祿建偉

（許昌煙草機械有限責任公司，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?；姥b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，滑道機構(gòu)必須配合橫向收集機才能形成一個完整的條盒下降收集過程。橫向收集機結(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

圖2 垂直排包機示意圖

垂直排包機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。垂直排包機采用托板把條盒從高空托降，條盒下降過程中沒有相對運動，從而最大程度地保護了條盒的外觀質(zhì)量。垂直排包機存在的如下問題。（1）可靠性差。垂直排包機雖然能對條盒外觀形成最大保護，但是其機構(gòu)復(fù)雜，機械傳動鏈長，屬于間歇脈沖運動，造成了設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性相對較差，設(shè)備的維護保養(yǎng)工作量大。（2）速度較低。垂直排包機工作時需要對條盒準確定位接受，其定位的高要求及間歇運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到50 條/min，使垂直排包機也不能滿足高速條盒生產(chǎn)線的物流要求。

3 氣墊排包機的原理

3.1 氣墊排包機利用的空氣特性

（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，排包機工作時由底部密封條盒和有機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

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

4 氣墊排包機的結(jié)構(gòu)

氣墊排包機的結(jié)構(gòu)如圖4，由煙漏斗、下煙通道、擋排煙裝置、皮帶輸送機和機架幾部分組成。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，當通道內(nèi)儲存7 條條盒時，進行一次快速釋放，使通道底部儲存的條盒釋放到皮帶輸送機。皮帶輸送機的作用是接受釋放的條盒，然后把條盒輸送給裝封箱機。機架使各部件連接起來。

圖4 氣墊排包機機構(gòu)圖

5 氣墊排包機的特點

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

6 結(jié) 語

氣墊排包機目前已通過專利認證，以氣墊排包機為核心技術(shù)的YF611A 條盒儲存輸送系統(tǒng)已通過集團公司項目驗收。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)率達到了99%以上，項目驗收測試有效作業(yè)率達100%。國內(nèi)卷煙企業(yè)也都對氣墊排包機表現(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］ 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊(單行本)機構(gòu)與動力［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.