金義龍，劉加高，陳 圣

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

FOCKE350S 機組是1990 年代由德國佛克（FOCKE）公司引進(jìn)的具有先進(jìn)水平的卷煙硬盒包裝設(shè)備，機組由350 型小盒包裝機、802 自動儲煙柜、401 小包透明紙包裝機和408 條盒透明紙包裝機4 部分組成。408 條盒透明紙包裝機是把從401 小包透明紙包裝機輸出的煙包以二五平包的排列方式進(jìn)行條盒包裝，在包裝成條過程中對條盒紙上膠，原噴膠嘴經(jīng)常存在乳膠易亂噴、易損壞等缺點，造成了產(chǎn)品質(zhì)量下降，維修費用高等問題。經(jīng)查閱相關(guān)資料，國內(nèi)外使用的卷煙包裝設(shè)備在條盒紙上膠方式上曾做過一些改造，此次改造借鑒原有的成熟技術(shù)，通過自主改進(jìn)設(shè)計，簡化噴膠嘴結(jié)構(gòu)，改進(jìn)噴膠嘴支架及驅(qū)動氣缸，由原噴射式涂膠改為涂抹式涂膠，使條盒上膠更穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低維修費用。

1 原噴膠嘴工作原理及存在問題

1.1 原噴膠嘴工作原理

設(shè)備正常運行過程中，F(xiàn)OCKE408 包裝機通過PLC 控制系統(tǒng)中的煙包移位寄存器第2 位高電平當(dāng)電子凸輪運行到相應(yīng)度數(shù)時，壓縮空氣打開，控制左、右噴膠嘴對條盒紙左、右側(cè)各進(jìn)行2 次噴射乳膠；當(dāng)電子凸輪再次運行到相應(yīng)度數(shù)時或設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)時，電磁閥使噴膠壓縮空氣斷開并停止噴膠。原上膠裝置的噴膠嘴是采用旋渦流噴射乳膠，乳膠通過內(nèi)裝式氣體通道時形成旋渦流，離開噴膠嘴時被霧化成直線噴射到條盒紙上。

圖1 原噴膠嘴

如圖1 所示，設(shè)備在正常運行過程中，當(dāng)噴射循環(huán)開始時，壓縮空氣在電磁閥控制下由進(jìn)氣口2 進(jìn)入，使活塞產(chǎn)生向右移位，帶動噴膠嘴動針右移，乳膠在壓力膠桶作用下從噴膠嘴噴出。同時，壓縮空氣通過進(jìn)氣口1 經(jīng)渦流環(huán)進(jìn)入噴射杯，旋渦流式壓縮空氣使噴出的乳膠霧化，噴射到條盒紙上，在電磁閥控制下關(guān)閉壓縮空氣，活塞在彈簧作用下復(fù)位，帶動動針關(guān)閉噴膠嘴，完成一次噴射循環(huán)。

1.2 存在問題

1.2.1 噴膠嘴更換頻率高、成本高

實際生產(chǎn)操作過程中，動針與噴膠嘴端部容易積膠，需要拆開噴膠嘴清洗膠液室、噴射杯、動針等部件才能清潔保養(yǎng)，容易損壞動針頂端。由于動針與噴射杯配合精度較高，其中任何配件損壞均需要更換整套上膠裝置，更換頻率較高。此外，原噴膠嘴為進(jìn)口件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工技術(shù)要求精度高，采購價約為2 萬元/套，導(dǎo)致使用成本較高。2015 年會澤卷煙廠5 臺FOCKE408 包裝機更換噴膠嘴情況統(tǒng)計見表1。

1.2.2 影響產(chǎn)品質(zhì)量、增加原輔材料消耗

噴膠嘴上膠方式為噴射式，由于不 同 品牌、不同批次的乳膠之間存在質(zhì)量差異，容易引起噴膠嘴堵塞等現(xiàn)象，常常引發(fā)質(zhì)量問題，如：條盒少膠、條盒無膠和膠位偏移等。據(jù)粗略統(tǒng)計，我廠2015年因條盒涂膠不良所浪費的條盒紙約為2 萬張。

