白酒高速灌裝條件下對組合瓶蓋瓶口適應(yīng)性結(jié)構(gòu)的對策研究

胡 濤，王慶挺，趙丙坤，任劍波

（瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000）

近年來，伴隨著勞動(dòng)力成本的不斷攀升，勞動(dòng)密集型傳統(tǒng)白酒灌裝生產(chǎn)線的日產(chǎn)量低、產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊、批差質(zhì)量問題追溯較難、能耗高等劣勢日益凸顯，白酒生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提升成為行業(yè)研究的重點(diǎn)，生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化成為一種發(fā)展趨勢。以瀘州老窖為代表的白酒生產(chǎn)廠家響應(yīng)國家關(guān)于工業(yè)技術(shù)改造、產(chǎn)業(yè)升級方面的號召，在釀酒生產(chǎn)、成品酒灌裝、倉儲物流等方面的信息化、自動(dòng)化技改方面進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用，獲得了一定規(guī)模的參數(shù)與數(shù)據(jù)，并將成功經(jīng)驗(yàn)大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，以滿足未來產(chǎn)業(yè)升級、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整等戰(zhàn)略規(guī)劃實(shí)施。

1 傳統(tǒng)白酒灌裝產(chǎn)線

傳統(tǒng)白酒的灌裝生產(chǎn)速度小于2 瓶/s，以電力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化生產(chǎn)，配置固定的人員形成班組，進(jìn)行不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。先將成品酒生產(chǎn)工序模塊化，再匹配合適的專業(yè)人員，確保生產(chǎn)設(shè)備的最大化有效利用，依靠工人的操作水平不斷提升產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的有限提升。其生產(chǎn)方式、生產(chǎn)過程控制主要依靠人工來完成，缺失過程記錄與監(jiān)控，造成產(chǎn)品質(zhì)量追溯難度較大，產(chǎn)量提升受人工數(shù)量與工作時(shí)間影響，高成本、高消耗、環(huán)境代價(jià)大等成為傳統(tǒng)加工制造業(yè)的重大制約因素。

傳統(tǒng)白酒包裝生產(chǎn)是從包裝材料領(lǐng)用到包裝出成品的過程。整個(gè)過程主要包含以下四個(gè)工序：備料、洗瓶洗蓋、灌裝、包裝。

備料：領(lǐng)取包裝材料、紙箱成形、流水線包材配送、廢舊物料清理。

洗瓶洗蓋：洗瓶、上瓶、驗(yàn)瓶、洗蓋。

灌裝：灌酒、瓶內(nèi)酒體雜質(zhì)檢測（照光）、酒水計(jì)量監(jiān)控。

包裝：封蓋、貼標(biāo)、裝盒、噴碼、裝箱封箱、堆碼等。

按區(qū)域劃分為干區(qū)和濕區(qū)：濕區(qū)為洗瓶、灌酒工序，干區(qū)為備料、包裝工序。

近幾年通過對瓶裝白酒產(chǎn)品包裝質(zhì)量跟蹤發(fā)現(xiàn)，裝酒容器、酒瓶蓋良好的密封性能不僅有效阻隔酒液的揮發(fā)，也可增強(qiáng)高低度白酒貨架期酒體質(zhì)量穩(wěn)定性。保證其良好密封功能的最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是白酒灌裝生產(chǎn)的灌酒壓蓋工序，因此，解決灌裝生產(chǎn)中壓蓋封蓋環(huán)節(jié)出現(xiàn)的質(zhì)量問題是瓶裝白酒質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是白酒包裝生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)智能化高速灌裝的前提。

白酒包裝個(gè)性化需求酒瓶蓋結(jié)構(gòu)、材質(zhì)豐富多樣，常見的酒瓶蓋有鋁螺旋蓋、塑料蓋、玻蓋、陶瓷蓋、金屬蓋以及組合式防偽瓶蓋等。在包裝行業(yè)內(nèi)，鋁質(zhì)螺旋蓋已實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化生產(chǎn)，玻璃蓋、陶瓷蓋、金屬蓋個(gè)性化設(shè)計(jì)明顯，外觀結(jié)構(gòu)不適合標(biāo)準(zhǔn)化高速生產(chǎn)，在此均不再贅述。

