余有芳，普靖鋒，李惠峰，李躍輝

紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司大理卷煙廠，云南省大理市下關(guān)建設(shè)東路191 號 671000

ZB48 硬盒包裝機組是引進德國FOCKE700S技術(shù)生產(chǎn)的國產(chǎn)化超高速包裝設(shè)備[1]，在國內(nèi)卷煙生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用廣泛。該機組采用雙通道設(shè)計[2-3]，由YB48 型硬盒包裝機、YF64 型盒包儲存裝置、YB518 型盒外透明紙包裝機、YB618 型硬條及條外透明紙包裝機和YF711 型商標(biāo)紙堆垛輸送裝置5 個單機組成[4]。其中，YB618 型包裝機主要對小盒煙包（簡稱煙包）進行條盒包裝和條盒外透明紙包裝。實際生產(chǎn)中由YB518 型包裝機至YB618型包裝機的煙包輸入通道內(nèi)因上層煙包滑落容易發(fā)生堵塞，造成設(shè)備停機，影響生產(chǎn)效率。目前針對YB618 型包裝機已有較多研究和改進，馬萬杰等[5]對YB618 型包裝機硬條提升及條外透明紙美容裝置進行改進，降低了條煙外觀缺陷率；吳建軍等[6]通過Pro/E 仿真分析，對YB618 型包裝機第二推進器進行改進，改善了第二推進器的潤滑環(huán)境；周奎田等[7]將YB618 型包裝機的雙烙鐵式整形器改為氣流加熱式整形裝置，解決了條煙透明紙松弛、皺褶等問題。但關(guān)于YB618 型包裝機煙包輸入通道堵塞等問題則鮮見報道。為此，通過分析雙層煙包輸送原理和受力情況，對煙包輸入通道進行改進，旨在減少停機次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

1 問題分析

1.1 存在問題

生產(chǎn)中當(dāng)煙包由YB518 型包裝機輸送至YB618 型包裝機時，輸入通道前半段經(jīng)常出現(xiàn)上層煙包滑落現(xiàn)象，造成通道內(nèi)上下兩層煙包數(shù)量不一致。隨著輸入通道內(nèi)下層煙包數(shù)量增多，煙包數(shù)量檢測器發(fā)出信號，導(dǎo)致設(shè)備停機。為排除故障操作人員需要同時轉(zhuǎn)動輸入通道的兩個旋轉(zhuǎn)開關(guān)，利用氣缸提升輸入通道的上輸送帶支架，對排列不齊的煙包進行人工補包，操作繁瑣且耗時長，影響生產(chǎn)效率。

1.2 原因分析

1.2.1 工作原理

由圖1 可見，改進前YB618 型包裝機煙包輸入通道結(jié)構(gòu)為封閉式，煙包輸送方式是由上下兩條輸送帶夾住煙包依靠摩擦力進行同步輸送[8]。電機通過傳動同步帶輪驅(qū)動上下輸送帶，將堆疊煙包由YB518 型包裝機美容器出口輸送到Y(jié)B618 型包裝機的折疊輪入口處。輸入通道是雙通道，由兩組上輸送帶和下輸送帶組成。

圖1 改進前輸入通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of input passage before modification

煙包輸入通道中安裝有煙包堆疊存量光電檢測器，位置見圖2。其中，檢測器1 安裝在第4 個堆疊煙包處，當(dāng)其檢測不到通道內(nèi)堆疊煙包時，YB618 型包裝機會顯示故障信息“最低/最低，輸入導(dǎo)軌”；檢測器2 安裝在第9 個堆疊煙包處，當(dāng)其檢測到累積的堆疊煙包時，最前端的5 個堆疊煙包將被推入折疊輪；檢測器3 安裝在第14 個堆疊煙包處，當(dāng)其檢測到輸入通道中連續(xù)堆疊煙包時，機器的運轉(zhuǎn)速度將自動提高；檢測器4 安裝在第22 個堆疊煙包處，當(dāng)其被煙包遮擋時，YB518 型包裝機將推出美容器內(nèi)的煙包，設(shè)備報警并停機；檢測器5 安裝在輸入通道入口處，當(dāng)其被煙包遮擋時，設(shè)備立即停機。

圖2 輸入通道中煙包存量檢測器位置圖Fig.2 Positions of detectors for quantity of packets in input passage

