1. 引言
随着国内卷烟市场产品多样化,消费者对卷烟产品需求日渐趋于高质量、高标准、高要求,除了对卷烟产品本身的吸感之外 [1] [2],对于产品包装方式有着新要求,因此本研究对于“二五平”和“十包立式”两种中支卷烟条的包装方式进行设备改造,以适应一对二(一主机二辅机)方式进行两种包装方式的柔性化切换 [3],以满足市场需求、提高设备生产效率、实现产品包装多样化硬需求,并推广应用 [4]。
2. 爬升及下降输送通道研究
在研究设计“二五平包”与“十包立式”烟包的柔性化快速切换方案时,考虑到需要使用一台主机搭配两台辅机,导致烟包输送通道长度较大 [5],若采用低架输送通道,将会带来烟道储存烟包数量少,人员通行不便,不利于辅料及成品运输等缺点,而高架输送将能很好地解决这些问题 [6]。高架烟包输送通道一般安装高度大于2000 mm,保证人员通行及辅料运输有足够的空间。在此烟包柔性化快速切换方案中,ZB418主机烟包出口高度为1178 mm,“二五平包”的包装设备为YB518包装机,其烟包入口通道高度为2170 mm;“十包立式”的包装设备为YB55包装机,其烟包入口高度为780 mm。因此,高架输送通道高度设置为2170 mm,需要一段烟包爬升通道将烟包高度从1178 mm提升至2170 mm,一段下降通道将烟包高度从2170 mm降低至780 mm。
2.1. 烟包爬升通道设计
爬升通道将烟包高度从1178 mm提升至2170 mm,目前烟包爬升方式主要通过传送带完成烟包提升,此种方法结构简单、适用性强,且与传统低架输送通道有良好的适应性。
结构如图1所示,烟包在向上爬升过程中,需弹簧压轮对烟包施加压力,否则会因为烟包与输送皮带间摩擦力不够 [7],造成烟包下滑。因压轮间存在间距,导致烟包压力并不连续,若压力过大,将导致烟包与压轮碰撞,使烟包触皱或留下压痕,造成质量缺陷。
如图2所示,为保证烟包在爬升过程中始终受到压紧力,即在烟包爬升过程中至少有一个弹簧压轮与烟包侧面相接触,烟包弹簧压轮最大间距为烟包长度,烟包长度为91 mm,取整后为90 mm。也可增加一个弹簧压轮,保证爬升过程中始终有两个弹簧压轮与烟包相接触,下面对种情况下受力进行分析:
1、输送带辊子2、输送皮带3、弹簧压轮
Figure 1. Schematic diagram of cigarette bag lifting channel
图1. 烟包提升通道示意图
1、烟包 2、弹簧压轮
Figure 2. Schematic diagram of the force of a cigarette pack
图2. 烟包受力示意图
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x9_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 3. Stress diagram of cigarette bag with 90 mm distance between pressure rollers
图3. 压轮间距90 mm烟包应力图
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x10_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 4. Stress diagram of cigarette bag with 45 mm distance between pressure rollers
图4. 压轮间距45 mm烟包应力图
从图3、图4所示应力图看出,在相同压紧力需求下,压轮间距45 mm相比90 mm应力集中现象更加不明显,导致烟包触皱或划伤的概率更低,因此压轮间距设置为45 mm。
2.2. 烟包下降通道设计
下降通道将烟包高度从2170 mm降低至780 mm,因烟包存在重力,因此下降通道不需要传送皮带完成烟包输送,其结构相对简单。
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x11_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 5. Schematic diagram of cigarette bag descending channel
图5. 烟包下降通道示意图
如图5所示,下降通道由滑轨、上护板和侧护板组成,上护板及侧护板主要起防止烟包飞出的作用。滑轨材质为45钢,与烟包相接触的面作抛光粗处理,摩擦力较小,烟包可沿滑轨向下滑动。在烟包开始进入下降通道时,烟包会与上护板发生碰撞,烟包下降至最低点时,烟包会与低架输送通道的传送皮带发生碰撞。当倾角越大时,烟包下降速度越快,发生撞击时动能越大;但倾角过小时会出现烟包下降不畅,造成阻塞,护板安装高度同样。
倾角与护板高度对下降无效性系数影响显著,且由图6所示主效应图看出当护板高度取10 mm,倾角取40˚时,下降无效性系数最小。
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x12_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 6. Main effect diagram of falling invalidity coefficient
图6. 下降无效性系数主效应图
3. 输送皮带动力系统分配研究
烟包输送通道通过输送皮带完成烟包的输送,输送皮带因运输速度高、连续性强,结构简单,可靠性强等优点,在卷烟生产中被广泛运用。在本章的研究中,输送皮带将主机生产出的小包输送至辅机,
是连接主辅机间的桥梁。本设计中,因主机和辅机位置相隔较远,且在运输过程中需要转弯,需要将多段输送皮带组合,完成烟包输送中烟包转弯、爬升、下降等过程。根据主机及辅机安装位置,输送通道布置如图7所示。
输送皮带动力系统分配设计
输送皮带需要电机驱动,传送皮带驱动原理图如图8所示,驱动电机经减速机减速后,将动力传递到输送皮带辊轴上,输送皮带辊轴在摩擦力的作用下,带动输送皮带旋转。为减少驱动电机安装数量及提高电机利用率,在相邻两条皮带间,可用齿轮传动机构传动,实现两条或两条以上传送皮带共用一个驱动电机,此时,输送皮带动力系统分配设计是否合理将影响输送皮带运行状况。
