基于TRIZ理論改進(jìn)回轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)送瓶裝置

山永凱 薛德艷 李雪慧 孔維娟

摘 要：對(duì)于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式液體灌裝機(jī)來說，如果瓶形與星形輪、護(hù)板間距不適應(yīng)，就必須更換不同尺寸的星形輪，過程煩瑣，灌裝效率偏低。本文利用TRIZ理論中的功能分析、資源分析、技術(shù)進(jìn)化原理分析、沖突分析、物質(zhì)-場分析等工具，提出了解決方法，為液體灌裝機(jī)的升級(jí)改造提供有效途徑，以提高灌裝效率。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;灌裝機(jī);瓶子;裝置

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）02-0056-03

Abstract： For the traditional rotary liquid filling machine， if the bottle shape is not compatible with the star wheel and the guard plate， it is necessary to replace the star wheels of different sizes， the process is cumbersome and the filling efficiency is low. This paper used tools such as function analysis， resource analysis， technology evolution principle analysis， conflict analysis， and material-field analysis in TRIZ theory to propose solutions， in order to provide an effective way for the upgrading and transformation of liquid filling machines to improve the filling efficiency.

Keywords： TRIZ theory;filling machine;bottle;device

傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式液體灌裝機(jī)采用星形輪，星形輪卡瓶送入灌裝機(jī)瓶托處進(jìn)行灌裝，星形輪的卡口須匹配瓶子的空瓶外形尺寸并與護(hù)板相一致[1-2]。如果瓶型發(fā)生較大變化，人們就要根據(jù)每種變化的瓶形，設(shè)計(jì)、制造星形輪與護(hù)板，以便實(shí)現(xiàn)這一功能。

現(xiàn)有技術(shù)中，自動(dòng)灌裝機(jī)的瓶子推送裝置是由膠木板或尼龍板材制作成的推送盤，并且上、下對(duì)稱，在推送盤邊緣處開有與瓶形相適應(yīng)的凹槽，該凹槽與內(nèi)壁之間剛好形成容納瓶子的半截面空腔，通過變速器使星形輪旋推至灌裝處。當(dāng)瓶形不適應(yīng)星形輪與護(hù)板間距時(shí)，就必須更換不同尺寸的星形輪，而整個(gè)更換過程極為煩瑣，要先松開緊固件，將上部拆下，再拿出軸套，然后拆除下部星形輪，再依次安裝好后才能滿足以上要求的上下盤，其次還需要調(diào)整緊度和方位。調(diào)整過程易污染灌裝間環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品存在潛在危害[3-5]。

本研究基于TRIZ理論，改進(jìn)回轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)送瓶裝置，其間利用TRIZ理論中的功能分析、資源分析、技術(shù)進(jìn)化原理分析、沖突分析和物質(zhì)-場分析等工具，提出了解決方法，以期實(shí)現(xiàn)普通瓶型自動(dòng)灌裝。

1 問題背景

如圖1、圖2所示，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式液體灌裝機(jī)送瓶裝置采用星形輪（凹輪），先由鏈道傳送到灌裝機(jī)的螺旋分瓶再到星型輪卡瓶后旋轉(zhuǎn)送入升起的灌裝機(jī)托瓶處進(jìn)行灌裝，星形輪的卡口必須匹配瓶子的空瓶外形尺寸與護(hù)板間距。

2 問題描述與分析

2.1 問題描述

現(xiàn)有技術(shù)中，自動(dòng)灌裝機(jī)的包裝瓶推送裝置是由膠木板或尼龍板材制作成的推送盤，并且上、下對(duì)稱，在推送盤邊緣處開有與瓶形相適的凹槽，該凹槽與內(nèi)壁之間剛好形成容納瓶子的半截面空腔，通過變速器使得星形輪旋推至灌裝處。如果瓶子的截面積和凹槽與護(hù)板壁之間的形態(tài)不適應(yīng)，就會(huì)擠壓瓶子使其破裂或倒瓶。一是空瓶尺寸大于凹槽與護(hù)板的間距會(huì)將空瓶夾破;二是空瓶過小，空瓶會(huì)在卡槽與護(hù)板間晃動(dòng)和倒瓶，造成機(jī)械停機(jī)保護(hù)。因此，要根據(jù)每種瓶形的設(shè)計(jì)，制造星形輪與護(hù)板，從而完成這一功能。這時(shí)就必須更換不同尺寸的星形輪與護(hù)板，而整個(gè)更換過程極為煩瑣，要先松開緊固件，將上部拆下，再拿出軸套，然后拆除下部星形輪，再依次安裝好才能滿足以上要求的上下盤;其次還需要調(diào)整緊度和方位。調(diào)整過程易污染灌裝間環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品存在潛在危害。制造、生產(chǎn)中更換撥盤費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，常因制造尺寸誤差造成灌裝設(shè)備不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

