徐榮華　張國平　方利梅　高雪峰　安浩　楊浩

摘 要：在卷煙生產(chǎn)企業(yè)制梗絲生產(chǎn)線投料端，越來越多的企業(yè)采用了自動(dòng)化設(shè)備-煙梗開包機(jī)代替了傳統(tǒng)的人工上包、開口、倒料的投料模式，并獲得了良好的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、很低的勞動(dòng)強(qiáng)度等效果。但是，由于各企業(yè)采用的生產(chǎn)配方不同，原料的產(chǎn)地也不相同，造成原料包裝不同且包裝形式雜亂，部分產(chǎn)地原料包裝情況使得煙梗開包機(jī)出現(xiàn)了倒料動(dòng)作的失敗，失去了自動(dòng)化的意義。該文針對(duì)煙梗開包機(jī)倒料過程中所采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化控制方式，結(jié)合氣缸的工作原理，對(duì)產(chǎn)生倒料動(dòng)作失敗的原因進(jìn)行分析，并將分析后的方法應(yīng)用于對(duì)設(shè)備的調(diào)整，得出一種適應(yīng)不同包裝形態(tài)原料的控制方式。

關(guān)鍵詞：煙梗投料 煙梗開包機(jī) 氣缸 氣缸原理 氣缸勻速運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TS4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0072-03

在卷煙生產(chǎn)企業(yè)制梗絲生產(chǎn)線中，煙梗原料多采用麻袋進(jìn)行包裝，每袋重25～50 kg不等。當(dāng)需要將原料投入生產(chǎn)線時(shí)，需要由人工進(jìn)行搬運(yùn)、開口并將麻袋的煙梗倒進(jìn)第一級(jí)設(shè)備。相比傳統(tǒng)的煙梗人工喂料方式帶來的工人勞動(dòng)強(qiáng)度過大和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境粉塵污染嚴(yán)重的情況，采用煙梗開包機(jī)將煙梗向生產(chǎn)線投料的方式，可自動(dòng)完成麻袋的搬運(yùn)、開口、倒料過程，從而有效避免以上問題，并使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作流程更加有序、生產(chǎn)線自動(dòng)化程度得到一定的提高。但是，國家行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有將包裝煙梗用麻袋像制葉絲線包裝片煙用煙箱進(jìn)行尺寸、外形、包裝方式等方面的統(tǒng)一規(guī)定，各復(fù)烤企業(yè)在現(xiàn)階段向卷煙生產(chǎn)企業(yè)提供的原料包裝形態(tài)并不相同。由于生產(chǎn)采用的配方不同，使得不同產(chǎn)地、不同等級(jí)的梗包在同一批次生產(chǎn)流程內(nèi)進(jìn)入了煙梗開包機(jī)進(jìn)行處理，導(dǎo)致煙梗開包機(jī)出現(xiàn)了整包掉落、空麻袋掉落等問題，不能滿足功能要求，也因此需要人工進(jìn)行干涉，從而影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和自動(dòng)化程度。

1 狀況描述

該文主要就浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠的制梗絲原料的包裝情況，對(duì)煙梗開包機(jī)在倒料過程出現(xiàn)的掉落狀況進(jìn)行描述和分析。制梗絲原料共來自4個(gè)產(chǎn)地，此稱為A、B、C、D4個(gè)產(chǎn)地，均采用麻袋進(jìn)行包裝，包裝情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

從表1內(nèi)可看出，各產(chǎn)地原料的包裝尺寸、外形、封口方式均不相同，同一產(chǎn)地的原料在包裝時(shí)也存在了不同的情況。在生產(chǎn)過程中，除B產(chǎn)地原料生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定外，其余3個(gè)產(chǎn)地的原料都產(chǎn)生了不同程度的生產(chǎn)中斷。

