王德吉，王志國，謝 建，劉俊峰

1.中國煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，鄭州市鑫苑路7號 450008

2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，河南省南陽市新華東路6號 473000

3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉制造中心制絲車間，鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街9號 450016

片煙裝箱翻包機(jī)翻轉(zhuǎn)體控制及液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

王德吉1，王志國2，謝 建3，劉俊峰3

1.中國煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，鄭州市鑫苑路7號 450008

2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，河南省南陽市新華東路6號 473000

3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉制造中心制絲車間，鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街9號 450016

為解決片煙裝箱翻包機(jī)在翻包過程中，翻轉(zhuǎn)體出現(xiàn)抖動，且液壓油溫及驅(qū)動電機(jī)機(jī)殼溫度偏高等問題，采用基于先驗(yàn)知識的LS-SVM(Least Squares Support Vector Machines)理論，對皮帶輸送機(jī)定位方式進(jìn)行了優(yōu)化。利用PLC編程對翻轉(zhuǎn)體控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用軸流風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)制冷技術(shù)對電機(jī)和液壓油分別進(jìn)行冷卻處理，重新調(diào)整液壓系統(tǒng)的工作壓力。結(jié)果表明：改進(jìn)后消除了液壓缸向外滲油和翻轉(zhuǎn)體抖動現(xiàn)象，翻轉(zhuǎn)體對油缸活塞桿支撐區(qū)域出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象由3～4次/年減少為0，電機(jī)機(jī)殼溫度由65℃降至44℃，液壓油溫由55℃降至37℃左右，有效降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。

片煙裝箱翻包機(jī)；翻轉(zhuǎn)體；支持向量機(jī)（SVM）；抖動；液壓系統(tǒng)；油溫

片煙裝箱翻包機(jī)應(yīng)用于卷煙廠制絲線的片煙預(yù)處理段［1］，主要是將上游設(shè)備輸送的空箱準(zhǔn)確定位到輥道輸送機(jī)上，并將卸去托盤、鋼帶、木夾板的煙包進(jìn)行裝箱和90°翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)后的煙包底面向上。片煙經(jīng)過裝箱翻包工序后，可方便垂直分片機(jī)對片煙進(jìn)行松散，提高真空回潮后片煙的回透率。但片煙裝箱翻包機(jī)在使用過程中存在一些問題，如液壓油缸向外滲油、液壓油溫及其驅(qū)動電機(jī)的外殼溫度過高、翻轉(zhuǎn)體在翻轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)抖動、翻轉(zhuǎn)體對油缸活塞桿的支撐區(qū)域頻繁出現(xiàn)開裂現(xiàn)象等，從而導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)。陳猛［2］分析對比了片煙裝箱翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)（即翻轉(zhuǎn)體）的疲勞壽命和使用壽命；曹廣文［3］分析了液壓油溫過高原因并提出了降溫措施，但上述研究未能解決翻轉(zhuǎn)體出現(xiàn)抖動和裂縫等問題。支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）是 Vapnik 等［4-5］于1995年首先提出，在解決小樣本、非線性及高維模式識別中具有許多獨(dú)特優(yōu)勢。SVM的主要思想可概括為線性可分和線性不可分兩種情況。對于線性不可分情況，通過使用非線性映射算法將低維輸入空間線性不可分的樣本轉(zhuǎn)化為高維特征空間使其線性可分，從而使高維特征空間可以采用線性算法對樣本的非線性特征進(jìn)行分析。為此，在SVM［6-11］基礎(chǔ)上提出了基于先驗(yàn)知識的LS-SVM（Least Squares Support Vector Machines）理論［12］，并通過PLC編程［13-14］及調(diào)整液壓系統(tǒng)［15］的壓力輸出等方法，對片煙裝箱翻包機(jī)的翻轉(zhuǎn)體控制及液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)，以解決上述問題，提高設(shè)備安全運(yùn)行水平，降低維修強(qiáng)度。

1 問題分析

片煙裝箱翻包機(jī)主要由翻轉(zhuǎn)體、液壓系統(tǒng)等部分組成，見圖1。翻轉(zhuǎn)體安裝在設(shè)備底座上，主要由轉(zhuǎn)軸、AB兩面相互垂直的矩形框構(gòu)成，帶導(dǎo)向槽的A面矩形框上安裝了具有移動功能的皮帶輸送機(jī)；B面矩形框上安裝有輥道輸送機(jī)，翻轉(zhuǎn)體可繞轉(zhuǎn)軸作90°翻轉(zhuǎn)。液壓系統(tǒng)由液壓泵站、溢流閥、比例換向閥、平衡閥、風(fēng)冷裝置及液壓油缸等元器件構(gòu)成，共有2個液壓油缸，分別安裝在翻轉(zhuǎn)體的左右兩側(cè)，液壓油缸的一端以底座框架為支撐，另一端以翻轉(zhuǎn)體A面框?yàn)橹?，?dāng)油缸的活塞桿伸出時，翻轉(zhuǎn)體做翻轉(zhuǎn)動作，翻轉(zhuǎn)體B面框內(nèi)的輥道輸送機(jī)由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗綘顟B(tài)，即輥道放平；當(dāng)油缸的活塞桿縮回時，翻轉(zhuǎn)體A面框內(nèi)的移動式皮帶輸送機(jī)由垂直狀態(tài)恢復(fù)到水平狀態(tài)，為下一次裝箱翻包動作做準(zhǔn)備。

