柔性存儲(chǔ)塔換道小車的設(shè)計(jì)與分析

李玉贊，唐正寧

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

0 引言

隨著飲料行業(yè)市場(chǎng)多樣化需求的增多，小批量、多規(guī)格、個(gè)性化的生產(chǎn)模式對(duì)飲料設(shè)備的柔性加工適應(yīng)性提出了更高的要求[1-2]。所謂柔性生產(chǎn)，簡(jiǎn)而言之就是保證整條飲料生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，即上下游設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致速度不匹配時(shí)，利用中間存儲(chǔ)裝置調(diào)節(jié)生產(chǎn)能力[3-4]。立足于此，反觀飲料包裝的實(shí)際生產(chǎn)線，大部分企業(yè)在灌裝、封盒的上游設(shè)備和裝箱的下游設(shè)備間采用水平輸送存儲(chǔ)系統(tǒng)，但難免遇到故障停機(jī)導(dǎo)致飲料包裝成品被迫堆積在輸送線上的問題，很大程度限制了企業(yè)的生產(chǎn)效益，也脫離了柔性化生產(chǎn)靈活應(yīng)變的要求。而國(guó)外動(dòng)輒上百萬的生產(chǎn)線設(shè)備讓國(guó)內(nèi)企業(yè)望而卻步，且存在適應(yīng)性差、維護(hù)復(fù)雜等不足[5]。因此本文設(shè)計(jì)一種低成本、國(guó)產(chǎn)化的柔性緩沖存儲(chǔ)塔，以垂直堆積緩沖的方法實(shí)現(xiàn)飲料包裝成品的存儲(chǔ)功能，并著重對(duì)換道小車進(jìn)行研究。

1 飲料包裝存儲(chǔ)方案

1.1 方案原理

為解決飲料包裝生產(chǎn)線緩沖存儲(chǔ)問題[6]，在上下游設(shè)備間添加中間存儲(chǔ)裝置，即柔性緩沖存儲(chǔ)塔，如圖1所示，其主要功能為在飲料生產(chǎn)線的上下游設(shè)備速度不匹配時(shí)，可接收或者釋放包裝成品，達(dá)到調(diào)節(jié)整線生產(chǎn)能力的作用。

圖1 柔性緩沖存儲(chǔ)塔Fig.1 Flexible buffer storage tower

柔性存儲(chǔ)裝置如圖2，其工作原理：輸入鏈和輸出鏈分別獨(dú)立且平行設(shè)置，運(yùn)行方向始終相反，驅(qū)動(dòng)鏈輪與雙鏈底部的輪齒同時(shí)嚙合使換道小車整體橫跨于雙鏈間，由2條鏈的速度控制驅(qū)動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸入鏈與輸出鏈的速度一致時(shí)，驅(qū)動(dòng)鏈輪在鏈間相同的位置保持轉(zhuǎn)動(dòng)，飲料包裝制品隨輸入鏈進(jìn)入裝置，首先接觸循環(huán)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向帶，進(jìn)入導(dǎo)向帶與導(dǎo)向輪之間形成的彎曲間隙通道；然后由導(dǎo)向帶帶動(dòng)并改變包裝制品的運(yùn)動(dòng)方向，使制品落于固定板上并始終與導(dǎo)向帶貼合，并引起導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)包裝制品沿彎曲的轉(zhuǎn)移路徑經(jīng)過360°的換向由輸入鏈轉(zhuǎn)移至輸出鏈上，至此完成包裝制品的換道工作。當(dāng)雙鏈速度不一致時(shí)，若輸入鏈速度大于輸出鏈速度，驅(qū)動(dòng)鏈輪帶著整體換道小車沿輸入鏈方向往右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)持續(xù)換道的包裝制品在輸出鏈上并排而立，不斷地在輸出鏈上積累；若輸入鏈速度小于輸出鏈速度，換道小車整體向左運(yùn)動(dòng)，輸入鏈上的包裝制品隨換道而減少。雙鏈的相對(duì)速度差控制換道小車的運(yùn)動(dòng)位置，積累或釋放包裝制品，從而實(shí)現(xiàn)飲料生產(chǎn)線的柔性匹配要求。

