曹家升，王海明，吳龍元

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠，廣東省湛江市赤坎區(qū)康樂路7 號 524033

在卷煙制絲生產(chǎn)中，切片是指開箱后的煙包按固定厚度均勻分切成若干煙塊的加工過程［1］。煙包垂直分切機(jī)的作用就是將標(biāo)準(zhǔn)煙包（200 kg/箱）按預(yù)設(shè)進(jìn)行等分，通過編碼器或接近開關(guān)的定位功能將煙包分段輸送至分切位置進(jìn)行分切［2］，以便后續(xù)進(jìn)行松散回潮加工。但在煙包分切過程中，煙塊因自由下落而易出現(xiàn)排列無序或堆疊現(xiàn)象，由此導(dǎo)致松散回潮工序來料流量不穩(wěn)定等問題。針對此，陳秋榮等［3］通過優(yōu)化切片厚度控制系統(tǒng)，降低了對松散回潮機(jī)來料穩(wěn)定性的影響。張彪等［4］基于變量控制法對切片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了切片機(jī)切片異常時的快速調(diào)整，并縮短了切片模式的調(diào)整時間。段紅儒［5］對切片機(jī)的切片模式進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示“二刀三片”切片模式能夠有效降低煙葉損耗。陸凌等［6］和孫強(qiáng)等［7］分別對卸料裝置進(jìn)行改造，對自由下落的煙塊起到一定的導(dǎo)料作用，但導(dǎo)料裝置的驅(qū)動氣缸安裝在底部，維護(hù)保養(yǎng)困難，且散落的煙塊容易卡住導(dǎo)料裝置，使氣缸無法正常復(fù)位。為此，通過分析煙塊與卸料裝置的相對運(yùn)動關(guān)系，對煙包垂直分切機(jī)的卸料裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期提高松散回潮工序來料穩(wěn)定性。

1 問題分析

煙包垂直分切機(jī)主要由喂料皮帶機(jī)、推料板、切刀、刀槽、卸料裝置、擋料裝置、導(dǎo)料裝置和出料皮帶機(jī)等部分組成，見圖1。其工作流程為：①開箱后煙包由喂料皮帶機(jī)6 輸送至推料板4 前方位置；②推料板4 在檢測到有料后閉合，當(dāng)卸料裝置1、擋料裝置2 均處于工作位置（即垂直于喂料皮帶）時，推料板4 在電機(jī)帶動下將煙包推送至切刀3 下方位置；③煙包到位后，切刀3 由氣缸驅(qū)動以垂直于喂料皮帶機(jī)6 的方式進(jìn)行分切（圖1a）；④分切后卸料裝置1 向外擺動，煙塊在卸料裝置1底板摩擦力的作用下隨之?dāng)[動，同時受擋料裝置2的阻擋而脫離卸料裝置1 并自由下落至導(dǎo)料裝置7 上（圖1b）；⑤卸料完畢后，卸料裝置1、擋料裝置2 返回至工作位置，推料板4 再次向前推料，循環(huán)往復(fù)，直至完成整個煙包的分切［8］。分切機(jī)的切片厚度采用等分法進(jìn)行計算和控制，推料板4 的行程即為切片厚度［9］。

圖1 改進(jìn)前煙包垂直分切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of vertical slicer for unpacked tobacco before modification

由于卸料裝置1 與導(dǎo)料裝置7 之間存在高度差，煙塊在自由下落過程中因相互沖擊會出現(xiàn)排列無序現(xiàn)象；卸料裝置1 在擺動過程中，煙塊在底板摩擦力和擋料裝置2 的阻力共同作用下，容易發(fā)生煙塊中下部折斷、分段跌落的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致煙塊堆疊。排列無序或堆疊的煙塊會造成松散回潮工序來料流量不穩(wěn)定，影響增溫加濕效果［10］。

2 改進(jìn)方法

針對卸料過程中存在的問題，對垂直分切機(jī)的卸料裝置1 進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。由圖2 可見，將原卸料裝置1 的固定底板改為帶有可旋轉(zhuǎn)卸料板10的底板，同時將傾斜平面的導(dǎo)料裝置7 改為弧形滑板，改進(jìn)后的刀槽則由安裝于喂料皮帶機(jī)6 驅(qū)動輥處的支撐塊5 和可旋轉(zhuǎn)卸料板10 共同構(gòu)成?？尚D(zhuǎn)卸料板10 在煙包分切過程中處于閉合狀態(tài)，分切完成后卸料裝置1 向外擺動的同時可旋轉(zhuǎn)卸料板10 向下轉(zhuǎn)動，使切后煙塊沿著可旋轉(zhuǎn)卸料板平緩地落入弧形導(dǎo)料裝置7，再經(jīng)導(dǎo)料裝置7滑落至出料皮帶機(jī)8 上；當(dāng)卸料裝置1 運(yùn)動至工作狀態(tài)時可旋轉(zhuǎn)卸料板10 向上旋轉(zhuǎn)復(fù)位，循環(huán)往復(fù)，由此完成煙塊卸料。在生產(chǎn)中，可旋轉(zhuǎn)卸料板10 通過氣缸9 活塞桿的收縮和伸出實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，氣缸9 活塞桿帶動可旋轉(zhuǎn)卸料板10 繞固定軸旋轉(zhuǎn)，避免了卸料裝置1 底板與擋料裝置2 對煙塊產(chǎn)生方向相反的作用力而出現(xiàn)煙塊折斷的現(xiàn)象；而弧形導(dǎo)料裝置7 可大幅減小煙塊之間的沖擊，避免出現(xiàn)煙塊排列無序的現(xiàn)象。