1.2.3 影響設(shè)備運行效率

原噴膠嘴通過壓縮空氣將乳膠進(jìn)行霧化噴射，容易使小顆粒乳膠在條盒紙上膠部位形成積膠，操作人員需頻繁對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，同時在保養(yǎng)過程中容易損壞動針，造成維修耗時過長，兩方面因素嚴(yán)重影響了設(shè)備運行效率。

2 改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)原條盒紙上膠裝置存在的問題，對噴膠嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，簡化噴膠嘴結(jié)構(gòu)，降低裝配精度要求，減少清潔保養(yǎng)頻次，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為此提出了多個方案，如旋轉(zhuǎn)對壓式涂膠、電控噴槍式上膠、涂抹式上膠等。經(jīng)過方案比選和實驗，最終選擇涂抹式上膠，涂膠裝置初步設(shè)計方案如圖2 所示。

表1 2015 年FOCKE408 包裝機噴膠嘴更換統(tǒng)計

2.1 涂膠嘴組件設(shè)計

2.1.1 涂膠筆設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于涂膠裝置不工作時，涂膠筆、涂膠接頭、涂膠嘴須形成一個密閉的乳膠儲存環(huán)境，且在乳膠涂抹過程中不損傷條盒紙，因此，借鑒圓珠筆原理確定涂膠筆設(shè)計為：圓球狀。

（2）材料確定。由于涂膠裝置運行過程中，涂膠筆高頻次對條盒紙進(jìn)行涂膠，涂膠筆材料需具有較高耐磨性、耐腐蝕性及硬度，氮化硅陶瓷具有耐高溫、高硬度、耐磨、耐腐蝕等特性。為確保條盒紙粘貼牢固，涂膠膠線寬度需為3 mm 左右，因此涂膠筆中心涂抹件設(shè)計為直徑4 mm 的氮化硅陶瓷珠。

2.1.2 乳膠密封腔設(shè)計

乳膠密封腔需要較高的密封性，腔體和陶瓷珠接口處圓周直徑須小于陶瓷珠直徑尺寸4.0 mm，乳膠密封腔直徑設(shè)計為3.500.015 mm，配合面表面粗糙度為0.8，材料選擇為1Cr18Ni9Ti，如圖4 所示。

圖2 涂抹式上膠裝置原理

圖3 涂膠嘴組件組成部分

圖4 乳膠密封腔設(shè)計

2.1.3 壓縮彈簧選擇

壓縮彈簧作為復(fù)位動作的執(zhí)行件，要使乳膠涂抹在條盒紙上后陶瓷珠能自動快速回位，且保證乳膠不外溢，根據(jù)其工作原理及工藝要求，具體步驟如下：

步驟1：確定彈簧所受載荷

設(shè)備膠水壓力為0.2 MPa 轉(zhuǎn)換為2 N/cm2，氮化硅陶瓷珠的尺寸為4 mm，陶瓷珠受力面積為其投影面積=0.42=0.5024 cm2，則陶瓷珠受到的壓力：

為保證非工作狀態(tài)下乳膠不外溢，所需最小彈簧力應(yīng)大于陶瓷珠所受到的力1 N。

步驟2：確定彈簧材料和直徑

根據(jù)實際情況預(yù)設(shè)計彈簧壓縮量約為5 mm，壓縮后彈簧高度為20 mm，彈簧自由高度則為20 mm+5 mm，彈力取陶瓷珠所受到的力為1 N，估算

取標(biāo)準(zhǔn)值確定簧絲直徑D=0.4 mm。

步驟3：確定彈簧節(jié)距

考慮估算彈簧剛度為0.2 N/mm，根據(jù)資料取有效圈數(shù)n=12 圈，則彈簧總剛度：

上述預(yù)設(shè)計彈簧自由高度為25 mm，通過計算不滿足彈簧所需力1 N，故取自由高度為25.8 mm，則節(jié)距：

確定選擇錐形彈簧直徑為0.4 mm、自由長度25.8 mm、節(jié)距2 mm、有效圈數(shù)12，如圖5 所示。

圖5 壓縮彈簧設(shè)計

2.2 涂膠支撐板設(shè)計

為了滿足涂膠筆涂抹工作條件，須設(shè)計支撐板，當(dāng)涂膠筆向條盒紙涂抹乳膠時，在支撐板觸壓下陶瓷珠后退，乳膠從陶瓷珠與涂膠嘴的間隙之間擠出，并涂抹到條盒紙上。根據(jù)其機械性能、硬度、耐磨性和成本等因素，材料選擇1Cr18Ni9Ti；測量涂膠嘴具體安裝位置尺寸，涂膠支撐板圖紙設(shè)計，如圖6 所示。

