基于SolidWorks的塑料瓶蓋加熱倉設計及流場仿真

徐敏珍，杭維明，葉 鵬，余益君

(杭州娃哈哈集團有限公司研究院，浙江杭州310018)

0 引 言

自2000年以來，中國的飲料行業得到了快速發展，其中，PET 塑料瓶作為當今使用量最大的飲料包裝，被廣泛用于包裝碳酸飲料、飲用水、果汁和茶飲料等食品飲料包裝領域。每年中國生產的PET 塑料瓶數達百億只。同時與之相配合使用的是塑料瓶蓋，內部主要包括防盜圈、連接橋和密封螺紋等幾個部分。塑料瓶蓋的主要優點在于能夠保證塑料瓶內飲料產品的質量不被惡意破壞，而且可以通過注塑、壓塑等工藝成型，加工方便、使用簡單［1-3］。但是該種塑料瓶蓋的使用要求比較高，當在低于18 ℃的環境溫度下使用時，材料的脆性增加，導致了連接橋斷裂和封蓋不良率提高等問題［4-5］。如何在飲料生產中改進瓶蓋質量，避免上述問題，提高封蓋優良率，已經成為相關行業迫切需要解決的問題。

目前瓶蓋加熱方法主要是以下兩種:

方法一。在瓶蓋投入使用之前，先將其在高于18 ℃的恒溫倉庫中放置24 h 甚至更長的時間，通過提高塑料防盜瓶蓋倉儲環境溫度來提高瓶蓋溫度。

方法二。在瓶蓋投入生產線使用之前，采用熱水浸泡或沖淋的方法來提高塑料防盜瓶蓋的溫度。

上述兩種瓶蓋加熱方法在飲料生產線中都有一定的應用，并且也能取得較好的效果。但是這兩種方法存在著一定的不足，限制了其大面積推廣應用。方法一需要建立恒溫倉庫，占用空間大，且需長期維持一定的溫度，因此能耗較高，而且瓶蓋溫度也不容易控制;方法二的熱水沖淋加熱，存在水質不潔凈造成塑料瓶內飲料產品二次污染的風險，并且瓶蓋沖淋之后還需要進行除水處理，增加了工藝。

針對上述瓶蓋加熱方法的缺點，本研究設計一種新型瓶蓋加熱裝置，該裝置具有結構簡單、安全可靠、節省空間等優點，能更好地解決瓶蓋連接橋斷裂和封蓋不良問題。

1 瓶蓋加熱倉的結構設計

瓶蓋加熱倉采用循環熱風機產生熱風，熱風通過進風口進入蓋倉本體內部，然后由夾套上的網孔進入夾套內部，從而對夾套中的瓶蓋進行加熱處理。加熱后的余風通過上方的出風口流出，由循環熱風機進行循環利用。而加熱后的瓶蓋在振動機構作用下，通過出蓋口被輸送到后續工序進行應用。

瓶蓋加熱倉的結構示意圖如圖1 所示。從圖中可以看出，瓶蓋加熱倉的主要組成部分有:蓋倉本體、夾套、循環熱風機、風管等部件，各主要部件的功能及設計如下:

圖1 加熱倉結構示意圖

(1)蓋倉本體的設計。三維模型如圖2 所示，蓋倉本體用于存儲瓶蓋，并對其進行加熱處理。蓋倉本體為倒立的四棱臺結構，其底部設有瓶蓋出槽口，與輸送帶對應。當需要加熱的瓶蓋在蓋倉本體內部達到預定的溫度后，通過出槽口輸送到提升輸送帶上，轉運到下一個工位進行后續加工處理。

(2)夾套的設計。夾套與蓋倉本體有一定的配合，從而便于瓶蓋的加熱和輸出。夾套上設有網孔，熱風通過夾套上的網孔對夾套內的瓶蓋進行加熱處理，讓被加熱瓶蓋有一個合理的受熱梯度，把熱風集中于即將輸出的瓶蓋，使得新注入瓶蓋快速達到均勻加熱并實現連續輸出的效果。同時，熱風集中于輸出口附近，自然也會有少部分熱風泄漏而沿著瓶蓋輸送管道上升，起到了不錯的保溫作用。因此，網孔的排列規律直接影響到夾套內瓶蓋的加熱效果。一般情況下，夾套上的網孔采用上密下疏布置。

