劉仁瑞，戴團(tuán)結(jié)，馬存國(guó)，劉長(zhǎng)勝，李 濤，練孔輝，張可洲*

1.廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄新陽(yáng)工業(yè)區(qū)新陽(yáng)路1 號(hào) 361026

2.常德瑞華制造有限公司，湖南省常德市工業(yè)新區(qū)2 號(hào)路518 號(hào) 415000

FY117型廢煙支處理機(jī)是將雜亂的廢煙支進(jìn)行分選、整理、排序、調(diào)頭匯流和搓揉后，基于氣吹式原理從煙支濾嘴端噴射高壓氣流，將煙絲從煙支段中分離出來。其中，排序工序是利用排序裝置將煙庫(kù)中不同朝向的煙支呈單支狀態(tài)分離后送入調(diào)頭匯流工序，但在煙支分離過程中容易出現(xiàn)下煙機(jī)構(gòu)被折斷的廢煙支堵塞、各運(yùn)動(dòng)件動(dòng)作不平穩(wěn)等問題。近年來，針對(duì)廢煙處理設(shè)備已有較多改進(jìn)研究。王俊等［1］基于ZJ116 型卷接機(jī)組設(shè)計(jì)了一種新型廢煙支提升輸送裝置，解決了輸送帶易磨損、維護(hù)保養(yǎng)周期短等問題；湯治國(guó)［2］對(duì)FY36型廢煙支處理機(jī)工作腔落料口處的導(dǎo)流風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)，解決了廢煙支在進(jìn)料口處被反復(fù)擊打、剪斷和遺漏拍打等問題；朱建新［3］通過在FY115型廢煙支處理機(jī)中增加手動(dòng)切刀刃口磨削裝置、安裝永磁磁板并更換切刀隔套材料，提高了廢煙支的整絲率；陳浩等［4］針對(duì)ZJ118型卷接機(jī)組的廢煙提升裝置設(shè)計(jì)了鏈輪裝配工裝，提高了鏈輪裝配質(zhì)量；普學(xué)文［5］通過對(duì)FY113 型廢煙支處理機(jī)切刀、隔輪與軸的裝配固定方式和切刀軸聯(lián)接方式進(jìn)行改進(jìn)，提高了煙絲回收利用率；張冬芹等［6］對(duì)FY37型廢煙支處理機(jī)的陡角帶輸送頻率、蒸汽流量、分離機(jī)頻率、增濕機(jī)頻率和高頻振篩網(wǎng)孔徑等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了廢煙支的出絲率；葉松濤［7］針對(duì)FY36 型廢煙支處理機(jī)設(shè)計(jì)了一種柔性螺旋物料分離系統(tǒng)，降低煙絲造碎率的同時(shí)提高了煙絲回收率和純凈率；何海鵬［8］采取模塊化、結(jié)構(gòu)化編程方式對(duì)FY113 型廢煙支處理機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了控制程序的功能獨(dú)立性和接口通用性。但對(duì)于FY117型廢煙支處理機(jī)排序裝置的改進(jìn)研究則鮮見報(bào)道。為此，通過分析FY117型廢煙支處理機(jī)排序裝置中煙支堵塞下煙機(jī)構(gòu)和各運(yùn)動(dòng)件發(fā)生干涉的原因，對(duì)下煙機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期減少設(shè)備停機(jī)故障次數(shù)，提高廢煙支處理效率。

1 問題分析

如圖1所示，廢煙支排序裝置由煙庫(kù)（1）、下煙機(jī)構(gòu)（2）、雙面齒形帶輸送機(jī)構(gòu)（3）、煙支存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)（4）、煙支識(shí)別機(jī)構(gòu)（5）、煙支排序機(jī)構(gòu)（6）、煙支定位機(jī)構(gòu)（7）和煙支轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)（8）等部分組成。其中，下煙機(jī)構(gòu)設(shè)置在煙庫(kù)下方，由撥煙桿組件（9）、推煙桿組件（10）、下煙槽組件（11）等部分組成。廢煙處理機(jī)啟動(dòng)后，不同朝向的廢煙支被收集在煙庫(kù)中并在撥煙桿的擾動(dòng)作用下落入下煙槽，下煙槽底部的廢煙支被推煙桿推出后落入雙面齒形帶（12）（以下簡(jiǎn)稱齒形帶）的凹槽中，使煙支呈單支分離狀態(tài)。由于下煙槽中的廢煙支朝向不同，推煙桿從煙支濾嘴端推出廢煙支時(shí)過程順利，煙支雜亂概率較低；而從燃燒端推出廢煙支時(shí)，煙支容易折斷并卡在下煙槽中，進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行效率。此外，推煙桿和齒形帶等運(yùn)動(dòng)件之間的配合采用氣缸驅(qū)動(dòng)，排序裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，受氣源波動(dòng)、密封件老化等因素影響，氣動(dòng)執(zhí)行件容易出現(xiàn)輸出力不足、動(dòng)作不平穩(wěn)等問題，導(dǎo)致煙支落入下煙槽、煙支從下煙槽間歇移出和輸送皮帶間歇?jiǎng)幼?，三者之間因不同步而產(chǎn)生干涉，從而造成故障停機(jī)。

