氣墊式條盒物流下降收集裝置的研發(fā)

祿建偉

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南許昌461670）

1 引 言

食品行業(yè)的物流大多采用條盒小包裝后裝大紙箱的方式。在食品現(xiàn)代化的自動化生產(chǎn)線中，條盒需要遠(yuǎn)距離輸送到裝封箱區(qū)集中裝箱。為了節(jié)約廠房空間，條盒物流輸送線通常采用空中并列布置的方式，輸送到裝封箱區(qū)的條盒需要進(jìn)行下降收集。以前存在的條盒下降收集方式有滑道、垂直排包式，但效率和可靠性等方面都存在問題。研發(fā)的氣墊式條盒下降收集裝置能很好地解決條盒下降收集問題。

2 滑道式及垂直排包式下降收集設(shè)備問題分析

2.1 滑道裝置

圖1 滑道示意圖

滑道式條盒下降收集裝置屬于第一代條盒下降收集裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，不需要動力，目前還有一定的市場占有率。滑道裝置存在的問題分析如下：（1）條盒外表劃傷。條盒從高空高速下滑過程中，條盒表面與滑道具有相對運(yùn)動，從而摩擦產(chǎn)生劃痕，影響條盒的外觀質(zhì)量。（2）輔助收集裝置對可靠性及速度造成影響。在多道下滑過程中，滑道機(jī)構(gòu)必須配合橫向收集機(jī)才能形成一個完整的條盒下降收集過程。橫向收集機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響了整個下降收集裝置的可靠性。橫向收集機(jī)的最大收集速度是60 條/min，也制約了滑道方式不能滿足高速條盒食品生產(chǎn)線的要求。

2.2 垂直排包機(jī)

圖2 垂直排包機(jī)示意圖

垂直排包機(jī)屬于第二代條盒下降收集裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2。其研發(fā)目的是解決滑道對條盒外觀的損傷問題。垂直排包機(jī)采用托板把條盒從高空托降，條盒下降過程中沒有相對運(yùn)動，從而最大程度地保護(hù)了條盒的外觀質(zhì)量。垂直排包機(jī)存在的如下問題。（1）可靠性差。垂直排包機(jī)雖然能對條盒外觀形成最大保護(hù)，但是其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械傳動鏈長，屬于間歇脈沖運(yùn)動，造成了設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性相對較差，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作量大。（2）速度較低。垂直排包機(jī)工作時需要對條盒準(zhǔn)確定位接受，其定位的高要求及間歇運(yùn)動的特點制約了其最大條盒下降速度［1］，最大條盒下降收集速度僅能達(dá)到50 條/min，使垂直排包機(jī)也不能滿足高速條盒生產(chǎn)線的物流要求。

3 氣墊排包機(jī)的原理

3.1 氣墊排包機(jī)利用的空氣特性

（1）密封容器內(nèi)氣體受壓后的反作用力

氣墊排包機(jī)是利用氣體在密閉容器中受到壓縮后對容器壁產(chǎn)生反壓力來抵消條盒的重力，從而減緩條盒的下降速度，對條盒起到保護(hù)作用。

（2）氣體在容器內(nèi)體積的可變性

利用氣體的可變性特性，當(dāng)滑道內(nèi)氣體排出時，其體積快速變化縮小，從而使條盒下降。

3.2 氣墊的形成過程

圖3 氣墊形成示意圖

氣墊的形成過程見圖3，排包機(jī)工作時由底部密封條盒和有機(jī)玻璃通道組成三面封閉，上部敞開的容器，通道的尺寸比條盒大2～4mm。當(dāng)條盒從輸送線推入下降通道時，容器內(nèi)的空氣就由推入的條盒進(jìn)行封閉，條盒要從高處下降，必須排放出密封容器內(nèi)的空氣來實現(xiàn)。設(shè)計時條盒和通道有1～2mm 間隙，一部分氣體可以從間隙排出，這樣間隙內(nèi)的空氣就把條盒和通道壁隔離開，條盒下降過程中不會和通道壁接觸而產(chǎn)生摩擦，能保護(hù)條盒的外觀質(zhì)量。為了控制條盒的下降速度，下降通道側(cè)壁開有排氣孔，通過控制排氣孔的大小和數(shù)量來控制密封氣體的排出速度，從而控制條盒的下降速度，以滿足不同的生產(chǎn)速度需求。