2.3 氣缸選型

（1）確定氣缸類型。根據(jù)涂膠需要，涂膠筆需動作準(zhǔn)確、復(fù)位迅速，故選用無緩沖單作用氣缸。

（2）確定氣缸行程。為避免涂膠筆拖膠現(xiàn)象，涂膠筆復(fù)位后與條盒紙之間的距離應(yīng)3 mm，故選定氣缸行程為5 mm。

圖6 涂膠支撐板

（3）確定缸徑。經(jīng)測力計測量，氣缸所需輸出力F 應(yīng)大于74.6 N；壓縮空氣的壓強P 為0.6 MPa；查閱資料安全系數(shù)N 水平氣缸取0.5，垂直氣缸取0.2，故設(shè)定安全系數(shù)N=0.5。

氣缸缸徑的計算為：

式中 F——氣缸輸出力；N

N——安全系數(shù)；MPa

P——系統(tǒng)壓力

S——活塞面積；m2

（4）氣缸型號選擇。根據(jù)氣缸的類型、行程、缸徑，最終選擇氣缸型號為：AEVC-20-5-I-P。

2.4 涂膠嘴支架設(shè)計

涂膠嘴支架的設(shè)計需滿足安裝和拆卸方便的要求，同時能夠?qū)崿F(xiàn)涂膠嘴與條盒紙距離的調(diào)整，結(jié)合設(shè)備實際測量，涂膠嘴支架設(shè)計如圖7 所示：涂膠嘴與調(diào)整支座2 用螺母定位進(jìn)行柔性連接，定位滑軌與支座實現(xiàn)整套涂膠組件與設(shè)備的安裝定位，螺釘對涂膠組件進(jìn)行定位，調(diào)節(jié)螺母可以實現(xiàn)其位置的細(xì)微調(diào)整。底座支架材料選用45#鋼發(fā)黑加工處理。

圖7 支架結(jié)構(gòu)

（1）調(diào)整塊設(shè)計。調(diào)整塊實現(xiàn)對涂膠裝置前后位置的調(diào)節(jié)，如圖8 所示。

（2）調(diào)整支座設(shè)計。調(diào)整支座實現(xiàn)涂膠裝置的定位及調(diào)節(jié)，如圖9、圖10、圖11 所示。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

圖8 調(diào)整塊

圖9 調(diào)整支座1

為保證涂膠的穩(wěn)定性、可靠性，電氣控制系統(tǒng)使用原FOCKE408 條盒紙噴膠電氣控制原理，在設(shè)備正常運行時，PLC 控制系統(tǒng)中煙包移位寄存器第2 位為高電平、電子凸輪運行到相應(yīng)度數(shù)時，壓縮空氣打開，控制左、右涂膠電磁閥對條盒紙左、右側(cè)各進(jìn)行2次涂抹乳膠。當(dāng)電子凸輪運行到相應(yīng)度數(shù)時或者設(shè)備停止及未在自動運行狀態(tài)時，涂膠電磁閥使壓縮空氣斷開并停止涂膠。為保障實現(xiàn)2 點快速涂膠，考慮成本因素，電磁閥選用：2 位3 通高速電磁閥。氣缸控制系統(tǒng)，如圖12 所示。

圖10 調(diào)整支座2

圖11 調(diào)整支座3

圖12 氣缸控制

FOCKE408 控制系統(tǒng)為PLC 系統(tǒng)控制，當(dāng)PLC 控制系統(tǒng)輸出信號時，電磁閥通過端子接線，接收到此信號，電磁閥打開，通過氣管使氣缸通氣，涂膠嘴前移，當(dāng)信號斷開時，電磁閥關(guān)閉，氣缸斷氣，氣缸通過自身的復(fù)位彈簧使涂膠嘴后退復(fù)位，如圖13 所示。

