摘 要: 经济发展的全球化进程越来越快, 国际竞争日趋激烈。我国包装机械行业正在逐步进入国际市场。激烈而有序的竞争, 将带来共同的繁荣和发展。同时, 也更需要设计上的创新和技术水平的提高。本文阐述了创新设计的基本含义, 并以近来国内外啤酒、饮料包装设备中的一些创新设计为实例, 从设计理念的层面进行了分析; 提出了从工艺及关键结构出发, 结合模块化, 柔性化及智能化的设计理念, 进行现代包装机械创新设计的基本方法。
关 键 词: 创新设计; 创新点; 模块化设计; 柔性化设计; 智能化创新设计; 包装机械
0 前 言
随着科技与经济的飞速发展, 包装已形成为一门独立的新兴科学。现代包装科学是一门综合性科学, 它包括:
包装经济、包装技术、和包装管理等方面。包装加工是包装技术的一个重要分支, 包装机械是其中的重要组成部分。没有现代化的包装机械, 就没有现代化的包装工业。包装机械的发展水平, 是现代化包装科技水平的重要体现。目前, 世界各国对包装机械的发展都很重视。提高生产效率、节约运行成本、应用高新技术, 已成为现代包装机械行业的发展趋势; 模块化设计、柔性化配置、智能化运行, 已成为该行业的最新设计理念; 先进的技术和现代化的加工手段, 也得到充分的利用。集机、电、气、声、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现, 形成了一个世界性的高技术含量、高智能化、竞争激烈的发展领域。为参与激烈的竞争, 需要设计的创新, 而科学技术的发展, 对创新设计又起着促进作用。中央号召科技兴国。提倡创新设计也是振兴我国包装机械行业的必经之路, 只有创新, 才能发展。
所谓创新设计, 首先是指设计要有新颖性, 即所设计的包装机械新产品, 其结构特点与已有的同类机型相比,有明显的新意。其次, 要具有先进性, 即新设计的产品的某项或某些项技术性能指标明显优于同类产品, 如: 产量更高、精度更准确、运行成本更低等。再者, 还要有实用性, 即新设计的产品具有更宽的适用范围, 或具有更方便的操作平台, 且具有一定的市场前景等。创新设计的方法, 可以是发明型创新设计, 也可以是组合型的创新构思。
显然, 包装机械的创新设计, 仅靠测绘、仿绘或简单地对舶来品进行国产化设计等方法是远远不够的, 必须在设计方法上进一步改进和提高。另一方面, 创新设计并不是凭空想像, 而是要参阅大量的资料和先进的机型。针对该先进机型, 要全面分析其性能上的先进性, 更重要的是吸取其设计理念的内涵。任何设备的设计, 都必须从工艺和关键结构入手。创新设计更是如此, 首先从工艺上和关键部位的结构设计上, 做深入细致的分析和探究, 找到真正的创新点, 再融入相关的科研新成果, 实现创新设计。
1 从包装工艺着手, 提出创新的设计方案任何一种包装机械的设计, 都必须先确定其包装工艺。
就啤酒、饮料行业来说, 其产品的包装工艺与生产工艺相互渗透、密不可分。如啤酒灌装时, 瓶颈空气的含氧量, 对啤酒的口感及保质期都有很大的影响。所以, 针对啤酒灌装设备, 除了对计量精度、含气压力有要求之外, 瓶颈空气的含氧量也是一个重要的检测指标。如何降低瓶颈空气的含氧量, 我们通常的工艺是: 在灌装机上, 经过2次抽真空灌装之后射入一小股纯净水, 激起二氧化碳泡沫, 来驱赶瓶颈空气。目前国外的先进技术是采用2 次抽真空灌装和2 次二氧化碳吹扫工艺。也有的采用在封盖机上, 用液氮激泡工艺, 或二者结合使用的, 其优点之一是在封盖机内部用二氧化碳吹扫或液氮激泡来降低瓶颈含氧量的效果明显地好于在灌装机中或者在灌装机到封盖机输送过程中吹扫的方法。优点之二是充氮后激起的气泡由氮气组成, 而不是由空气组成。这种工艺的变化, 要求用相应的结构装置来实现, 工艺的创新带来设备的创新。
再如, 果粒饮料的灌装, 有固、液混合后灌装和固体颗粒与液体饮料分别计量充填灌装2 种工艺。其计量方式也有容积法计量和称重计量等。选用哪种工艺方案, 要根据果粒的大小以及用户的具体要求来确定, 每一种工艺的各个工序都有创新点, 各工序不同的方案组合, 可以引发组合式创新的构思。
2 建立模块化设计理念, 在模块的变化中力求创新同一类型的包装机, 其组成部分大致相同, 只是根据不同的包装容器和包装材料, 以及不同的物料和计量方式, 对具体结构进行变化。如玻璃瓶灌装机中, 采用瓶托升降瓶子, PET 瓶灌装机, 采用夹瓶口的方式来约束瓶子, 此为瓶子夹持模块; 计量方式有: (1) 控制液位的灌装阀; (2) 电子流量计; (3) 称重计量等类型。第一种多用于酒和水的灌装计量; 第二种多用于流动性较好的稳定液体; 第三种多用于流动性较差的物料和固、液混合物料(如含果粒的饮料等) , 此为计量模块; 再如: 奶饮料灌装所用的瓶子、瓶盖, 其形状和大小种类繁多。可以说, 每个用户都有其特殊的要求。在这千变万化的机型中, 其共同之处是: 理瓶、分瓶供送、灌装、理盖、封盖等这些结构组合成分是不会变化的, 所能变化的只是各组合成分的结构形式。因此, 针对具体要求, 把握共性特征, 采用模块化结构设计的方法, 可不断地适应用户的最新要求。在用户的产品更换时, 快速更换相关的零部件缩短停机时间; 更有利于设备的改进创新和升级换代。在这里, 模块的连接方式是模块化创新设计的基点。