2 分析與實(shí)踐

2.1 倒料原理

如圖1所示，2-輸送帶將開口后的7-等待倒料的梗包向前輸送，經(jīng)1-勾包檢測(cè)光電管檢測(cè)后延時(shí)停止在待倒料位置，部分8-灑落煙梗會(huì)提前從包裝內(nèi)落下，以減少倒料負(fù)載。倒料機(jī)構(gòu)由4-插包臂、5-驅(qū)動(dòng)氣缸、6-支撐主軸組成，5-驅(qū)動(dòng)氣缸的氣缸桿在初始狀態(tài)為伸出狀態(tài)，4-插包臂回繞6-支撐主軸旋轉(zhuǎn)抬起等待梗包通過；當(dāng)氣缸桿縮回時(shí)，插包臂沿圖示弧線運(yùn)動(dòng)，插包臂頭端進(jìn)入麻袋內(nèi)部勾住麻袋，插包臂將麻袋提起，同時(shí)2-輸送帶在插包臂頭端進(jìn)入梗包后啟動(dòng)輔助氣缸動(dòng)作。

2.2 分析調(diào)整

由于前端的自動(dòng)開口機(jī)械機(jī)構(gòu)無法完全模擬人工的割斷繩頭、抽繩解口、解開扎口團(tuán)的動(dòng)作，采用的是旋轉(zhuǎn)切割方式。如果切割封口端，會(huì)產(chǎn)生麻袋碎片、麻繩等雜物，同時(shí)由于封口時(shí)卷疊的麻袋層較厚會(huì)導(dǎo)致開口不連續(xù)影響卸料和扎口團(tuán)纏繞導(dǎo)致的開口部件故障等問題，帶有扎口團(tuán)的封口端也因此成為了倒料時(shí)插包臂進(jìn)入的部位。由于梗包停止位置由光電管從接收信號(hào)到失去信號(hào)控制，所以梗包的長短并不影響勾包氣缸動(dòng)作的時(shí)間。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，A、C、D3個(gè)產(chǎn)地的原料主要由于不同長度的扎口團(tuán)干擾了光電管，使得光電管在包裝本體通過后，仍判斷梗包未完全通過，導(dǎo)致梗包停止位置不在同一位置范圍，出現(xiàn)了當(dāng)停留在較遠(yuǎn)位置時(shí)插包臂頭端進(jìn)入麻袋較少和勾到了較厚的麻袋層卷疊部位的情況，從而導(dǎo)致當(dāng)輸送帶啟動(dòng)后出現(xiàn)了插包臂頭端進(jìn)入量減少甚至脫落的情況，從而導(dǎo)致了麻袋的掉落。

由于輸送帶采用的是直插式減速機(jī)驅(qū)動(dòng)、無變頻控制，輸送速度無法降低，只能增加插包臂頭端進(jìn)入麻袋內(nèi)的深度，因此我們將氣缸桿縮回的速度進(jìn)行了提高。當(dāng)速度提高后，出現(xiàn)了麻袋從輸送帶上被推落的情況。按圖1內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡，我們發(fā)現(xiàn)掉落梗包的停留位置出現(xiàn)在了插包臂運(yùn)動(dòng)弧線的最低點(diǎn)附近。綜合考慮表1內(nèi)統(tǒng)計(jì)的麻袋外形狀況，我們決定將麻袋停止時(shí)間提前，使插包臂頭端從包裝貼進(jìn)尾端的上表面進(jìn)入。此種方法改善了A、C、D產(chǎn)地原料在倒料過程中的掉袋情況，但仍有大部分麻袋出現(xiàn)了在完全提起后空麻袋從插包臂頭端脫落的情況以及B產(chǎn)地包在原料在提起的過程中從插包臂頭端脫落的情況。對(duì)此，我們調(diào)整了氣缸終位時(shí)的緩沖，以求減小氣缸桿完全縮回時(shí)產(chǎn)生的沖擊，結(jié)果由于速度較快，氣缸桿在到達(dá)終位前出現(xiàn)了抖動(dòng)，仍出現(xiàn)了速度的下降，空麻袋仍從插包臂頭端脫落；而且，B產(chǎn)地原料仍在提起倒料過程中脫落麻袋。

