張成鵬 李 峰 張加義

(山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250104)

YB517盒外透明紙包裝機(jī)是目前煙草行業(yè)主流的高速小盒透明紙包裝設(shè)備，運(yùn)行速度達(dá)到550 包/min，其主要作用是在小盒煙包外面包裹一層透明紙，達(dá)到密封、防潮、美化外觀、延長(zhǎng)卷煙保質(zhì)期和提高產(chǎn)品附加值的目的[1]。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)卷煙產(chǎn)品的外觀包裝質(zhì)量要求越來(lái)越高，精美的外觀往往能夠吸引消費(fèi)者的注意[2]。而在實(shí)際生產(chǎn)中，YB517盒外透明紙包裝機(jī)生產(chǎn)的小盒煙包易出現(xiàn)煙包側(cè)封面透明紙皺褶、不平整的問(wèn)題，主要是因?yàn)樵O(shè)備高速運(yùn)行時(shí)，包裝成形輪在第二、三工位間歇停頓時(shí)間短，造成煙包側(cè)封烙鐵壓實(shí)加熱不充分[3-5]。

中國(guó)卷煙企業(yè)針對(duì)盒外透明紙側(cè)封面透明紙折皺、不平整問(wèn)題已有相關(guān)研究，曾學(xué)淑等[6]采用減少弧形瓦板第二工位槽口寬度和增加烙鐵凹槽的方法；周紅光等[7]通過(guò)改進(jìn)烙鐵工作表面的弧度、烙鐵體采用復(fù)合材料、烙鐵架子的材料優(yōu)化和烙鐵體調(diào)整機(jī)構(gòu)的改造，提高了GDX2小盒透明紙側(cè)邊熱封質(zhì)量；周奎田[4]通過(guò)改進(jìn)烙鐵尺寸和圓弧板槽口寬度，增加靜電消除器，改善了FOCKE401透明紙包裝機(jī)側(cè)面松皺、起泡的問(wèn)題。但這些改進(jìn)僅僅針對(duì)400 包/min的中速包裝設(shè)備有一定的改善效果，但對(duì)于超過(guò)550 包/min的高速包裝設(shè)備收效甚微，而針對(duì)YB517盒外透明紙包裝機(jī)煙包側(cè)封整形技術(shù)的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

研究擬設(shè)計(jì)一種適用于YB517盒外透明紙包裝機(jī)的煙包側(cè)封整形裝置，采用輸出轉(zhuǎn)盤接煙板驅(qū)動(dòng)軸作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱器組件、煙包定位組件以及優(yōu)化推包座等部件，實(shí)現(xiàn)煙包側(cè)封的加熱整形，運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)整形裝置的位移、速度、加速度進(jìn)行仿真分析；接入“YB517拉帶熱封器”的溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)接口，在IPC控制面板上實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的顯示和調(diào)節(jié)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期減少煙包側(cè)封褶皺，提高消費(fèi)者滿意度。

1 問(wèn)題分析

1.1 工作原理

圖1為YB517盒外透明紙包裝機(jī)透明紙成型輪原理示意圖。當(dāng)硬盒煙包2帶著透明紙通過(guò)滾輪式折疊裝置1進(jìn)入包裝成形輪的工位Ⅰ后，長(zhǎng)邊折疊板3在拉簧的拉力作用下，將硬盒煙包側(cè)面下長(zhǎng)邊透明紙向上折疊，折疊后包裝成形輪作順時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，硬盒煙包側(cè)面上長(zhǎng)邊透明紙通過(guò)弧形折疊板4時(shí)被向下折疊。當(dāng)包裝成形輪旋轉(zhuǎn)至工位Ⅱ、工位Ⅲ時(shí)進(jìn)行間歇停頓時(shí)，長(zhǎng)邊熱封裝置對(duì)完成長(zhǎng)邊折疊的硬盒煙包側(cè)面透明紙進(jìn)行熱封，至此完成煙包側(cè)封動(dòng)作[8-9]。

當(dāng)設(shè)備剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，設(shè)備運(yùn)行速度小于165 r/min，長(zhǎng)邊熱封裝置中的左加熱器向下壓，對(duì)包裝成型輪工位Ⅱ的硬盒煙包側(cè)面的透明紙長(zhǎng)邊進(jìn)行熱封，在此包裝速度下，硬盒煙包側(cè)面長(zhǎng)邊僅一次熱封。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入正常高速工作時(shí)，設(shè)備運(yùn)行速度大于400 r/min，此時(shí)，長(zhǎng)邊熱封裝置中的左、右加熱器均開(kāi)始工作，對(duì)硬盒煙包側(cè)面透明紙長(zhǎng)邊進(jìn)行二次熱封。