2.2 問題分析

2.2.1 系統(tǒng)組成分析。旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括空瓶輸入與傳送、瓶子定位、瓶子夾緊、灌裝、封口壓蓋、產(chǎn)品輸出與傳送等。實(shí)現(xiàn)這些功能所需要的部件有傳送鏈道、螺旋推瓶滾輪、進(jìn)瓶星型輪、護(hù)欄、灌裝型托和變速器。灌裝機(jī)灌裝需要實(shí)現(xiàn)的功能如圖3所示。

星形輪的作用是將空瓶傳到瓶托處，護(hù)板對(duì)瓶身起固定作用，灌裝機(jī)的速度是用變頻器無級(jí)調(diào)速實(shí)現(xiàn)的，由于系統(tǒng)在進(jìn)瓶和灌裝時(shí)的速度以及出瓶速度要求是不一樣的，所以要對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行按需調(diào)節(jié)。

2.2.2 資源分析。一是物，包括空瓶、星型輪、護(hù)板、灌裝瓶托;二是場，包括：瓶與瓶的摩擦力/推動(dòng)力;鏈道傳送力（差動(dòng)資源）;星形輪的機(jī)械變速撥動(dòng)，灌裝瓶托轉(zhuǎn)動(dòng)力。

2.2.3 灌裝機(jī)技術(shù)進(jìn)化分析。自動(dòng)灌裝設(shè)備型全自動(dòng)液體灌裝機(jī)由傳送帶傳送空瓶、灌裝、上內(nèi)塞、壓內(nèi)塞、PLC控制等部分組成，現(xiàn)主要還是通過凹輪傳動(dòng)和定位。今后要研發(fā)差異化的全自動(dòng)灌裝機(jī)，創(chuàng)造更多差異化的產(chǎn)品，這已經(jīng)成為飲料行業(yè)發(fā)展的趨勢，該技術(shù)日益朝機(jī)械功能多元化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、控制智能化、結(jié)構(gòu)高度精細(xì)化等方面發(fā)展，灌裝線的自控水平和全線效率高，在線檢測裝置和計(jì)量裝置配套完備，能自動(dòng)檢測各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)量精確。集機(jī)、電、氣、光、磁為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。灌裝設(shè)備機(jī)械技術(shù)的發(fā)展將成為這一趨勢最終的推動(dòng)力量，推動(dòng)灌裝設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

通過專利查詢，筆者初步判斷液體灌裝機(jī)專利不多，瓶推裝置實(shí)用新型有2項(xiàng)，說明該技術(shù)成熟度偏低，還處于成長階段。

3 問題求解

3.1 去除有害物質(zhì)

為了去除有害物質(zhì)，人們可以引入外來物質(zhì)來消除有害作用，使卡瓶和送瓶能適用任何瓶型。例如，去除星形輪，使空瓶直接進(jìn)入灌裝瓶托處。可選76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中物質(zhì)-場的構(gòu)建和拆解，如No.9、No.10、No.17。

具體方法為：在分瓶處到瓶托升起處與護(hù)板之間的弧形部位，增加一條短鏈道。在傳送力、護(hù)板與空瓶摩擦外力的作用下，直接推至瓶托上，實(shí)現(xiàn)灌裝。

3.2 改進(jìn)物質(zhì)-場

方法1：改用新的場（F2）或場和物質(zhì)（F2+S3）來代替原有的場或場和物質(zhì)（F1+S3），如圖4所示。

方法2：將S2改變?yōu)槎嗫孜镔|(zhì)或其他材料，使之適應(yīng)任何瓶型，如記憶合金材料或能變形材料。將標(biāo)準(zhǔn)解No.39系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)，No.64使用一種場來產(chǎn)生另一種場。例如，改變星形輪材質(zhì)與形態(tài)，使星形輪規(guī)則的凹槽變成不規(guī)則有摩擦卡位作用的突起（見圖5），適應(yīng)不同瓶形的卡位要求。

