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1、关于输瓶系统设计的理论和实践二零零八年一份有关对瓶装技术文献的调查表明，输送系统方面的技术文献十分匮乏，而有关瓶装厂整体平面设计的材料尤为不足。本文章的目的是为使读者对瓶装线的平面布置、设计及性能有一个更好的了解，指出工厂规划时应注意的一些重要细节，并阐述现代化输送系统的概念。对输瓶系统设计的理论和实践作一般性论述。生产线的效率和15年或20年前比较，现代的输送系统在能力，自动化，人力需求以及相关的每单位生产成本方面，已发生重大的变化。20年前，每分钟400瓶产量的生产线已堪称大线，当今的生产线每分钟产量可达1000瓶，甚至1200瓶，1300瓶。然而，这类生产线已非常规安装，而是综合的系统，
2、在各功能单元使用两台或三台单机，此类生产线包括洗瓶机组，灌装机组，杀菌机组，贴标机组等等，由一套复杂的输送系统完成连接。由于过去十年巨大的技术进步使得生产线能力大幅度提高，也是瓶装行业要求降低成本的结果。然而，如果没有技术革新性产物（自动控制系统）的出现，树是长不上天的，目前生产能力为1200至1300瓶/分的生产线已非常接近上限。先进的技术也具有弊端。由于维护此类巨型生产线运行的庞大费用已接近平衡点，进一步提高生产能力未必能降低灌装单位成本。（图1）和（图2）则概略的显示出1000瓶/分生产线中的下降趋势，在此水平以上，由于某些单机需要使用两台，成本也可能增加，通常来说，在每分钟300100
3、0瓶范围内提高生产能力，可挖掘主要获利潜力。除了利润率下降之外，高速线还有其他一些弊端。机器停机次数增加，部分是由于生产线的复杂性，部分是由于难以达到理想的防范性维护保养，而且，即使是很小的瓶子尺寸误差，生产线也不能接受。全球范围都在努力使瓶子标准化。因此也减少了这一方面的顾虑，尽管如此，瓶子尺寸的差异仍是降低瓶装线效率的一个主要原因。事实表明，随着生产线能力的提高，整线效率显示明显的下降趋势，造成此下降的原因不能简单归结于设备，操作上的经验，智力和体力状况，熟练程度也大大影响生产线的产量，随着生产线能力的提高，对操作人员的要求也随之增加，如果由效率低下，技术不熟练，没有积极性的人员操作，即使
4、是最好的设备也只会导致失败。通常情况下，瓶装线即使配备最好的单机， 由受过高度培训的人员来操作，其状况也难令人满意，此种状态，在大多数情况下，是由于输瓶系统不力造成，尽管洗瓶、灌装、杀菌、包装各单机近几年来已取得长足的发展，而输送系统近年来却少有建树。当认识到20年前的一些理论仍使用在现金高速线输送系统的构建中时，输瓶系统的不足之处已再明显不过了。多年前，输送系统被看作各单机之间必要的联接，而现代化高速生产线的输送系统则是复杂生产体系中不可分割的一部分，最近也已认识到输送系统的正确设计和布置对于整线的性能和效率，和操作良好的各单机一样重要。以上对于输送系统的新认识加速了更合理的系统构建及新措施
5、的发展，导致了在经济上和效率上进一步提高了的更先进的系统，从而出现了理想的，规划合理的现代瓶装生产线。判断一条生产线性能最关键的一个术语是灌装效率。由于在机械效率和灌装效率之间并无明确的区分，此术语易造成混淆，机械故障大约会造成50%的设备停机，操作工的熟练程度会造成约40%的停机，其他原因约占10%，下面我们只说灌装效率，这个概念包括各设备性能的总体结果。操作人员的以及生产过程涉及的原料，包括啤酒、酒瓶、瓶盖、标纸、浆糊等等。总的来说，灌装效率定义如下：生产时间内实际产量100效率%= 生产时间内理论产量以上概念中，对实际产量的估算并无难度，其他两个因素生产时间和理论产量却可以用不同的方式计