1、驱动电机 2、减速机 3、输送皮带4、输送皮带辊轴
Figure 8. Conveyor belt drive schematic
图8. 传送皮带驱动原理图
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x15_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 9. Schematic diagram of conveying channel length
图9. 输送通道长度示意图
1) 输送通道设计
根据主辅机相对位置,由图9可知,输送通道总长为29.1 m。查询输送皮带得知1 m输送皮带所需功率为45.4 W。减速机传动效率为95%,所需总功率为1390.8 W,所需电机额定功率为1807.9 W,得出所需电机数量为2.4台。即输送皮带电机为3台。
2) 驱动电机动力分配
图10所示为输送电机分配位置,单台驱动电机功率为0.75 Kw,可驱动输送皮带的最大长度为16.5 m,一共3台驱动电机,小组决定,驱动电机动力分配如下:1号电机驱动1、2、3、4共计4段输送皮带,2号电机驱动5、6段输送皮带;3号电机驱动8、9共计2段输送皮带。在此动力分配下,电机安全系数均大于或等于1.3,符合负载要求。
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x16_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 10. Installation position diagram of drive motor
图10. 驱动电机安装位置示意图
4. 柔性化快速切换分道器研究设计
为了实现“二五平包”与“十包立式”烟包的柔性化生产,需要将两台辅机并联,考虑到需要使用一台主机搭配两台辅机,需要设计烟包通道快速切换装置,实现短时间内将烟包输送通道在YB518包装机YB55包装机间相互切换。研究人员决定采用柔性切换烟通道,只需拆除柔性烟包切换通道的固定螺栓,
![](//html.hanspub.org/file/10-2341045x17_hanspub.png?20140102000338789)
Figure 11. Physical diagram of lane divider in straight line state
图11. 分道器直线状态实物图
烟包输送通道就可在一定范围内随意弯曲,实现在不同辅机间的快速切换。
根据主机与辅机放置位置,研究人员将分道器设置为,分道器呈直线时,烟包通道通向YB55包装机,分道器呈90˚转弯时,烟包通道通向YB518包装机。
如图11所示,分道器是通过柔性条对不同通道的接/断,实现分道的功能,分道器可以根据实际生产需要,快速将将烟包引入“二五平包”或“十包立式”包装机,从而满足不同包装样式对设备的要求。
柔性通道需在直线状态与90˚转弯状态间切换,在直线状态时,柔性通道可设计为与普通通道宽度相同,而在90˚转弯通道状态时,通道宽度设计不合理将导致烟包在转弯处发生阻塞。通过相关性实验、回归分析得出当通道宽度在28.5 mm时阻塞次数为负数,实际阻塞次数最小值为0,此时阻塞次数最少,且实验所有中支牌号时,均不发生烟包阻塞现象,即转弯处通道宽度确定28.5 mm。
5. 动态车速自主调节系统研究
在实际生产中,主机短时停机的发生频次较高,当主机因夹烟或者辅料搭接短时停机时,停机时间基本小于30 s,此时输送通道上烟包数量较少,导致辅机频繁在停机与启动间切换,辅机工作状态不稳定,存在质量风险。若在烟包输送通道上增加检测器,检测通道上烟包数量,以此为依据控制辅机车速动态调整,可减少辅机停机次数,增加辅机运行稳定性。
在距辅机烟包入口处不同距离的3个点的烟包通道上安装有检测器,当通道上烟包数量较少时,烟包间存在间距;当烟包数量较多时,烟包会出现首尾相接现象。烟包通道上烟包数量适中时,烟包序列处于1号2号检测器之间;当首尾相接的烟包序列到达1号检测器位置时,说明烟包通道上烟包较多,辅机接收到信号后控制辅机提速;当烟包序列长度小于2号检测器位置时,说明通道上烟包数量较少,辅机开始减速;当烟包序列长度小于3号检测器时,通道上的烟包序列极少,辅机立即停机。
1、1号检测器2、2号检测器3、3号检测器
Figure 12. Diagram of detector installation position
图12. 检测器安装位置示意图
由原理可知,可通过调整如图12中的1、2、3号检测器距烟包入口处的距离来控制辅机加减速或停机的时机,研究人员决定设计实验选择出最佳组合,减少辅机的停机次数。
1) 检测器距离设置
1、2、3号检测器安装位置通过距烟包入口处距离来确定。参考辅机技术说明书,3号检测器推荐安装位置为距烟包入口处2~3 m,2号检测器推荐安装位置为距3号检测器1~3 m,1号检测器推荐安装位置为距2号检测器2~5 m,安装位置如下表1所示。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Orthogonal experimental factor table
表1. 正交实验因子表
2) 根据因素选择表进行正交实验
根据因素水平表,3因素3水平采用L9表,按照正交表设计实验方案进行实验,试验记录如下表2所示。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Orthogonal experimental table
表2. 正交实验表
通过正交实验确定,3号检测器安装位置为距烟包入口处2.5 m,2号检测器安装位置为距3号检测器3 m处,1号检测器安装位置为距2号检测器3.5 m。
6. 总结
通过技术的研究与设计,本文通过对烟包爬升通道设计、烟包下降通道设计、输送皮带动力系统分配研究设计、柔性化快速切换分道器研究设计、动态车速自主调节系统研究设计等,实现了“二五平包”与“十包立式”烟条生产线的柔性化切换,并首次实现FOCKE系列主机与GD系列辅机的适配性生产应用。提高产品线产品牌号切换效率,大大提升设备生产效率,实现产品包装多样化硬需求,并推广应用。