卸箱流程的优化设计

崔宪坤， 刘照军， 李荣飞， 马同贺， 闫伟

（泰山医学院信息工程学院，山东泰安271016）

1 引言

在经济高速发展的今天，劳动成本不断提高，行业间的竞争也在加剧，节能降耗、增产增效、减少人工成本、生产流程自动化则成为企业增强市场竞争力的关键因素。卸箱机是食品、医药行业的重要设备。卸箱机的作用是自动从瓶装箱中取出空瓶，卸箱流程直接影响整条流程线的协调运作和生产效率。由于卸箱机工作效率不高，投入成本较大，严重制约着生产效率。我们通过传送带和瓶装箱的重新设计，省去了卸箱机的使用，提高了生产效率，降低了故障率及能耗。

2 现有生产中的卸箱环节

目前相关行业的卸箱结构一般由三部分组成：瓶装箱、传送带和卸箱机。以啤酒生产工艺中的洗瓶流程为例：装满瓶子的塑料箱放到传送带上，经传送带送达到卸箱机前；当感知器感知到下面瓶装箱数量足够时，传送带下面的挡板升起，将后面的箱子拦住并将卸箱机下固定数量的箱子粗略固定，专门的工人重新固定，负责装卸的工人放慢卸载啤酒箱的速度。卸箱机吸住瓶装箱中瓶子的瓶口，将其取出。根据以上所述，该流程的主要目的就是将瓶装箱与瓶子分离，实现该功能的主要设备为卸箱机，其缺点有如下几个方面：

（1）经常发生所有瓶子无法被完全吸住的故障。卸箱机依靠压力差所产生的压力来吸住瓶嘴，从而将瓶子从箱子中取出；如果卸箱机的吸嘴与瓶嘴在接触中出现缝隙或无法完全接触，就会出现掉瓶或漏瓶的现象。这样就需要1～2个工人来弥补这一缺陷；而且卸箱机固定啤酒箱性能差，需专门工人重新摆放，增加了生产成本。

（2）不利于企业的动态生产。由于卸箱机一次所卸箱的箱数是固定的，当企业扩大生产规模时，就很可能放弃目前所用的卸箱机，更换为可一次卸更多箱数的卸箱机，从而增加了生产成本。而且如果企业需在短期内增加生产量，使用卸箱机更不方便。

（3）卸箱机的吸嘴需经常更换。卸箱机的吸嘴由橡胶制成，工作一段时间后，由于长时间的摩擦，会导致瓶子无法吸住。工人每隔一段时间就要更换橡胶吸嘴，既增加了生产成本，也降低了生产效率。

为解决上述问题，我们对传送带和瓶装箱进行了重新设计。

3 卸箱环节重新设计概述

在卸箱环节的重新设计中放弃了对卸箱机的使用，通过对传送带和啤酒箱的改造实现目的。首先，瓶子以倒立的形式放入瓶装箱，然后将装满倒立瓶子的瓶装箱放入传送带中。传送带分为两个部分，第一部分是旋转180°的传送带将将瓶装箱倒立，这样箱中倒立的瓶子就可以正立过来，而且瓶底接触到了传送带；第二部分的功能是将瓶子与瓶装箱分离，这样就需要在第二部分中有一个倾斜的传送带和一个水平的传送带，其中倾斜的传送带能够在运动中带动瓶装箱将其与瓶子分离，此时瓶子可以通过水平的传送带运往目的地。

4 对瓶装箱的重新设计

对瓶装箱的重新设计目的是瓶子以倒立的形式放到箱子中，而且在传送带的运动中尽量增大与传送带的摩擦，当瓶装箱倒立后，应当设计出使瓶装箱挂起的结构。

瓶装箱的设计多参考了现有的塑料啤酒箱，目前的塑料啤酒箱结构大体如图1所示。

重新设计的瓶装箱结构如图2所示。

图1 塑料啤酒箱结构

图2 新设计的瓶装箱结构

由上图可以看出，主要设计有如下几个方面：（1）在箱中有十二个瓶位，可以固定十二个倒置的瓶子。（2）在箱底两侧有两个凹入部分，在凹入部分内下侧有齿状凸出形状，这样可以使瓶装箱在旋转传送带中稳固。（3）由不同类型的啤酒瓶底不同直径确定（见图 3），其中：d＜镂空凹槽直径＜d′，最佳参考直径：d+0.618×（d′-d）。

图3 倒立啤酒瓶的结构

5 对传送带的重新设计

传送带的设计理念是运用了两个莫比乌斯带单侧曲面，使其平行放置，其中两曲面之间的距离略高于瓶装箱的高度，这样就可以使箱子从中穿过。对于两曲面可以使用滚筒平铺，并由电机带动滚筒，启动时可由两侧转动的滚筒夹带着啤酒箱，这样滚筒就可以带着瓶装箱在传送带中运动［1］。为了增加滚筒与瓶装箱的摩擦力，在滚筒和瓶装箱的设计中可以使用凹凸平面，经各种材料分析，金属复合橡胶滚筒既可提供较大摩擦力，又可有一定的弹性保证啤酒箱顺利传送［2］。另外在两曲面之间的支撑也可以使用滚筒，这样可以减少瓶装箱在传送带运动中的阻力。

传送带的设计目的是将瓶装箱在这段传送带的运动中倒立过来，图4为传送带的3D模型。

图4 传送带3D模型

在该模型中可以看出瓶装箱在左边正立放入传送带，进入传送带旋转后，倒立进入斜坡阶段。

v：第一部分传送带速度；vu：倾斜传送带的向上分速度；vl：倾斜传送带速度。

6 结语

改进后完善了啤酒生产中的卸箱流程；通过提高传送带速度，加快了生产效率，减少了设备故障率，降低了生产成本，减少了操作人员，提高自动化程度。通过对传送带的档速设计，为企业的动态生产和扩大再生产带来了便利条件。

［1］ 黄友剑，王明星，赵煕雍.纯橡胶与橡胶金属复合体的性能对比研究［C］//ABAQUS软件2003年度用户论文集，2003.

［2］ 周春国，童林，刘云霞.啤酒瓶装箱机的运动分析［J］.机械科学与技术，2000（4）：590-591.

［3］ 陈秀宁.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2010.