超聲波洗箱機的結構優(yōu)化設計

武 濤

(江蘇財經職業(yè)技術學院 智能制造綜合實訓中心，江蘇 淮安 223003)

0 引言

全自動超聲波洗箱機填補了市場上回收瓶自動清理設備的空白[1-3]，但在生產過程中仍出現(xiàn)了很多亟待解決的問題。概括起來主要問題如下：洗箱產能不足，現(xiàn)有的主流生產線產量為40 000 瓶/h；個別有頑固污漬的玻璃瓶瓶底清洗不凈；進出箱氣缸壽命太短，更換頻繁；箱籠易變形，使用壽命短；箱籠進箱數(shù)量出錯或周轉箱定位不準時壓蓋壓不下去，造成翻轉時漏瓶，在箱籠運轉到超聲波發(fā)生器時壓蓋與發(fā)生器撞擊，造成設備損壞；箱籠螺絲易松動，造成箱籠解體；漂浮排污管口氣動蝶閥易堵塞。

根據在生產過程中出現(xiàn)的問題，本文分析洗箱機各部分結構[4-9]并對其進行優(yōu)化設計。

1 輸送鏈裝置的優(yōu)化設計

通過觀察和分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)瓶底污漬殘留的原因是由于瓶中容液量達不到100%，箱籠翻轉入水后，瓶底的位置并不能與清洗劑接觸，超聲波也因水介質接觸不到瓶底而起不到清洗瓶底的作用。所以為了充分利用清洗液和超聲波，箱籠翻轉入清洗液面以下后瓶中的清洗液必須是充滿的。原輸送鏈裝置結構如圖1所示，在進箱位通過進箱裝置將帶瓶周轉箱2送入安裝在輸送鏈1上的箱籠3中，輸送鏈1運轉，在灌注位向瓶內充水，在清洗位超聲波清洗，在控水位倒出瓶中水，在出箱位通過出箱裝置將周轉箱推到輸送帶上。從解決清洗不凈問題角度出發(fā)得出兩種結構優(yōu)化方案，分別如圖2和圖3所示。

優(yōu)化方案一和方案二均為鏈傳動，適合潮濕環(huán)境；動力為減速電機，方便調速和制動，控制方便；方案一整個傳動系統(tǒng)尺寸更小一些，其換能器下的空間方便清理沉積物；安全防護方面，在電機與主動軸之間加入扭矩限制裝置；在鏈條運行軌跡方面，進箱位與出箱位相同，灌注位同為沉入液面下的設計，可使玻璃瓶和周轉箱中的較輕臟物無障礙漂浮到液面，使清洗液自動流入向上的瓶口，并在翻轉時保持滿瓶狀態(tài)；控水位都是一個工位的控水時間，滿足使用要求；方案二的清洗位更簡便，安裝更簡單；完成漂浮臟物收集的水波是運轉的箱籠攪動表層液面產生的。在方案二中，箱籠離液面太遠，產生的水波不明顯，結果就是水箱內漂浮物堆積，既影響清洗效果又使臟物無法及時排出。綜合對比后，可知方案一的效果更佳。

1-輸送鏈;2-帶瓶周轉箱;3-箱籠;4-超聲波換能器

1-輸送鏈;2-帶瓶周轉箱;3-箱籠;4-超聲波換能器

2 推箱裝置的優(yōu)化設計

在輸送鏈裝置側面設置有進箱裝置(如圖4所示)和出箱裝置(如圖5所示)。進箱裝置負責將周轉箱從輸送帶推入箱籠，其動作過程為：推手4縮回，輸送帶輸送3只周轉箱到進箱位置，無桿氣缸1退到尾部，推手4伸出，無桿氣缸1前進到頭部，推手將周轉箱推入箱籠6。出箱裝置負責將箱籠推出到輸送帶上，箱籠3到位后氣缸1伸出，將箱籠3里的周轉箱4推到輸送帶5上，然后氣缸1縮回。這兩個裝置因動作頻繁的原因，為其提供動力的氣缸使用壽命低于半年，使檢查維修任務非常繁重；另外出箱裝置的推箱氣缸行程過長，導致氣缸推桿和導向桿在伸出較多時，因自身重力和較長力臂的作用，推桿和導向桿根部所受力矩極大，所以此處易出現(xiàn)卡頓且磨損嚴重。

1-輸送鏈;2-帶瓶周轉箱;3-箱籠;4-超聲波換能器

1-無桿氣缸;2-導軌;3-輸送帶;4-推手;5-周轉箱;6-箱籠

1-氣缸;2-導向桿;3-箱籠;4-周轉箱;5-輸送帶

為解決上述問題，分析推箱裝置的傳動特點如下：①行程較長，至少需要1.4 m；②阻力較小，推動4只周轉箱在圓鋼軌道上滑行；③潮濕環(huán)境，因為設備功能是清洗，濕度大；④不需要很精確的位移，但行程的往返點需要方便調整；⑤受周轉箱輸送時間影響，往復運動間隔時間不是規(guī)律恒定的，所以需要控制方便；⑥需適應頻繁動作，或者降低維護成本。

因進箱和出箱的推箱裝置為相近行程的直線運動，可以對進箱和出箱兩部分的推箱動力機構統(tǒng)一設計。將動力源改為減速電機，電動機的控制更加成熟，方便調速和制動。可將電動機旋轉運動轉化為直線運動的方式有很多，經過對比選擇同步帶傳動。

