黃小平，嚴斌，馬存國，李志勇，黃云波*，鄭高峰，劉長勝

1.廈門煙草工業(yè)有限責任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽路1號 361022 2.廈門大學儀器與電氣系，福建省廈門市思明區(qū)思明南路422號 361005

近年來隨著國內(nèi)細支卷煙市場規(guī)模不斷擴大，在常規(guī)包裝機基礎(chǔ)上改造的YB45細支煙包裝機在卷煙生產(chǎn)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。由于細支煙煙支直徑小、質(zhì)量輕，在包裝過程中容易出現(xiàn)因小盒商標紙側(cè)邊粘貼不牢固而彈開等問題，由此導致煙包輸送堵塞、小盒透明紙破損、CH折疊器堵塞等故障，影響設(shè)備生產(chǎn)效率［3］。YB45細支煙包裝機額定運行速度為300包/min，受各種因素影響實際生產(chǎn)速度約為280包/min，與常規(guī)YB45包裝機400包/min差距較大。針對GDX2包裝機組已有較多研究及改進，呂小波等［4］將平皮帶輸送鋁箔紙改進為同步齒形吸風帶輸送，延長了吸風帶使用壽命，解決了吸風帶跑偏等問題。李超等［5］設(shè)計了一種便捷式煙包調(diào)頭裝置，實現(xiàn)了煙包方向的快速調(diào)整。廖艷培等［6］在小盒美容整形裝置的出口處增加了一套冷卻吹風系統(tǒng)，并改進了美容整形裝置的上下支座，解決了煙包錯位粘連等問題。陳正榮等［7］對內(nèi)框紙限位裝置進行優(yōu)化，提高了新型內(nèi)框紙的生產(chǎn)適用性。劉倩等［8］設(shè)計了一種煙支通道導向工具，通過控制煙支流向縮短煙支清理時間，降低生產(chǎn)消耗。呂小波等［9］取消了ZB45包裝機組主傳動箱輸出的動力，通過調(diào)整交流伺服電機的控制參數(shù)，實現(xiàn)輸送帶與煙包同步運行。烘干工序是卷煙包裝生產(chǎn)中耗時較長的工藝環(huán)節(jié)，對于包裝機烘干裝置的研究或改進則鮮見報道。為此，通過分析小盒煙包包裝工藝流程，對YB45包裝機煙包烘干裝置進行優(yōu)化設(shè)計，以期提高包裝設(shè)備生產(chǎn)效率，提升卷煙包裝品質(zhì)。

1 問題分析

1.1 存在問題

YB45細支煙包裝機烘干裝置主要由上壓板（1）、上加熱器（2）、下加熱器（3）和下壓板（4）等部分組成，見圖1。小盒煙包完成折疊后進入烘干裝置，由上壓板和下壓板共同對煙包施加作用力，并利用上加熱器和下加熱器對煙包進行烘干。YB45包裝機烘干裝置共有36工位，其中27工位有煙包，即煙包進入烘干裝置后需經(jīng)過27工位才能進入下一工序，并在此階段完成煙包干燥。細支煙包折疊成型后其側(cè)邊折疊面積小、厚度薄，由于紙張彈性大且加膠面積小，容易造成煙包側(cè)邊粘貼不牢固而彈開，進而導致下游設(shè)備運行不穩(wěn)定、煙包輸送堵塞、小盒透明紙破損等故障，影響設(shè)備生產(chǎn)效率。

1.2 原因分析

由于細支煙包厚度薄，膠水點和上膠量均較少，因此煙包干燥時間較長（約5.8 s），遠大于常規(guī)煙包的烘干時間（約4.0 s）。但在對常規(guī)YB45包裝機進行細支煙改造中未對烘干裝置進行改進，YB45細支煙包裝機烘干裝置仍由36工位組成，為保證煙包干燥時間最高運行速度只能達到280包/min，由此制約了生產(chǎn)效率。在保證烘干效果的前提下，提高YB45細支煙包裝機的運行速度需要增加烘干裝置的工位數(shù)量。由圖2可見，烘干裝置的間歇運動由槽輪驅(qū)動。因此，增加烘干裝置的工位數(shù)量需要對槽輪機構(gòu)進行改進。

圖2 YB45包裝機烘干裝置傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission system of heating device in YB45 cigarette packer

2 改進方法

2.1 48工位煙包烘干裝置設(shè)計

選擇在Solidworks軟件中對煙包烘干裝置的相關(guān)零部件進行建模和虛擬裝配。48工位烘干裝置由烘干支架（1）、輪體（2）、上加熱器（3）和下加熱器（4）組成，見圖3。改進后烘干裝置工位由36個增加到48個，烘干裝置內(nèi)夾持的煙包數(shù)量由27包增加到36包，一包煙在烘干裝置中經(jīng)過36工位后進入下一工序。改進前后烘干裝置的傳動比1∶3保持不變，驅(qū)動烘干裝置轉(zhuǎn)動的槽輪機構(gòu)由12工位增加至16工位，確保設(shè)備正常運行。

圖3 48工位烘干裝置立體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-dimensional structure of 48-unit heating device

