陳 超，吳小超，鄢紅章，蘭志超，孫昊寧

1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽(yáng)卷煙廠，湖北省襄陽(yáng)市樊城區(qū)大慶西路55 號(hào) 441000

2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造中心，武漢市東西湖區(qū)海口二路2 號(hào) 430040

3.武漢納莫電子控制技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢市東湖高新區(qū)光谷大道62 號(hào) 430074

ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)是位于卷接機(jī)組與包裝機(jī)組之間的連接輸送設(shè)備，主要完成煙支自動(dòng)輸送、存儲(chǔ)和緩沖調(diào)節(jié)等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)卷接包生產(chǎn)線的高速自動(dòng)化［1］。ZF12B 一般先將煙支提升到一定高度，再將煙支輸送到位于包裝機(jī)組煙庫(kù)上方的落料頭內(nèi)，然后煙支垂直下落到包裝機(jī)組煙庫(kù)中用于包裝生產(chǎn)。由于ZF12B 的轉(zhuǎn)角提升和落料頭結(jié)構(gòu)對(duì)煙支流產(chǎn)生較大擠壓力，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中存在煙支下墜、煙支歪斜、皺紋煙支等問(wèn)題，增加了煙支空頭率和不合格品剔除率。針對(duì)此，盧新潤(rùn)［2］設(shè)計(jì)了一種煙支輸送通道中煙支歪斜檢測(cè)裝置，減少了因煙支歪斜導(dǎo)致的包裝機(jī)組故障停機(jī)次數(shù)。此外，針對(duì)大流量輸送裝置近年來(lái)也有較多研究和改進(jìn)，主要包括在轉(zhuǎn)角提升處采用擺臂式柔性輸送裝置［3］、減小導(dǎo)向座摩擦力［4］、采用半月牙形輸送鏈板［5］等方法改進(jìn)垂直提升結(jié)構(gòu)；采用斜提升代替垂直提升［6］；在包裝機(jī)組煙庫(kù)中對(duì)分離器［7］、下煙通道［8-9］、攪動(dòng)塊［10］等裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。湯達(dá)偉等［11］采用離散元仿真軟件EDEM 對(duì)包裝機(jī)組煙庫(kù)中煙支流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行仿真分析，為優(yōu)化設(shè)計(jì)煙庫(kù)提供了參考。因煙支提升結(jié)構(gòu)存在自身局限性，上述改進(jìn)或設(shè)計(jì)未能從根本上解決大流量輸送裝置生產(chǎn)效率低和材料損耗大等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一種新型煙支水平輸送裝置，采用水平輸送方式取代ZF12B 的轉(zhuǎn)角提升方式，以期提高卷煙包裝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 問(wèn)題分析

在原ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)中，煙支堆疊后進(jìn)入裝盤(pán)及輸送通道。標(biāo)準(zhǔn)卷煙的堆疊層數(shù)為7～8 層，堆疊厚度約為60 mm；中細(xì)支卷煙的堆疊層數(shù)為8～9 層，堆疊厚度約為50 mm。而在轉(zhuǎn)角提升和包裝機(jī)組煙庫(kù)上方落料頭處，通道內(nèi)煙支堆疊厚度通常大于500 mm，此時(shí)通道及落料頭中的下層單支卷煙會(huì)受到自身重力、相鄰煙支的法向壓力和切向摩擦力的共同作用，其中法向壓力為所有煙支重力分量的疊加，見(jiàn)圖1。因此，煙支堆疊厚度越厚，下層單支煙支所受壓力越大，煙支越容易產(chǎn)生皺紋和傾斜等現(xiàn)象。

圖1 煙支受力示意圖Fig.1 Stress analysis of cigarette

由圖2 可見(jiàn)，轉(zhuǎn)角提升和落料頭結(jié)構(gòu)不合理也會(huì)對(duì)煙支輸送質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。主要原因在于：①煙支在轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)角半徑不同，使得煙支間存在相互搓動(dòng)和擠壓，同時(shí)因轉(zhuǎn)角處輸入流量存在波動(dòng)，煙支在提升過(guò)程中會(huì)下墜以彌補(bǔ)輸入流量不足，由此煙支在輸送鏈板或輸送帶上產(chǎn)生搓動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生皺紋煙支甚至煙支歪斜；②在落料頭處設(shè)有一個(gè)弧形壓板，通過(guò)弧形壓板對(duì)落料頭中煙支施加了較大壓力，用于壓緊煙支避免煙支散亂，但該壓力也容易使煙支產(chǎn)生擠壓變形。

