一種帶積放功能的自動(dòng)輸送線(xiàn)體的研制

奚 思，徐金龍，李 爭(zhēng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第43研究所恒力公司，合肥 230088)

隨著工業(yè)化生產(chǎn)的不斷發(fā)展，自動(dòng)輸送線(xiàn)的應(yīng)用也逐漸普及。目前，鋰電材料燒結(jié)設(shè)備配備粉料自動(dòng)上下料線(xiàn)已成為一種趨勢(shì)。過(guò)去鋰電材料燒結(jié)設(shè)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(guò)程中處于環(huán)境開(kāi)放狀態(tài)，容易受到環(huán)境特別是水汽的污染，影響產(chǎn)品品質(zhì);②一個(gè)帶料匣缽約6～7 kg，工人一班約需處理150缽，勞動(dòng)強(qiáng)度較大;③在裝卸料過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生粉塵，操作環(huán)境惡劣;④由于人工操作狀態(tài)不穩(wěn)定，很難確保裝料量的一致性。

采用全密封結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)上下料生產(chǎn)線(xiàn)可以避免以上問(wèn)題。目前全自動(dòng)鋰電生產(chǎn)線(xiàn)包括粉料燒結(jié)類(lèi)的電熱設(shè)備和配套的自動(dòng)上下料生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)匣缽(產(chǎn)品)帶熟料出爐后自動(dòng)下料、清掃匣缽、上生料進(jìn)匣缽再運(yùn)輸至爐口的環(huán)線(xiàn)功能。

全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的一個(gè)重要特征是具有容錯(cuò)和自恢復(fù)功能，即當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)中某臺(tái)設(shè)備(或工位)出現(xiàn)故障時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)必須能夠緩存一定數(shù)量的產(chǎn)品，并在故障消除后一鍵自動(dòng)恢復(fù)生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵設(shè)備是積放線(xiàn)體［4－8］。以圖1粉料自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)為例，當(dāng)燒結(jié)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在積放線(xiàn)體1將后續(xù)工位處理完成的匣缽積存起來(lái)，當(dāng)故障排除后再將其逐個(gè)分離，并按順序運(yùn)送至下一個(gè)工位。因此，粉料燒結(jié)線(xiàn)中積放線(xiàn)體必須具備運(yùn)輸、緩存和分離恢復(fù)的功能。

圖1 粉料自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)示意圖

1 現(xiàn)有自動(dòng)輸送線(xiàn)體比較

目前在粉料輸送線(xiàn)的實(shí)際運(yùn)用中，一般采取單/雙排鏈條輸送軸、動(dòng)力滾筒、同步帶等方式。幾種傳動(dòng)方式比較見(jiàn)表1。

2 倍速鏈工作原理介紹

倍速鏈?zhǔn)擎湕l的一種，又叫自由流動(dòng)鏈條。該種鏈條通過(guò)小口徑滾子和大口徑滾子的組合構(gòu)造，既可以實(shí)現(xiàn)輸送物的倍速移動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)積存時(shí)滾子和輸送物之間的磨損最小。

在正常工作時(shí)，兩側(cè)小口徑滾子與鏈輪嚙合，在專(zhuān)用鋁型材輥道上運(yùn)行，同時(shí)繞銷(xiāo)軸做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。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(zhuǎn)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理如圖2、3 所示。

當(dāng)鏈條速度為V1時(shí)，小口徑滾子的外周線(xiàn)速度也是V1。此時(shí)，由于大/小口徑滾子按照同一角速度旋轉(zhuǎn)，大口徑滾子相對(duì)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(shè)半徑比(R/r)=1.5，則 V2=2.5 V1，即輸送物的移動(dòng)速度是傳動(dòng)軸速度的2.5倍，從而實(shí)現(xiàn)倍速功能。

當(dāng)輸送物受到制動(dòng)器的阻擋時(shí)，鏈條仍然正常運(yùn)動(dòng)，此時(shí)大口徑滾子在外力作用下反向圓周運(yùn)動(dòng)，這樣與輸送物之間形成相對(duì)滾動(dòng)摩擦，產(chǎn)生自由流動(dòng)，不磨損輸送物底部，其原理如圖4所示。

表1 粉料輸送線(xiàn)不同傳動(dòng)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(tài)

圖4 倍速鏈堆積狀態(tài)

3 積放功能線(xiàn)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于倍速鏈具備以上特征，在實(shí)現(xiàn)線(xiàn)體運(yùn)輸、緩存和分離恢復(fù)的功能上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、成本較低的優(yōu)勢(shì)，因此選用此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行粉料燒結(jié)自動(dòng)線(xiàn)積放線(xiàn)體的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

一般粉體燒結(jié)采用320 mm×320 mm×75 mm的匣缽作為粉料載具。試驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)兩根平行輸送軸的中心距大于130 mm，匣缽在經(jīng)過(guò)兩軸間的空擋時(shí)，在重力作用下容易發(fā)生傾斜，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)傳輸。因此，在自動(dòng)線(xiàn)先后工位銜接時(shí)將此值統(tǒng)一為120 mm。

