柔性存儲塔換道小車的設計與分析

李玉贊，唐正寧

（江南大學 機械工程學院，江蘇無錫 214122）

0 引言

隨著飲料行業市場多樣化需求的增多，小批量、多規格、個性化的生產模式對飲料設備的柔性加工適應性提出了更高的要求[1-2]。所謂柔性生產，簡而言之就是保證整條飲料生產線的正常運行，即上下游設備出現故障導致速度不匹配時，利用中間存儲裝置調節生產能力[3-4]。立足于此，反觀飲料包裝的實際生產線，大部分企業在灌裝、封盒的上游設備和裝箱的下游設備間采用水平輸送存儲系統，但難免遇到故障停機導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的生產效益，也脫離了柔性化生產靈活應變的要求。而國外動輒上百萬的生產線設備讓國內企業望而卻步，且存在適應性差、維護復雜等不足[5]。因此本文設計一種低成本、國產化的柔性緩沖存儲塔，以垂直堆積緩沖的方法實現飲料包裝成品的存儲功能，并著重對換道小車進行研究。

1 飲料包裝存儲方案

1.1 方案原理

為解決飲料包裝生產線緩沖存儲問題[6]，在上下游設備間添加中間存儲裝置，即柔性緩沖存儲塔，如圖1所示，其主要功能為在飲料生產線的上下游設備速度不匹配時，可接收或者釋放包裝成品，達到調節整線生產能力的作用。

圖1 柔性緩沖存儲塔Fig.1 Flexible buffer storage tower

柔性存儲裝置如圖2，其工作原理：輸入鏈和輸出鏈分別獨立且平行設置，運行方向始終相反，驅動鏈輪與雙鏈底部的輪齒同時嚙合使換道小車整體橫跨于雙鏈間，由2條鏈的速度控制驅動鏈輪的運動。當輸入鏈與輸出鏈的速度一致時，驅動鏈輪在鏈間相同的位置保持轉動，飲料包裝制品隨輸入鏈進入裝置，首先接觸循環運動的導向帶，進入導向帶與導向輪之間形成的彎曲間隙通道；然后由導向帶帶動并改變包裝制品的運動方向，使制品落于固定板上并始終與導向帶貼合，并引起導向輪的轉動，此時包裝制品沿彎曲的轉移路徑經過360°的換向由輸入鏈轉移至輸出鏈上，至此完成包裝制品的換道工作。當雙鏈速度不一致時，若輸入鏈速度大于輸出鏈速度，驅動鏈輪帶著整體換道小車沿輸入鏈方向往右運動，此時持續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動，輸入鏈上的包裝制品隨換道而減少。雙鏈的相對速度差控制換道小車的運動位置，積累或釋放包裝制品，從而實現飲料生產線的柔性匹配要求。

圖2 飲料包裝存儲裝置Fig.2 Beverage packaging storage device

1.2 功能要求

研究對象為飲料包裝成品，可包括盒、瓶、罐等形式的飲料成品。因此，為實現研究對象的有序連續輸送及生產線的高效率要求，提出研究裝置的設計要求如下：

（1）平穩換向。要求飲料成品在經過換道小車時，連續平穩地從輸入方向轉至輸出方向，并不發生倒伏和損壞現象，符合先進先出原則[7]。

（2）緩沖存儲。需具備較大的存儲能力[8]，尤其出現下游設備的停機問題時，可連續接收上游設備的包裝成品，為排除故障爭取時間。

（3）快速輸送。飲料生產線要求高效率低成本，結合大多數飲料生產的產能，換道小車需適應0～24 000 包 /小時的輸送能力[9-10]。

1.3 設計思路

根據換道小車在兩鏈間的運動過程及目標供送對象的輸送功能，將換道小車的工作過程分為換道階段和變動階段。

（1）換道階段?；⌒螌虬宕_定了導向帶的空間形狀，以此形成與導向輪之間的圓弧間隙通道。當調整通道空隙恰好與供送對象尺寸吻合時，循環運動的導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，經由皮帶的空間圓弧狀運動轉移至輸出鏈上，離開換道小車。

（2）變動階段。柔性化存儲功能要求換道小車在雙鏈間轉移包裝制品的同時實現其自身位置的實時變動，沿輸入鏈方向前進即可存儲包裝制品，沿輸出鏈方向后退即釋放已存的包裝制品，在同一個位置相對靜止僅作為制品轉移的功能部件。換道小車的鏈間運動情況取決于2條輸送鏈的速度差。

2 換道小車的結構

換道小車依靠雙鏈與驅動鏈輪的可嚙合傳動凸緣進行鏈間轉動和移動，同時具有制品換道、存儲、釋放功能。根據上述方案設計換道小車的整體結構，主要由驅動機構、制品換道機構、偏轉機構和彈簧補償機構等組成，如圖3所示。