3 结构设计, 要拓宽思路, 结合包装机的实际用途, 大胆创新设计仍以灌装机为例, 以前的灌装封口设备都采用: 在铸造或焊接机架平台上, 铺设一层不锈钢面板, 周边设积水槽, 用来汇集残液。近来, 为了便于冲洗, 有的啤酒灌装机采用斜坡屋顶台面的铸造机架。支撑各回转部件的立柱直接焊在台面上。而德国克朗斯公司最新型的PET 瓶灌装机, 去掉了铸造机架及机械传动系统, 每个回转部件都用空心立柱直接支撑于地面, 且内置伺服电机, 以调节整机的转速匹配, 各立柱之间有横向拉杆定位。
灌装阀、物料流通管道(进料管及物料分配器) 以及C IP 清洗回路的内部结构设计更是要求严格。各零件之间的连接处, 既要严格密封, 又要使物料分配器的旋转体转动灵活; 阀芯结构, 除了要求运动灵活、密封可靠之外,还要考虑其使用寿命及噪音等因素。针对无菌灌装, 阀芯结构设计还要考虑物料与回流气体的隔离问题等。随着人们生活水平的不断提高, 纯天然饮品的无菌灌装, 越来越被重视。在这个领域中, 大量的、要求很高的技术问题急需完善和解决。这是未来一段时期内创新点比较密集的领域。
4 整线组合的柔性化设计, 也会引发创新思维整线动态的柔性化设计有2 层含义, 一是供料的伸缩性, 二是供料的可变性。供料的伸缩性, 即采用动态的柔性化连接, 用以补偿单台设备的故障停机时间。如PET 瓶灌装生产线是由: 吹瓶、套标、灌装、装箱等单机组成, 任何一台设备出现故障, 都会造成整线停机, 使整体运行的效率大打折扣。国外新推出一种适用于高速灌装线的动态缓冲器, 连接在生产线各单机之间。该缓冲器呈螺旋状环绕结构, 占地10m 2 左右, 可以形成2 m in 的缓冲时间。它可以根据前、后单机的速度差, 自动调节其自身的进、出瓶速度, 以实现各单机出瓶过量时的缓冲作用和进料不足时的补偿作用, 从而使整线的运行速度基本恒定, 生产稳定, 降低运行成本。对于中低速生产线, 可以用另一种简单的办法, 即使用可移动式储料仓。它可以根据需要在生产线上任意移动, 并连接于相邻2 台单机之间, 起到缓冲和补偿作用, 实现供料的可变性(包括瓶型和物料) , 即整体柔性变化。这项功能多采用模块化设计、快速更换转换件和可调式结构的快速调节, 以适应不同的瓶型和瓶盖。
5 从整线的控制技术实现智能化创新设计智能化主要体现在随机监控、识别故障、提前预防、或自动维修及远程服务等方面。随机监控技术, 在国外的灌装机上已开始应用: 在设备上安装标准控制系统, 监视每一个灌装阀和封盖头的生产效率和能力, 从而减少产品损失和改善整机设备的生产能力。该系统的控制单元, 利用红外线、X 光、C射线或成像技术。当不合格的容器从生产线上剔除时, 该系统自动识别出产生缺陷的灌装阀或封盖器, 并由生产管理系统收集每个灌装阀的能力数据, 识别造成定量不准的个阀, 定期制作图表, 找出问题隐患, 及时快速维修; 结构上采取快换方式, 进一步缩短停机时间, 提高生产效率。
再如玻璃瓶啤酒灌装机, 一旦出现爆瓶时, 为了避免玻璃碎片残留在分流伞上, 可以启动创新设计的安全循环系统。每次破瓶后, 造成破瓶的灌装阀下面, 连同其前后各3 只瓶子, 被自动剔除, 每转一圈, 分流伞被冲洗一次, 连续3 圈以上, 被剔除的瓶内啤酒, 作为清洗剂排出。
随机监控、自动维修, 特别适用于无菌灌装和高速灌装, 可以最大限度地缩短停机时间, 节约运行成本。对于无菌灌装设备, 每一次停机维修, 都要重新升温、杀菌、甚至更换物料造成极大的浪费和损失。所以, 这种理念必将成为包装机械行业发展和创新的趋势。
另外, 远程服务可以从异地修改程序, 确定设备状态, 传输电话、图片和图像序列, 直到元件层面上的分析和修改, 以及进行预防式维修等, 这些都是可预见的创新方向。
6 小 结
总的来说, 要创新设计, 除了有扎实的机械设计理论基础和丰富的实践经验外, 还要不断学习新知识及相关学科的新技术、新成果, 还需要认真负责的敬业精神和团结合作的团队意识。期望业内专家学者, 共同努力, 使我国包装机械行业通过自主创新设计, 尽快走向振兴之路。
参考文献:
[ 1 ] 刘守谦. 改进包装机械设计方法的新思路[J ]. 轻工机械, 2005, 23 (4) : 1- 3.
