楊忠泮，吳戀戀*，劉海軍，牛永剛，張建棟，常 誠(chéng)，張 俊

1.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，蘭州市七里河區(qū)南濱河中路1111 號(hào) 730050

2.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司蘭州卷煙廠，蘭州市七里河區(qū)南濱河中路1111 號(hào) 730050

3.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

YB48 型硬盒包裝機(jī)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)卷煙工業(yè)企業(yè)廣泛使用的一種超高速包裝設(shè)備［1］，額定速度為800 包/min，采用的是雙路直包包裝形式，與FOCKE 系列包裝機(jī)的單路包裝技術(shù)相比，包裝速度顯著提高。但在生產(chǎn)中由于煙支供給及成型輸送系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生煙支堵塞、煙支下落不順暢等現(xiàn)象，造成機(jī)組頻繁停機(jī)，影響設(shè)備有效作業(yè)率［2］。其中，煙支供給及成型輸送系統(tǒng)中煙支推進(jìn)器與轉(zhuǎn)塔內(nèi)發(fā)生煙支堵塞、煙支斷殘等觸發(fā)停機(jī)現(xiàn)象所占比例較高［3］，分析發(fā)現(xiàn)推煙板是造成此類故障的主要原因。由于推煙板工作時(shí)需要頻繁與煙支接觸，在往復(fù)推送煙支過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊力、在煙支成型時(shí)產(chǎn)生的擠壓力以及在下煙通道中的煙支重力等作用力均容易使推煙板產(chǎn)生形變和位移，進(jìn)而影響煙支成型效果和推煙板使用壽命。近年來(lái)針對(duì)FOCKE 系列包裝機(jī)煙支供給及成型機(jī)構(gòu)已有較多研究，郭建娟等［4］通過(guò)改進(jìn)FOCKE700S 型包裝機(jī)煙庫(kù)下煙通道中分煙隔板和導(dǎo)煙板的結(jié)構(gòu)，降低了因下煙通道堵塞而導(dǎo)致的故障停機(jī)率；韓國(guó)棟等［5］通過(guò)有限元仿真對(duì)比了45 鋼和LD10 鋁合金材料對(duì)FOCKE350S 型包裝機(jī)推煙板力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示鋁合金材料更適合推煙板的工況條件。但對(duì)于YB48 型硬盒包裝機(jī)推煙板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。研究發(fā)現(xiàn)，空莖植物經(jīng)過(guò)生物優(yōu)化過(guò)程具有良好的力學(xué)性能，其硬質(zhì)高密度材料集中在外層，內(nèi)部為松軟的低密度物質(zhì)，即植物莖稈的表層結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度、高密度硬質(zhì)層，利用空莖植物結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)近年來(lái)已在高速運(yùn)動(dòng)零部件設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用［6］。為此，通過(guò)分析YB48 型硬盒包裝機(jī)煙支推進(jìn)器組成及推煙板的受力形式，基于空莖植物結(jié)構(gòu)特性對(duì)推煙板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期改善推煙板的綜合力學(xué)性能，降低故障停機(jī)率，提高包裝設(shè)備運(yùn)行效率。

1 問(wèn)題分析

1.1 煙支推進(jìn)器組成及運(yùn)動(dòng)分析

煙支推進(jìn)器由煙支推進(jìn)機(jī)構(gòu)、煙支成型機(jī)構(gòu)、脫開(kāi)及嚙合機(jī)構(gòu)三大部分組成，見(jiàn)圖1a。其中，煙支推進(jìn)器安裝在煙支推進(jìn)器架上，在主傳動(dòng)軸和曲柄軸的驅(qū)動(dòng)下，推進(jìn)器架可以在兩導(dǎo)向軸上移動(dòng)。煙支推進(jìn)器的執(zhí)行部分由煙支轉(zhuǎn)塔、控制擋板、導(dǎo)煙塊及推煙板4 個(gè)部件組成，見(jiàn)圖1b。煙支推進(jìn)器通過(guò)推煙板將煙支料斗中的每組煙排列為上、中、下3 層，呈7-6-7 布局形式，每次循環(huán)同時(shí)推送4 組煙，在導(dǎo)煙塊的配合下將分層后的煙組推出并完成成型工序，已成型煙組被推入煙支轉(zhuǎn)塔內(nèi)進(jìn)入后續(xù)工序。導(dǎo)煙塊和推煙板的結(jié)構(gòu)與規(guī)格決定了煙組排列情況，因此推煙板是煙支推進(jìn)器的核心零部件之一。