1.滾輪式折疊裝置 2.硬盒煙包 3.長(zhǎng)邊折疊板 4.弧形折疊板圖1 煙包成型輪示意圖Figure 1 Schematic diagram of cigarette packet forming wheel

1.2 存在的問(wèn)題

YB517盒外透明紙包裝機(jī)的包裝成形輪在工位Ⅱ、工位Ⅲ停頓時(shí)，長(zhǎng)邊側(cè)封烙鐵動(dòng)作，對(duì)煙包側(cè)面透明紙搭口進(jìn)行壓實(shí)加熱，使搭口的兩層透明紙熱封在一起，由于YB517盒外透明紙包裝機(jī)生產(chǎn)速度為550包/min，成形輪在每個(gè)工位停頓的時(shí)間約為0.06 s，這個(gè)時(shí)間內(nèi)側(cè)封烙鐵可以起到將透明紙搭口熱封在一起的作用，但煙包側(cè)面透明紙搭口表面存在褶皺、不平整的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。工作中經(jīng)常采取增加烙鐵溫度值、調(diào)整烙鐵壓實(shí)位置的方法來(lái)減少煙包側(cè)封透明紙褶皺，但這些措施均未從根本上解決煙包側(cè)封褶皺、不平整的質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)易引起其他質(zhì)量隱患，如烙鐵溫度參數(shù)值設(shè)定過(guò)高會(huì)造成透明紙燙化損壞，烙鐵壓實(shí)位置過(guò)低易在煙包側(cè)面產(chǎn)生壓痕等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，改進(jìn)后在YB517盒外透明紙包裝機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅱ處設(shè)計(jì)了一種煙包側(cè)封整形裝置，主要由往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、煙包定位組件4和加熱器組件5組成。當(dāng)煙包在輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅱ停頓時(shí)，該裝置利用設(shè)備原有接煙板驅(qū)動(dòng)軸2的往復(fù)擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)對(duì)煙包側(cè)面透明紙搭口表面進(jìn)行壓實(shí)加熱整形，由于輸出轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是包裝成型輪的1/2，因此該整形裝置的加熱器比原設(shè)備的長(zhǎng)邊熱封裝置與煙包貼合時(shí)間延長(zhǎng)了1倍，能夠達(dá)到熱整形的目的。

2.1 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖3所示，往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)軸1、搖臂3、關(guān)節(jié)軸承4、傳動(dòng)桿5、軸座6、連桿7等部件，其作用是實(shí)現(xiàn)側(cè)封整形裝置對(duì)煙包的往復(fù)壓實(shí)動(dòng)作。其中動(dòng)力源來(lái)自于YB517盒外透明紙包裝機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅰ處接煙板2的驅(qū)動(dòng)軸1，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸1作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。搖臂3通過(guò)螺栓固定在驅(qū)動(dòng)軸1上，在驅(qū)動(dòng)軸1的帶動(dòng)下，搖臂3可作往復(fù)擺動(dòng)；搖臂3通過(guò)關(guān)節(jié)軸承4與傳動(dòng)桿5連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。傳動(dòng)桿5的另一端固定在軸座6的軸上，連桿7的一端也固定在軸座6的軸上，軸座6安裝在底板8上，底板8固定在設(shè)備煙包補(bǔ)償庫(kù)的底座上，通過(guò)軸座6中軸承與軸9的配合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)桿5與連桿7的動(dòng)力傳遞。因此，通過(guò)接煙板驅(qū)動(dòng)軸1的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)連桿7的往復(fù)擺動(dòng)。同時(shí)傳動(dòng)桿5上還開(kāi)有長(zhǎng)孔槽，用于調(diào)整加熱器組件的擺動(dòng)幅度和角度；連桿7上的長(zhǎng)孔槽用于調(diào)整加熱器組件10相對(duì)于煙包側(cè)面的位置。

1.煙包 2.接煙板驅(qū)動(dòng)軸 3.往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.煙包定位組件 5.加熱器組件圖2 煙包側(cè)封整形裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of structure of cigarette packet side seal shaping device

1.驅(qū)動(dòng)軸 2.接煙板 3.搖臂 4.關(guān)節(jié)軸承 5.傳動(dòng)桿 6.軸座 7.連桿 8.補(bǔ)煙庫(kù)底板 9.軸 10.加熱器組件圖3 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of structure of reciprocating mechanism