圖2 改進(jìn)后煙包垂直分切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of vertical slicer for unpacked tobacco after modification

2.1 卸料裝置的優(yōu)化

由圖3 可見，為保證氣缸有足夠的安裝位置，并防止可旋轉(zhuǎn)卸料板1 與弧形導(dǎo)料裝置4 在卸料過程中發(fā)生碰撞，改進(jìn)后將氣缸3 固定座設(shè)計為“7”字形。根據(jù)煙包尺寸以及切片機(jī)“四刀五片”的工作原理，可旋轉(zhuǎn)卸料板1 的設(shè)計尺寸為長850 mm，寬280 mm，能夠保證切后煙塊順利滑落入弧形導(dǎo)料裝置4。改進(jìn)后可旋轉(zhuǎn)卸料板1 的前端與氣缸3 活塞桿采用Y 形接頭連接，后端則與卸料裝置底板2 進(jìn)行連接?；⌒螌?dǎo)料裝置頂部為弧形，以可旋轉(zhuǎn)卸料板1 旋轉(zhuǎn)中心為圓心，設(shè)計半徑為280 mm。煙塊在落入弧形導(dǎo)料裝置4 時有兩個支撐點(diǎn)，可以保證形狀完好。

1.可旋轉(zhuǎn)卸料板 2.卸料裝置底板 3.氣缸 4.弧形導(dǎo)料裝置

2.2 氣動系統(tǒng)的設(shè)計

改進(jìn)后卸料裝置的可旋轉(zhuǎn)卸料板采用壓縮空氣作為動力，氣動系統(tǒng)控制原理見圖4。采用2 個單活塞氣缸對卸料板的左右兩端進(jìn)行支撐，以保證卸料板受力均勻；通過單向節(jié)流閥調(diào)整卸料裝置擺動速度，從而與卸料板旋轉(zhuǎn)動作相匹配；采用二位五通電磁換向閥控制氣缸換向動作，以滿足工作和卸料兩個狀態(tài)；在壓縮空氣進(jìn)入電磁換向閥前，采用過濾減壓閥調(diào)節(jié)壓力。

圖4 氣動系統(tǒng)控制原理圖Fig.4 Control principle of pneumatic system

2.2.1 切刀剪切力及氣缸所受阻力的估算

在分切過程中為保證煙包被完全切開，可旋轉(zhuǎn)卸料板與卸料裝置底板應(yīng)基本保持在同一平面上。根據(jù)牛頓第三定律及可旋轉(zhuǎn)卸料板結(jié)構(gòu)和尺寸，對其進(jìn)行受力分析，見圖5。結(jié)果表明，可旋轉(zhuǎn)卸料板所承受的載荷力等于切刀對煙塊的剪切力。由文獻(xiàn)［11-12］可知15 mm×15 mm 煙葉樣品的最大剪切力為21.01 N，煙包尺寸為1 100 mm×650 mm×700 mm，切刀沿?zé)煱鼘挾确较蜻M(jìn)行橫向剪切，由此可得卸料板所受載荷力為：

圖5 可旋轉(zhuǎn)卸料板受力分析簡圖Fig.5 Force analysis of rotary vane discharger

式中：F剪為卸料板所受載荷力，N；L樣為煙葉樣品寬度，取值15 mm；F樣為煙葉樣品所受剪切力，取最大值21.01 N；L為煙包寬度，取值650 mm。

煙包分切時氣缸所受阻力為：

式中：F阻為煙包分切時氣缸所受阻力，N；θ為卸料裝置在工作狀態(tài)下氣缸與卸料裝置底板的夾角，取值25°。

2.2.2 氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的選擇

氣缸受力分析見圖6。忽略氣缸運(yùn)動時的摩擦力和排氣阻力，切刀分切煙包時氣缸活塞所受作用力為：

圖6 氣缸受力分析簡圖Fig.6 Force analysis of cylinder

式中：F氣為煙包分切時壓縮空氣對氣缸活塞的作用力，N；P氣為進(jìn)入氣缸的空氣壓力，取值0.65 MPa；D為氣缸內(nèi)徑，mm。

要保證煙包分切順利，應(yīng)F氣≥F阻=1 464.94 N。根據(jù)公式（3）計算可得到D≥53.58 mm。查找《機(jī)械設(shè)計手冊》［13］數(shù)據(jù)并取整，可得氣缸內(nèi)徑D=63 mm，氣缸活塞行程L=200 mm，活塞桿直徑d=20 mm。當(dāng)L≤10d時，按強(qiáng)度條件對活塞桿進(jìn)行校驗(yàn)，活塞桿所受應(yīng)力為：