綜合上述考慮，我們決定將氣缸速度降低，以解決A、C、D產(chǎn)地原料終點(diǎn)位置時(shí)的速度下降過多導(dǎo)致的空麻袋掉落問題和B產(chǎn)地在提起過程中的脫落情況。因此，保證氣缸速度降低后插包臂頭端進(jìn)入麻袋內(nèi)的深度是需要解決的問題。鑒于此種結(jié)構(gòu)內(nèi)使用的驅(qū)動(dòng)源為雙作用單桿氣缸，我們對(duì)氣缸的工作過程進(jìn)行了探討，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)插包臂頭端需要進(jìn)入麻袋時(shí)，氣缸桿進(jìn)行縮回動(dòng)作。壓縮空氣從2-頭端進(jìn)排氣口進(jìn)入3-氣缸頭腔，缸體內(nèi)原有壓縮空氣經(jīng)5—尾端進(jìn)排氣口流出，3-氣缸頭腔和4-氣缸尾腔產(chǎn)生了壓力差，產(chǎn)生了拉力，并推動(dòng)1-活塞桿移動(dòng)。忽略活塞桿的直徑，產(chǎn)生的拉力F=P1S-P2S，其中P1為氣缸頭腔內(nèi)的空氣壓力，P2為氣缸尾腔內(nèi)的空氣壓力，S為活塞面積。產(chǎn)生的拉力又可表述為F=ma，其中m為負(fù)載質(zhì)量，a為使負(fù)載產(chǎn)生的加速度。由上述公式來看，隨著氣缸尾腔的空氣排出，壓力下降，氣缸活塞桿會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生拉力，當(dāng)拉力大于負(fù)載后，氣缸活塞桿會(huì)產(chǎn)生變加速運(yùn)動(dòng)。由于在提起倒料過程中，煙梗會(huì)從麻袋內(nèi)倒出，相對(duì)于氣缸桿的負(fù)載會(huì)大幅減少，氣缸活塞桿的加速度會(huì)進(jìn)一步增大，這也導(dǎo)致了在提起倒料的終點(diǎn)位置時(shí)速度很大。上述也可佐證，當(dāng)B產(chǎn)地原料相對(duì)其他3個(gè)產(chǎn)地原料停止位置靠前時(shí)，相比其他3個(gè)產(chǎn)地原料會(huì)提前接觸插包臂，從而阻礙了插包臂的運(yùn)動(dòng)，使得此時(shí)氣缸尾腔的壓力下降較多；當(dāng)插包臂的運(yùn)動(dòng)軌跡不再受到阻礙時(shí)，啟動(dòng)速度較大，導(dǎo)致在提起倒料過程中的脫落。

由于氣體具有可壓縮性，氣缸尾腔內(nèi)的壓縮空氣在連接大氣后出現(xiàn)的壓力下降，可由氣缸活塞向尾端的移動(dòng)進(jìn)行壓縮后再次上升，從而減慢對(duì)活塞桿拉力的變化速度。但當(dāng)前采用的通過排氣調(diào)速提高氣缸速度的方法，氣缸尾腔內(nèi)的壓縮空氣順利排出并不能很好地保證氣缸頭腔和尾腔的壓力差。