圖1 廢煙支排序裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of collation device

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為避免因煙支朝向不同而造成下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞，以煙支柱面為受力區(qū)域，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于不同朝向煙支的開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)，見圖2。開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)可上下移動(dòng)且下煙槽（2）底部安裝有開關(guān)板（6），為配合改進(jìn)后下煙機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及煙支釋放方式，將齒形帶（3）調(diào)整至下煙槽正下方。廢煙支釋放至齒形帶凹槽前，開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)（下煙槽底面距離齒形帶頂面1～2 mm）并打開開關(guān)板，避免煙支下落時(shí)散亂；下煙槽中最底層煙支下落至齒形帶凹槽后，開關(guān)板關(guān)閉同時(shí)下煙機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，避免下煙機(jī)構(gòu)干擾凹槽中煙支隨齒形帶向前運(yùn)動(dòng)；下煙機(jī)構(gòu)上升至最高點(diǎn)后停止，等待齒形帶凹槽中煙支被輸送至下一工序，同時(shí)空凹槽運(yùn)動(dòng)至下煙機(jī)構(gòu)下方，開始新一批次煙支單獨(dú)釋放過程。下煙過程中，齒形帶的間歇運(yùn)動(dòng)、下煙機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)以及開關(guān)板的開合運(yùn)動(dòng)需要相互配合才能避免發(fā)生干涉行為。為此，采用凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替氣缸驅(qū)動(dòng)控制下煙機(jī)構(gòu)、開關(guān)板；采用平行凸輪分割器驅(qū)動(dòng)齒形帶做間歇運(yùn)動(dòng)，各運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方式及時(shí)序控制見圖3。

圖2 開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of flapper-type cigarette hopper

圖3 下煙機(jī)構(gòu)、開關(guān)板、齒形帶運(yùn)動(dòng)方式及時(shí)序控制圖Fig.3 Movement modes and sequential control of cigarette hopper,flapper and tooth timing belt

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動(dòng)齒形帶、下煙機(jī)構(gòu)以及開關(guān)板運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、左右凸輪及其從動(dòng)件、上下凸輪及其從動(dòng)件、平行凸輪分割器等部分組成，見圖4。上下凸輪（5）和左右凸輪（4）通過傳動(dòng)軸（3）串聯(lián)，由電機(jī)（1）通過同步帶（10）和傳動(dòng)軸組成的連接機(jī)構(gòu)完成不間斷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；隨著上下凸輪和左右凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)一周，下煙機(jī)構(gòu)在上下凸輪從動(dòng)件（7）的帶動(dòng)下完成“降-停-回-?！敝芷谶\(yùn)動(dòng)，開關(guān)板（9）在左右凸輪從動(dòng)件（6）以及連桿（8）的帶動(dòng)下完成“閉-開”周期運(yùn)動(dòng)。齒形帶由電機(jī)驅(qū)動(dòng)平行凸輪分割器（2）完成“運(yùn)動(dòng)-停止”間歇運(yùn)動(dòng)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期與凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)間相同。如圖4b所示，凸輪組件采用槽凸輪結(jié)構(gòu)，從動(dòng)件上通過軸承安裝的滾子（11）置于凸輪凹槽中，依靠凹槽兩側(cè)的輪廓曲線與凸輪始終保持接觸。為延長(zhǎng)凸輪使用壽命，凸輪及從動(dòng)件滾子采用工具鋼20CrMnTi材質(zhì)，工件接觸表面采用滲碳淬火至洛氏硬度56～62 HRC，滲碳層深度為0.8～1.5 mm。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)及凸輪組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of drive system and cam component

2.2.2 凸輪凹槽輪廓曲線設(shè)計(jì)