圖3 換道小車整體結構Fig.3 Overall structure of lane changing trolley

2.1 驅動機構

驅動機構即帶動換道小車整體移動的驅動鏈輪，位于輸入鏈和輸出鏈之間，同時嚙合于雙鏈的可傳動凸緣。雙鏈的運行帶動驅動鏈輪在鏈間的轉動，相對速度差決定鏈輪的移動方向。驅動鏈輪安裝于驅動軸上，將動力傳遞到皮帶輪，形成導向帶的循環運動。驅動鏈輪的直徑大小由鏈間距離決定。

2.2 制品換道機構

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

2.3 偏轉機構

驅動鏈輪安裝于前部支撐板上，弧形導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向板支承件、固定板支承件之間添加不同傳動比的偏轉齒輪，使得換道小車行駛至輸送鏈彎道時，前、后部支撐板的轉動可以傳送至弧形導向板及固定板的支承件，以確?；⌒螌虬逡恢贝怪庇谳斔玩溒矫?，而固定板兩側邊緣始終與雙鏈平行，保證雙鏈間的制品換道過程不會中斷，如圖4所示。

圖4 偏轉機構Fig.4 Deflection mechanism

2.4 彈簧補償機構

彈簧補償機構包括2件帶有安裝孔的補償器，通過彈簧相互連接，如圖5所示。導向帶通過皮帶輥安裝在補償器上，調節彈簧在安裝孔內的位置，以改變2件補償器的相對距離，從而調整皮帶輥的位置來增加或減少皮帶的張力。通過剛性部件將補償器與弧形導向板聯接，補償換道小車經過輸送鏈彎曲部分時可能引起的導向帶長度及位置的變化，從而保證制品轉移速度的穩定。

圖5 彈簧補償機構Fig.5 Spring compensating mechanism

3 關鍵參數及運動分析

3.1 直線段驅動鏈輪速度分析

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

圖6 鏈輪速度示意Fig.6 Sprocket speed diagram

聯立可得公式：

由此解得：

2條輸送鏈的速度由電機分別控制，從而匹配上下游設備的工作速度，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細分為以下5種：

（1）V1≠ 0，V2=0，在此情況下，計算得鏈輪移動速度及角速度分別為 V=V1/2，ω =V1/2R1。此時，換道小車整體沿輸入鏈的速度方向運動，視為前進方向，通過換道功能使得包裝制品存儲在輸出鏈上，為下游設備的故障排除爭取時間。

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

（3）V1、V2≠ 0，V1＞ V2，計算得 V=（V1-V2）/2＞ 0，ω =（V1+V2）/2R1。此時的換道小車整體仍沿輸入鏈的速度方向運動，視為前進方向，換道使得包裝制品被存儲在輸出鏈上，起生產線緩沖存儲作用。

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

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

3.2 被轉移物的底部寬度

根據相關機構的速度關系，可求得被轉移物的底部寬度，前提是假設換道的包裝制品按普通狀態直立輸送。為方便計算，將換道小車的運行位置一直置于雙鏈的直線段，且設定輸入鏈的速度V1≠0，而輸出鏈的速度V2=0。由換道小車的結構關系分析，驅動鏈輪沿輸入鏈方向前進的距離應該等于導向輪在鏈間直線段移動的距離，即包裝制品換道引起導向輪轉動過的180°的弧長，如圖7所示。

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

將包裝制品從接觸導向輪換向至輸出鏈經過的距離或者弧長記為s。

經過計算及驗證，設定輸入鏈的速度V1為0.4 m/s，已知包裝制品經歷的整個換向過程的時間t約為3s，記s'為導向輪在鏈間直線段走過的距離，即驅動鏈輪直線運動經過的距離。

根據裝置的轉移要求和雙鏈間的距離，取r為160 mm，即導向輪的半徑。而s=s'，由此計算被轉移物底部寬度b的結果：

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

4 結語

本文立足于飲料包裝輸送線，在不干涉上下游設備的情況下，設計一款獨立于生產線的中間存儲裝置，實現包裝制品的積累或者釋放功能，以柔性匹配上下游設備的生產能力，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。根據功能要求，重點設計了集換道和移動存儲于一體的換道小車。換道功能依托于制品換道機構，由導向輪及導向帶形成中間圓弧軌道，可以讓導向帶接觸并帶動包裝制品完成輸入鏈至輸出鏈的轉移過程；移動存儲功能由換道機構及驅動機構共同實現，驅動鏈輪與雙鏈底部凸緣嚙合，根據雙鏈的速度差完成整體換道小車的鏈間移動，以達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；換道機構與驅動機構經由相關支承件連接，形成偏轉機構，以保證換道小車彎道運行時制品轉移的連續性，另設補償器裝置調節導向帶的張緊力。設計的自動換向、柔性存儲的裝置為包裝制品在上下游設備間的緩存問題提供了解決方案。