1.2.2 雙層煙包受力分析

根據(jù)上下輸送帶帶動煙包輸送的方式，對雙層煙包進行受力分析，見圖3。為保證上下層煙包不發(fā)生相互運動，上下層煙包的運行速度應(yīng)分別與兩包煙整體運行速度相等[9]。

圖3 雙層煙包受力分析圖Fig.3 Mechanical analysis of cigarette packets on top and bottom conveying belts

以上層煙包為對象進行受力分析，可以得到上層煙包在水平方向上的動力運動學(xué)方程：

對下層煙包進行受力分析，得下層煙包在水平方向上的動力運動學(xué)方程：

式（1）～式（6）中：f合1為上層煙包在水平方向上的合力，N；f合2為下層煙包在水平方向上的合力，N；f1為上輸送帶對上層煙包產(chǎn)生的摩擦力，N；f2為下輸送帶對下層煙包產(chǎn)生的摩擦力，N；f相為下層煙包對上層煙包的摩擦力，N；f′相為上層煙包對下層煙包的摩擦力，N；μ皮為輸送帶與煙包之間的摩擦系數(shù)；F1為上輸送帶對上層煙包的壓力，N；μ煙為上下層煙包之間的摩擦系數(shù)；N1為下層煙包對上層煙包的支撐力，N；m 為煙包質(zhì)量，kg；g 為重力加速度，m/s2；a1為上層煙包在水平方向上的加速度，m/s2；a2為下層煙包在水平方向上的加速度，m/s2；v1為上層煙包水平輸送速度，m/s；v2為下層煙包水平輸送速度，m/s；v01為上層煙包從美容器中推出的初始速度，m/s；v02為下層煙包從美容器中推出的初始速度，m/s；t 為時間，s。

由于上下層煙包從美容器中推出的初始速度相同，即v01=v02。根據(jù)作用力與反作用力原理可得f′相=f相，N1=N′1。為保證雙層煙包在輸送過程中不產(chǎn)生相對滑動，應(yīng)保證上下層煙包速度一致，即v1=v2。因v01=v02，故上下層煙包的加速度相等，即a1=a2。根據(jù)式（1）～式（6）計算可得f相=-μ皮mg。

為保證煙包之間不產(chǎn)生相對滑動，煙包之間摩擦力絕對值應(yīng)小于煙包之間最大靜摩擦力，即：

式中：μ煙靜max為煙包之間的靜摩擦系數(shù)。

因輸送帶與煙包之間的摩擦系數(shù)μ皮和煙包之間的靜摩擦系數(shù)μ煙靜max均為材料固有參數(shù)，當(dāng)上輸送帶過長時，煙包在輸入通道前段、中段和后段所受壓力不均衡，容易造成上下層煙包產(chǎn)生滑動并滑落，導(dǎo)致通道堵塞故障。

2 改進方法

2.1 煙包輸入通道

2.1.1 縮短上輸送帶支架長度

為避免輸入通道上層煙包滑落，將上輸送帶支架長度減少850 mm，并將上輸送帶尺寸由55 mm×3 690 mm 改為55 mm×1 920 mm，見圖4。根據(jù)受力分析結(jié)果，上輸送帶縮短后可以顯著改善煙包受力不均衡情況，保證上下層煙包無相對滑動。

2.1.2 增加兩組輸送帶

在上輸送帶支架縮短部位增加兩組豎直方向輸送帶，即將原來由上下輸送帶帶動煙包的封閉式輸送方式，改為由左右兩側(cè)輸送帶夾緊煙包、底部輸送帶帶動煙包的開放式輸送方式，見圖5。通過增加兩組豎直方向輸送帶，提高輸入通道前段煙包輸送的穩(wěn)定性。

圖4 改進上輸送帶支架后示意圖Fig.4 Schematic diagram of modification of top conveying belt bracket

2.2 輸入通道傳動系統(tǒng)

為使輸送帶輸送速度保持一致，通過加裝3 組與原同步齒形帶輪尺寸相同的帶輪為開放式輸送通道提供動力。根據(jù)各帶輪尺寸、分布及安裝位置，重新設(shè)計YB618 型包裝機輸入通道傳動系統(tǒng)，見圖6。電機通過電機主帶輪1 提供系統(tǒng)動力，通過同步齒形帶傳遞動力，依次帶動軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ、軸Ⅳ和軸Ⅴ轉(zhuǎn)動，并由軸Ⅴ通過齒輪箱11 帶動同步帶輪12 旋轉(zhuǎn)。齒輪箱11 的作用是將水平方向傳遞的動力轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向傳遞，再在同步帶輪12 和同步齒形帶的作用下，驅(qū)動輸入通道中的各輸送輥轉(zhuǎn)動。