圖1 片煙裝箱翻包機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

片煙裝箱翻包機(jī)在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)異常現(xiàn)象：①在翻包過程中，翻轉(zhuǎn)體出現(xiàn)連續(xù)抖動現(xiàn)象；翻轉(zhuǎn)體對油缸活塞桿的支撐區(qū)域出現(xiàn)開裂，且裂縫逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)體無法翻轉(zhuǎn)，造成生產(chǎn)中斷。裂縫焊接后，經(jīng)過一段時間的使用，新的裂縫再次出現(xiàn)。②翻轉(zhuǎn)體在翻轉(zhuǎn)過程中，液壓系統(tǒng)的工作壓力達(dá)1.5×107Pa，油缸內(nèi)油溫上升至60℃左右，而設(shè)備本身的液壓油風(fēng)冷裝置無法使油溫保持在40℃以下，造成液壓油黏度下降，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄露現(xiàn)象。液壓油溫度繼續(xù)升高，會導(dǎo)致液壓油缸損壞。③液壓系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)功率為7.5 kW，起動電流超過20 A，在片煙裝箱翻包機(jī)每個工作周期的開始，電機(jī)都要重新起動。電機(jī)的頻繁啟動，使電機(jī)外殼溫度高達(dá)65℃，定子線圈溫度在70℃左右，造成線圈絕緣性能降低，轉(zhuǎn)子軸承內(nèi)潤滑狀況惡化。

2 改進(jìn)方法

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行原理，皮帶輸送機(jī)在片煙裝箱過程中，所處位置不同會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化。對液壓系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，可以減少系統(tǒng)消耗，延長設(shè)備使用壽命，提高動力輸出能力。液壓系統(tǒng)負(fù)荷的優(yōu)化問題，亦可視為皮帶輸送機(jī)定位優(yōu)化的問題。而皮帶輸送機(jī)定位問題屬于小樣本［16］回歸，為此引入SVM理論，對其進(jìn)行優(yōu)化處理。

2.1 SVM回歸算法

針對皮帶輸送機(jī)定位優(yōu)化問題，鑒于已知信息無法應(yīng)用于傳統(tǒng)的SVM，在本研究中應(yīng)用了基于先驗(yàn)知識的LS-SVM。先驗(yàn)知識是指對于學(xué)習(xí)任務(wù)除訓(xùn)練數(shù)據(jù)外可得到的所有信息，涵蓋范圍很廣。人工智能領(lǐng)域的學(xué)者將先驗(yàn)知識引入SVM分類模型中，主要有兩個研究方向：①選擇特定背景知識下的核函數(shù)；②直接把先驗(yàn)知識引入SVM分類器中，包括直接在訓(xùn)練樣本中引入先驗(yàn)知識屬性，然后統(tǒng)一通過SVM表示。本研究中基于后者，使先驗(yàn)知識耦合于SVM，其表達(dá)形式為［17］：

2.2 抖動實(shí)驗(yàn)

利用泰克實(shí)時示波器配合TDSJIT3抖動分析軟件［18-19］，對 FJ718Y406103 型裝箱翻包機(jī)進(jìn)行抖動測試和分析。由圖1b所示，以檢測開關(guān)SQ1.5A103所處位置為起點(diǎn)，設(shè)SQ1.1A103與SQ1.5A103距離為xi，xi在1.0～2.0 m 范圍內(nèi)分別取 10個數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)測得翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)過程中的抖動角y，結(jié)果見表1。

表1 檢測開關(guān)SQ1.1A103、SQ1.5A103之間距離與翻轉(zhuǎn)體抖動角的關(guān)系

應(yīng)用表1數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，根據(jù)先驗(yàn)知識0≤y（xi）≤6和SVM，選擇徑向基函數(shù)（RBF）作為核函數(shù)，包含寬度參數(shù)δ和C。由于基于先驗(yàn)知識選擇參數(shù)，會導(dǎo)致不同數(shù)據(jù)對先驗(yàn)知識適應(yīng)程度不同。為此，采用動態(tài)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，即用先驗(yàn)知識固定第1個參數(shù)，用列舉法確定第2個參數(shù)，然后再固定已優(yōu)化的參數(shù)確定第1個參數(shù)，最后將優(yōu)化后的第2個參數(shù)在各自鄰域內(nèi)驗(yàn)證其最優(yōu)性。在選定核函數(shù)和SVM參數(shù)后，輸入樣本集求得Lagrange乘子ai（i，…，l）和偏置b，從而確定預(yù)測函數(shù) y（x）=WTφ（x）+b。根據(jù)函數(shù)，確定抖動角最小值對應(yīng)的xi為1.5 m。