圖2 改進(jìn)前ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of ZF12B cigarette reservoir and transfer system before modification

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)和包裝機(jī)組的結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計(jì)了一種新型煙支水平輸送裝置，以替代ZF12B 從匯流口到包裝機(jī)組的連接部分。該裝置主要由水平輸送帶、中間皮帶、煙庫(kù)、導(dǎo)流塊、左右導(dǎo)流板、料位傳感器等部分組成，見(jiàn)圖3。在生產(chǎn)中，采用水平輸送帶1 將煙支從匯流口水平輸送到包裝機(jī)組下煙通道上方，水平輸送帶由電機(jī)2 驅(qū)動(dòng)。在包裝機(jī)組下煙通道上方設(shè)置了煙庫(kù)3 用于接收儲(chǔ)存煙支，并向下輸送煙支到包裝機(jī)組。煙庫(kù)中部有一條中間皮帶4 輔助將煙支從煙庫(kù)右邊輸送到左邊，中間皮帶由電機(jī)5 驅(qū)動(dòng)。煙庫(kù)中部設(shè)有導(dǎo)流塊6，兩邊設(shè)有左導(dǎo)流板7 和右導(dǎo)流板8，用于將煙支順利導(dǎo)入包裝機(jī)組下煙通道；左邊導(dǎo)流板上設(shè)有3 個(gè)料位傳感器9、10、11 用于檢測(cè)煙庫(kù)料位，分別對(duì)應(yīng)低位、正常、高位3 個(gè)料位高度。

圖3 煙支水平輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of horizontal conveying device of cigarettes

如圖4 所示，采用新型煙支水平輸送裝置后，取消了煙支提升過(guò)程，避免了煙支在此過(guò)程中產(chǎn)出下墜、搓動(dòng)和擠壓現(xiàn)象。此外，改進(jìn)后在包裝機(jī)組上方增設(shè)了一個(gè)開(kāi)放式煙庫(kù)，用于消除落料頭中弧形壓板對(duì)煙支產(chǎn)生的壓力。當(dāng)煙庫(kù)料位為空時(shí)，包裝機(jī)組不允許啟動(dòng)，水平輸送帶以設(shè)定速度向煙庫(kù)中填充煙支，直至煙庫(kù)達(dá)到正常料位。此時(shí)包裝機(jī)組啟動(dòng)，水平輸送帶的輸入流量與包裝機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)速度相匹配，并可根據(jù)煙庫(kù)料位對(duì)輸入流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸入煙庫(kù)中的煙支一部分下落到煙庫(kù)右邊，另一部分通過(guò)中間皮帶輸送至煙庫(kù)左邊，通過(guò)中間皮帶控制流量分配，使煙庫(kù)中煙支流的上平面保持平整。

圖4 改進(jìn)后ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of ZF12B cigarette reservoir and transfer system after modification

2.2 料位監(jiān)測(cè)

通過(guò)設(shè)置在左導(dǎo)流板上的3 個(gè)料位傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)煙庫(kù)料位。由圖3 可見(jiàn)，低位傳感器露出時(shí)表示煙庫(kù)空閑，此時(shí)包裝機(jī)組不允許啟動(dòng)；高位傳感器被遮擋時(shí)表示煙庫(kù)充滿，此時(shí)輸送帶停止輸送；中間傳感器作為煙庫(kù)理想料位用于控制煙支輸入流量，被遮擋時(shí)減少輸入量，露出時(shí)增加輸入量。圖5 中，料位高度H 表示中間皮帶上煙支流的厚度，3 個(gè)料位傳感器的安裝位置分別對(duì)應(yīng)的料位高度H 為25、85 和110 mm。生產(chǎn)中通過(guò)分析3 個(gè)料位傳感器狀態(tài)以及計(jì)算流量速度積分，可以確定實(shí)際料位高度。

