戴文明

（黃山富田精工智造股份有限公司，安徽黃山 245000）

0 引言

包裝機械工業(yè)在國民經濟中占有重要地位，涉及領域廣，與民生息息相關[1]。隨著國民經濟的繁榮和人們需求的多樣化，對產品包裝要求越來越高，迫切要求包裝實現(xiàn)機械化和自動化[2]。

目前，國內的紙尿褲生產已經實現(xiàn)了自動化，但后續(xù)的包裝大多采用半自動方式[3]。紙尿褲包裝屬于紙品包裝的一部分，國內僅有少數幾個企業(yè)能制造全自動紙尿褲包裝機，而歐美國家的紙品包裝智能裝備公司技術領先。世界上的主要紙品包裝行業(yè)領軍企業(yè)大都位于德國、意大利和美國[4]。

針對國內紙尿褲包裝的高速自動化生產需求，改進設計一種高速堆垛單元，為高速紙尿褲包裝機的設計打下堅實基礎。

1 紙尿褲包裝機簡介

紙尿褲包裝機主要用以實現(xiàn)紙尿褲等嬰幼兒一次性衛(wèi)生用品的自動入袋包裝，主要包含紙尿褲產品的翻轉、堆垛、推出、壓縮、入袋和熱封等功能，是實現(xiàn)整條生產線自動化高速生產的重中之重。如圖1所示，包裝機主要包括堆垛單元和包裝單元。其中，堆垛單元實現(xiàn)紙尿褲的翻轉、堆垛、推出和壓縮功能；包裝單元實現(xiàn)供袋、張袋、被壓縮產品的入袋和袋口熱封功能。

圖1 紙尿褲包裝機Fig.1 Diaper packaging machine

2 堆垛單元組成與工作原理

2.1 堆垛單元結構組成

如圖2所示，堆垛單元主要由產品90°翻轉裝置、堆垛裝置、產品排出裝置和壓縮裝置組成。堆垛單元一般設計有2套產品排出裝置和壓縮裝置，其中一套供手工套袋使用，另一套供后續(xù)自動包裝單元使用。堆垛裝置主要包括葉片、鏈條和鏈輪。其中，主動鏈輪由伺服電機驅動。鏈條呈環(huán)形安裝在鏈輪上，葉片安裝在鏈條上。在90°翻轉裝置末端的相對應位置，裝有一定齒數的從動鏈輪，使得堆垛區(qū)的葉片形成一個銳角，該銳角區(qū)域稱為堆垛區(qū)，堆垛區(qū)空間的大小與從動鏈輪齒數有關。綜合考慮零件的加工、裝配等因素，堆垛區(qū)內2種葉片形成的夾角約為14～18°。

圖2 堆垛單元結構組成Fig.2 Structure of stack cell

2.2 堆垛單元工藝流程

紙尿褲等一次性衛(wèi)生用品的堆垛過程可分為90°翻轉、堆垛成型、產品排出和產品壓縮4個工序。

90°翻轉工序主要通過翻轉皮帶將前道工序輸入的紙尿褲進行90°翻轉。產品經翻轉后進入堆垛區(qū)。堆垛區(qū)每進入1片產品，電機驅動鏈輪旋轉一定的角度，從而帶動鏈條和葉片前進1個堆垛位，產品也隨之從堆垛區(qū)被輸送至圖2所示葉片之間位置。隨著產品持續(xù)進入，堆垛區(qū)形成連續(xù)的產品堆垛陣列。此過程稱為堆垛成型工序。

如圖3，形成連續(xù)的產品堆垛陣列后，排出裝置按照一定的數量將產品推出至壓縮裝置，此工序稱為產品排出。壓縮裝置將整齊排列的產品壓縮至預定尺寸，再送入后道包裝工序，此過程即為產品壓縮工序。

圖3 堆垛單元工藝流程Fig.3 Process flow of stack cell

產品堆垛的好壞，直接影響產品入袋質量的好壞，進而影響袋口的熱封質量。常規(guī)紙尿褲生產設備的生產速度約為500片/min，隨著速度提高至700～900片/min，產品堆垛單元會出現(xiàn)堆垛區(qū)堵片、無法正常堆垛成型的現(xiàn)象，將會影響后續(xù)推出、壓縮、進袋和熱封封口等一系列工序的進行。