本文僅對白酒灌裝生產(chǎn)線可標(biāo)準(zhǔn)化、可自動(dòng)化生產(chǎn)的組合式防偽瓶蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過實(shí)樣批量測試驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出適合高速灌裝線的組合瓶蓋、酒瓶瓶口結(jié)構(gòu)，為傳統(tǒng)白酒實(shí)現(xiàn)智能化高速灌裝提供技術(shù)支撐，從而解決現(xiàn)有組合瓶蓋結(jié)構(gòu)只適用于較低的灌裝速度（＜2 瓶/s），解決不同季節(jié)氣溫高低不同時(shí)瓶蓋出現(xiàn)的內(nèi)塞被壓變形而漏酒、蓋外套被撐裂或鼓包等產(chǎn)品質(zhì)量問題，同時(shí)解決白酒高速灌裝中產(chǎn)品包材與灌裝設(shè)備的匹配問題，使生產(chǎn)效率成倍增長。

2 組合瓶蓋與瓶口配合原因分析及解決方案

從上述問題可以看出，酒瓶瓶口與瓶蓋配合涉及兩種不同材質(zhì)的配合，需要考慮其在不同溫度條件下的收縮比與走向，以及其工藝與結(jié)構(gòu)的影響，包含過盈密封配合，尺寸、公差配合等。

2.1 組合瓶蓋與瓶口配合常見問題

組合瓶蓋與瓶口配合涉及瓶蓋內(nèi)塞與瓶口內(nèi)壁的過盈密封配合，瓶蓋內(nèi)件與瓶口高度、鎖齒、防滑齒間的尺寸、公差配合等方面的問題，具體問題與現(xiàn)象見表1。

表1 組合瓶蓋與瓶口配合常見問題

2.2 組合瓶蓋材質(zhì)與熱膨脹系數(shù)

瓶蓋內(nèi)塞材質(zhì)一般采用低密度聚乙烯(C2H4)n（polyethylene 簡稱LDPE），收縮率1.5～5.0，熱膨脹系數(shù)2.67×10-4m/k·℃。

瓶蓋內(nèi)件材質(zhì)采用聚丙烯(C3H6)n（polypropylene 簡稱PP），收縮率1.0～2.5，熱膨脹系數(shù)1.03×10-4m/k·℃；聚對苯二甲酸乙二醇酯(C10H8O4)n（polyethylene glycol terephthalate 簡稱PET），收縮率0.13，熱膨脹系數(shù)1.17×10-4m/k·℃；2,2'-雙（4-羥基苯基）丙烷聚碳酸酯（Polycarbonate 簡稱PC），收縮率0.5～0.7，熱膨脹系數(shù)1.22×10-4m/k·℃；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Butadiene Styrene簡稱ABS），收縮率0.3～0.8，熱膨脹系數(shù)9.5×10-5m/k·℃等。

2.3 玻瓶材質(zhì)與熱膨脹系數(shù)

瓶罐玻瓶一般采用硼硅酸鹽，主要成分是石英砂（二氧化硅SiO2）、硼砂（氧化硼B(yǎng)2O3）、氧化鎂（MgO2）及純堿等熔融而成，其熔化溫度在1450 ℃左右，成型始溫度1190～1200 ℃，成型終溫度735 ℃左右，退火溫度550 ℃，冷卻時(shí)間約98 s，膨脹系數(shù)根據(jù)硫碳比稍有不同，一般在85～87 之間。轉(zhuǎn)變溫度以下的常溫狀態(tài)，受外界的影響很小，變化范圍在5.8×10-7～150×10-7/℃。

2.4 組合瓶蓋與瓶口結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 組合瓶蓋結(jié)構(gòu)（圖1）

圖1 組合瓶蓋結(jié)構(gòu)

組合式瓶蓋各內(nèi)置件尺寸配合技術(shù)要求，一般在瓶蓋卡瓶后，各內(nèi)外組件配合緊密，拔起力大于10 kgf。

2.4.2 瓶口結(jié)構(gòu)

見圖2卡式瓶口圖。

圖2 卡式瓶口圖

2.5 組合瓶蓋與瓶口配合問題及解決方案

2.5.1 瓶蓋打轉(zhuǎn)問題

瓶蓋打轉(zhuǎn)問題是瓶口防滑齒與蓋內(nèi)件止轉(zhuǎn)齒相互嚙合不好，反向阻力不夠造成的。具體原因見表2。

表2 瓶蓋打轉(zhuǎn)問題分析及解決方案

2.5.2 瓶蓋抽筒問題

瓶蓋抽筒問題是蓋內(nèi)套鎖齒強(qiáng)度不夠，或者鎖齒不能鎖住瓶口。具體原因見表3。

表3 瓶蓋抽筒問題分析及解決方案

2.5.3 瓶口滲漏問題

組合瓶蓋密封瓶口主要依靠內(nèi)塞外撐瓶口內(nèi)壁形成側(cè)向壓力密封面，密封面的強(qiáng)度與持久力決定密封效果與時(shí)間長短。具體原因見表4。