6、算，从而使得不同生产线之间的对比非常困难。生产线理论产量通常定义为生产能力最小的单机“瓶颈”单机的理论产量例如：对于生产能力在500600瓶/分的生产线，该单机通常是指灌装机，对于生产能力更高的生产线，如果灌装的“瓶颈”已通过使用两台灌装机加以避免，则其他单机，如洗瓶机，杀菌机有可能成为“瓶颈”单机，单机的理论产量在数值上应等于设备制造商厂方保证的设备在理想状态下的最大产量，此数值通常小于设备的实际最大产量，因为设备制造商留有一定余地地以弥补必要停机造成的产量损失。在此定义中可允许为同生产线之间的最大产量差异，输瓶系统也应和生产线设计速度配套，在以上效率的计算中，使用设备制造厂商的标明产量。生
7、产时间可指从第一个瓶子离开卸箱机（或洗瓶机）至最后一个瓶子进入装箱机之间的时间。大部分啤酒厂不使用这种计算方法。他们的计算方法是指第一个瓶子进入“瓶颈”单机直至此单机停机作为一种更准确的计算。此种计算方法忽略了生产线上瓶的时间损失，和上一种计算方法相比，也可获得更大的效率数据，生产线上瓶造成的时间损失也是相当可观的（如图3）。将两条生产线做比较，一条使用瞬时杀菌机（上瓶的时间约为15分钟）另一条使用通道式杀菌机（上瓶时间75分钟），就不难看出设备的类型以及总生产时间会大大影响灌装效率。为了能比较不同的灌装线，通常接受使用“瓶颈”单机的生产时间，这样就可避免上述不利因素，并使得效率能在相同条件下
8、进行比较。生产线灌装效率究竟能提高到什么样的水平？对此并无明确答案；在低速线（300400瓶/分）上实现最大生产生产效率相对1000瓶/分的生产线要容易的多，通常情况，生产能力在500瓶/分以下有生产线可望达到至少90%的灌装效率。此类线的实际生产效率可达94%、95%甚至更高，500瓶/分以上的生产线，灌装效率在90%80%之间就比较常见了。然而，实际生产中，大多数生产线的效率低的多，本文将展开讨论输瓶系统在这些案例中的影响，并指出一些提高灌装效率增加生产线产量的可行方法和措施。首先，在讨论啤酒厂的生产时应注意一些基本条件，理想的性能源于：1. 操作人员的技能，经验及积极性2. 设备的效率性
9、能3. 灌装过程中涉及材料的质量关于输瓶系统诸要素瓶子的输送是一个待执行的功能；参与此执行过程的有设备，人员材料及输送设备，人们认为现行的最佳输送设备为平顶链板输送系统。然而，也应该注意其它类型输送系统，如丝网过钢片输送设备，通常经改进可用于高速场合，以及在某些场合下，如在较宽幅的输送情况下，可取代平顶链板输送设备，基于这一情况，以下讨论也就平顶链板式输送设备展开。只有效率和人员熟练程度达到最大值时，才能达到生产线的最大产出，这一点很值得一提，因为由于操作人员造成的低产出往往比设备本身要大。在大多数情况下，造成产出不足的原因很容易找到，人们往往把更多的精力放在选择最好的设备上，但最后规划人员总
10、发现没有时间对平面布置和输送系统进行决策。这一重要步骤便被一带而过，造成各单机由设计非常差的输送系统连接，生产线甚至无法达到中等生产水平。一条瓶装线需要相当可观的投资。生产线应实现尽可能高的灌装效率。人们基本上接受造成生产量下降的主要原因为非标瓶子，阻瓶破瓶以及倒瓶等常见因素造成频繁而不可避免的停机的观点。生产线中一部分设备比其他设备更为“娇气”，因此，为了保证平稳而连续的生产，这一点在规划时也应考虑。如果忽略这一点，将造成效率的降低。通常情况下，生产线的协调规划也是很差的。最常见的情况是在设备选型之前，在确保设备能否合理的安排，输送系统能否简便而有效地连接之前，厂房的大小及形状已经确定，最理