2.2 傳動系統(tǒng)分析

槽輪機構(gòu)的運動和動力特性通常采用類角速度ω3/ω2和類角加速度α3/ω22進行衡量。圖4中，θ2、θ3分別是主動件曲柄B3和從動件導桿P3與機架C1的正向夾角（rad），ω2為撥桿的角速度（rad/s），ω3為槽輪的角速度（rad/s），α3為槽輪的角加速度（rad/s2）。

圖4 槽輪機構(gòu)運動簡圖Fig.4 Movement diagram of maltese mechanism

角位移方程（閉環(huán)矢量方程）為：

角速度方程（矩陣形式）為：角加速度方程（j矩陣形式）為：

在MATLAB軟件中編寫程序得到槽輪機構(gòu)的運動曲線［10-12］，見圖5?？梢姡圯喗撬俣群徒羌铀俣鹊淖兓Q于槽輪的槽數(shù)z，槽數(shù)z越大，槽輪機構(gòu)之間的沖擊力越?。唤撬俣群徒羌铀俣鹊淖畲笾惦S槽數(shù)z的增多而減小。槽數(shù)z的取值范圍是4～18，考慮到加工難度和運行穩(wěn)定性，選取z=16。

圖5 槽輪機構(gòu)的類角速度和類角加速度曲線Fig.5 Curves of similar angular velocity and similar angular acceleration of maltese mechanism

2.3 烘干裝置的動停比

煙包烘干裝置的動停比是指傳動過程中烘干裝置運動與停頓時間之比，主要由槽輪的槽數(shù)和驅(qū)動輪的滾輪數(shù)量決定。設(shè)槽輪有z個徑向等分槽（槽數(shù)），主動盤撥銷數(shù)為m，槽輪每次運動時曲柄轉(zhuǎn)角為2α，槽間角為2β，由運動原理可知從動輪轉(zhuǎn)動一圈時。槽輪每次運動時間td與停頓時間tj之比即為動停比k：

已知改進前烘干裝置m=1，z1=12，則動停比k1為：

已知改進前烘干裝置工位n1=36，改進后槽輪槽數(shù)z2=16，則改進后烘干裝置工位n2為：

改進后烘干裝置的動停比k2為：

可知k2＞k1，動停比越大槽輪運動過程中速度變化越小，即槽輪機構(gòu)之間的沖擊力越小。因此，在煙包烘干裝置上增加工位是可行的。

2.4 傳動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)確定

已知改進后槽輪槽數(shù)z2為16，槽輪與撥銷的中心距a為150 mm，撥銷數(shù)m為1個。根據(jù)槽輪機構(gòu)的運動原理［13-14］可得：

槽間角：

槽輪每次運動時曲柄的轉(zhuǎn)角：

曲柄長度：

圓銷半徑：

槽輪的外圓半徑：

取撥銷與輪槽底部之間的徑向間隙δ=3～5 mm，則輪槽深度：

運動系數(shù)：

通過對槽輪機構(gòu)主要參數(shù)進行計算，可以確定傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，見表1。

表1 改進后煙包烘干裝置傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of modified transmission system of sideseam glue line heating device

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“七匹狼（鋒芒）”牌卷煙（廈門煙草工業(yè)有限責任公司提供）。

設(shè)備：YB45細支煙包裝機（上海煙草機械有限責任公司）。

方法：改進前YB45包裝機運動速度為280包/min，改進后YB45包裝機運行速度由280包/min提升至370包/min（車速以10包/min增加）。統(tǒng)計改進前后小盒商標紙側(cè)邊彈開缺陷率和設(shè)備生產(chǎn)效率，設(shè)備生產(chǎn)效率為單位時間內(nèi)實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的百分比。統(tǒng)計時間為2021年10月—12月，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見，在煙包烘干時間不變的前提下，改進后YB45包裝機運行速度由280包/min提升至350包/min時，小盒商標紙側(cè)邊彈開缺陷率由0.062 3%降低到0.009 8%，設(shè)備生產(chǎn)效率增加9.3百分點，提高包裝機運行速度未對煙包質(zhì)量產(chǎn)生影響。但當包裝機運行速度提升至360和370包/min時，煙包缺陷率顯著增加，分別達到0.015 7%和0.032 4%，表明運行速度超過360包/min時會對煙包質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。綜合考慮，改進后將350包/min作為包裝機的額定運行速度。

表2 改進前后YB45包裝機測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of YB45 cigarette packer before and after modification

4 結(jié)論

對YB45細支煙包裝機的煙包烘干裝置進行了改進，將烘干裝置由36工位改為48工位，烘干裝置內(nèi)夾持的煙包數(shù)量由27包增加到36包，在保證小盒商標紙側(cè)邊加膠點烘干效果的前提下，有效提高了包裝機運行速度。以廈門煙草工業(yè)有限責任公司生產(chǎn)的“七匹狼（鋒芒）”牌卷煙為對象，對改進前后YB45包裝機進行測試，結(jié)果表明：改進后YB45包裝機運行速度由280包/min提高到350包/min，小盒商標紙側(cè)邊彈開缺陷率由0.062 3%降低到0.009 8%，設(shè)備生產(chǎn)效率提升9.3百分點，有效提升了包裝設(shè)備生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。