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ZONGYI 利乐枕酸奶鲜牛奶包装流水线工程案例 食品自动化装箱码垛流水线
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0 引言
随着我国经济的快速发展，效率低、作业工人多、劳动强度大的人工牛奶二次包装已经越来越不能适应当今社会的发展，由于人工牛二次包装可靠性难以达到要求，开发全自动也装生产线已成为发展的必然趋势。利乐枕是来自瑞典利乐公司的无菌包装技术，其包装形状易于装箱、运输和存储。从1997年正式推出，短短十几年问，已经成为中国牛奶zui主要的包装之一[1]。
利乐枕在装箱过程中，装箱速度远远低于灌装速度，以500g利乐枕为研究对象，现在采用的A1灌装生产线，500g灌装速度达到7200包／h。而现在软包的装箱速度为60～80包／min。这样导致一条灌装生产线往往需要两条或多条装箱生产线来满足，这样不仅导致了资源的浪费，同时也占据了较大的厂房空间。虽然文献[2]对利乐枕装箱方法进行了详细探讨，但没有考虑利乐枕灌装对象对装箱机生产效率的影响因素，因此，本文通过双线输送系统来实现装箱功能，以期解决灌装速度与包装速度不匹配问题。
1 输送系统原理与参数分析
为防止利乐枕在装箱和运输过程中破损，如图1所示通常需要在包装箱上下两层牛奶中问、箱侧边提手部共加放两块隔板，且牛奶还必需在箱内倾斜放置，防止袋与袋之间产生挤压，导致封口破损[2-3]。
图1 利乐枕包装箱结构简图
1-下层利乐枕 2-提手隔板 3-中间隔板 4-提手 5-上层利乐枕 6-纸箱下层物料输送系统
1．1 输送系统装箱工艺流程
利乐枕二次包装输送系统以每箱充填2层，每层3包为例来说明输送系统与关键结构的工作原理。
整个工艺工程如图2所示：从开箱系统到封箱系统全过程。
下层物料输送系统开箱系统 上层物料输送系统开箱系统
↓ ↓
开箱系统→送箱系统→充填底层枕系统→放置隔板系统→充填上层枕系统→封箱系统
图2利乐枕装箱工艺图
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1．2 输送系统工作原理
采取分双线输送系统包装时，把充填系统分为充填上层枕系统和充填下层枕系统，其原理如图3所示。
图3利乐枕装箱输送系统示意图
1-左过渡带 2-左加速带 3-左伸缩带 4-右伸缩带 5-右加速带 6-右过渡带 7-换位器 8-上过渡带 9-左挡板
利乐枕以速度V0传送过来，首先经过换位器传向右过渡带，经过右加速带加速后再运动到右伸缩带上[4]，再由伸缩式皮带抛运到叠层托盘上，然后再人箱，充填底层。若每箱装6包利乐枕，系统输出3n(n为某一自然数)个利乐枕时，换向器换向，经过上过渡带以速度V1到达左挡板，然后再经左过渡带再转向。运动到左加速带上，然后运动到左伸缩带，经叠层托盘入箱再填充上层。其中，在经过托盘入箱的过程中，托盘需根据利乐枕在箱中摆放的角度来确定其模型。如与右伸缩皮带相配套的托盘模型制作如图4(b)所示，通过此通道来确定利乐枕在箱子里面的角度。同样，左伸缩皮带输出的利乐枕通过图4(a)模型来确定上层利乐枕的摆放角度。模型中倾斜的角度与利乐枕在箱中摆放的角度是相等的。
图4 托盘模型简图
1．3 输送系统运动参数的确定
为保证装箱系统连续工作，利乐枕输送系统各侧必须满足的条件：灌装生产线每小时灌装Q袋牛奶，一箱装袋个数为N。
则装箱过程中一箱理论周期为
T=3600N/Q (1)
设填充底层周期为T1，放置隔板周期为T2，充填上层周期为T3。系统总周期为T0。
(1)以填充底层的右输送带为研究对象：
l11/v11=T1 (2)
l12/v12+l13/v13=T1 (3)
v11<v12 v12=v13 v11>0
l11、v11——分别为右过渡带的长度与速度
l12、v12——分别为右加速带的长度与速度
l13、v13——分别为右伸缩带的长度与速度
过渡带的目的是消除换向时间对充填连续性的影响。
加速带上主要是起到加大利乐枕之问距离的目的，一方面有利于抛料式伸缩带的使用，另一方面，由于当输送带以速度v0向右过渡带输送3袋利乐枕时，换向器会转向，向上过渡带再传出3袋利乐枕，传输完成后，换向器同时又转向，再向右过渡带传输3袋利乐枕，那么前3袋与后3袋之间会相隔一个填充上层枕的周期，由于在右伸缩皮带完成填充后，伸缩皮带在回程时采用的是快速运动，其需要的时间远远小于充填上层枕的时间，此时会导致伸缩皮带复位后，利乐枕还没有运动到位，因此需要在中间设置一个加速带来缓冲，减小他们之间的时间差。让后续的利乐枕能经过右过渡带快速的达到右伸缩带，以达到其连续性。
(2)以填充上层的左输送带为研究对象