由圖6 可見，電機主帶輪1 驅(qū)動同步帶輪2 和同步帶輪4 轉(zhuǎn)動，進而帶動軸Ⅰ和軸Ⅱ轉(zhuǎn)動。軸Ⅰ是上輸送帶的動力輸入軸，軸Ⅱ是下輸送帶的動力輸入軸。同步帶輪5 與軸Ⅱ固定連接，由同步帶輪5 通過同步齒形帶驅(qū)動同步帶輪6～10 傳動，分別驅(qū)動軸Ⅲ、軸Ⅳ和軸Ⅴ轉(zhuǎn)動。齒輪箱11 傳動比為1∶1，其內(nèi)部有兩個外形相同、互為90°安裝的錐齒輪，一端與軸Ⅴ連接，另一端與同步帶輪12連接。同步帶輪12 作為改進后輸入通道的動力驅(qū)動輪，帶動同步帶輪13、14、15 和17 轉(zhuǎn)動。同步帶輪13、14、15 和17 與驅(qū)動輥9、10、11 和12 同軸固定連接（圖5），分別驅(qū)動輸入通道的4 條輸送帶。

圖5 改進后輸入通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of structure of input passage after modification

圖6 改進后輸入通道傳動系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of transmission system of input passage after modification

同步帶輪2、4 均由電機主帶輪1 驅(qū)動，直徑為80 mm，齒數(shù)為30 個，屬同級傳動，故轉(zhuǎn)速n1相等。同步帶輪5、6、7、8、9、10、12、13、17 直徑和齒數(shù)與同步帶輪2、4 相同，由傳動原理[9]可知，同步帶輪4、10 轉(zhuǎn)速與線速度也相等。齒輪箱11 內(nèi)交錯錐齒輪間的傳動比為1∶1，故同步帶輪12、10 轉(zhuǎn)速相等。同步帶輪13、14、15、17 由同步帶輪12 通過同步齒形帶驅(qū)動，也屬于同級傳動，其中同步帶輪14、15 直徑為40 mm，根據(jù)直徑比值等于轉(zhuǎn)速反比原理[10]，同步帶輪14、15 轉(zhuǎn)速，可得同步帶輪14、15 驅(qū)動的驅(qū)動輥10、11 直徑D2=0.5×D1，D1為同步帶輪13、17 驅(qū)動的驅(qū)動輥9、12 直徑，因此通道兩側(cè)輸送帶的線速度相同[11]，實現(xiàn)了開放式輸入通道4 條輸送帶與原有上下輸送帶對煙包的同步輸送。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“紅塔山（硬經(jīng)典100）”牌卷煙[由紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司大理卷煙廠提供]。

設(shè)備：ZB48 包裝機組（上海煙草機械有限責(zé)任公司）。

方法：根據(jù)DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計YB618 型包裝機煙包輸入通道改進前后各10 個工作日內(nèi)因上層煙包滑落導(dǎo)致通道堵塞引起的停機次數(shù)，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，改進后因輸入通道上層煙包滑落導(dǎo)致通道堵塞引起停機次數(shù)由8.9 次/天減少為0.2次/天，停機率降低97.75%。煙包輸入通道改進后機組運行穩(wěn)定，減輕了操作人員勞動強度，提高了包裝機組生產(chǎn)效率。

表1 改進前后因輸入通道堵塞引起停機次數(shù)對比Tab.1 Number of times of emergency stop caused by packet input passage jam before and after modification（次·天-1)

4 結(jié)論

通過對YB618 型包裝機煙包輸入通道工作原理及受力進行分析，將煙包輸入通道由封閉式改為開放式，即將上下輸送帶帶動煙包輸送方式改為左右兩側(cè)夾緊煙包輸送方式，并由原同步齒形帶輪經(jīng)多組同步帶傳動和錐齒輪箱傳動后驅(qū)動輸送帶，較好地解決了因輸入通道內(nèi)上層煙包滑落導(dǎo)致通道堵塞造成停機次數(shù)多等問題。以大理卷煙廠生產(chǎn)的“紅塔山（硬經(jīng)典100）”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：YB618 型包裝機改進后因輸入通道堵塞引起的停機次數(shù)減少8.7 次/天，停機率降低97.75%。有效提高了YB618 型包裝機的生產(chǎn)效率。