一種帶積放功能的自動輸送線體的研制

奚 思，徐金龍，李 爭

(中國電子科技集團第43研究所恒力公司，合肥 230088)

隨著工業化生產的不斷發展，自動輸送線的應用也逐漸普及。目前，鋰電材料燒結設備配備粉料自動上下料線已成為一種趨勢。過去鋰電材料燒結設備的裝料和卸料基本是人工處理，存在著以下缺陷［1－3］:① 粉料在裝卸過程中處于環境開放狀態，容易受到環境特別是水汽的污染，影響產品品質;②一個帶料匣缽約6～7 kg，工人一班約需處理150缽，勞動強度較大;③在裝卸料過程中不可避免地會產生粉塵，操作環境惡劣;④由于人工操作狀態不穩定，很難確保裝料量的一致性。

采用全密封結構的全自動上下料生產線可以避免以上問題。目前全自動鋰電生產線包括粉料燒結類的電熱設備和配套的自動上下料生產線系統，實現匣缽(產品)帶熟料出爐后自動下料、清掃匣缽、上生料進匣缽再運輸至爐口的環線功能。

全自動生產線的一個重要特征是具有容錯和自恢復功能，即當生產線中某臺設備(或工位)出現故障時，生產線必須能夠緩存一定數量的產品，并在故障消除后一鍵自動恢復生產。實現該功能的關鍵設備是積放線體［4－8］。以圖1粉料自動生產線為例，當燒結設備發生故障時，在積放線體1將后續工位處理完成的匣缽積存起來，當故障排除后再將其逐個分離，并按順序運送至下一個工位。因此，粉料燒結線中積放線體必須具備運輸、緩存和分離恢復的功能。

圖1 粉料自動生產線示意圖

1 現有自動輸送線體比較

目前在粉料輸送線的實際運用中，一般采取單/雙排鏈條輸送軸、動力滾筒、同步帶等方式。幾種傳動方式比較見表1。

2 倍速鏈工作原理介紹

倍速鏈是鏈條的一種，又叫自由流動鏈條。該種鏈條通過小口徑滾子和大口徑滾子的組合構造，既可以實現輸送物的倍速移動，又可以實現積存時滾子和輸送物之間的磨損最小。

在正常工作時，兩側小口徑滾子與鏈輪嚙合，在專用鋁型材輥道上運行，同時繞銷軸做圓周轉動。而大口徑滾子在摩擦力的作用下也隨著小口徑滾子同向圓周轉動。具體結構和運動原理如圖2、3 所示。

當鏈條速度為V1時，小口徑滾子的外周線速度也是V1。此時，由于大/小口徑滾子按照同一角速度旋轉，大口徑滾子相對小口徑滾子的速度由于半徑比例變成(R/r)·V1，則輸送物速度V2=(R/r)·V1+V1。設半徑比(R/r)=1.5，則 V2=2.5 V1，即輸送物的移動速度是傳動軸速度的2.5倍，從而實現倍速功能。

當輸送物受到制動器的阻擋時，鏈條仍然正常運動，此時大口徑滾子在外力作用下反向圓周運動，這樣與輸送物之間形成相對滾動摩擦，產生自由流動，不磨損輸送物底部，其原理如圖4所示。

表1 粉料輸送線不同傳動方式的比較

圖2 倍速鏈條本體示意圖

圖3 倍速鏈輸送狀態

圖4 倍速鏈堆積狀態

3 積放功能線體的結構設計

由于倍速鏈具備以上特征，在實現線體運輸、緩存和分離恢復的功能上，具有結構簡單、安裝維護方便、運行可靠、成本較低的優勢，因此選用此種結構進行粉料燒結自動線積放線體的設計，其結構示意圖如圖5所示。

一般粉體燒結采用320 mm×320 mm×75 mm的匣缽作為粉料載具。試驗結果證明，當兩根平行輸送軸的中心距大于130 mm，匣缽在經過兩軸間的空擋時，在重力作用下容易發生傾斜，從而無法實現平穩傳輸。因此，在自動線先后工位銜接時將此值統一為120 mm。

由于倍速鏈大/小口徑滾子的外形尺寸，導致鏈輪直徑較大，其傳動軸距離框架端面的距離超過120 mm，因此需要設計機構1作為過渡輪。機構2為端頭導向器，作用是確保大/小口徑滾子能平穩順滑地導入專用鋁型材的導向槽內移動。機構3為制動器，當線體需要進行積存時，制動器上升擋住輸送過來的匣缽，而倍速鏈正常運轉。機構4為倍速鏈條。機構5為夾持器，用于實現匣缽分離功能。機構6為外部驅動電機。