3 高速堆垛存在的問題及原因分析

3.1 存在的問題

進入包裝機堆垛單元的產品，并不是一個持續(xù)不斷的產品流。由于紙尿褲生產過程中，產品原材料的不停機換接料，及操作人員在線排出產品以進行質量檢查等因素，進入堆垛單元的產品會中斷，中斷的產品數量從1～6片不等。

在生產中發(fā)現(xiàn)，當生產速度超過450片/min且進入堆垛單元的產品中斷時，堆垛區(qū)偶爾會有產品沒有完全進入而堵在該處。當生產速度越來越快時，如果中斷的次數較多，這類堵片現(xiàn)象愈發(fā)頻繁和明顯。如果堆垛區(qū)堵片，則需立即停機進行人工清理，否則將會嚴重影響整條流水線生產設備的生產效率。

3.2 原因分析

因為電機驅動鏈輪旋轉帶動葉片移動并不是一個持續(xù)的、穩(wěn)態(tài)的勻速運動過程，每次有產品進入時，電機會轉動1次。當產品連續(xù)進入時，電機根據產品進入的周期，在相應的時間內完成轉→?！D的循環(huán)動作，因此，葉片受到1個間斷的階躍力驅動。由機械系統(tǒng)動力學可知[5-6]，單自由度有阻尼系統(tǒng)在階躍函數激勵下的響應為：

式中 x——系統(tǒng)振幅；

F0——突加常力；

K——系統(tǒng)剛度；

e——自然常數；

ζ——系統(tǒng)阻尼比；

ωn——系統(tǒng)固有圓頻率；

ωd——有阻尼時固有圓頻率；

t——時間。

如果忽略阻尼，當ζ=0時，ωd= ωn，振幅：

即在忽略系統(tǒng)阻尼情況下，葉片端部的最大變形可達2F0/K。根據以上分析，初步判定由于葉片收到1個間斷的階躍力作用引起端部變形，從而導致堵片現(xiàn)象的發(fā)生。

假設某紙尿褲生產設備的生產速度v'=500片/min，產品長度L=220 mm，產品間距H=450 mm，產品從翻轉皮帶排出到進入葉片內部前進的距離H1=270 mm。由此可得生產設備的線速度：

產品進入堆垛區(qū)的周期：

產品由翻轉裝置完全進入葉片的時間：

根據現(xiàn)場測算，圖2中葉片由位置7轉至位置8時，耗時T2≈0.02 s。

所以，在1個進片周期T=0.12 s內，葉片由位置7轉動至位置8后的等待時間：

當進片產品流被中斷1片時，等待下一片產品進入的時間：

當中斷的產品數量為n片時，等待下一片產品進入的時間：

被中斷的產品越多，等待的時間越長。當產品流被中斷后，葉片在等待的時間內會發(fā)生衰減振動，由于阻尼的存在，振幅會逐漸縮小[7]。而最大振幅往往發(fā)生在靠近葉片等待開始后的第1個振動周期。從實際生產過程中發(fā)現(xiàn)，當生產操作人員在包裝機前端設備排出1片產品以檢驗產品質量時，堆垛區(qū)堵片的概率很大；當前端生產設備由于換接料，連續(xù)排出5～6片產品時，堆垛區(qū)堵片的概率反而很小。因此，實際生產過程的故障現(xiàn)象與分析的結果一致。

為分析葉片振動振幅的大小，利用有限元軟件分析進片產品被中斷后，葉片的變形情況。葉片為復合材料注塑成型零件，其材料性質見表1，入口處鏈輪、葉片詳細布局見圖4，葉片呈扁平狀，主要分析其長度方向的法向變形[8]，并假設其物理性質各項同性。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

圖4 常規(guī)入口布局Fig.4 General entrance layout

將鏈輪、鏈條和葉片組合裝配后導入有限元軟件[9]，忽略系統(tǒng)阻尼，進行瞬態(tài)動力學分析[10-11]，結果見圖5。葉片7轉動至葉片8處位置時，端部振幅最大可達66 mm，的確增加了產品在入口處堵片的概率。