11、想的程序应该是先决定生产线的能力，设备选型及平面布置，然后再相应的调整厂房。事实上，这种情况很少，在大多数情况下，规划人员面临的问题是如何将一条新线安装到一个旧的，过时的设备刚刚撤出的空间内，不管这一空间是否合理。无论是什么项目，对于规划必须给予最大的关注。这项工作必须由专家完成！如上所述，造成降低效率的主要原因是不可避免的短暂停机，其频率主要由瓶子及当时条件决定，记住这一点，输送系统规划时应解决的问题可概要如下：“将特定数量的瓶子从一单机以适当的速率和速度，以最小的精力，费用，损失，噪音及干扰传送到另一单机”。以上概述包括以下主要因素：a. 重要的是瓶子以正确的速率达到生产线的各单机；应避免
12、由于单机供瓶不足（或供瓶过量）造成的产量损失。同样的各单机处理完的瓶子也应以正确的速率送走。b. 通常输瓶带的速度不应超过1520m/分（5065英尺/分），否则容易造成倒瓶及破瓶（阻瓶造成的噪音是一个特殊问题），在某些地方可采用更高的速度，如灌装机的进瓶，出瓶端，贴标机前后，验瓶机，这些地方必须使用单道，以上各段瓶带速度短时间可达5060m/分（165195英尺/分）。 当瓶带速度达到60m/分时，有必要根据速度限值分步骤变速。拿一个半径为30mm（1-3/16英寸），重心高度为80mm（3-5/32英寸）的瓶子为例，其最大速度或速度限值（v）为19.4m/分（64英尺/分），其变速应分两步
13、完成，具体说，60m /分至41m/分，然后41m/分至22m/分（195135英尺/分，然后13572英尺/分）。如果是超高速情况，（图5a.5b）建议超过40m/分部分以减速，40m/分以下部分以完成减速。在以上速度时可能发生的问题很值得考虑。有关速度变化及瓶子稳定性的条件在随后有概要的阐述。假设一个重为m的瓶子以Vm/秒的速度移动，然而突然停止（v=0）（图4），瓶子的重心仍为沿中心为O的一条路径继续移动，半径为R，角速度为，从C1点到C2点，也有可能至C3点。当C2的投影点在O位置以内，瓶子仍处于平衡状态，在C3点，瓶子会继续翻转直至倒到输瓶带上。在C2平衡点，可用以下简等式表示： m
14、v = mgx (1) 2 以上等式中，m为瓶子的质量，单位 千克 V是瓶子的线速度，单位 米/秒 g是地球的重力加速度，单位 9.8米/秒 x是瓶子在翻转过程中，重心的升高。 因为X=（RH）=（ H+r）1/2H （2）那么：V 2/2=g(H+r)1/2H （3）就可得出 V= （4）所以，瓶子允许最大变速值 =V （5）如果考虑的是瓶子的总翻转力而不是瓶子的质量，则速度值V应增加25%因为瓶子本身有一个“抗翻转力”。例：1. H= 80mm，r=30mm，V=03323m/秒，或19.4m/分2. H=160mm，r=60mm, V=0.463m/秒，或37.8m/分3. H=160m
15、m, r=30mm, V=0.222m/秒，或13.3m/分英制单位表示如下：1. H=3-9/64英寸，r=1-3/16英寸，V=1.065英尺/秒，63.5英尺/分2. H=6-9/32英寸，r=1-3/16英寸，V=0.727英尺/秒，43.5英尺/分3. H=6-9/32英寸，r=1-3/16英寸，V=0.727英尺/秒，43.5英尺/分应注意，啤酒厂常用的稳定性函数H/2r和瓶子的速度并没有正比关系。这一点可由等式（1）解释，等式（1）中，V =2gx；V=k(x) 1/2 如果将X=（H+r）1/2H代入等式（1）中，可得出瓶子的最大限速受H及r平方根的变化影响。C. 当瓶子从一台单机输送到另一台单机时，可能会发生损坏及干扰，当生产线能力增加时，其增幅也大为增加。瓶子的形状和表面在此中关系重大。1 瓶子最佳外为圆柱形，瓶子的直径和高度比（稳定性函数）也应该正确。作为一条规则，此比例不应超过1：4。更可靠的瓶子稳定性函数表达方法为瓶子重心高度和瓶子直径之比。此比例不应