同步帶結合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，在自動化設備中應用廣泛。同步帶抗拉層變形小，能保持同步帶周節(jié)不變，故皮帶與帶輪之間沒有相對滑動，從而保證同步傳動。同步帶傳動平穩(wěn)，效率高，具有緩沖、減振能力，噪聲很低；可適應惡劣環(huán)境并且維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低。此外，同步帶可用于長距離傳動，速比范圍大，一般可達10，線速度可達50 m/s；相對于V型帶傳送，預緊力較小，軸和軸承上所受載荷小。

結合如上所述給出兩種同步帶傳動方案，分別如圖6和圖7所示。對比使用性能，方案一的結構受力更均衡，但由于整體行程過長，為使方案一的兩根導軌1保持平行加工難度和裝配難度較大，運行過程易產生卡頓現(xiàn)象，造成電機功率額外消耗、降低生產效率和損壞零件。因此選擇方案二。

1-導軌;2-滑塊;3-夾塊;4-同步帶;5-主動輪;6-被動輪

1-導軌;2-滑塊;3-夾塊;4-同步帶;5-主動輪;6-被動輪

氣缸推桿和導向桿在伸出較多時，因自身重力和較長力臂的作用，推桿和導向桿根部磨損嚴重。針對這一問題，考慮到推桿受力較小，可將出箱推桿改為輕質空心管。

3 箱籠的優(yōu)化設計

箱籠部件如圖8所示，在進箱工位時，通過箱籠定位滾輪和定位軌道以及鏈軌道的作用將箱籠夾持在進箱口水平位置上，頂蓋軌道上的頂蓋滾輪通過導向框架和導向軸將壓蓋頂起，此時3個周轉箱從箱籠側口進入，同時另一側定位裝置氣缸伸出，將3個周轉箱推到箱籠中間位置。此時輸送鏈運行一個工位，箱籠脫離頂蓋軌道位置，壓蓋因彈簧壓力回落壓緊周轉箱，壓蓋的形狀恰好可以伸入周轉箱卡住玻璃瓶和周轉箱。箱籠到出箱位時，頂蓋滾輪沿斜坡滾到頂蓋軌道上，將壓蓋再次頂起，此時就可以推出周轉箱了。

經觀察和分析，箱籠結構出現(xiàn)問題的主要原因如下：①箱籠進入出箱位時，頂蓋滾輪與頂蓋軌道的相互作用力使箱籠受力不均衡，導向軸側向擠壓導向塊，壓蓋頂起困難，籠體受橫向拉扯；②盛裝回收玻璃瓶的周轉箱狀況較復雜，會有額外玻璃瓶或其他物件放置在周轉箱內，導致壓蓋不到位；③超聲波產生的震動同時影響到箱籠，使螺絲易松動；④焊接籠體的折彎板剛性不足。此外，現(xiàn)有玻璃瓶飲料生產線產量為40 000 瓶/h，因此超聲波洗箱機的產能滿足不了市場要求。針對這一問題，可在制造工藝滿足的情況下，通過增加每道工序清洗周轉箱的數(shù)量來提高產能。解決問題可從以下方面進行優(yōu)化：①鑒于輸送鏈灌注位的改變，箱籠在清洗之前的翻轉動作是在液體中完成的，所以玻璃瓶在周轉箱中滑動時與壓蓋的碰撞可忽略不記，而箱籠在清洗之后的翻轉動作中，瓶底落回原位時玻璃瓶與箱籠的沖擊被周轉箱的塑料底面緩沖，所以壓蓋的結構可簡化為略高于周轉箱的平面；②對于周轉箱在箱籠側向的定位，可以通過沿周轉箱在水箱的運動軌跡安裝圓鋼導軌來實現(xiàn)；③籠體采用方管等剛性較大的型材焊接；④不用螺栓連接，而采用焊接、鉚接、銷連接等對于震動不敏感的連接方式組裝箱籠；⑤將箱籠容量從3件周轉箱改為4件來提高產能。

1-籠體;2-壓蓋;3-導向座;4-導向軸;5-彈簧;6-導向框架;7-頂蓋滾輪;8-定位滾輪

優(yōu)化后箱籠結構如圖9所示。

1-箱籠;2-壓蓋;3-定位滾輪;4-定位軌道;5-圓鋼導軌

4 排污斗的優(yōu)化設計

漂浮物排污斗的原理是：箱籠隨鏈輸送運轉時，水面下的箱籠引發(fā)與箱籠運轉相同方向的水波，將從玻璃瓶和周轉箱內漂浮而出的臟物一步步推入排污斗，當排污斗液面與水箱液面接近時，排污管的氣動蝶閥打開，漂浮物順水流入濾筐，水經過簡單過濾后進入排水系統(tǒng)，而漂浮物被濾筐收集，定期處理。排污斗結構如圖10所示。氣動蝶閥易堵塞的原因就是漂浮物中有線頭、吸管等細長柔軟的物體，容易纏上閥芯，所以將過濾工序提前到進入排水管之前，排水管不必安裝蝶閥，污水隨時排放，如此沒有雜物流經排水管，即可解決堵塞問題。排污斗優(yōu)化方案如圖11所示。

1-排污斗;2-氣動蝶閥;3-排污管;4-濾筐

1-濾筐;2-排污斗;3-排污管

5 結論

針對實際生產中洗箱機出現(xiàn)的問題，對全自動超聲波洗箱機的結構進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后的洗箱機能夠提高產量、提高潔凈度、增加壽命。