圖1 煙支推進(jìn)器主要組成部分示意圖Fig.1 Schematic diagram of major parts of cigarette pusher

煙支推進(jìn)器的推煙板共有4 個(gè)，分為左右兩組，兩組推煙板的外形結(jié)構(gòu)布局相同，以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行淖笥覂山M推煙板呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。導(dǎo)煙塊共有7 個(gè)，在運(yùn)動(dòng)方向上每個(gè)推煙板的兩側(cè)各有一個(gè)導(dǎo)煙塊與其間隙配合安裝，靠近煙庫(kù)中軸線的兩個(gè)推煙板共用一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)煙塊。導(dǎo)煙塊的結(jié)構(gòu)與推煙板外側(cè)的兩個(gè)隔煙板的結(jié)構(gòu)相匹配，以實(shí)現(xiàn)煙組分層排列。

1.2 存在問(wèn)題

推煙板由7 塊隔煙板組成，見(jiàn)圖2。在生產(chǎn)中主要存在以下問(wèn)題：①推煙板中間5 塊隔煙板的筋板部位均為T(mén) 形結(jié)構(gòu)，在推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，為保證進(jìn)入煙支轉(zhuǎn)塔的煙組上、中、下3 層呈7-6-7 排列，在煙組中層位置留存1 支煙使第1 與第2 隔煙板之間保留一定間隙；在回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，留存的中層單煙支從間隙下落到底層，成為下一個(gè)排列煙組的底層煙支。由于煙支下落的瞬時(shí)狀態(tài)是煙絲端向下濾嘴端上翹［7］，當(dāng)下煙道中存在煙末或煙支在輸送過(guò)程中因擠壓導(dǎo)致煙絲端圓度變形時(shí)，第2 隔煙板側(cè)邊凸臺(tái)部位容易剮蹭到下落煙支，造成煙組成型效果不理想，進(jìn)而產(chǎn)生煙支擠壓、煙支斷殘、阻塞煙道等故障停機(jī)。②推煙板第7 隔煙板上下兩個(gè)工作面主要完成7-6-7 排列煙組上下兩層最外側(cè)煙支推送，兩個(gè)工作面均為矩形且面積僅為42.3 mm2，而單支卷煙濾嘴橫截面積為47.01 mm2，當(dāng)下煙道中有較多煙末或煙支出現(xiàn)彎曲時(shí)，煙支在推送過(guò)程中由于受力不均容易發(fā)生歪斜，導(dǎo)致煙組成型效果不佳，且在煙組推送過(guò)程中產(chǎn)生煙支擠壓變形、煙道堵塞等問(wèn)題。分析可見(jiàn)，推煙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是造成設(shè)備故障率高的主要原因。

圖2 改進(jìn)前推煙板結(jié)構(gòu)及推煙工作面示意圖Fig.2 Schematic diagram of cigarette plunger and it’s working surface before modification

2 改進(jìn)方法

2.1 推煙板的改進(jìn)

為提高在高速運(yùn)動(dòng)條件下推煙板的力學(xué)性能，在不改變推煙板原有外形尺寸的基礎(chǔ)上，基于空莖植物仿生設(shè)計(jì)原理［6］對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3和圖4。與空莖植物莖稈相似，推煙板存在連續(xù)和離散結(jié)構(gòu)布局，并作為承載結(jié)構(gòu)件承受物料重力和載荷引起的壓力。結(jié)合空莖植物中間為低密度或空心材料，表層組織的彈性模量沿縱向大于周向和內(nèi)部組織的結(jié)構(gòu)特性，以垂直方向材料分布多、水平方向材料分布少為原則，將第2隔煙板至第6隔煙板的筋板改進(jìn)為半空心長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。如圖4 所示，隔煙板的半空心體在垂直方向上的布局為拱橋式弧形空腔，以提高各隔煙板承載煙支質(zhì)量的抗彎能力；同時(shí)拆去原推煙板第2 隔煙板側(cè)邊凸臺(tái)，以消除推煙板在回程時(shí)與留存單煙支產(chǎn)生剮蹭的問(wèn)題。圖3 中，改進(jìn)后將第7 隔煙板上下工作面設(shè)計(jì)為L(zhǎng) 形結(jié)構(gòu)，與濾嘴接觸的工作面積由原來(lái)的42.3 mm2增加到54.3 mm2，提高了煙支推送過(guò)程中的受力穩(wěn)定性。