2.2 加熱器組件

如圖4所示，加熱器組件包括熱整形烙鐵板1、直彈性板3、支架4、定位套5、固定支架6等部件，其作用主要是對(duì)煙包側(cè)面透明紙進(jìn)行加熱整形，從而起到“美容”的作用。烙鐵板1上開(kāi)有槽孔，橫槽8用于防止雙層煙包熨燙在一起，豎槽9用于避免烙鐵板對(duì)小盒拉線頭進(jìn)行加熱；兩側(cè)開(kāi)有2個(gè)通孔10，用于安裝烙鐵芯，采用緊定螺釘通過(guò)螺孔11進(jìn)行固定，4個(gè)雙頭螺柱2用于將烙鐵板1固定在直彈性板3上。支架4和定位套5用于安裝熱電偶。直彈性板3通過(guò)中間的2個(gè)螺栓7固定在固定支架6上。固定支架6固定在圖3中的連桿7上，從而通過(guò)連桿的往復(fù)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)加熱器組件對(duì)煙包的往復(fù)壓實(shí)動(dòng)作。

1.烙鐵板 2.雙頭螺柱 3.直彈性板 4.支架 5.定位套 6.固定支架 7.螺栓 8.橫槽 9.豎槽 10.通孔 11.螺孔圖4 加熱器組件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of structure of heater assembly structure

2.3 煙包定位組件

如圖5所示，煙包定位組件包括推包座1、第一擋板2、基準(zhǔn)板3、第二擋板4、底板5等部件，其作用是使煙包在輸出轉(zhuǎn)盤中正確地定位，保證煙包順利隨輸出轉(zhuǎn)盤作逆時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在整形加熱器對(duì)煙包進(jìn)行加熱時(shí)能夠起到對(duì)煙包的定位作用，保證加熱器能夠壓實(shí)煙包側(cè)面。設(shè)備原推包座帶有模框，能起到限位煙包的作用，而由于增加側(cè)封整形裝置后，原推包座的外形結(jié)構(gòu)影響加熱器組件的運(yùn)動(dòng)，因此將推包座模框的后擋板部分去除，改變其外形，以滿足烙鐵對(duì)煙包側(cè)封面加熱時(shí)往復(fù)擺動(dòng)的要求。同時(shí)設(shè)計(jì)第一擋板2、第二擋板4，分別對(duì)輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅰ轉(zhuǎn)向工位Ⅱ以及工位Ⅲ、工位Ⅳ的煙包進(jìn)行限位；第一擋板2、第二擋板4通過(guò)螺栓固定在圖3中的軸座6上?；鶞?zhǔn)板3、底板5在加熱器壓實(shí)煙包時(shí)，可以起到定位煙包的作用，提高加熱整形效果。

1.推包座 2.第一擋板 3.基準(zhǔn)板 4.第二擋板 5.底板圖5 煙包定位組件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of structure of cigarette packet positioning component

2.4 仿真分析

2.4.1 建立數(shù)學(xué)模型 煙包側(cè)封整形裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的一種形式，建立一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。為保證機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的自由度需滿足原動(dòng)件的數(shù)目與自由度的數(shù)目相等[10]。自由度計(jì)算公式為：

圖6 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 6 Kinematic sketch of reciprocating mechanism

F=3n-2PL-Ph，

(1)

式中：

n——活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；

PL——低副數(shù)目；

Ph——高副數(shù)目。

經(jīng)計(jì)算得F=3×3-2×4-0=1，即該機(jī)構(gòu)的自由度為1，由于該機(jī)構(gòu)僅有一個(gè)原動(dòng)件AB桿，因此滿足機(jī)構(gòu)具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件。

2.4.2 三維模型創(chuàng)建 使用Solidworks三維軟件對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件進(jìn)行建模[11]。利用軟件繪圖功能創(chuàng)建機(jī)架A和D，a桿、b桿、c桿的三維模型，按照裝配要求，對(duì)圓柱銷進(jìn)行簡(jiǎn)化，確定各構(gòu)件之間的位置關(guān)系，并將a桿、b桿、c桿的桿長(zhǎng)分別設(shè)置為80，90，130 mm，完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的三維模型創(chuàng)建，如圖7所示。

