劉東亞 竇武陽(yáng)

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

近年來(lái)，卷煙濾嘴的功能已由單功能向多功能的方向發(fā)展。煙草行業(yè)對(duì)具有降焦減害、增香保潤(rùn)等功能的復(fù)合濾棒越來(lái)越重視。復(fù)合濾棒是由不同基棒通過(guò)分切、拼接，卷制而成的，兩元和三元復(fù)合濾棒較為常見(jiàn)［1-2］。我國(guó)先后自主研發(fā)了生產(chǎn)速度為200 m/min的YL43型復(fù)合濾棒成型機(jī)組和生產(chǎn)速度為400 m/min的ZL41型復(fù)合濾棒成型機(jī)組，二者均為兩元復(fù)合［3-4］，但其已無(wú)法較好地滿足市場(chǎng)對(duì)多元復(fù)合濾棒的需求。因此，許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司與荷蘭ITM公司采用“平臺(tái)+模塊”的方式，成功地研發(fā)出ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組。ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組屬多元線性復(fù)合濾棒成型機(jī)組，最大生產(chǎn)速度為500 m/min，可生產(chǎn)兩元和三元復(fù)合濾棒。該機(jī)組配套有一臺(tái)裝盤(pán)機(jī)、三臺(tái)卸盤(pán)機(jī)以及一套大流量供料裝置。大流量供料裝置在將基棒輸送到相應(yīng)的高級(jí)小棒模塊后，將其切分成不同長(zhǎng)度的小棒，最后進(jìn)入成型模塊，從而生產(chǎn)出相應(yīng)的復(fù)合濾棒。

1 存在問(wèn)題

ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組所配備的大流量供料裝置安裝在成型機(jī)組高級(jí)小棒模塊的上方，距離地面較高，最高處可達(dá)4.5 m，大流量供料裝置如圖1所示。由于大流量供料裝置的位置偏高，導(dǎo)致設(shè)備在維修維護(hù)時(shí)存在較大的安全隱患。因供料裝置及支架的結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致供料裝置的落料頭處一旦發(fā)生亂棒現(xiàn)象，將無(wú)法及時(shí)處理，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，從而影響生產(chǎn)效率。因此，要對(duì)ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)加裝維修平臺(tái)可解決上述問(wèn)題。

圖1 大流量供料裝置

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下，出于對(duì)安全性的考慮，應(yīng)將機(jī)器的維修平臺(tái)固定在機(jī)器上方或固定在地面上。由于ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組所配備的大流量供料裝置前方的安裝位置有限，下料裝置門(mén)與復(fù)合模塊門(mén)的距離僅為500 mm，而復(fù)合模塊門(mén)在開(kāi)啟時(shí)的動(dòng)作是垂直向上提升的，若將維修平臺(tái)固定在機(jī)組上，將會(huì)發(fā)生干涉事件?？紤]到將維修平臺(tái)固定在地面上會(huì)影響后期換規(guī)格時(shí)復(fù)合模塊的更換，顯然采用固定式維修平臺(tái)不是最佳方案。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究為ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組的大流量輸送裝置設(shè)計(jì)了如圖2所示的可移動(dòng)式維修平臺(tái)，其是由支撐板、加強(qiáng)支架、滑軌、滑軌底板、平臺(tái)支撐架、維修平臺(tái)、登高梯等組成?？梢苿?dòng)維修平臺(tái)安裝在機(jī)組的三個(gè)高級(jí)小棒模塊的前方。由于空間有限，對(duì)顯示屏的安裝方式進(jìn)行變更，由原來(lái)的可滑動(dòng)式顯示屏支架，更換為固定式旋轉(zhuǎn)支臂，而旋轉(zhuǎn)支臂通過(guò)固定架及加強(qiáng)支架安裝在落料頭支撐梁的中間位置上。在原有顯示屏支架滑軌的基礎(chǔ)上，新加裝可移動(dòng)式維修平臺(tái)，三個(gè)支撐板均勻分布在落料頭支撐梁的上方，滑軌底板通過(guò)三個(gè)加強(qiáng)支架安裝在支撐板上，然后將滑軌用螺栓鎖緊在滑軌底板上。通過(guò)直線軸承使維修平臺(tái)與滑軌相連，使維修平臺(tái)能在滑軌上平穩(wěn)滑動(dòng)。平臺(tái)支撐架和支撐板起到支撐維修平臺(tái)的作用，平臺(tái)支撐架下方設(shè)有兩個(gè)滾輪，方便維修平臺(tái)的移動(dòng)。在使用維修平臺(tái)時(shí)，可將其推至相應(yīng)位置后，再將登高梯從平臺(tái)支撐架上放下。在維修或維護(hù)工作完成后，將登高梯掛在平臺(tái)支撐架上。維修平臺(tái)主要對(duì)高級(jí)小棒模塊上方的落料頭進(jìn)行維修維護(hù)。轉(zhuǎn)運(yùn)模塊通常不使用維修平臺(tái)，因此轉(zhuǎn)運(yùn)模塊上方不設(shè)置滑軌，滑軌在機(jī)組最右側(cè)向外延伸。高級(jí)小棒模塊玻璃門(mén)開(kāi)啟時(shí)將會(huì)與維修平臺(tái)產(chǎn)生干涉，因此維修平臺(tái)只能在高級(jí)小棒模塊玻璃門(mén)關(guān)閉時(shí)使用，不使用維修平臺(tái)時(shí)，將其移動(dòng)至機(jī)組的最右側(cè)位置。