式中：σ為活塞桿所受應(yīng)力，MPa；A為活塞桿截面面積，mm2；d為活塞桿直徑，mm。

可見，改進(jìn)后活塞桿選用材料為45號鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa，活塞桿直徑d=20 mm，符合強(qiáng)度要求。

2.3 控制流程設(shè)計

在分切機(jī)工作狀態(tài)下，可旋轉(zhuǎn)卸料板跟隨卸料裝置動作，為保證兩者之間同步運(yùn)行，分別設(shè)置了延時裝置，控制流程見圖7。當(dāng)卸料裝置接收到卸料指令后，延時10 ms 可旋轉(zhuǎn)卸料板打開，再延時500 ms卸料裝置向外擺動；當(dāng)卸料裝置和可旋轉(zhuǎn)卸料板均工作到位后，可旋轉(zhuǎn)卸料板閉合，卸料裝置從卸料狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)；可旋轉(zhuǎn)卸料板閉合到位后氣缸停止工作，等待下一次煙包分切和卸料。

圖7 卸料裝置控制流程圖Fig.7 Control flow chart of discharge system

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

材料：“雙喜”牌卷煙所用標(biāo)準(zhǔn)煙包（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠）。

設(shè)備：FT623 煙包垂直分切機(jī)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）；WQ3316 型滾筒式松散回潮機(jī)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）；TM710e 型在線水分儀（美國NDC 紅外技術(shù)公司）；ICS-KGS61 電子皮帶秤（計量精度5‰，昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）；HP 服務(wù)器（美國惠普研發(fā)有限合伙公司）；HISTORIAN 實(shí)時數(shù)據(jù)庫（英國AVEVA 公司）。

方法：分別采用改進(jìn)前后垂直分切機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)煙包（200 kg/箱，1 150 mm×600 mm×700 mm）進(jìn)行分切測試，設(shè)置切片方式為四刀五片，各取10 批次。松散回潮流量設(shè)定為4 800 kg/h，加水壓力0.35 MPa，霧化水蒸氣壓力0.29 MPa，熱風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率35 Hz，滾筒電機(jī)頻率40 Hz，熱風(fēng)溫度80 ℃，回風(fēng)溫度57～63 ℃等運(yùn)行參數(shù)不變?？刂葡到y(tǒng)同步采集松散回潮機(jī)生產(chǎn)過程入口物料流量、加水流量、出口含水率等數(shù)據(jù)，通過OPC 方式每秒采集一個數(shù)據(jù)，采集時間60 min。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由圖8 可見，分切機(jī)改進(jìn)后松散回潮機(jī)入口物料流量穩(wěn)定性顯著提高。實(shí)際生產(chǎn)中可觀察到切后煙塊排列整齊，未出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象，避免了松散回潮機(jī)因斷料而出現(xiàn)蒸汽噴射流量與加水流量快速下降為零的情況。

圖8 改進(jìn)前后松散回潮機(jī)入口物料流量曲線Fig.8 Material throughput curve of ordering cylinder before and after modification

改進(jìn)前后松散回潮機(jī)入口物料流量和出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)見表1。改進(jìn)后，松散回潮機(jī)入口物料流量標(biāo)準(zhǔn)偏差均值由改進(jìn)前的70.08 kg/h下降到41.42 kg/h，降低40.9%；出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差均值由改進(jìn)前的1.74%下降至1.51%，降低0.23百分點(diǎn)。

表1 改進(jìn)前后松散回潮機(jī)入口流量及出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差對比①Tab.1 Standard deviations of throughput of ordering cylinder and moisture content in output tobacco before and after modification

表1（續(xù)）

4 結(jié)論

對煙包垂直分切機(jī)的卸料裝置進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)后的切后煙塊跟隨可旋轉(zhuǎn)卸料板向下擺動并平緩地落入弧形導(dǎo)料裝置，再經(jīng)導(dǎo)料裝置滑落至出料皮帶機(jī)上，避免了煙塊受到下落沖擊或卸料過程中折斷而造成煙塊排列無序或堆疊現(xiàn)象。以湛江卷煙廠提供的“雙喜”牌卷煙所用標(biāo)準(zhǔn)煙包為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后松散回潮機(jī)入口物料流量標(biāo)準(zhǔn)偏差平均降低40.9%，出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差平均降低0.23 百分點(diǎn)，有效提高了松散回潮工序來料穩(wěn)定性和回潮效果。