圖5 煙庫(kù)料位示意圖Fig.5 Schematic diagram of cigarette flow level in cigarette hopper

2.3 流量分配

如圖6 所示，輸入煙庫(kù)中的煙支流量分為兩部分，一部分用于包裝機(jī)組生產(chǎn)消耗，從煙庫(kù)兩邊直接導(dǎo)入包裝機(jī)組，消耗流量由包裝機(jī)組生產(chǎn)速度確定，左右兩邊按比例1∶1 分配；另一部分用于煙庫(kù)存儲(chǔ)，由水平輸送帶輸入流量與包裝機(jī)組消耗流量的差值確定，這部分流量以中間皮帶最右端為分界線進(jìn)行劃分，左右兩邊寬度比例約為7∶3，即流量分配比例為7∶3。因此，中間皮帶輸送流量L 與水平輸送帶輸入流量Lin滿足以下關(guān)系：

圖6 煙支流量分配示意圖Fig.6 Schematic diagram of distribution of cigarette flow

式中：Lp為包裝機(jī)組生產(chǎn)速度，支/min；L 為中間皮帶輸送流量，支/min；Lin為水平輸送帶輸入流量，支/min。

生產(chǎn)中通常會(huì)根據(jù)煙庫(kù)料位和包裝機(jī)組生產(chǎn)速度設(shè)置輸入流量基本值′，即輸入流量的最小需求量。包裝機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)若煙庫(kù)未達(dá)到中間傳感器對(duì)應(yīng)的正常料位，則設(shè)定為3 000支/min。取料位調(diào)節(jié)系數(shù)為1.85，在不同煙庫(kù)料位和包裝機(jī)組生產(chǎn)速度下設(shè)定：

式中：H 為煙庫(kù)料位高度，mm；Lp為包裝機(jī)組生產(chǎn)速度，支/min。

2.4 運(yùn)動(dòng)分析

由于煙支流由獨(dú)立的煙支組成，其物理性質(zhì)介于固體與液體之間，具有流動(dòng)性，且能承受較大的壓力和剪力，因此可以通過(guò)定性分析列出其運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式，再采用實(shí)驗(yàn)方法確定參數(shù)。通常情況下，煙庫(kù)中煙支越多煙支承受的壓力越大，而包裝機(jī)組生產(chǎn)時(shí)煙支向下流動(dòng)，流動(dòng)速度越快煙支壓力越小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，相同受力條件下，中間皮帶速度越快，煙支水平位移越大；在相同中間皮帶速度下，煙支壓力越大，水平位移越小。設(shè)置不同的中間皮帶速度V01、V02、V03，使其滿足V01＞V02＞V03，觀察煙庫(kù)中煙支流形態(tài)，見(jiàn)圖7。根據(jù)圖7，可以認(rèn)為中間皮帶存在最小初速度V0min，當(dāng)中間皮帶速度接近最小初速度V0min時(shí)煙支流上平面基本平整；隨著中間皮帶速度增大，超過(guò)最小初速度V0min時(shí)，煙支流上平面的平整度變化較小；隨著中間皮帶速度減小，小于最小初速度V0min時(shí)，煙支流上平面的平整度變化較大?？梢?jiàn)，最小初速度V0min主要取決于煙支流內(nèi)部壓力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取中間皮帶速度為300 mm/min，料位調(diào)節(jié)系數(shù)為0.017，包裝機(jī)組速度調(diào)節(jié)系數(shù)為0.012，利用煙庫(kù)料位高度H 和包裝機(jī)組速度Lp可確定V0min：

圖7 不同中間皮帶速度下煙支流形態(tài)示意圖Fig.7 Schematic diagram of cigarette flow forms at different initial velocities

式中：H 為煙庫(kù)料位高度，mm；Lp為包裝機(jī)組生產(chǎn)速度，支/min。

2.5 電機(jī)控制算法

生產(chǎn)中通常根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景控制水平輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速V1和中間皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速V2。在包裝機(jī)組停止且煙庫(kù)料位高于中間料位傳感器或高料位傳感器時(shí)不輸送煙支，此時(shí)V1=V2=0。在系統(tǒng)需要輸送煙支時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足流量最低和速度最低要求。由式（4）可得到中間皮帶最小初速度V0min，故對(duì)應(yīng)的中間皮帶輸送流量最小值Lmin為：

