基于TRIZ理论改进回转式灌装机送瓶装置

山永凯 薛德艳 李雪慧 孔维娟

摘 要：对于传统的回转式液体灌装机来说，如果瓶形与星形轮、护板间距不适应，就必须更换不同尺寸的星形轮，过程烦琐，灌装效率偏低。本文利用TRIZ理论中的功能分析、资源分析、技术进化原理分析、冲突分析、物质-场分析等工具，提出了解决方法，为液体灌装机的升级改造提供有效途径，以提高灌装效率。

关键词：TRIZ理论;灌装机;瓶子;装置

中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：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

傳统的回转式液体灌装机采用星形轮，星形轮卡瓶送入灌装机瓶托处进行灌装，星形轮的卡口须匹配瓶子的空瓶外形尺寸并与护板相一致[1-2]。如果瓶型发生较大变化，人们就要根据每种变化的瓶形，设计、制造星形轮与护板，以便实现这一功能。

现有技术中，自动灌装机的瓶子推送装置是由胶木板或尼龙板材制作成的推送盘，并且上、下对称，在推送盘边缘处开有与瓶形相适应的凹槽，该凹槽与内壁之间刚好形成容纳瓶子的半截面空腔，通过变速器使星形轮旋推至灌装处。当瓶形不适应星形轮与护板间距时，就必须更换不同尺寸的星形轮，而整个更换过程极为烦琐，要先松开紧固件，将上部拆下，再拿出轴套，然后拆除下部星形轮，再依次安装好后才能满足以上要求的上下盘，其次还需要调整紧度和方位。调整过程易污染灌装间环境，对产品存在潜在危害[3-5]。

本研究基于TRIZ理论，改进回转式灌装机送瓶装置，其间利用TRIZ理论中的功能分析、资源分析、技术进化原理分析、冲突分析和物质-场分析等工具，提出了解决方法，以期实现普通瓶型自动灌装。

1 问题背景

如图1、图2所示，传统回转式液体灌装机送瓶装置采用星形轮（凹轮），先由链道传送到灌装机的螺旋分瓶再到星型轮卡瓶后旋转送入升起的灌装机托瓶处进行灌装，星形轮的卡口必须匹配瓶子的空瓶外形尺寸与护板间距。

2 问题描述与分析

2.1 问题描述

现有技术中，自动灌装机的包装瓶推送装置是由胶木板或尼龙板材制作成的推送盘，并且上、下对称，在推送盘边缘处开有与瓶形相适的凹槽，该凹槽与内壁之间刚好形成容纳瓶子的半截面空腔，通过变速器使得星形轮旋推至灌装处。如果瓶子的截面积和凹槽与护板壁之间的形态不适应，就会挤压瓶子使其破裂或倒瓶。一是空瓶尺寸大于凹槽与护板的间距会将空瓶夹破;二是空瓶过小，空瓶会在卡槽与护板间晃动和倒瓶，造成机械停机保护。因此，要根据每种瓶形的设计，制造星形轮与护板，从而完成这一功能。这时就必须更换不同尺寸的星形轮与护板，而整个更换过程极为烦琐，要先松开紧固件，将上部拆下，再拿出轴套，然后拆除下部星形轮，再依次安装好才能满足以上要求的上下盘;其次还需要调整紧度和方位。调整过程易污染灌装间环境，对产品存在潜在危害。制造、生产中更换拨盘费工、费时，常因制造尺寸误差造成灌装设备不能正常运行，严重影响生产效率。

2.2 问题分析

2.2.1 系统组成分析。旋转灌装机系统实现的功能包括空瓶输入与传送、瓶子定位、瓶子夹紧、灌装、封口压盖、产品输出与传送等。实现这些功能所需要的部件有传送链道、螺旋推瓶滚轮、进瓶星型轮、护栏、灌装型托和变速器。灌装机灌装需要实现的功能如图3所示。

星形轮的作用是将空瓶传到瓶托处，护板对瓶身起固定作用，灌装机的速度是用变频器无级调速实现的，由于系统在进瓶和灌装时的速度以及出瓶速度要求是不一样的，所以要对变频器的输出频率进行按需调节。

2.2.2 资源分析。一是物，包括空瓶、星型轮、护板、灌装瓶托;二是场，包括：瓶与瓶的摩擦力/推动力;链道传送力（差动资源）;星形轮的机械变速拨动，灌装瓶托转动力。

2.2.3 灌装机技术进化分析。自动灌装设备型全自动液体灌装机由传送带传送空瓶、灌装、上内塞、压内塞、PLC控制等部分组成，现主要还是通过凹轮传动和定位。今后要研发差异化的全自动灌装机，创造更多差异化的产品，这已经成为饮料行业发展的趋势，该技术日益朝机械功能多元化、结构设计标准化、控制智能化、结构高度精细化等方面发展，灌装线的自控水平和全线效率高，在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。灌装设备机械技术的发展将成为这一趋势最终的推动力量，推动灌装设备材料和结构实现创新。