3.3 條盒下落時間計算

式中，t1為下落時間，s；Q 為流量，m3/s；V 為滑道的容積，m3，V=s1h（s1為滑道橫截面積，m2；h 為滑道高度，m）。把排氣孔簡化為管道，流量公式如下：

式中，ρ 為密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；L 為排氣孔長度，m；P 為滑道內(nèi)外壓力差，Pa；P=mg/s2（m 為條盒質(zhì)量，kg；s 為條盒側(cè)面積），S 為排氣孔摩阻，S=10.3·n2/d5.33（n 為孔內(nèi)壁糙率；d 為排氣孔內(nèi)徑，m）。

排氣孔采用間隔布置，條盒下落過程中排氣孔數(shù)量逐漸加少，流量也隨之減小，條盒下落速度變慢，對條盒起到了緩沖作用；設(shè)置h 高度內(nèi)開有排氣孔n1個，單個排氣孔截面積設(shè)為s3，則排氣孔截面積從n1s3至s3之間連續(xù)變化，流量Q 也隨之連續(xù)減小。

把以上關(guān)系代入后并對時間t1積分，得到條盒的下落時間公式為［3］：

式中，n 為孔內(nèi)壁糙率，d 排氣孔內(nèi)徑，m。

3.4 密封條盒的釋放時間計算

當(dāng)通道內(nèi)降落的條盒達(dá)到一定數(shù)量后，進(jìn)行一次集中釋放，則條盒釋放時間如下：t2=（2h1/g）1/2=（2n4h2/g）1/2

4 氣墊排包機(jī)的結(jié)構(gòu)

氣墊排包機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4，由煙漏斗、下煙通道、擋排煙裝置、皮帶輸送機(jī)和機(jī)架幾部分組成。煙漏斗的作用是使條盒在輸送帶和下煙通道之間順利交接。下降通道具有條盒下降的導(dǎo)向及形成封閉容器等兩個作用。擋排煙裝置用于控制底部總有一條條盒來形成容器的密封，當(dāng)通道內(nèi)儲存7 條條盒時，進(jìn)行一次快速釋放，使通道底部儲存的條盒釋放到皮帶輸送機(jī)。皮帶輸送機(jī)的作用是接受釋放的條盒，然后把條盒輸送給裝封箱機(jī)。機(jī)架使各部件連接起來。

圖4 氣墊排包機(jī)機(jī)構(gòu)圖

5 氣墊排包機(jī)的特點

氣墊排包機(jī)與滑道相比，避免了滑道對條盒外觀的損傷和滑道下游橫向收集機(jī)對條盒下降速度的制約，也避免了橫向收集機(jī)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)對設(shè)備可靠性的影響。氣墊排包機(jī)與垂直排包機(jī)相比，避免了復(fù)雜的機(jī)械傳動，可靠性和維護(hù)性有極大提高，同時也解決了垂直排包機(jī)由于間歇排包而對下降速度的制約。氣墊排包機(jī)相對于市場上已經(jīng)存在的條盒下降收集機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、節(jié)能環(huán)保、下降收集速度高的特點。

6 結(jié) 語

氣墊排包機(jī)目前已通過專利認(rèn)證，以氣墊排包機(jī)為核心技術(shù)的YF611A 條盒儲存輸送系統(tǒng)已通過集團(tuán)公司項目驗收。其產(chǎn)品已在昆明煙廠大量應(yīng)用，并得到了用戶的高度好評，其有效作業(yè)率達(dá)到了99%以上，項目驗收測試有效作業(yè)率達(dá)100%。國內(nèi)卷煙企業(yè)也都對氣墊排包機(jī)表現(xiàn)出了極大的興趣。

［1］ 張兆順，崔桂香.流體力學(xué)（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］ 錢翼稷.空氣動力學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］ 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊(單行本)機(jī)構(gòu)與動力［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.