由于倍速鏈大/小口徑滾子的外形尺寸，導(dǎo)致鏈輪直徑較大，其傳動(dòng)軸距離框架端面的距離超過(guò)120 mm，因此需要設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)1作為過(guò)渡輪。機(jī)構(gòu)2為端頭導(dǎo)向器，作用是確保大/小口徑滾子能平穩(wěn)順滑地導(dǎo)入專(zhuān)用鋁型材的導(dǎo)向槽內(nèi)移動(dòng)。機(jī)構(gòu)3為制動(dòng)器，當(dāng)線(xiàn)體需要進(jìn)行積存時(shí)，制動(dòng)器上升擋住輸送過(guò)來(lái)的匣缽，而倍速鏈正常運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)構(gòu)4為倍速鏈條。機(jī)構(gòu)5為夾持器，用于實(shí)現(xiàn)匣缽分離功能。機(jī)構(gòu)6為外部驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖5 積放功能線(xiàn)體結(jié)構(gòu)示意圖

4 倍速鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算

基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，將自動(dòng)線(xiàn)所有輸送線(xiàn)體統(tǒng)一為2 m標(biāo)準(zhǔn)段一節(jié)，采用1個(gè)電機(jī)帶動(dòng)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段線(xiàn)體。由于帶料匣缽質(zhì)量較大，為滿(mǎn)足高速傳輸下的精確定位(用戶(hù)需求速度V=30 m/min)，綜合考慮后選擇伺服電機(jī)。下面進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì):

4 m線(xiàn)體最多放10個(gè)輸送物，單個(gè)輸送物質(zhì)量m=15 kg，主傳動(dòng)輪直徑D=80 mm。

負(fù)載:F=10·mg=10·15·9.8=1 470 N，取F=1 500 N。

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

按經(jīng)驗(yàn)選用750 W伺服電機(jī)，最高轉(zhuǎn)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(jī)合適，減速器速比為40。

5 緩存功能的實(shí)現(xiàn)

緩存功能的實(shí)現(xiàn):初始狀態(tài)為落下，當(dāng)觸發(fā)升起信號(hào)時(shí)，制動(dòng)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(chǎn)生的能量，后續(xù)由于前端有阻擋而依次停止，倍速鏈空轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)輸送物的緩存。

5.1 制動(dòng)器氣缸選型

制動(dòng)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，包括導(dǎo)套安裝板2、導(dǎo)套3、導(dǎo)向軸4和緩沖阻尼器5，總重約為8 kg。頂起時(shí)氣缸負(fù)載率η=50%;氣源壓力P0=0.4 MPa;總負(fù)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(dòng)器結(jié)構(gòu)

5.2 緩沖阻尼器選型

在輸送機(jī)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(jù)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(shí)現(xiàn)

分離功能的實(shí)現(xiàn):當(dāng)自動(dòng)線(xiàn)需要將匣缽逐個(gè)從積放線(xiàn)體輸送出去時(shí)，將第2個(gè)匣缽?qiáng)A緊，制動(dòng)器下降，第1個(gè)匣缽在倍速鏈條的帶動(dòng)下離開(kāi);然后制動(dòng)器上升，夾持器松開(kāi)，后續(xù)匣缽移動(dòng)到制動(dòng)器停止，夾持器再次夾緊后一個(gè)匣缽，制動(dòng)器再下降，再輸送出去一個(gè)匣缽;重復(fù)以上動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)匣缽的逐個(gè)分離。

夾持器設(shè)計(jì)為1個(gè)電磁閥控制兩個(gè)氣缸的伸縮，以保證動(dòng)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(shí)保護(hù)匣缽表面。夾持裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 夾持裝置結(jié)構(gòu)

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

7 實(shí)際運(yùn)行情況介紹

目前倍速鏈積放線(xiàn)體已經(jīng)在全自動(dòng)上下料生產(chǎn)線(xiàn)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中某個(gè)工位出現(xiàn)故障后自動(dòng)緩存、自動(dòng)恢復(fù)的功能。在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)增加外部光電開(kāi)關(guān)，配合伺服電機(jī)調(diào)速功能，還實(shí)現(xiàn)了在緩存前降低速度減小沖擊力的設(shè)計(jì)。

倍速鏈積放線(xiàn)體的優(yōu)點(diǎn):①輸送能力大，可承載較大的載荷;②可實(shí)現(xiàn)高速輸送;③易于實(shí)現(xiàn)積放輸送;④可在各種惡劣的環(huán)境(高溫、粉塵)下工作，性能可靠;⑤結(jié)構(gòu)美觀，實(shí)用噪音低。

在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了該積放線(xiàn)體需要改進(jìn)的地方:①使用環(huán)境粉塵大，大小口徑滾子間隙落入灰塵后相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦力大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算的倍速;②由于一般的鏈條托軌多采用尼龍等耐磨材質(zhì)，而專(zhuān)用倍速鏈型材為特制鋁型材，故耐磨性一般。

8 結(jié)束語(yǔ)

倍速鏈輸送在一些物流行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在鋰電材料自動(dòng)線(xiàn)上還是首次應(yīng)用。因其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可維護(hù)性好，可以倍速輸送，僅增加1套制動(dòng)器和夾持器就可以實(shí)現(xiàn)積放的功能，所以其在電池粉料行業(yè)的應(yīng)用前景較好，無(wú)論是網(wǎng)帶爐、隧道爐、輥道爐和其他燒結(jié)設(shè)備的配套自動(dòng)線(xiàn)均可采用本設(shè)計(jì)方案。

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