根據(jù)式（2）可得到中間皮帶最小初速度V0min對(duì)應(yīng)的水平輸送帶輸入流量Lin1：

取Lin1和′兩者中的最大值作為最終輸入流量設(shè)定值L1：

由于水平輸送帶上的煙支厚度固定為80 mm，故控制程序中設(shè)定水平輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速V1：

根據(jù)式（1）可得到最終中間皮帶輸送流量設(shè)定值L2：

故控制程序中設(shè)定中間皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速V2：

式中：Lmin為中間皮帶輸送流量最小值，支/min；V0min為中間皮帶最小初速度，mm/min；H 為煙庫(kù)料位高度，mm；Lin1為最小初速度下水平輸送帶輸入流量，支/min；Lp為包裝機(jī)組生產(chǎn)速度，支/min；Lin′為輸入流量基本值，支/min；L1為最終輸入流量設(shè)定值，支/min；L2為最終中間皮帶輸送流量設(shè)定值，支/min；V1為水平輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；V2為中間皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“黃鶴樓（硬藍(lán)）”牌中支煙，長(zhǎng)度90 mm；“黃鶴樓（天下名樓）”牌細(xì)支煙，長(zhǎng)度84 mm（均由湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽(yáng)卷煙廠生產(chǎn)）。

設(shè)備：ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)2 組（許昌煙草機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司）；ZB45 型包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司）。

方法：兩組ZF12B 分別對(duì)應(yīng)生產(chǎn)90 mm 長(zhǎng)中支煙和84 mm 長(zhǎng)細(xì)支煙，對(duì)改進(jìn)前后設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。每天測(cè)試1 個(gè)班次，連續(xù)測(cè)試3 d，記錄煙支歪斜次數(shù)和包裝機(jī)組因煙庫(kù)故障停機(jī)次數(shù)，并每隔1 h 在煙庫(kù)中取樣1 000 支煙進(jìn)行抽檢，統(tǒng)計(jì)皺紋煙支數(shù)量，測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，ZF12B 改進(jìn)后中支煙機(jī)組的煙支歪斜次數(shù)和皺紋煙支數(shù)量每班次分別減少12 次和16 支，降幅分別為86%和84%；包裝機(jī)組因煙庫(kù)故障停機(jī)次數(shù)減少11 次/班次，降幅為58%。細(xì)支煙機(jī)組的煙支歪斜次數(shù)和皺紋煙支數(shù)量每班次分別減少14 次和22 支，降幅分別為88%和85%，包裝機(jī)組停機(jī)次數(shù)減少14 次/班次，降幅為61%?？梢?jiàn)，ZF12B 改進(jìn)后有效改善了卷煙產(chǎn)品品質(zhì)，提高了設(shè)備運(yùn)行效率。

表1 ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)改進(jìn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of ZF12B cigarette reservoir and transfer system before and after modification

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型煙支水平輸送裝置，利用水平輸送方式替換了ZF12B 煙支儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角提升方式，并在包裝機(jī)組上方增設(shè)一個(gè)開(kāi)放式煙庫(kù)取代原落料頭結(jié)構(gòu)，用于減少煙支流內(nèi)部壓力，進(jìn)而有效解決了生產(chǎn)中產(chǎn)生皺紋煙支、煙支歪斜等問(wèn)題。以襄陽(yáng)卷煙廠使用的兩組ZF12B 設(shè)備為對(duì)象，對(duì)90 mm 長(zhǎng)中支煙和84 mm 長(zhǎng)細(xì)支煙分別進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后煙支歪斜次數(shù)和皺紋煙支數(shù)量的平均降幅分別達(dá)到86.7%和84.5%，包裝機(jī)組故障停機(jī)次數(shù)的平均降幅達(dá)到59.5%，有效提高了ZF12B 設(shè)備的運(yùn)行效率和生產(chǎn)質(zhì)量。