圖5 積放功能線體結構示意圖

4 倍速鏈傳動設計計算

基于模塊化的設計思想，將自動線所有輸送線體統一為2 m標準段一節，采用1個電機帶動2個標準段線體。由于帶料匣缽質量較大，為滿足高速傳輸下的精確定位(用戶需求速度V=30 m/min)，綜合考慮后選擇伺服電機。下面進行傳動設計:

4 m線體最多放10個輸送物，單個輸送物質量m=15 kg，主傳動輪直徑D=80 mm。

負載:F=10·mg=10·15·9.8=1 470 N，取F=1 500 N。

取同步帶傳動效率η1=0.9，減速機傳動效率η2=0.9，倍速鏈傳動效率η3=0.9，則所需扭矩T=T'/(η1·η2·η3)=82 N·m。

按經驗選用750 W伺服電機，最高轉速w=3 000 r/min，額定扭矩 T1=2.39 N·m。

按倍速鏈 2.5 倍倍速，V'1=9.42 ×2.5=47.1 m/min＞30 m/min。因此選擇電機合適，減速器速比為40。

5 緩存功能的實現

緩存功能的實現:初始狀態為落下，當觸發升起信號時，制動器氣缸桿伸出;其上安裝的緩沖阻尼器吸收高速匣缽沖擊瞬間產生的能量，后續由于前端有阻擋而依次停止，倍速鏈空轉，實現輸送物的緩存。

5.1 制動器氣缸選型

制動器結構見圖6，包括導套安裝板2、導套3、導向軸4和緩沖阻尼器5，總重約為8 kg。頂起時氣缸負載率η=50%;氣源壓力P0=0.4 MPa;總負荷 F=mg/η =8×10/0.5=160 N;氣缸缸徑大小綜合選取缸徑D'=32 mm。

圖6 制動器結構

5.2 緩沖阻尼器選型

在輸送機水平推力沖撞下，沖撞速度 V=30 m/min;慣性能量1.875 J;按緩沖器慣量行程圖暫定行程S'=10 mm;附加能量 E2=F·S'=umg·S'=0.5×15×9.8 ×0.01=0.735 J;總能量 E=E1+E2=2.61 J。根據選型選擇最大吸收能量為2.94 J的阻尼緩沖器(MAKC1008)。

6 分離功能的實現

分離功能的實現:當自動線需要將匣缽逐個從積放線體輸送出去時，將第2個匣缽夾緊，制動器下降，第1個匣缽在倍速鏈條的帶動下離開;然后制動器上升，夾持器松開，后續匣缽移動到制動器停止，夾持器再次夾緊后一個匣缽，制動器再下降，再輸送出去一個匣缽;重復以上動作，實現匣缽的逐個分離。

夾持器設計為1個電磁閥控制兩個氣缸的伸縮，以保證動作的同步性。夾頭表面附著軟橡膠，用以消除匣缽尺寸誤差，增大夾持摩擦力，同時保護匣缽表面。夾持裝置結構見圖7。

圖7 夾持裝置結構

夾持輸送物(匣缽)m=15 kg;摩擦因數選取u=0.5;夾持時氣缸負載率η=70%;氣源壓力P0=0.4 MPa;總負荷 F=umg/η =0.5 ×15 ×10/0.7=107 N。由于是2個氣缸對夾，氣缸缸徑10.4 mm。綜合選取缸徑D'=16 mm。

7 實際運行情況介紹

目前倍速鏈積放線體已經在全自動上下料生產線中應用，實現了全自動生產線中某個工位出現故障后自動緩存、自動恢復的功能。在實際使用過程中，通過增加外部光電開關，配合伺服電機調速功能，還實現了在緩存前降低速度減小沖擊力的設計。

倍速鏈積放線體的優點:①輸送能力大，可承載較大的載荷;②可實現高速輸送;③易于實現積放輸送;④可在各種惡劣的環境(高溫、粉塵)下工作，性能可靠;⑤結構美觀，實用噪音低。

在長期運行過程中也發現了該積放線體需要改進的地方:①使用環境粉塵大，大小口徑滾子間隙落入灰塵后相對運動摩擦力大，無法實現理論計算的倍速;②由于一般的鏈條托軌多采用尼龍等耐磨材質，而專用倍速鏈型材為特制鋁型材，故耐磨性一般。

8 結束語

倍速鏈輸送在一些物流行業已經得到廣泛應用，但在鋰電材料自動線上還是首次應用。因其機械結構簡單、成本低、可維護性好，可以倍速輸送，僅增加1套制動器和夾持器就可以實現積放的功能，所以其在電池粉料行業的應用前景較好，無論是網帶爐、隧道爐、輥道爐和其他燒結設備的配套自動線均可采用本設計方案。

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