綜上所述，為避免扎口團(tuán)對(duì)插包臂頭端進(jìn)入包裝內(nèi)的影響，將全部原料停止時(shí)間提前，在插包臂受到阻礙的位置進(jìn)行動(dòng)作保持，將氣缸尾端排氣頭減小，但留給足夠時(shí)間排氣形成壓力差，從而使插包臂頭端獲得一定的進(jìn)入深度。但是需要考慮氣缸活塞桿受到阻礙時(shí)，尾端壓力對(duì)麻袋提起速度的影響，即能否對(duì)后端氣體進(jìn)行壓縮，不產(chǎn)生加速度的大幅增加。由于沒有收集到相關(guān)資料，筆者并沒有計(jì)算出準(zhǔn)確結(jié)果，此處提出的計(jì)算過程僅供參考和指正。我們認(rèn)為，當(dāng)插包臂運(yùn)動(dòng)軌跡受到梗包的阻礙后，氣缸活塞桿停止運(yùn)動(dòng)，氣缸頭腔壓縮空氣壓力應(yīng)為0.6 MPa（供應(yīng)壓力），由于插包臂本身結(jié)構(gòu)，只要產(chǎn)生壓差，插包臂就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，可假設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)氣缸后腔空氣進(jìn)行了壓縮，在插包臂被梗包阻礙停止后，氣缸尾腔內(nèi)的壓力也為0.6 MPa。根據(jù)伯努力方程應(yīng)用公式P=0.5ρv2（P為空氣動(dòng)壓力，v為氣體流動(dòng)速度）計(jì)算出氣缸后腔向外排出的空氣流速，再使用Q=vs（v為氣體流動(dòng)速度，s為排出口截面積）計(jì)算出空氣流量，接著根據(jù)氣體體積的減少計(jì)算質(zhì)量的減少，最后根據(jù)P/m=C（P為實(shí)際壓力，m為氣缸后腔體積內(nèi)的空氣質(zhì)量，C為常數(shù)）。由于氣缸后腔內(nèi)的壓力和空氣密度隨著空氣的排出在下降，排出的速度也隨之下降，筆者未能計(jì)算出后腔內(nèi)的壓力與時(shí)間和排出口截面積的關(guān)系。另外，當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)后，由于壓縮空氣流動(dòng)速度很快，假設(shè)氣缸頭腔內(nèi)的壓力很快達(dá)到即保持0.6 MPa，根據(jù)玻意耳-馬略特定律公式計(jì)算一定的運(yùn)動(dòng)距離對(duì)氣體的壓縮情況，但由于壓縮空氣同時(shí)在排出且隨內(nèi)部壓力變化排出速度也在變化，并不符合玻意耳-馬略特定律對(duì)一定質(zhì)量理想氣體的前提條件要求。

對(duì)此，我們只能采用實(shí)驗(yàn)的方法，先將氣缸速度調(diào)至較低工況。在較低速度的情況下，需保持較長時(shí)間才能使插包臂頭端進(jìn)入包裝內(nèi)一定深度，同時(shí)在輸送帶啟動(dòng)后由于輸送帶和插包臂運(yùn)動(dòng)的速度差，插包臂頭端會(huì)從包裝內(nèi)脫落。經(jīng)過多次調(diào)整氣缸速度和停止時(shí)間，我們確定的最終控制方式為將輸送帶停止時(shí)間提前，即麻袋停止等待倒料的位置提前使插包臂進(jìn)入點(diǎn)避開尾部位置而從尾端上表面進(jìn)入，延遲時(shí)間啟動(dòng)輸送帶使插包臂頭端進(jìn)入一定深度后，采用步進(jìn)輸送帶的控制方式保證插包臂頭端在提起倒料前仍保持一定的進(jìn)入深度。

3 結(jié)語

綜上所述，針對(duì)包裝形式雜亂的制梗絲線原料，通過對(duì)控制方式的調(diào)整，利用氣缸前后腔壓力差，在不改動(dòng)當(dāng)前結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上成功地完成了煙梗開包機(jī)的倒料動(dòng)作。但是，氣缸內(nèi)部的壓力變化過程較為復(fù)雜，使用氣缸作為驅(qū)動(dòng)源并不是最合適的選擇，使用帶有變頻控制的電機(jī)控制插包臂的效果應(yīng)會(huì)優(yōu)于氣缸。

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