(3)循環熱風機的設計。循環熱風機的作用是提供瓶蓋加熱所需的熱風，同時將加熱后的余風進行循環利用，節省能耗。實際應用中，考慮到熱風損失以及加熱效果，筆者初步選擇盛馳熱風機，型號為HAMR3A-11，電熱功率為3 kW，最大風量為6．8 m3/min，具體參數如表1 所示。

表1 循環熱風機具體參數

另外，循環熱風機設有溫度調節器，加熱控制裝置和急停開關。溫度調節器用來控制循環熱風機的出風溫度，加熱控制裝置用于啟動循環熱風機的風機轉動和空氣加熱功能，以及調節出風量。

2 瓶蓋加熱倉三維流場仿真

考慮到瓶蓋加熱效果以及優化循環熱風機的功率，需要對加熱倉裝置進行一定的仿真分析。本研究采用數值模擬方法，該方法可以對加熱倉裝置中的流場、溫度場等進行分析研究，能夠較好地預測各種因素對流場分布以及熱傳導的影響，有利于后續加熱倉裝置綜合性能的提高以及優化改進［6-9］。

SolidWorks 作為一款主流的三維建模軟件，其自帶SolidWorks Flow Simulation 插件，使用該插件可以很好地利用SolidWorks 的建模功能，無需轉換三維模型，直接進行流體分析，節省了大量的時間與成本［10-11］。為此，本研究首先通過SolidWorks 軟件對加熱倉進行三維建模，然后使用SolidWorks Flow Simulation 模擬熱風在加熱倉中的三維流場，為后續瓶蓋加熱倉的優化設計提供參考［12］。

2．1 模型的建立

根據上述瓶蓋加熱倉的結構示意圖，本研究使用SolidWorks 建立蓋倉裝置的三維模型。考慮到后續仿真計算地簡便，本研究對原始模型進行了簡化處理，簡化后的模型如圖2 所示。

圖2 加熱倉的三維模型

2．2 網格劃分及邊界條件設置

SolidWorks Flow Simulation 采用自適應直角網格，該模型結構簡單，最終可得194 755 個流體網格、137 845個固體網格以及207 551 個部分網格。

本研究針對加熱倉的流場仿真，設置分析類型為內部流動、固體內熱傳導、流體介質為空氣，環境溫度為10 ℃。加熱倉底部設有進風口，熱空氣以50 ℃，0．113 m3/s的流量由進風口流入;上方設有出風口，出風口邊界保持靜壓。

2．3 仿真結果分析

(1)溫度場分布。加熱倉溫度場的截面圖如圖3所示。從圖3 中可以看出，加熱倉中的瓶蓋都進行了充分地加熱處理，并且各個位置處的瓶蓋溫度差別不大，即使溫度較低的局部也達到了38 ℃，滿足瓶蓋加熱的預期目的。因此該裝置可以對加熱倉中的瓶蓋進行充分有效加熱，并且可以很好地控制瓶蓋溫度，從而達到預期的加熱效果。

(2)速度矢量場。速度矢量分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出熱空氣進入蓋倉裝置時速度比較快，遇到夾套阻擋之后速度變慢，并且熱空氣從夾套上的網孔流入夾套內部，對瓶蓋進行加熱。圖4 還可以比較直觀地顯示熱空氣進入蓋倉裝置之后的流動軌跡，由流動軌跡可以得知該裝置的設計比較合理，不存在熱空氣無法抵達的死角。