圖2 飲料包裝存儲(chǔ)裝置Fig.2 Beverage packaging storage device

1.2 功能要求

研究對(duì)象為飲料包裝成品，可包括盒、瓶、罐等形式的飲料成品。因此，為實(shí)現(xiàn)研究對(duì)象的有序連續(xù)輸送及生產(chǎn)線的高效率要求，提出研究裝置的設(shè)計(jì)要求如下：

（1）平穩(wěn)換向。要求飲料成品在經(jīng)過換道小車時(shí)，連續(xù)平穩(wěn)地從輸入方向轉(zhuǎn)至輸出方向，并不發(fā)生倒伏和損壞現(xiàn)象，符合先進(jìn)先出原則[7]。

（2）緩沖存儲(chǔ)。需具備較大的存儲(chǔ)能力[8]，尤其出現(xiàn)下游設(shè)備的停機(jī)問題時(shí)，可連續(xù)接收上游設(shè)備的包裝成品，為排除故障爭(zhēng)取時(shí)間。

（3）快速輸送。飲料生產(chǎn)線要求高效率低成本，結(jié)合大多數(shù)飲料生產(chǎn)的產(chǎn)能，換道小車需適應(yīng)0～24 000 包 /小時(shí)的輸送能力[9-10]。

1.3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)換道小車在兩鏈間的運(yùn)動(dòng)過程及目標(biāo)供送對(duì)象的輸送功能，將換道小車的工作過程分為換道階段和變動(dòng)階段。

（1）換道階段?；⌒螌?dǎo)向板確定了導(dǎo)向帶的空間形狀，以此形成與導(dǎo)向輪之間的圓弧間隙通道。當(dāng)調(diào)整通道空隙恰好與供送對(duì)象尺寸吻合時(shí)，循環(huán)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向帶接觸輸入鏈上的包裝制品，并將其帶入到間隙通道的固定板上，經(jīng)由皮帶的空間圓弧狀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移至輸出鏈上，離開換道小車。

（2）變動(dòng)階段。柔性化存儲(chǔ)功能要求換道小車在雙鏈間轉(zhuǎn)移包裝制品的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其自身位置的實(shí)時(shí)變動(dòng)，沿輸入鏈方向前進(jìn)即可存儲(chǔ)包裝制品，沿輸出鏈方向后退即釋放已存的包裝制品，在同一個(gè)位置相對(duì)靜止僅作為制品轉(zhuǎn)移的功能部件。換道小車的鏈間運(yùn)動(dòng)情況取決于2條輸送鏈的速度差。

2 換道小車的結(jié)構(gòu)

換道小車依靠雙鏈與驅(qū)動(dòng)鏈輪的可嚙合傳動(dòng)凸緣進(jìn)行鏈間轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，同時(shí)具有制品換道、存儲(chǔ)、釋放功能。根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)換道小車的整體結(jié)構(gòu)，主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、制品換道機(jī)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和彈簧補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等組成，如圖3所示。

圖3 換道小車整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of lane changing trolley

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)即帶動(dòng)換道小車整體移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)鏈輪，位于輸入鏈和輸出鏈之間，同時(shí)嚙合于雙鏈的可傳動(dòng)凸緣。雙鏈的運(yùn)行帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏈輪在鏈間的轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)速度差決定鏈輪的移動(dòng)方向。驅(qū)動(dòng)鏈輪安裝于驅(qū)動(dòng)軸上，將動(dòng)力傳遞到皮帶輪，形成導(dǎo)向帶的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)鏈輪的直徑大小由鏈間距離決定。

2.2 制品換道機(jī)構(gòu)

飲料包裝制品的換道機(jī)構(gòu)是裝置的核心部分，主要包括導(dǎo)向輪、導(dǎo)向帶、弧形導(dǎo)向板和固定板等結(jié)構(gòu)?；⌒螌?dǎo)向板橫跨于雙鏈上方，其邊緣在輸送鏈的寬度方向上延伸，導(dǎo)向帶由插孔于弧形導(dǎo)向板中的導(dǎo)向錕和皮帶輪承接而成環(huán)形，以完全接觸鏈上的包裝制品實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)換道。可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)向輪與導(dǎo)向帶位于同一平面，2者形成圓弧空間通道。導(dǎo)向輪的直徑略大于鏈間直線距離，且采用摩擦系數(shù)較小的材料，以直接接觸雙鏈上的包裝制品，減小因間隙引起的倒伏現(xiàn)象。固定板是防止制品轉(zhuǎn)彎換道時(shí)在鏈間掉落，起到承接制品的作用，其表面宜盡量光滑，且上表面應(yīng)略低于雙鏈水平面，保證包裝制品的順利換道。