3.3 采用發(fā)明原理

使用X元素（理想解），能解決沖突，同時(shí)維持原系統(tǒng)。改善一個(gè)工程系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常添加一種物質(zhì)來改善系統(tǒng)中兩個(gè)物體的相互作用，可以使用二者任何形式的改進(jìn)物質(zhì)來完成。這樣的添加物質(zhì)可以添加到其中一個(gè)物體內(nèi)部、外部或者兩個(gè)物體之間，也可以添加在兩個(gè)物體相互作用的表面上，X元素可以是物質(zhì)，也可以是場（機(jī)械場、電磁場）。

根據(jù)灌裝機(jī)功能分析、資源分析、沖突發(fā)現(xiàn)分析、物質(zhì)-場分析、技術(shù)進(jìn)化原理分析等，筆者基本確定項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵點(diǎn)是：提高設(shè)備的適應(yīng)瓶型效率，并定義為發(fā)現(xiàn)問題。

利用TRIZ原理，獲得3個(gè)原理解，包括No.2分離、No.7套裝、No.22變有害為有益。一是No.2、No.22分離：將整體護(hù)板分離成活動(dòng)可調(diào)節(jié)的兩塊護(hù)塊，可根據(jù)瓶型大小，調(diào)整護(hù)板位置，使原來瓶型不適時(shí)，將瓶夾破或瓶身晃倒的有害作用變?yōu)橛欣鐖D6所示。二是No.7套裝：可以將不同凹槽的星輪模具套裝到星輪座上，滿足不同瓶型卡瓶需要，如圖7所示。

4 解決方案

4.1 采用的創(chuàng)新理論

綜合以上各原理解、效應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)解、進(jìn)化原理，將同一方案歸于一類，其間采用了以下創(chuàng)新理論。一是發(fā)明原理，包括No.7套裝原理和No.2分離原理;二是效應(yīng)知識(shí)庫，即分離再組合;三是技術(shù)進(jìn)化定律，即理想化定律（添加新物質(zhì)、添加新場）;四是改用新的場（F2）或場和物質(zhì)（F2+S3）來代替原有的場或場和物質(zhì)（F1+S3）。

4.2 采用的解決方案

去除星形輪，增加一條曲面鏈道。改進(jìn)方法復(fù)雜，難以控制進(jìn)瓶與灌裝頭變頻匹配;改變星形輪材質(zhì)與形態(tài)，使星形輪規(guī)則的凹槽變成不規(guī)則有摩擦卡位作用的突起，適應(yīng)不同瓶形的卡位要求;利用套裝發(fā)明原理，制作底座模具和不同大小星輪模具，根據(jù)不同瓶型，將不同凹槽的星輪模具套裝到星輪座;利用分離發(fā)明原理，將整體護(hù)板分割成兩塊，可以調(diào)節(jié)其與星形輪的間距，適應(yīng)不同瓶形，使空瓶不會(huì)卡破或因空隙過大而晃倒;改變星形輪與護(hù)板的材料，可以使用一種可變形又可起到固定作用的物料代替原有的膠木板或尼龍板，也可以采用機(jī)械手的工作原理。

5 結(jié)語

在瓶形不適應(yīng)星形輪與護(hù)板間距要求時(shí)，回轉(zhuǎn)式液體灌裝機(jī)就必須更換不同尺寸的星形輪，過程比較煩瑣。本文利用TRIZ理論的功能分析、資源分析、技術(shù)進(jìn)化原理分析、沖突分析、物質(zhì)-場分析等工具，提出了解決方法。簡單來說，改變星形輪材質(zhì)與形態(tài)，使其適應(yīng)不同瓶形的卡位要求，利用套裝發(fā)明原理，制作底座模具和不同大小星輪模具，根據(jù)不同瓶型，將不同凹槽的星輪模具套裝到星輪座，利用分離發(fā)明原理，將整體護(hù)板分割成兩塊，調(diào)節(jié)其與星形輪的間距，以便適應(yīng)不同瓶形，使空瓶不會(huì)卡破或因空隙過大而晃倒瓶。在工廠實(shí)際改造與應(yīng)用中，該方案實(shí)施效果良好，為液體灌裝機(jī)的升級(jí)改造提供了有效途徑，可以顯著提高灌裝效率。

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