圖3 改進(jìn)后推煙板結(jié)構(gòu)及推煙工作面示意圖Fig.3 Schematic diagram of cigarette plunger and it’s working surface after modification

圖4 改進(jìn)前后推煙板結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of structure of cigarette plunger before and after modification

2.2 導(dǎo)煙塊的改進(jìn)

基于導(dǎo)煙塊原有安裝方式，對(duì)與推煙板第7隔煙板配合的導(dǎo)煙塊進(jìn)行了改進(jìn)，見(jiàn)圖5。以導(dǎo)煙塊工作面上的凸臺(tái)為對(duì)稱面在兩側(cè)增加矩形凹槽，改進(jìn)后第7 隔煙板與導(dǎo)煙塊工作面配合間隙尺寸不變；根據(jù)推煙板與導(dǎo)煙塊共同作用時(shí)煙組推送行程，以及導(dǎo)煙塊伸入長(zhǎng)度、煙支長(zhǎng)度和第7 隔煙板筋板長(zhǎng)度，確定凹槽尺寸為3 mm×3 mm ×66 mm。改進(jìn)前后推煙板、導(dǎo)煙塊裝配關(guān)系以及7-6-7 排列煙組推送成型工作狀態(tài)見(jiàn)圖6。

圖5 改進(jìn)前后導(dǎo)煙塊工作面結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of structure of cigarette guide block before and after modification

圖6 改進(jìn)前后推煙裝置裝配及推煙操作示意圖Fig.6 Schematic diagram of assembly and working of cigarette pusher before and after modification

2.3 推煙板工作載荷與靜動(dòng)態(tài)特性分析

2.3.1 推煙板工作載荷分析

推煙板與煙支推進(jìn)器相關(guān)部件的裝配關(guān)系見(jiàn)圖7。推煙板通過(guò)一端的安裝孔以懸臂梁的形式安裝于推煙架上，當(dāng)推煙板運(yùn)動(dòng)到行程極限位置，即將一組煙完全推送到煙支轉(zhuǎn)塔模盒內(nèi)時(shí)，推煙板承受的工作載荷最大。其中，推煙板各隔煙板與濾嘴接觸的工作面承受的載荷有煙組反推力Fft、摩擦力fm以及通道擠壓力Fjy，見(jiàn)圖7a；推煙板上部承受的載荷是煙支料斗中煙束流重力Gysl［8］，見(jiàn)圖7b。xyz坐標(biāo)系是以推煙板上工作面及側(cè)面為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，x′y′z′坐標(biāo)系是以水平面及垂直面為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。

圖7 推煙板在煙支成型過(guò)程中承受的工作載荷Fig.7 Working load of cigarette plunger during cigarette group forming

式中：m為煙支質(zhì)量，kg；θ為煙組成型運(yùn)動(dòng)平面與水平面夾角，煙支轉(zhuǎn)塔模盒為正七邊形，故θ=25.7°；n為煙束流煙支數(shù)量，支；g為重力加速度，取值為9.80 m/s2；μ為摩擦因數(shù)；d為煙支直徑，mm；a為煙組頂層煙支數(shù)量，支；l為煙支長(zhǎng)度，mm；h為煙組高度，mm；ρ為煙支密度，g/mm3；δys為煙組進(jìn)入轉(zhuǎn)塔模盒后在寬度方向上受到的壓縮量，mm；Dtd為導(dǎo)煙塊通道寬度，mm；Sjy為煙組在寬度方向上被擠壓面積，mm2；Mjy為煙組被擠壓部分質(zhì)量，kg；Gysl為煙束流重力，N；Fzy為煙束流在推煙板上工作面壓力，N；Fft為煙組反推力，N；fm為摩擦力，N；Fjy為通道擠壓力，N；Ft0為總工作載荷，N。

由于1 組煙（20 支）的質(zhì)量相對(duì)較小（在13.9～17.4 g 之間）［8］，推煙板上部承受的煙束流支數(shù)在240～280支之間，因此Fzy=Fft。將相關(guān)參數(shù)代入公式（1）～（6），計(jì)算得到推煙板承受的工作載荷分別為Fzy=2.17 N，F(xiàn)ft=0.155 N，fm=0.032 N，F(xiàn)jy=0.222 N。