l0/v1=T2 (5)
l21/v21=T3 (6)
l22/v22+l23/v23=T3 (7)
v1>v21 v21<v22 v22+v23 (8)
l21、v21——分别为左过渡带的长度与速度
l22、v22——分别为左加速带的长度与速度
l23、v23——分别为左伸缩带的长度与速度
左侧的输送情况基本与右侧的输送系统一样，时间推迟一个周期T2。在其左侧的zui左边加一个做挡板，由于利乐枕以速度V1向左运动，速度瞬间达到零，其引起的冲击力*，同时应在左挡板上装上缓冲衬垫，如橡胶、海绵等。
(3)总体周期分析
由于采用分工位、按模块来设计系统，因此在设计上要求系统各段工作周期需满足：
T0≥T1=T2=T3且T0≤T(9)
其中影响系统周期的关键参数是T1和T3。为保证系统质量，提高系统性能，下面对本系统中关键设备(伸缩皮带)来分析其工作原理与设计参数，以期保证工作周期和能满足下式要求。
T1≤T0 T3≤T0 (10)
2 伸缩皮带工作原理与参数分析
2．1 伸缩皮带工作原理
入箱系统主要依靠伸缩皮带将利乐枕抛送到叠层托盘上，在由叠层托盘打开人口由利乐枕入箱。伸缩皮带工作原理如图5所示：
图5 伸缩皮带工作原理图
1-皮带电机 2-利乐枕 3-伺服电机 4-伸缩皮带导杆组件 5-同步齿形带 6-伸缩皮带 7-光电传感器 8-叠层托盘 9-纸箱
供料装置主要由伸缩皮带、伸缩皮带导杆组件、同步齿形带、皮带电机(M1)和伺服电机(M2)组成。当利乐枕袋装物经过减速带皮带减速后，达到伸缩皮带上，在皮带电机作用下，将利乐枕袋装物，按一定速度送入叠层托盘中，其输送速度可根据要求变频可调。同时，伸缩皮带还在伺服电机的驱动下，通过伸缩皮带导杆组件每次移动一定的长度将软袋包装物依次摆放于叠层托盘中[5]。
2．2 伸缩皮带运行参数
假定伸缩皮带工作周期为T'，实际单包充填时间为t：
且 T'≤mt (11)
式中m——每箱包数
t=t1+T2+t3 (12)
式中 t1——光电传感器检测包装物到抛出时的h延时时间，且t1=nh3/v1
t2——伸缩皮带每次以V2速度移动的距离所需时间的总和，且t2=n△h/v2
t3——n袋包装物摆完后，伸缩皮带返回原先位置所需要的时间，且t3=n△h/v3
将t1、t2、t3代入式(9)得：
t=t1+t2+t3=n(h3/v1+△h/v2+△h/v3) (13)
式中n——装箱中每层利乐枕所装的个数。
v1——利乐枕包装袋在伸缩皮带上的移动速度
v2——同步齿形带工作段移动速度
v3——同步齿形带回程段移动速度
△h——伸缩皮带每次伸缩的距离
h3——检查包装袋的光电传感器离伸缩皮带端部的距离
△h与包装袋宽度有关，一般要求△h比袋宽W大，这是由于包装袋以速度平抛出伸缩皮带并落人叠层托盘8时，若△h=w，则必出现当前包装袋对上一次摆好的包装袋存在冲击，影响包装物在叠层托盘中整齐摆放，因此，常取△h=1．1—1．2w。
为保证伸缩皮带与利乐枕包装袋运动的*性，包装袋在伸缩皮带上的移动h的距离所需的时间应刚好等于包装物通过h与伸缩皮带缩回一个△h所需的时间之和，即：
t'=h3/v1+△h/v2=h/v1 (14)
式中h3/v1+△h/v2——包装物通过h3与伸缩皮带缩回一个△h所需时间之和
h/v1——包装袋在伸缩皮带上的移动h的距离所需的时间
由式(11)式化简得
v1=(h0-h3)v2/△h (15)
由式(12)式可得
v1与v2相关，且v1>v2 (16)
由式(16)可以得出：要想满足式(I1)要求，必须保证利乐枕包装袋在伸缩皮带上的移动速度v1大于同步齿形带工作段移动速度v2。
3 结论
目前我国在机械包装方面的技术大多是消化*而得到的，在牛奶灌装方面，国外已经超出国内水平很多，如何利用国内现有的包装入箱速度来达到国外的灌装生产线的速度，本文在此尝试用分工位的方法来减少装箱的周期。达到装箱速度与灌装速度相匹配的目的[6]。
参考文献：
[1]张宗伟．灌装输送线设计技术与系统[J]．机械工程师，2010，42(1)：21—24．
[2]王忠平．百利袋装箱技术浅析[J]．中国包装工业，2009，18(11)：37—38．
[3]利乐中国．乳品消费发展趋势[J]．中国乳业，2009，8(8)：6—7．
[4]侯海涛．国内外大袋包装方式与设备选择简述[J]．中国包装，2005，26(4)：89—90．
[5]张国全．利乐枕装箱技术的方案设计[J]．中国食品工业，2007，22(5)：62—64．
[6]王晓花，丁世云，张国全，等．大袋包装机自动套袋装置设计[J]．包装与食品机械，2010，28(6)：26—29．
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