2.3 偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)鏈輪安裝于前部支撐板上，弧形導(dǎo)向板和固定板具有各自的支承件，并一起安裝于后部支撐板上。前、后部支撐板與弧形導(dǎo)向板支承件、固定板支承件之間添加不同傳動(dòng)比的偏轉(zhuǎn)齒輪，使得換道小車行駛至輸送鏈彎道時(shí)，前、后部支撐板的轉(zhuǎn)動(dòng)可以傳送至弧形導(dǎo)向板及固定板的支承件，以確保弧形導(dǎo)向板一直垂直于輸送鏈平面，而固定板兩側(cè)邊緣始終與雙鏈平行，保證雙鏈間的制品換道過程不會(huì)中斷，如圖4所示。

圖4 偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.4 Deflection mechanism

2.4 彈簧補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

彈簧補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括2件帶有安裝孔的補(bǔ)償器，通過彈簧相互連接，如圖5所示。導(dǎo)向帶通過皮帶輥安裝在補(bǔ)償器上，調(diào)節(jié)彈簧在安裝孔內(nèi)的位置，以改變2件補(bǔ)償器的相對(duì)距離，從而調(diào)整皮帶輥的位置來增加或減少皮帶的張力。通過剛性部件將補(bǔ)償器與弧形導(dǎo)向板聯(lián)接，補(bǔ)償換道小車經(jīng)過輸送鏈彎曲部分時(shí)可能引起的導(dǎo)向帶長(zhǎng)度及位置的變化，從而保證制品轉(zhuǎn)移速度的穩(wěn)定。

圖5 彈簧補(bǔ)償機(jī)構(gòu)Fig.5 Spring compensating mechanism

3 關(guān)鍵參數(shù)及運(yùn)動(dòng)分析

3.1 直線段驅(qū)動(dòng)鏈輪速度分析

由工作原理可知，整體換道小車的移動(dòng)取決于雙鏈的速度差，且雙鏈速度方向總是相反，可將鏈輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)化為如圖6所示。V1為輸入鏈的速度，V2為輸出鏈的速度，V為鏈輪移動(dòng)的速度，ω為鏈輪角速度。

圖6 鏈輪速度示意Fig.6 Sprocket speed diagram

聯(lián)立可得公式：

由此解得：

2條輸送鏈的速度由電機(jī)分別控制，從而匹配上下游設(shè)備的工作速度，因此存在輸送鏈速度不等的情況，將雙鏈不同輸送速度的工作狀態(tài)細(xì)分為以下5種：

（1）V1≠ 0，V2=0，在此情況下，計(jì)算得鏈輪移動(dòng)速度及角速度分別為 V=V1/2，ω =V1/2R1。此時(shí)，換道小車整體沿輸入鏈的速度方向運(yùn)動(dòng)，視為前進(jìn)方向，通過換道功能使得包裝制品存儲(chǔ)在輸出鏈上，為下游設(shè)備的故障排除爭(zhēng)取時(shí)間。

（2）V1=0，V2≠ 0，同理得 V=V2/2，ω =V2/2R1。此時(shí)，換道小車整體沿輸出鏈的速度方向運(yùn)動(dòng)，視為后退方向，先前存儲(chǔ)的包裝制品被釋放出緩沖塔，輸送至下游設(shè)備。

（3）V1、V2≠ 0，V1＞ V2，計(jì)算得 V=（V1-V2）/2＞ 0，ω =（V1+V2）/2R1。此時(shí)的換道小車整體仍沿輸入鏈的速度方向運(yùn)動(dòng)，視為前進(jìn)方向，換道使得包裝制品被存儲(chǔ)在輸出鏈上，起生產(chǎn)線緩沖存儲(chǔ)作用。