圖3 溫度分布圖

圖4 速度矢量分布圖

3 生產試驗及結果分析

筆者將本研究設計的瓶蓋加熱倉投入到某條飲料生產線中進行生產試驗，試驗季節為冬季。該生產線的生產速度為2 萬瓶/h，試驗對比時間為24 h，分別對未使用瓶蓋加熱倉和使用瓶蓋加熱倉的生產數據進行統計，計算由瓶蓋斷環、高歪蓋引起的廢品比例，具體數據如表2 所示。

表2 加熱倉使用前后對比

以上數據表明，使用了瓶蓋加熱倉后廢次品比例從2．6‰下降到了0．11‰，很好地解決了低溫環境下因瓶蓋引起的廢品問題。

針對該條飲料生產線，若使用瓶蓋加熱倉裝置，每天節約的飲料瓶總量為:

(759 +434)－(23 +30)=1 140 瓶

按100 天/年的低溫天氣計算，則全年可節約飲料總量為:

1 140 ×100 =11．4 萬瓶

如按每瓶產品的成本1． 5 元計算，則可節約費用為:

11．4 ×1．5 =17．1 萬元

由此可見，使用了瓶蓋加熱倉后，該條飲料生產線每年可節約17．1 萬元，具有較好的經濟效益。

4 結束語

本研究設計了一種塑料瓶蓋加熱倉，在氣溫低時采用熱空氣對塑料瓶蓋進行加熱，提高瓶蓋質量。通過采用SolidWorks Flow Simulation 軟件進行仿真分析，確定該加熱倉具有熱空氣流動效果好，瓶蓋溫升均勻，無加熱死角等優點。

通過實際的生產試驗，確定了采用瓶蓋加熱倉裝置，能夠有效地減少飲料生產中塑料瓶蓋連接橋斷裂的現象，飲料瓶高歪蓋數量也明顯降低，驗證了仿真分析的結果。同時，采用加熱倉，不僅改善了飲料次品和廢品問題，節約了飲料消耗，而且飲料瓶蓋包裝的完善，能夠防止飲料瓶漏液導致飲料接觸空氣而產生霉變等現象，提高了飲料質量，保證了食品安全。

使用該瓶蓋加熱倉裝置，一方面可以使企業降低生產成本，減少質量問題;另一方面，該加熱裝置也可推廣到其他需采用塑料瓶包裝的行業，例如日化用品行業等，具有很好的經濟和社會效益。

［1］程園虎．高速塑料瓶蓋壓塑模具設計與加工［D］． 杭州:浙江大學機械工程學院，2012．

［2］BRANDAU O． Bottles，Preforms and Closures:A Design Guide for PET Packaging［M］． Germany:PET planet Publisher GmbH，2012．

［3］羅 達，梁文杰．低磨損HDPE 飲料瓶蓋壓塑成型模具設計［J］．機電工程，2013，30(4):447-449．

［4］劉建文，何士雯．塑料瓶蓋封口扭力矩對封口質量影響的研究［J］．飲料工業，2005，17(6):28-33．

［5］嚴 欣．談尺寸公差與尺寸極限偏差在塑料包裝成型品中的應用［J］．中國包裝工業，2013(10):87．

［6］李健民，李長友，徐鳳英，等．批式循環糧食干燥機換熱器的三維流場模擬——基于Solidworks［J］． 農機化研究，2013，35(1):18-21．

［7］張仁亮．基于SolidWorks 的風力機葉片三維建模及模擬分析［D］．湘潭:湘潭大學土木工程與力學學院，2012．

［8］李 金，袁 巍．對轉風力機的設計及流場數值模擬［J］．流體機械，2013，41(5):22-28．

［9］彭 軍．SolidWorks Flow Simulation 在氣流紡紗機中的應用［J］．CAD/CAM 與制造業信息化，2012(11):55-56．

［10］Ds． SolidWorks 公司． SolidWorks Flow Simulation 教程［M］．北京:機械工業出版社，2013．

［11］賈寶賢，趙萬生． SolidWorks 在工業造型設計中的應用［J］．機械設計與制造，2003(4):116-117．

［12］劉宏偉．SolidWorks Flow Simulation—企業成功的助推器［J］．CAD/CAM 與制造業信息化，2012(6):51-53．