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货架延时对瓶盖松开力矩的影响

2014/8/21 12:06:14  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  胡协方1,李光1,Paul S.Von Till2

  (1.株洲工学院机械系,湖南株洲412008;2.罗杰斯大学,美国新泽西州)

  [摘要] 以瓶盖的“松开力矩Tq”作为衡量瓶盖密封程度的参数(Tq越大,说明其密封性越好),研究并发现Tq与商品在货架上的摆放延时te之间呈单驼峰的近似三阶曲线关系。在商品摆上货架的最初短期内,Tq呈增长趋势(密封变紧),在10天左右时达到最高值(密封最紧),然后逐渐下降(密封变松)。

  有很多因素影响瓶盖的松开力矩Tq,例如由于热胀冷缩效应和塑料的吸湿性,温度和湿度可以使松开力矩下降;旋盖操作工艺同样也对Tq有重大影响,因为瓶盖是由旋盖机旋紧的,旋盖方法在很大程度上决定了实际的旋紧力矩Ta的大小。另外,瓶盖材料、衬垫材料、瓶体材料、瓶口形貌以及旋纹个数等都对Tq有着程度不同的影响。

  在本项目研究过程中,以上这些因素保持不变,而仅仅考虑商品在货架上的延时te对Tq的影响,研究Tq-te之间的关系,为恰当地制定商品的货架寿命提供一条依据。之所以选择Tq作为研究目标,其一是它能真实地反应瓶盖与瓶体之间的密封程度;其二是因为它很容易被测量;其三是因为与其相对应的旋紧力矩Ta是衡量旋盖效果的重要指标。

  1 试验

  1.1 试验材料及仪器

  (1) 瓶体:20盎司PET塑料瓶,重28.5g,瓶口直径28mm;

  (2) 瓶盖:盖体为聚丙烯塑料,乙烯基衬垫,重3.5g,单头螺纹;

  (3) 试验在一台电子力矩计上进行,测量范围5Nm,力矩计包含有数字力矩值显示屏、力矩设置控制面板和夹具。力矩计分别测量出瓶盖被旋紧或被旋松时所需的力矩值。

  在旋紧操作时,当力矩达到预先设定的值(此值可以通过控制面板调节)时,力矩计自动停止旋紧动作,以保证旋紧力矩为预设置Ta。在旋松操作时,显示屏能记录旋松过程中所达到的最大力矩值,即所谓的松开力矩Tq。

  1.2 试验设计

  本试验中,系统自变量参数包括旋紧力矩Ta和货架延时te,因变量是松开力矩Tq。Ta可以由电子力矩计的控制面板设置到预定值;货架延时te被定义为从瓶盖被旋紧起到被松开时为止的一般时间。

  本试验中,如表1所示,货架延时te共选用8个水平,设置在(0.0001~100天)内,这一时段与绝大多数碳酸类饮料的货架寿命相对应,一般半公升瓶装饮料的货架寿命为8周,而一公升装的为12周。瓶盖的旋紧力矩选用了4个水平,设置在(1.7~3.4Nm)内。

  整个试验采用重复5次的全因子试验,取5次的平均值获取试验数据,共使用160套瓶盖。

  1.3 测试程序

  在试验中,每套瓶盖都只使用一次。旋紧力矩的4个水平值分别为:1.7,2.2,2.7,3.2Nm;160套瓶盖根据4个不同旋紧力矩的水平平均分为4组,每一组对应的货架延时分别为0.0001、0.001、0.01、0.1、1、10、30和100天。

  第一步:手工将各瓶盖套放到瓶口上,并略为拧紧。

  第二步:在力矩计的夹具上将瓶盖旋紧至旋紧力矩达到预定的水平值。

  第三步:在各对应不同的货架延时时刻,借助力矩计夹具松开已旋紧的瓶盖,测试并记录相应的松开力矩数据。

  1.4 试验结果

  如表2和图1所示,试验结果表明,无论对哪个不同的旋紧力矩水平,瓶盖的松开力矩Tq与货架延时lgte之间均表现出单驼峰曲线。

  据此,采用了3阶模型对实验数据进行曲线拟合分析,发现旋紧力矩Ta和货架延时lgte二者都对松开力矩Tq有显著影响,且3阶模型很符合试验数据的平均值,图2显示了根据3阶拟合曲线模型计算出松开力矩理论预测值,它们与试验值相当接近。

  由试验数据和拟合模型可知:松开力矩Tq最初随着货架延时的延长而缓慢增加;接着以比较快的速度继续增加到最高值(大约10天左右);然后逐渐下降。由于横轴(货架延时)是一对数轴线,很显然可知Tq的增长发生在瓶盖被旋后的最初一段时间内。

  2 结论

  瓶盖松开力矩Tq与货架延时lgte二者之间呈现出单驼峰曲线关系,这种现象是由于多种不同性质的材料(PET瓶体、乙烯基衬垫和PP瓶盖)相互作用的结果。当瓶盖被旋紧时,瓶口顶住并切入衬垫,并由于摩擦带动瓶口扭转。由于强烈的相互作用,使得衬垫与瓶口之间在一段时间内产生越来越强的粘着力,密封效果变得更牢固,这样需要较大的松开力矩才能拧开瓶盖。经过一段时间后(10天左右),衬垫与瓶口之间的相互作用逐渐减弱,因而使得瓶盖的松开力矩逐渐下降。

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