2.3 改進(jìn)措施

（1）應(yīng)用上述訓(xùn)練結(jié)果，對檢測開關(guān)SQ1.1A103的位置進(jìn)行重新定位，使檢測開關(guān)SQ1.5A103、SQ1.1A103之間的距離為1.5 m，以獲得最小的抖動角。

（2）根據(jù)SQ1.5A103、SQ1.1A103之間的距離，確定翻轉(zhuǎn)檢測開關(guān)SQ1.4A103位置，并利用PLC編程對移動式皮帶輸送機(jī)的移動功能控制方式進(jìn)行改進(jìn)，見圖1b。移動式皮帶輸送機(jī)的移動功能主要通過電機(jī)M103-1的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，正轉(zhuǎn)使皮帶輸送機(jī)前移，反轉(zhuǎn)使其后退。改進(jìn)前，翻轉(zhuǎn)體無論是靜止還是翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)M103-1的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)都可激活；改進(jìn)后，當(dāng)翻轉(zhuǎn)體處于靜止且翻轉(zhuǎn)檢測開關(guān)SQ1.4A103被觸發(fā)時，電機(jī)M103-1的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)才被激活；翻轉(zhuǎn)體處于靜止且輥道放平檢測開關(guān)SQ1.3A103被觸發(fā)時，電機(jī)M103-1的反轉(zhuǎn)才被激活；翻轉(zhuǎn)體在翻轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)M103-1的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)均被禁止。

（3）根據(jù)電機(jī)M103-1的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)情況，分別對液壓油和電機(jī)進(jìn)行降溫，改進(jìn)后冷卻裝置見圖2。利用壓縮機(jī)制冷技術(shù)，將液壓站內(nèi)的高溫液壓油引入油溫精密控制裝置，根據(jù)SQ1.5A103、SQ1.1A10的距離，將油溫控制在設(shè)定值±4℃范圍內(nèi)，液壓油經(jīng)冷卻后，重新引回液壓站內(nèi)；利用風(fēng)冷技術(shù)，在液壓系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的尾部增加一臺高轉(zhuǎn)速軸流風(fēng)機(jī)，生產(chǎn)過程中保持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)機(jī)殼溫度保持在一定范圍內(nèi)。

（4）根據(jù)油溫控制在設(shè)定值±4℃范圍內(nèi)的要求，對每只油缸兩個腔體的背壓腔壓力進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整平衡閥使油缸處于臨界動作狀態(tài)；將溢流閥的設(shè)定壓力從1.5×107Pa降低至0.9×107Pa，調(diào)整調(diào)速閥的開度，實(shí)現(xiàn)兩油缸活塞桿動作同步。

圖2 改進(jìn)后冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

應(yīng)用支持向量機(jī)SVM優(yōu)化皮帶輸送機(jī)的定位，并對翻轉(zhuǎn)體控制和液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，片煙裝箱翻包機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定可靠，液壓缸向外滲油和翻轉(zhuǎn)體抖動現(xiàn)象徹底消除，翻轉(zhuǎn)體對油缸活塞桿支撐區(qū)域出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象由3～4次/年減少為0，電機(jī)機(jī)殼溫度由65℃降至44℃，液壓油溫度由55℃降至37℃左右，降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

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Improvement of Control and Hydraulic System for Turnover Body in Strips Case Filling and Tipping Machine

WANG Deji1,WANG Zhiguo2,XIE Jian3,and LIU Junfeng3
1.Staff Development Institute of CNTC,Zhengzhou 450008,China
2.Nanyang Cigarette Factory,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Nanyang 473000,Henan,China
3.Golden Leaf Production and Manufacturing Center,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China

As a solution to the dithering of turnover body and high temperatures of hydraulic oil and driving motor,the positioning means of belt conveyor was optimized by a prior knowledge based LS-SVM(Least Square Support Vector Machine)theory.The control system for turnover body was improved by PLC programming;motor and hydraulic oil were cooled by axial flow fan and compressor refrigeration technology respectively;and the working pressure of hydraulic system was readjusted.The results showed that after improvement,the leakage of hydraulic oil and the dithering of turnover body were eliminated,the cracking in the supporting area of turnover body to the piston rod of oil cylinder decreased from 3-4 times/year to 0,the temperature of motor lowered from 65 to 44℃and that of hydraulic oil lowered from 55 to 37℃.The failure rate of equipment was effectively reduced,while the reliability and safety of equipment running were promoted.

Strips case filling and tipping machine;Turnover body;Support vector machine(SVM);Dithering;Hydraulic system;Oil temperature

TS431

B

1002-0861（2015）12-0092-04

10.16135/j.issn1002-0861.20151215

2014-10-08

2015-05-11

王德吉（1975—），博士后，高級講師，主要從事工業(yè)自動化教學(xué)與研究。E-mail：wangdeji@aliyun.com

王德吉，王志國，謝建，等.片煙裝箱翻包機(jī)翻轉(zhuǎn)體控制及液壓系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.煙草科技，2015，48（12）：92-95.WANG Deji,WANG Zhiguo,XIE Jian,et al.Improvement of control and hydraulic system for turnover body in strips case filling and tipping machine[J].Tobacco Science&Technology,2015,48(12)：92-95.

責(zé)任編輯 曹 娟