通过专利查询，笔者初步判断液体灌装机专利不多，瓶推装置实用新型有2项，说明该技术成熟度偏低，还处于成长阶段。

3 问题求解

3.1 去除有害物质

为了去除有害物质，人们可以引入外来物质来消除有害作用，使卡瓶和送瓶能适用任何瓶型。例如，去除星形轮，使空瓶直接进入灌装瓶托处。可选76个标准解中物质-场的构建和拆解，如No.9、No.10、No.17。

具体方法为：在分瓶处到瓶托升起处与护板之间的弧形部位，增加一条短链道。在传送力、护板与空瓶摩擦外力的作用下，直接推至瓶托上，实现灌装。

3.2 改進物质-场

方法1：改用新的场（F2）或场和物质（F2+S3）来代替原有的场或场和物质（F1+S3），如图4所示。

方法2：将S2改变为多孔物质或其他材料，使之适应任何瓶型，如记忆合金材料或能变形材料。将标准解No.39系统转换为双系统或多系统，No.64使用一种场来产生另一种场。例如，改变星形轮材质与形态，使星形轮规则的凹槽变成不规则有摩擦卡位作用的突起（见图5），适应不同瓶形的卡位要求。

3.3 采用发明原理

使用X元素（理想解），能解决冲突，同时维持原系统。改善一个工程系统时，经常添加一种物质来改善系统中两个物体的相互作用，可以使用二者任何形式的改进物质来完成。这样的添加物质可以添加到其中一个物体内部、外部或者两个物体之间，也可以添加在两个物体相互作用的表面上，X元素可以是物质，也可以是场（机械场、电磁场）。

根据灌装机功能分析、资源分析、冲突发现分析、物质-场分析、技术进化原理分析等，笔者基本确定项目要解决的关键点是：提高设备的适应瓶型效率，并定义为发现问题。

利用TRIZ原理，获得3个原理解，包括No.2分离、No.7套装、No.22变有害为有益。一是No.2、No.22分离：将整体护板分离成活动可调节的两块护块，可根据瓶型大小，调整护板位置，使原来瓶型不适时，将瓶夹破或瓶身晃倒的有害作用变为有利，如图6所示。二是No.7套装：可以将不同凹槽的星轮模具套装到星轮座上，满足不同瓶型卡瓶需要，如图7所示。

4 解决方案

4.1 采用的创新理论

综合以上各原理解、效应、标准解、进化原理，将同一方案归于一类，其间采用了以下创新理论。一是发明原理，包括No.7套装原理和No.2分离原理;二是效应知识库，即分离再组合;三是技术进化定律，即理想化定律（添加新物质、添加新场）;四是改用新的场（F2）或场和物质（F2+S3）来代替原有的场或场和物质（F1+S3）。

4.2 采用的解决方案

去除星形轮，增加一条曲面链道。改进方法复杂，难以控制进瓶与灌装头变频匹配;改变星形轮材质与形态，使星形轮规则的凹槽变成不规则有摩擦卡位作用的突起，适应不同瓶形的卡位要求;利用套装发明原理，制作底座模具和不同大小星轮模具，根据不同瓶型，将不同凹槽的星轮模具套装到星轮座;利用分离发明原理，将整体护板分割成两块，可以调节其与星形轮的间距，适应不同瓶形，使空瓶不会卡破或因空隙过大而晃倒;改变星形轮与护板的材料，可以使用一种可变形又可起到固定作用的物料代替原有的胶木板或尼龙板，也可以采用机械手的工作原理。

5 结语

在瓶形不适应星形轮与护板间距要求时，回转式液体灌装机就必须更换不同尺寸的星形轮，过程比较烦琐。本文利用TRIZ理论的功能分析、资源分析、技术进化原理分析、冲突分析、物质-场分析等工具，提出了解决方法。简单来说，改变星形轮材质与形态，使其适应不同瓶形的卡位要求，利用套装发明原理，制作底座模具和不同大小星轮模具，根据不同瓶型，将不同凹槽的星轮模具套装到星轮座，利用分离发明原理，将整体护板分割成两块，调节其与星形轮的间距，以便适应不同瓶形，使空瓶不会卡破或因空隙过大而晃倒瓶。在工厂实际改造与应用中，该方案实施效果良好，为液体灌装机的升级改造提供了有效途径，可以显著提高灌装效率。

参考文献：

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[2]张春雨，凌士杰，孙旭，等.一种液体灌装机控制部分的设计[J].轻工机械，2007（2）：75-77.

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[4]曹福全.创新思维与方法概论：TRIZ理论与应用[M].哈尔滨：黑龙江教育出版社，2009.

[5]檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.