卸箱流程的優化設計

崔憲坤， 劉照軍， 李榮飛， 馬同賀， 閆偉

（泰山醫學院信息工程學院，山東泰安271016）

1 引言

在經濟高速發展的今天，勞動成本不斷提高，行業間的競爭也在加劇，節能降耗、增產增效、減少人工成本、生產流程自動化則成為企業增強市場競爭力的關鍵因素。卸箱機是食品、醫藥行業的重要設備。卸箱機的作用是自動從瓶裝箱中取出空瓶，卸箱流程直接影響整條流程線的協調運作和生產效率。由于卸箱機工作效率不高，投入成本較大，嚴重制約著生產效率。我們通過傳送帶和瓶裝箱的重新設計，省去了卸箱機的使用，提高了生產效率，降低了故障率及能耗。

2 現有生產中的卸箱環節

目前相關行業的卸箱結構一般由三部分組成：瓶裝箱、傳送帶和卸箱機。以啤酒生產工藝中的洗瓶流程為例：裝滿瓶子的塑料箱放到傳送帶上，經傳送帶送達到卸箱機前；當感知器感知到下面瓶裝箱數量足夠時，傳送帶下面的擋板升起，將后面的箱子攔住并將卸箱機下固定數量的箱子粗略固定，專門的工人重新固定，負責裝卸的工人放慢卸載啤酒箱的速度。卸箱機吸住瓶裝箱中瓶子的瓶口，將其取出。根據以上所述，該流程的主要目的就是將瓶裝箱與瓶子分離，實現該功能的主要設備為卸箱機，其缺點有如下幾個方面：

（1）經常發生所有瓶子無法被完全吸住的故障。卸箱機依靠壓力差所產生的壓力來吸住瓶嘴，從而將瓶子從箱子中取出；如果卸箱機的吸嘴與瓶嘴在接觸中出現縫隙或無法完全接觸，就會出現掉瓶或漏瓶的現象。這樣就需要1～2個工人來彌補這一缺陷；而且卸箱機固定啤酒箱性能差，需專門工人重新擺放，增加了生產成本。

（2）不利于企業的動態生產。由于卸箱機一次所卸箱的箱數是固定的，當企業擴大生產規模時，就很可能放棄目前所用的卸箱機，更換為可一次卸更多箱數的卸箱機，從而增加了生產成本。而且如果企業需在短期內增加生產量，使用卸箱機更不方便。

（3）卸箱機的吸嘴需經常更換。卸箱機的吸嘴由橡膠制成，工作一段時間后，由于長時間的摩擦，會導致瓶子無法吸住。工人每隔一段時間就要更換橡膠吸嘴，既增加了生產成本，也降低了生產效率。

為解決上述問題，我們對傳送帶和瓶裝箱進行了重新設計。

3 卸箱環節重新設計概述

在卸箱環節的重新設計中放棄了對卸箱機的使用，通過對傳送帶和啤酒箱的改造實現目的。首先，瓶子以倒立的形式放入瓶裝箱，然后將裝滿倒立瓶子的瓶裝箱放入傳送帶中。傳送帶分為兩個部分，第一部分是旋轉180°的傳送帶將將瓶裝箱倒立，這樣箱中倒立的瓶子就可以正立過來，而且瓶底接觸到了傳送帶；第二部分的功能是將瓶子與瓶裝箱分離，這樣就需要在第二部分中有一個傾斜的傳送帶和一個水平的傳送帶，其中傾斜的傳送帶能夠在運動中帶動瓶裝箱將其與瓶子分離，此時瓶子可以通過水平的傳送帶運往目的地。

4 對瓶裝箱的重新設計

對瓶裝箱的重新設計目的是瓶子以倒立的形式放到箱子中，而且在傳送帶的運動中盡量增大與傳送帶的摩擦，當瓶裝箱倒立后，應當設計出使瓶裝箱掛起的結構。

瓶裝箱的設計多參考了現有的塑料啤酒箱，目前的塑料啤酒箱結構大體如圖1所示。

重新設計的瓶裝箱結構如圖2所示。

圖1 塑料啤酒箱結構

圖2 新設計的瓶裝箱結構

由上圖可以看出，主要設計有如下幾個方面：（1）在箱中有十二個瓶位，可以固定十二個倒置的瓶子。（2）在箱底兩側有兩個凹入部分，在凹入部分內下側有齒狀凸出形狀，這樣可以使瓶裝箱在旋轉傳送帶中穩固。（3）由不同類型的啤酒瓶底不同直徑確定（見圖 3），其中：d＜鏤空凹槽直徑＜d′，最佳參考直徑：d+0.618×（d′-d）。

圖3 倒立啤酒瓶的結構

5 對傳送帶的重新設計

傳送帶的設計理念是運用了兩個莫比烏斯帶單側曲面，使其平行放置，其中兩曲面之間的距離略高于瓶裝箱的高度，這樣就可以使箱子從中穿過。對于兩曲面可以使用滾筒平鋪，并由電機帶動滾筒，啟動時可由兩側轉動的滾筒夾帶著啤酒箱，這樣滾筒就可以帶著瓶裝箱在傳送帶中運動［1］。為了增加滾筒與瓶裝箱的摩擦力，在滾筒和瓶裝箱的設計中可以使用凹凸平面，經各種材料分析，金屬復合橡膠滾筒既可提供較大摩擦力，又可有一定的彈性保證啤酒箱順利傳送［2］。另外在兩曲面之間的支撐也可以使用滾筒，這樣可以減少瓶裝箱在傳送帶運動中的阻力。

傳送帶的設計目的是將瓶裝箱在這段傳送帶的運動中倒立過來，圖4為傳送帶的3D模型。

圖4 傳送帶3D模型

在該模型中可以看出瓶裝箱在左邊正立放入傳送帶，進入傳送帶旋轉后，倒立進入斜坡階段。

v：第一部分傳送帶速度；vu：傾斜傳送帶的向上分速度；vl：傾斜傳送帶速度。

6 結語

改進后完善了啤酒生產中的卸箱流程；通過提高傳送帶速度，加快了生產效率，減少了設備故障率，降低了生產成本，減少了操作人員，提高自動化程度。通過對傳送帶的檔速設計，為企業的動態生產和擴大再生產帶來了便利條件。

［1］ 黃友劍，王明星，趙煕雍.純橡膠與橡膠金屬復合體的性能對比研究［C］//ABAQUS軟件2003年度用戶論文集，2003.

［2］ 周春國，童林，劉云霞.啤酒瓶裝箱機的運動分析［J］.機械科學與技術，2000（4）：590-591.

［3］ 陳秀寧.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2010.