根據(jù)下煙機(jī)構(gòu)和開關(guān)板的運(yùn)動(dòng)位置和時(shí)間要求，分析上下和左右兩組凸輪在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)（一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期時(shí)間為T）的運(yùn)動(dòng)行程，從而確定凸輪凹槽輪廓曲線［9-11］。①上下凸輪。如圖5a所示，在啟動(dòng)位置開始時(shí)，凸輪帶動(dòng)下煙機(jī)構(gòu)整體下降，下降持續(xù)時(shí)間為T/12（凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度30°），在最低點(diǎn)停留時(shí)間為T/3（120°）；然后凸輪帶動(dòng)下煙機(jī)構(gòu)整體上升，上升持續(xù)時(shí)間為T/12（30°），在最高點(diǎn)停留時(shí)間為T/2（180°）。②左右凸輪。如圖5b所示，在啟動(dòng)位置時(shí)，開關(guān)板保持關(guān)閉狀態(tài)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)T/18（20°）后帶動(dòng)開關(guān)板打開，打開動(dòng)作持續(xù)時(shí)間為T/12（30°），打開狀態(tài)保持時(shí)間為2T/9（80°）；然后凸輪帶動(dòng)開關(guān)板關(guān)閉，關(guān)閉動(dòng)作持續(xù)時(shí)間為T/12（30°），關(guān)閉狀態(tài)保持時(shí)間為5T/9（200°）。

圖5 凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度（φ）與從動(dòng)件位移（S）對(duì)應(yīng)圖Fig.5 Corresponding diagram between cam rotation angle and follower displacement

根據(jù)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用Solidworks軟件（法國(guó)達(dá)索公司）的凸輪生成工具建立凸輪模型，并根據(jù)凸輪運(yùn)動(dòng)行程設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)角度，利用軸孔鍵槽確定運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)位置，凸輪3D模型見圖6。凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有等速運(yùn)動(dòng)（直線運(yùn)動(dòng)）、等加速等減速運(yùn)動(dòng)（拋物線運(yùn)動(dòng)）、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（余弦加速度運(yùn)動(dòng)）、擺線運(yùn)動(dòng)（正弦加速度運(yùn)動(dòng)）、五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)等。為防止凸輪過度磨損而影響使用壽命，應(yīng)避免出現(xiàn)加速度突變和柔性沖擊等問題。因此，根據(jù)下煙機(jī)構(gòu)“降-停-回-?！钡倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律采用擺線運(yùn)動(dòng)方式，使凸輪及其從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。凸輪凹槽輪廓曲線見圖7。

圖6 凸輪3D模型圖Fig.6 Three dimensional models of cams

圖7 凸輪凹槽輪廓曲線Fig.7 Profile curves of grooves of cams

2.3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

利用Soldworks 軟件的Motion 模塊對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，輸出上下凸輪滾子質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)性能（位移、速度、加速度）曲線［12-14］，見圖8。可見，滾子質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線均較為平滑，對(duì)凸輪工作面的沖擊力較小，說明凸輪輪廓線符合設(shè)計(jì)要求。利用相同方法分析左右凸輪滾子質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)性能曲線，同樣驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的凸輪輪廓線符合要求。

圖8 上下凸輪滾子的運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線Fig.8 Motion parameter curves of upper and lower cam rollers

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（純境）”牌卷煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢煙支（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：FY117型廢煙支處理機(jī)（常德瑞華制造有限責(zé)任公司）。

方法：FY117型廢煙支處理機(jī)運(yùn)行速度為1 333支/min，運(yùn)行時(shí)間6 h/班次。排序裝置改進(jìn)前后，各統(tǒng)計(jì)6班次下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞次數(shù)和廢煙支處理量，根據(jù)公式（1）計(jì)算設(shè)備運(yùn)行效率，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，排序裝置改進(jìn)后FY117型廢煙支處理機(jī)下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞次數(shù)由10次/班次降低至0.5次/班次，設(shè)備運(yùn)行效率由75%上升至90%，有效提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

表1 排序裝置改進(jìn)前后FY117型廢煙支處理機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)①Tab.1 Operation data of FY117 waste cigarette processor before and after modification

4 結(jié)論

基于FY117型廢煙支處理機(jī)設(shè)計(jì)了一種開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)，解決了排序裝置中因煙支朝向不同而導(dǎo)致的下煙槽堵塞問題；為避免設(shè)備運(yùn)行過程中下煙機(jī)構(gòu)、開關(guān)板和齒形帶等發(fā)生干涉，采用凸輪傳動(dòng)方式代替氣缸傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)件按時(shí)序控制要求運(yùn)動(dòng)。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境）”牌卷煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：排序裝置改進(jìn)后下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞次數(shù)由10 次/班次降低至0.5 次/班次，設(shè)備運(yùn)行效率由75%提高至90%，有效提高了廢煙支處理機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。