表4 瓶口滲漏問題分析與解決方案

2.5.4 瓶蓋外套發(fā)白、起鼓和裂紋問題

涉及因素較多，主要是不同材料熱膨脹系數(shù)不同致尺寸公差走向不一、匹配出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，具體原因見表5。

表5 瓶蓋外套發(fā)白起鼓和裂紋問題分析與解決方案

3 適應(yīng)白酒高速灌裝線的組合瓶蓋、瓶口結(jié)構(gòu)

智能化白酒高速灌裝線具有高速化、復(fù)合化、精密化、自動(dòng)化、數(shù)字化、綠色化的特點(diǎn)，通過機(jī)器人輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、高速伺服控制、精密定位裝置、視覺檢測、減振抑振等技術(shù)應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、成本、效率和環(huán)保的新需求。

通過組合瓶蓋與瓶口配合出現(xiàn)的質(zhì)量問題及原因分析，面對高速、自動(dòng)化的智能化白酒灌裝線，該如何進(jìn)行匹配呢？首先要解決壓蓋前組合瓶蓋在瓶口上的狀態(tài)問題，其次要解決壓蓋時(shí)瓶蓋內(nèi)套的止轉(zhuǎn)齒與瓶口環(huán)上的防滑齒出現(xiàn)疊齒的問題，第三要解決壓蓋時(shí)蓋內(nèi)塞出現(xiàn)被壓變形，壓蓋后密封不良造成滲漏酒問題。因此，設(shè)計(jì)出合理的組合蓋內(nèi)塞結(jié)構(gòu)、內(nèi)套結(jié)構(gòu)及與之相匹配的瓶口結(jié)構(gòu)是解決問題的癥結(jié)所在。

3.1 組合瓶蓋結(jié)構(gòu)

要使內(nèi)塞提前進(jìn)入瓶口穩(wěn)定瓶蓋，增加一個(gè)圓柱段且外邊沿設(shè)置有對稱的豎直導(dǎo)向筋，在組合瓶蓋壓入瓶口前，瓶蓋以自身重量將豎直導(dǎo)向筋內(nèi)塞圓柱段提前進(jìn)入瓶口，使瓶蓋豎直立于瓶口上，同時(shí)加長瓶蓋內(nèi)套上的止轉(zhuǎn)齒長度，使之與瓶口外的防滑齒有預(yù)嚙合并有1 mm 預(yù)導(dǎo)向。為保證瓶蓋的密封性能，推薦一組經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考：瓶蓋內(nèi)塞較瓶口內(nèi)徑過盈量控制在0.8～1.0 mm，內(nèi)塞壁厚0.7～0.8 mm，內(nèi)塞有效密封面高度可選4～6 mm之間。優(yōu)化的組合瓶蓋結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 組合瓶蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2 瓶口結(jié)構(gòu)

瓶口管控按照一般要求進(jìn)行管控，在此推薦一組經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考：瓶口內(nèi)壁與端面處倒角R 1.0 mm，瓶口端面以下內(nèi)壁5 mm 以上平直、光滑，酒瓶容量500 mL 及以上瓶口直段防滑齒長≥7 mm，瓶口卡臺與豎直面成90°清角和外沿R 角控制在0.3 mm 以內(nèi)，瓶口鎖扣卡臺徑向單邊尺寸≥0.8 mm，瓶口卡臺與防滑齒凹槽間距為4～4.5 mm，瓶口齒外徑或齒根部直徑按瓶口圖控制在公差范圍內(nèi)。瓶口優(yōu)化尺寸見圖4。

圖4 瓶口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 結(jié)論

綜上組合瓶蓋與瓶口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在高速灌裝線上瓶蓋壓裝到瓶口前，先使瓶蓋呈豎直狀態(tài)放置到瓶口上，通過瓶蓋內(nèi)塞的導(dǎo)向筋引導(dǎo)瓶蓋在瓶口上處于豎直狀態(tài)，防止傳送帶抖動(dòng)引起瓶蓋歪蓋等現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)瓶蓋內(nèi)套上的止轉(zhuǎn)齒與瓶口外圓周上的防滑齒也進(jìn)入預(yù)導(dǎo)向互相嚙合狀態(tài)，防止瓶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)、避免壓蓋時(shí)出現(xiàn)疊齒現(xiàn)象，從而將瓶蓋很好地壓進(jìn)瓶口。在瀘州老窖包裝試驗(yàn)線運(yùn)行12000瓶/h 的效果來看，按上述要求設(shè)計(jì)的組合瓶蓋結(jié)構(gòu)與瓶口結(jié)構(gòu)匹配運(yùn)行合理高效。