2.3.2 推煙板有限元靜動(dòng)態(tài)特性分析

建立改進(jìn)前后推煙板有限元模型，使用ANSYS Workbench 12.1 軟件進(jìn)行分析。采用四面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分方式，網(wǎng)格大小為2 mm；材料選用鋁合金7075，彈性模量為66.35 GPa［9］；添加約束條件為安裝孔端部固定支撐［10］，在推煙板與濾嘴接觸工作面以及各隔煙板上部施加工作載荷，并對(duì)其進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性有限元仿真試驗(yàn)。圖8 為推煙板總位移云圖，圖9 為推煙板最大等效應(yīng)力及位置云圖，圖10 為一階振型云圖，各云圖中由藍(lán)至紅表示零件變形呈逐漸增大趨勢(shì)。

圖8 改進(jìn)前后推煙板總位移云圖Fig.8 Nephogram of total displacement of cigarette plunger before and after modification

圖9 改進(jìn)前后推煙板最大等效應(yīng)力及位置云圖Fig.9 Nephogram of maximum equivalent stress and location of cigarette plunger before and after modification

圖10 改進(jìn)前后推煙板一階振型云圖Fig.10 Nephogram of first-order vibration mode of cigarette plunger before and after modification

推煙板靜力學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，改進(jìn)后推煙板最大應(yīng)力值比改進(jìn)前減小3.47%，在施加最大工作載荷時(shí)，其最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于7075 鋁合金材料的屈服強(qiáng)度265 MPa；最大變形位置發(fā)生在第3 隔煙板的底部位置；推煙板質(zhì)量比改進(jìn)前增加0.043 kg，但最大變形量減小45%；靜態(tài)比剛度效能提高65.62%，動(dòng)態(tài)比剛度效能提高36.01%，表明在滿足設(shè)備功能需求下改進(jìn)后推煙板的力學(xué)性能得到顯著提高。推煙板模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，改進(jìn)后推煙板前6 階固有頻率均顯著提高，平均增幅49.48%，有效改善了推煙板動(dòng)態(tài)特性。

表1 改進(jìn)前后推煙板有限元仿真分析結(jié)果①Tab.1 FEA results of cigarette plunger before and after modification

表2 改進(jìn)前后推煙板固有頻率及振型Tab.2 Natural frequency and vibration mode of cigarette plunger before and after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 材料與方法

材料：“蘭州（硬精品）”牌卷煙（由甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司蘭州卷煙廠提供）。

設(shè)備：YB48 型硬盒包裝機(jī)（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：對(duì)蘭州卷煙廠兩組YB48 型硬盒包裝機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。改進(jìn)前后推煙板材料均采用鋁合金7075，將表面進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理以提高耐磨度。分別對(duì)改進(jìn)前后煙支推進(jìn)器故障頻次與停機(jī)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為1 個(gè)月，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表3 可見(jiàn)，改進(jìn)后煙支推進(jìn)器故障停機(jī)頻次比改進(jìn)前減少42 次/周，降幅為37.17%；停機(jī)時(shí)間平均減少1.2 h/周，降幅為38.34%，基本消除了在煙組成型過(guò)程中出現(xiàn)的煙支斷殘、煙支擠壓等問(wèn)題，且改進(jìn)前后推煙板在相同使用條件下磨損程度及外形無(wú)明顯差異。

表3 改進(jìn)前后煙支推進(jìn)器故障頻次及停機(jī)時(shí)間①Tab.3 Failures and machine’s downtime of cigarette pusher before and after modification

4 結(jié)論

對(duì)YB48 型硬盒包裝機(jī)推煙板和導(dǎo)煙塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于ANSYS 平臺(tái)對(duì)改進(jìn)前后推煙板進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果顯示改進(jìn)后推煙板靜態(tài)比剛度效能提高65.62%，動(dòng)態(tài)比剛度效能提高36.01%，推煙板綜合力學(xué)性能得到顯著提高。以蘭州卷煙廠使用的兩臺(tái)YB48 型硬盒包裝機(jī)為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后煙支推進(jìn)器故障停機(jī)頻次減少37.17%，停機(jī)時(shí)間減少38.34%，有效提升了超高速包裝設(shè)備的運(yùn)行效率。