心偏移法動(dòng)力學(xué)分析

如圖6所示，C1點(diǎn)為正蓋質(zhì)心，C點(diǎn)為反蓋質(zhì)心，傳送帶以V（m/s）速度勻速運(yùn)動(dòng)，在直角坐標(biāo)系xoy中：

根據(jù)動(dòng)量矩定理求得正蓋動(dòng)量矩：

反蓋動(dòng)量矩：

為了保證勻速運(yùn)動(dòng)的瓶蓋的穩(wěn)定性，需滿足條件：

由C1O＇＜CO＇可知，在整個(gè)理蓋過(guò)程是以反蓋的穩(wěn)定性為主，根據(jù)上式求得使瓶蓋穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳送帶最高速度：

4 重心分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

重心分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示，正蓋在平衡板的保護(hù)下，從a處滾動(dòng)到AA處，在重心偏移的作用下，正蓋緊貼重心偏移板運(yùn)行，反蓋緊貼平衡板運(yùn)行，如圖中A—A所示。當(dāng)瓶蓋滾動(dòng)出平衡板的保護(hù)邊線，進(jìn)入到BB處時(shí)。

（1）如圖7中B—B所示，反蓋失去平衡板的支撐，在進(jìn)行滾動(dòng)的同時(shí)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反蓋最后進(jìn)入到反蓋料道，運(yùn)行路線如a—o—c。

（2）此時(shí)正蓋在重心偏移的作用力下，繼續(xù)緊貼重心偏移板運(yùn)行，最后進(jìn)入到正蓋料道，運(yùn)行路線如a—o—b。

為了使產(chǎn)品適合不同瓶蓋直徑、瓶蓋厚度，調(diào)節(jié)上軌導(dǎo)與下軌導(dǎo)的距離可以適應(yīng)不同直徑的瓶蓋，調(diào)節(jié)蓋板與底板的距離以適應(yīng)不同高度的瓶蓋，調(diào)節(jié)微調(diào)母1使重心偏移板有不同的轉(zhuǎn)角以適應(yīng)不同規(guī)格瓶蓋的重心偏移。

圖6

圖7

5 產(chǎn)品應(yīng)用分析

以?xún)煞N規(guī)格的瓶蓋來(lái)分析理蓋機(jī)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(jī)工作效率，傾斜角a1取50°。首先根據(jù)不同的瓶蓋按式（10）計(jì)算出偏移角。再根據(jù)式（17）計(jì)算傳送帶的最高速度，結(jié)果如表1中所示。

表1

根據(jù)隨機(jī)事件的概率分析，料斗中無(wú)序的每個(gè)瓶蓋，在通過(guò)自重到達(dá)傳送帶上的擋塊處時(shí)，均有能與不能到擋塊處兩種情況，結(jié)合式（1）得知每個(gè)瓶蓋的正確理蓋概率為1/3。當(dāng)瓶蓋直徑為20mm時(shí)，每個(gè)擋塊上的瓶蓋位數(shù)為9。當(dāng)瓶蓋直徑為40mm時(shí)，每個(gè)擋塊上的瓶蓋位數(shù)為4。則每分鐘理蓋機(jī)可能理順的瓶蓋數(shù)量Q為：

而實(shí)際市場(chǎng)上的產(chǎn)品中，理蓋機(jī)的工作效率一般在400～600個(gè)/min。通過(guò)計(jì)算，此結(jié)構(gòu)的理蓋機(jī)工作效率是市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品的30倍以上。

6 結(jié)語(yǔ)

在高速理蓋機(jī)正反蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，先對(duì)瓶蓋進(jìn)行靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，再合理地設(shè)計(jì)出新的重心分離機(jī)構(gòu)。新的重心分離機(jī)構(gòu)將正蓋與反蓋全部利用，提高了理蓋機(jī)的單機(jī)工作效率和包裝生產(chǎn)線的整體工作效率。