2.6 電磁閥底座設(shè)計

為了安裝2 位3 通高速電磁閥，須對其安裝底座進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)實際測量，安裝底座如圖14 所示，材料選擇45#鋼發(fā)黑處理。

圖13 涂膠嘴前移及后退控制流程

3 涂膠裝置工作原理及過程

經(jīng)過設(shè)計組裝，乳膠涂抹裝置及其組件裝配示意圖，如圖15所示。

圖14 電磁閥安裝底座

圖15 涂膠裝置及其組件裝配

涂膠嘴工作原理及過程：涂膠裝置由涂膠嘴連接塊、支座、定位滑槽、調(diào)整塊進(jìn)行聯(lián)接固定在機器上，通過微調(diào)螺釘調(diào)節(jié)涂膠嘴與條盒的距離，當(dāng)手柄松開時即可取下涂膠裝置。在工作狀態(tài)下，當(dāng)條盒紙檢測器檢測到條盒紙到達(dá)涂膠位置時，電磁閥打開，氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入氣缸，氣體推動活塞桿壓縮柱形彈簧，推動模塊A 向前運動接觸條盒紙，在涂膠支撐板的作用下，陶瓷珠往后按壓彈簧，乳膠在壓縮空氣作用下從陶瓷珠與儲膠腔之間間隙擠出，并涂抹在條盒紙上膠位置。當(dāng)條盒紙檢測器檢測到條盒紙離開涂膠位置時候，電磁閥關(guān)閉，壓縮空氣斷開，在柱形彈簧的作用力下活塞桿自動快速復(fù)位、模塊A 復(fù)位，陶瓷珠在彈簧作用下復(fù)位，儲膠腔形成密閉空間，停止乳膠涂抹。

乳膠由壓縮空氣通過進(jìn)膠管壓入儲膠腔，正常涂膠后立即對儲膠腔補充膠液，當(dāng)處于不涂膠狀態(tài)時，儲膠腔通過密封圈和涂膠筆形成密閉空間，防止乳膠流出。

安裝調(diào)試后，涂膠嘴實物如圖16 所示。

4 改進(jìn)效果

首先對硬包5#機組進(jìn)行改裝試用，經(jīng)過1 年多的實際運行驗證，收到顯著的效果，并推廣應(yīng)用到車間所有FOCKE350S 包裝設(shè)備。通過對其運行情況詳細(xì)的跟蹤統(tǒng)計，具體效果如下：

4.1 降低清潔頻次

圖16 涂膠裝置及其組件實物

由于上膠方式由原來的噴射式改為涂抹式，涂膠更穩(wěn)定，無溢膠、散噴現(xiàn)象，而陶瓷珠不容易粘膠，涂膠筆及周邊部件清潔頻次降低。

4.2 降低維修成本

改進(jìn)后涂膠裝置使用壽命長，成本為4820 元/套（原裝置成本200 00 元/套），各零件均可單獨更換，唯有壓縮彈簧（成本2元/件）為易損件，且更換簡便、快速，大大節(jié)約維修成本和維修時間；2016 年9 月～2017 年3 月FOCKE408 涂膠裝置更換情況統(tǒng)計見表2。

表2 2016 年9 月至2017 年3 月FOCKE408 涂膠裝置更換統(tǒng)計

4.3 降低原輔材料消耗、提高設(shè)備運行效率

原噴膠嘴噴膠不穩(wěn)定，導(dǎo)致條盒紙阻塞，原輔材料消耗較大、設(shè)備效率降低。改進(jìn)后涂膠穩(wěn)定，條盒紙阻塞次數(shù)減少，降低了原輔材料消耗，保養(yǎng)和維修次數(shù)降低，提高了設(shè)備運行效率。

5 結(jié)論

通過對硬包FOCKE350S 機組進(jìn)行條盒紙涂膠裝置改進(jìn)設(shè)計，彌補了原條盒上膠裝置的諸多不足，提高了條盒紙包裝質(zhì)量和設(shè)備運行效率，有效降低了卷煙物耗。根據(jù)測算卷包車間共有7 組FOCKE350 包裝機組，則每年可為工廠節(jié)約配件費用約56萬元。