圖2 可移動(dòng)式維修平臺(tái)

3 有限元分析

在新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，尤其是機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，為保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，通常使用有限元分析法對(duì)其進(jìn)行受力分析。利用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行離散化處理，根據(jù)其受力情況，在劃分網(wǎng)格后的三維模型上施加載荷，然后依靠相關(guān)求解器對(duì)應(yīng)力和位移進(jìn)行求解［5］。

先對(duì)維修平臺(tái)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行分析。由于維修平臺(tái)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分較為費(fèi)時(shí)，且結(jié)果誤差較大?？紤]到模型計(jì)算的可行性，在對(duì)維修平臺(tái)進(jìn)行三維模型劃分前，刪除對(duì)結(jié)果影響較小的零部件，盡可能簡(jiǎn)化模型，同時(shí)又能反映出所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)［6-7］。此次建模便于網(wǎng)格的劃分以及確保計(jì)算的可行性，在對(duì)維修平臺(tái)進(jìn)行有限元分析時(shí)，忽略安裝用的螺紋孔，并刪除模型中的登高梯等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的非承載零部件。維修平臺(tái)的三個(gè)支撐板是由7075鋁合金制成的，滑軌和滑軌底板的材料為20鋼，維修平臺(tái)及護(hù)欄均采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的鋁合金型材。所劃分網(wǎng)格共有718 340個(gè)節(jié)點(diǎn)以及271 890個(gè)單元。維修平臺(tái)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 維修平臺(tái)的網(wǎng)格劃分（單位：mm）

對(duì)維修平臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，先對(duì)已劃分好網(wǎng)格的平臺(tái)支撐板、滑軌、滑軌底板及維修平臺(tái)模型施加相應(yīng)的約束，再對(duì)其進(jìn)行力的加載。此平臺(tái)僅用于ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組的大流量輸送裝置的維修維護(hù)，以及落料頭發(fā)生亂棒時(shí)能及時(shí)清理亂棒，以免造成設(shè)備停機(jī)，單人即可完成操作。平臺(tái)的支撐架通過(guò)滾輪與地面接觸，其能承受一部分載荷。該維修平臺(tái)可簡(jiǎn)化為四點(diǎn)支撐，即兩處滑杠連接處和兩個(gè)輪子。設(shè)計(jì)操作承重載荷為100 kg，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通過(guò)引入安全系數(shù)來(lái)保證機(jī)械結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性及安全性，該維修平臺(tái)的安全系數(shù)取1.5。維修平臺(tái)自身重量約為120 kg，則設(shè)計(jì)載荷為270 kg。故在維修平臺(tái)上加載2 700 N的向下作用力。由于作用在滑杠上的推力較小，為了便于計(jì)算，假設(shè)滑杠只受垂直向下的作用力。簡(jiǎn)化模型后，通過(guò)有限元求解得到維修平臺(tái)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，如圖4、圖5所示。

圖4 維修平臺(tái)的應(yīng)力云圖（單位：mm）

圖5 維修平臺(tái)的應(yīng)變?cè)茍D（單位：mm）

由維修平臺(tái)的應(yīng)力云圖可知，維修平臺(tái)的最大應(yīng)力為87.555 MPa，發(fā)生在維修平臺(tái)與滑杠連接處，主要是維修平臺(tái)與支撐板對(duì)滑杠及其底板產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，其余部分的應(yīng)力較小。維修平臺(tái)的最大應(yīng)力（87.555 MPa）小于滑杠的屈服強(qiáng)度（245 MPa）。由于最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，安全因數(shù)為2.8，具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。因此，維修平臺(tái)能滿足使用要求。由維修平臺(tái)的應(yīng)變?cè)茍D可知，維修平臺(tái)的最大變形量為0.393 35 mm，變形主要發(fā)生在維修平臺(tái)的連接板處。維修平臺(tái)僅在連接板處發(fā)生較小的變形，對(duì)維修平臺(tái)的正常使用影響不大。滑杠及其底板的變形量很小，不會(huì)影響維修平臺(tái)的左右滑動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)出一種用于ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組大流量供料裝置的維修平臺(tái)，在ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造優(yōu)化，并將維修平臺(tái)與先前顯示屏支架基座進(jìn)行結(jié)合。該可移動(dòng)式維修平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)ZL45型復(fù)合濾棒成型機(jī)組原有結(jié)構(gòu)的改變較少，方便客戶安裝。通過(guò)對(duì)維修平臺(tái)的部分主要承載零部件進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行分析，可知該維修平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，能較好地滿足使用要求。本研究通過(guò)對(duì)可移動(dòng)式維修平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為客戶進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)維修提供強(qiáng)有力的幫助，同時(shí)增加維護(hù)維修的安全性。