圖7 四桿機(jī)構(gòu)模型Figure 7 Model of four-bar mechanism

2.4.3 運(yùn)動(dòng)仿真分析 利用Solidworks中Motion插件對(duì)建立的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)機(jī)架A和D進(jìn)行定位約束，在“運(yùn)動(dòng)算例”的“Motion Manager”中選擇“Motion分析”，定義桿a為主動(dòng)件，選取從動(dòng)件c桿為特征對(duì)象，添加a桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，在結(jié)果和圖解選項(xiàng)中選擇線性位移、線性速度和線性加速度進(jìn)行仿真計(jì)算，可以獲得從動(dòng)件c桿的線性位移、線性速度和線性加速度的曲線圖，如圖8所示。由圖8可知，線性速度、線性加速度曲線平緩，無(wú)明顯沖擊，仿真過(guò)程中并無(wú)干涉發(fā)生，運(yùn)動(dòng)軌跡滿足預(yù)期要求。

圖8 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖Figure 8 Simulation diagram of reciprocating mechanism

2.5 溫控系統(tǒng)

該整形裝置溫控系統(tǒng)選用兩個(gè)型號(hào)為“80×6.35 110V/200W/CAVO 1000 USCITA 90”的電熱器為加熱元件，采用“ASTME608(+GIALLO-NERO)LG2500”熱電偶作為測(cè)溫元件，接入YB517盒外透明紙包裝機(jī)“YB517拉帶熱封器”控制接口，實(shí)現(xiàn)整形裝置電熱器的加熱及溫度控制。溫度由IPC“加熱器編程”參數(shù)“CH拉帶電熱器恒溫器”設(shè)定，溫度設(shè)定范圍40～200 ℃。溫度控制波動(dòng)范圍小并具有自診斷功能，完全滿足整形設(shè)計(jì)要求。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 材料

泰山(紅將軍)牌卷煙：山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠；

透明紙：規(guī)格為120 mm×21 μm×2 500 mm，山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司將軍集團(tuán)濟(jì)南包裝材料分公司。

3.1.2 設(shè)備

硬盒硬條包裝機(jī)組：ZB47型，由YB47型硬盒包裝機(jī)、YB517型盒外透明紙包裝機(jī)、YB617型硬條包裝機(jī)、YB917型條外透明紙包裝機(jī)4個(gè)單機(jī)組成，上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司。

3.1.3 方法 ZB47包裝機(jī)組按照550包/min的生產(chǎn)速度運(yùn)行，連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行3個(gè)班次(3班次/d)，取樣時(shí)間間隔為1 h，每個(gè)班次抽檢8次，每次取樣數(shù)量為50盒/臺(tái)，累計(jì)取樣1 200盒/臺(tái)。按照GB/T 5606.3—2005的要求對(duì)小盒包裝質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)盒裝透明紙褶皺數(shù)量，并與改進(jìn)前相同樣本量進(jìn)行比較[12]。按式(2)計(jì)算盒裝透明紙折皺比例。

(2)

式中：

c——盒裝透明紙折皺比例，%；

m1——盒裝透明紙折皺數(shù)量，盒；

m2——抽檢總盒數(shù)，盒。

3.2 數(shù)據(jù)分析

改進(jìn)后，對(duì)側(cè)封整形裝置的運(yùn)行情況和盒裝透明紙折皺情況進(jìn)行3個(gè)月的持續(xù)追蹤。試驗(yàn)期間，該整形裝置運(yùn)行穩(wěn)定，未與設(shè)備其他部位發(fā)生干涉，透明紙折皺比例明顯降低，未出現(xiàn)隨使用時(shí)間增加透明紙折皺比例增加的情況。設(shè)備高速、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行均較為穩(wěn)定。安裝前后盒裝透明紙折皺比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由表1可知，盒裝透明紙折皺比例由安裝前的11.58% 降低到2.50%，下降78.40%。通過(guò)安裝煙包側(cè)封整形裝置后，YB517盒外透明紙包裝機(jī)實(shí)現(xiàn)了小盒側(cè)封整形功能，透明紙搭口熨燙平整，無(wú)褶皺，小盒外觀質(zhì)量滿足工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性得到提升。

表1 安裝前后盒裝透明紙折皺比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the wrinkle ratio of boxed transparent paper before and after installation

4 結(jié)論

基于凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)特征，在YB517盒外透明紙包裝機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤處設(shè)計(jì)了一種煙包側(cè)封整形裝置，利用輸出轉(zhuǎn)盤的間歇運(yùn)動(dòng)和接煙板驅(qū)動(dòng)軸的往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了煙包透明紙搭口的熱整形，解決了煙包側(cè)封褶皺、不平整的問(wèn)題。以ZB47包裝機(jī)組生產(chǎn)的“泰山紅將軍”牌卷煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：該側(cè)封整形裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，小盒外觀質(zhì)量滿足工藝要求，煙包側(cè)封平整、無(wú)褶皺，盒裝透明紙折皺比例下降78.40%，有效提高了包裝機(jī)組的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。