（4）V1、V2≠ 0，V1＜ V2，計(jì)算得 V=（V1-V2）/2＜ 0，ω =（V1+V2）/2R1。此時(shí)換道小車沿輸出鏈的速度方向運(yùn)動(dòng)，視為后退方向，之前的包裝制品隨輸出鏈離開緩沖塔，被釋放至下游設(shè)備以便完成后續(xù)工序。

（5）V1、V2≠ 0，V1=V2，計(jì)算得鏈輪移動(dòng)速度及角速度分別為V=0，ω=V1/R1=V2/R1。此時(shí)，換道小車整體相對(duì)輸送鏈的位置不動(dòng)，表現(xiàn)為鏈輪始終在同一位置轉(zhuǎn)動(dòng)，而包裝制品也在相同位置被轉(zhuǎn)移至輸出鏈。換道小車僅實(shí)現(xiàn)制品換道的功能。

3.2 被轉(zhuǎn)移物的底部寬度

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的速度關(guān)系，可求得被轉(zhuǎn)移物的底部寬度，前提是假設(shè)換道的包裝制品按普通狀態(tài)直立輸送。為方便計(jì)算，將換道小車的運(yùn)行位置一直置于雙鏈的直線段，且設(shè)定輸入鏈的速度V1≠0，而輸出鏈的速度V2=0。由換道小車的結(jié)構(gòu)關(guān)系分析，驅(qū)動(dòng)鏈輪沿輸入鏈方向前進(jìn)的距離應(yīng)該等于導(dǎo)向輪在鏈間直線段移動(dòng)的距離，即包裝制品換道引起導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)過的180°的弧長(zhǎng)，如圖7所示。

圖7 包裝制品轉(zhuǎn)移路徑示意Fig.7 Schematic diagram of transfer route of packaging products

將包裝制品從接觸導(dǎo)向輪換向至輸出鏈經(jīng)過的距離或者弧長(zhǎng)記為s。

經(jīng)過計(jì)算及驗(yàn)證，設(shè)定輸入鏈的速度V1為0.4 m/s，已知包裝制品經(jīng)歷的整個(gè)換向過程的時(shí)間t約為3s，記s'為導(dǎo)向輪在鏈間直線段走過的距離，即驅(qū)動(dòng)鏈輪直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的距離。

根據(jù)裝置的轉(zhuǎn)移要求和雙鏈間的距離，取r為160 mm，即導(dǎo)向輪的半徑。而s=s'，由此計(jì)算被轉(zhuǎn)移物底部寬度b的結(jié)果：

因此，該換道小車對(duì)于可承載的包裝制品具有一定的選擇性，即適用于直立狀態(tài)下底部寬度不超過62 mm的包裝制品。

4 結(jié)語

本文立足于飲料包裝輸送線，在不干涉上下游設(shè)備的情況下，設(shè)計(jì)一款獨(dú)立于生產(chǎn)線的中間存儲(chǔ)裝置，實(shí)現(xiàn)包裝制品的積累或者釋放功能，以柔性匹配上下游設(shè)備的生產(chǎn)能力，可適用于底部寬度不超過62 mm的盒型、罐型、瓶型等飲料包裝單元。根據(jù)功能要求，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了集換道和移動(dòng)存儲(chǔ)于一體的換道小車。換道功能依托于制品換道機(jī)構(gòu)，由導(dǎo)向輪及導(dǎo)向帶形成中間圓弧軌道，可以讓導(dǎo)向帶接觸并帶動(dòng)包裝制品完成輸入鏈至輸出鏈的轉(zhuǎn)移過程；移動(dòng)存儲(chǔ)功能由換道機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)鏈輪與雙鏈底部凸緣嚙合，根據(jù)雙鏈的速度差完成整體換道小車的鏈間移動(dòng)，以達(dá)到制品在輸出鏈上并排積累或者釋放輸入鏈上已存制品的目的；換道機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)由相關(guān)支承件連接，形成偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以保證換道小車彎道運(yùn)行時(shí)制品轉(zhuǎn)移的連續(xù)性，另設(shè)補(bǔ)償器裝置調(diào)節(jié)導(dǎo)向帶的張緊力。設(shè)計(jì)的自動(dòng)換向、柔性存儲(chǔ)的裝置為包裝制品在上下游設(shè)備間的緩存問題提供了解決方案。