我國啤酒紙箱包裝機(jī)長時(shí)間處于12~16箱/分鐘的包裝能力，僅能滿足2萬瓶/小時(shí)啤酒、飲料包裝生產(chǎn)線的需求。通過市場(chǎng)調(diào)研，現(xiàn)有的生產(chǎn)線灌裝速度一般為4萬瓶/小時(shí)左右，為滿足現(xiàn)有的灌裝速度，需要將原有的裝箱機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使其裝箱速度滿足現(xiàn)有灌裝線的生產(chǎn)需要。

1裝箱機(jī)組成及工藝流程分析

裝箱機(jī)主要由輸瓶部分、抓瓶部分、輸箱部分組成，裝箱機(jī)的工藝流程見圖1。一定數(shù)量的空箱，周期性地被輸箱系統(tǒng)送到裝箱區(qū)域，在擋箱裝置的作用下，被分成若干組，并且停下來等待裝箱。另一方面，瓶子不斷地由輸瓶系統(tǒng)送到裝箱機(jī)中的輸瓶臺(tái)，通過排瓶裝置、輸瓶裝置梳理，瓶子一個(gè)接一個(gè)按照一定的規(guī)律排列成行。然后，抓瓶頭動(dòng)作，抓住瓶子，通過主機(jī)運(yùn)行，把瓶子放到箱子里。

要提高裝箱機(jī)的裝箱速度，就要從輸瓶機(jī)構(gòu)、抓瓶機(jī)構(gòu)和輸箱機(jī)構(gòu)的速度這3個(gè)方面考慮。抓瓶機(jī)構(gòu)是裝箱機(jī)的核心部分，要提高整個(gè)裝箱過程的速度，就是要在協(xié)調(diào)輸瓶與輸箱速度的前提下，提高抓瓶速度。抓瓶機(jī)構(gòu)的速度除了與傳動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)外，還與抓瓶頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。抓瓶頭的結(jié)構(gòu)直接影響到抓瓶是否成功及抓瓶的速度，因此，需要對(duì)抓瓶頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、模擬仿真，才能確定出最優(yōu)的參數(shù)，使其工作效率最高。

2抓瓶機(jī)構(gòu)的分析

在抓瓶機(jī)構(gòu)的整個(gè)抓瓶運(yùn)動(dòng)過程中，抓瓶頭是通過充氣、放氣來實(shí)現(xiàn)抓瓶、放瓶的，其結(jié)構(gòu)見圖2。氣動(dòng)裝置通過向塑料層與硅橡膠層之間進(jìn)行充氣，使硅橡膠的變形進(jìn)入金屬的鏤空部分，產(chǎn)生變形從而抓緊瓶子。

抓瓶頭在抓瓶時(shí)必須保證不能使瓶子有跌落或沒有抓起來的情況出現(xiàn)，為了保證裝箱機(jī)有較高的裝箱速度，必須使抓瓶頭在短時(shí)間內(nèi)能夠抓緊瓶子而瓶子不會(huì)跌落，這就要對(duì)抓瓶頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。抓瓶頭金屬鏤空部分的形狀、大小都與所需的氣壓有關(guān)，因此，對(duì)抓瓶頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真及分析，才能確定出最佳方案。

由于抓瓶頭內(nèi)部的硅橡膠變形屬于大變形，所以必須采用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊進(jìn)行分析，仿真及優(yōu)化處理流程見圖3。

圖3 LS-DYNA分析流程

3抓瓶機(jī)構(gòu)的仿真優(yōu)化

3.1有限元模擬

要對(duì)抓瓶頭進(jìn)行仿真，就必須先對(duì)抓瓶頭的金屬部分進(jìn)行分析，見圖4，金屬層鏤空部分的形狀以及大小都與抓瓶的時(shí)間相關(guān)。

根據(jù)抓瓶原理，金屬層鏤空的各種不同形狀見圖5，為了保證仿真的準(zhǔn)確性，各個(gè)形狀的面積和壓力都一樣大小，面積均為500 mm²，壓力為0.6 MPa，這樣可以確保施加的壓力是一樣大小。

3.2結(jié)果分析

將圖4中的金屬層鏤空部分的形狀分別替換上圖5中的6種形狀，將其進(jìn)行有限元分析，得出不同形狀的抓瓶頭在抓瓶過程中硅橡膠的變形與時(shí) 間之間的關(guān)系，見圖6。由各個(gè)曲線可以看出，在達(dá)到硅橡膠屈服點(diǎn)以前，各個(gè)曲線的變化斜率隨時(shí)間的變化都是不一樣的，曲線d的斜率最大，也就是說達(dá)到同樣大小的變形，曲線d的速度遠(yuǎn)大于其余曲線速度，這樣選擇d曲線，就可以節(jié)約一定的抓瓶時(shí)間，從而提高抓瓶的效率。

3.3優(yōu)化結(jié)果

從分析結(jié)果看，曲線d的效果最好，根據(jù)抓瓶頭的實(shí)際情況，一般的硅橡膠變形在8~10 mm之間，瓶重為1 kg左右，通過計(jì)算機(jī)多次模擬仿真，得到的優(yōu)化結(jié)果見圖7，依據(jù)力學(xué)原理得出抓瓶頭的壓力為0. 3 MPa，符合實(shí)際的生產(chǎn)需求。此種分析方法還可以在裝不同產(chǎn)品的瓶當(dāng)中沿用。

4結(jié)論

從裝箱機(jī)的結(jié)構(gòu)分析入手，對(duì)裝箱機(jī)抓瓶機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析，并采用ANSYS/LS-DY-NA對(duì)抓瓶頭進(jìn)行了建模仿真，找出對(duì)抓瓶時(shí)間影響最大的數(shù)變量，再對(duì)這些變量進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了最佳優(yōu)化結(jié)果，為裝箱機(jī)的抓瓶頭設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。建模分析技術(shù)的運(yùn)用提高了分析效率和質(zhì)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期，從而降低了設(shè)計(jì)的成本。