圖5 葉片變形云圖Fig.5 Nephogram of deformation of paddle

4 高速堆垛機構的改進

由以上分析可知，堵片的原因主要是葉片受到間斷的階躍力作用后，端部發(fā)生大變形，對即將進入的下一片產品起到了阻擋作用。

減小這種變形的措施，一是減小階躍力F0的大小，二是提高葉片的剛度K。降低F0的大小，可以通過改變鏈輪驅動電機的運動曲線來實現(xiàn)。如在伺服系統(tǒng)中設置運動曲線為5次樣條曲線，盡量降低加速度的大小[12]。但是，由于產品的生產速度較快，葉片的進給周期非常小，即使將電機的運動曲線設置的非常平滑，其作用也有限。提高葉片剛度的方法包括更改零件材料的彈性模量、零件幾何特征及零件支撐形式[13]。葉片材料為30%玻纖增強尼龍66，如果將玻纖質量分數提高至50%，其彈性模量僅提高3%，且葉片表面將變的粗糙，反而影響進片，甚至刮破產品，故不合適。零件的幾何形狀是根據產品的尺寸設計，不能輕易改變。因此，只能改變零件的支撐形式。

為解決上述問題，設計一種新的葉片張角形式。如圖6所示，在鏈條直線段設計一種“三夾輥”葉片張角方案：2根固定輥輪廓線與鏈條節(jié)線的平行線相切，移動輥沿著鏈條節(jié)線的法線方向移動。當移動輥朝著固定輥移動時，鏈條節(jié)線形成1段中凸曲線，鏈條也隨即形成中凸形狀。

圖6 三夾輥形成中凸Fig.6 Formation of a convexity by three roller clamping

“三夾輥”張角方案的詳細設計見圖7。鏈條采用雙排鏈，其一側的銷軸往外延長，葉片安裝在銷軸上。固定輥和移動輥可旋轉，其外圓均采用雙凸臺設計，對應雙排鏈條，使得固定輥和移動輥可以卡在鏈條滾子的兩側，形成“中凸”結構。

圖7 三夾輥詳細結構Fig.7 Detailed structure of three roller clamping

當鏈條裝上葉片后，如圖8所示。不僅葉片5與葉片8能形成張角區(qū)，葉片5，6，7的端部會緊緊挨在一起，相當于3個葉片的根部和端部都存在約束。端部的約束能很好地提高葉片的剛度，在葉片隨鏈條運動的過程中，有效降低葉片移動時端部的變形。

圖8 三夾輥結構增加葉片剛性Fig.8 Increase of paddle rigidity by three roller clamping

將該模型略去相關零件后，進行瞬態(tài)動力學分析，如圖9所示?？傻萌~片端部最大變形縮小至5 mm左右，效果明顯。實際生產過程中，圖8中的葉片5，6之間及葉片6，7之間存有產品，因產品有一定的厚度，其原材料主要為無紡布、木漿和高分子，使得該產品起到類似彈簧和阻尼的作用，即起到一定的減振效果。因而，該側葉片端部的實際變形量＜5 mm。

圖9 三夾輥結構葉片變形云圖Fig.9 Deformation nephogram of paddle by three roller clamping structure

5 試驗

5.1 試驗方法

為測試高速堆垛裝置的性能，將碼垛機接入主機，在不同的生產速度下，分別運行20 min，計算裝置每次運行效率，各速度段分別測試5次。運行效率如下式計算：

式中 η——設備運行效率，%；

n1——進入堆垛區(qū)的實際產品數量，片；

n2——進入堆垛區(qū)的理論產品數量，片。

5.2 試驗結果

每種生產速度下的設備運行效率見表2，取平均值。當生產速度超過850片/min時，設備的平均運行效率已經低于80%。通常，客戶要求包裝機整機運行效率≥95%，由此，堆垛裝置的運行效率至少要＞97%。因此在生產速度為800片/min時，高速堆垛裝置能滿足客戶需求。

表2 不同速度下的運行效率Tab.2 Operating efficiency at different speeds

6 結語

本文介紹常規(guī)紙尿褲堆垛工藝流程，指出高速生產時堆垛區(qū)堵片的原因，采用有限元方法對堆垛入口處鏈輪、鏈條和葉片進行瞬態(tài)動力學分析，提出一種“三夾輥”張角結構，通過給堆垛區(qū)葉片端部增加約束，提高葉片整體剛度，將葉片端部位移減至原來的1/10以下，有效避免堵片現(xiàn)象。經測試，在800片/min的速度下，平均運行效率達到99.25%，生產線生產穩(wěn)定。高速堆垛單元的設計改進能滿足紙尿褲的高速自動化生產需求，市場前景廣闊。