劉 江，劉長龍，史建新，潘廣樂，薛 磊*

1. 陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，西安市高新區(qū)灃惠南路38 號 710065

2. 陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司延安卷煙廠，陜西省延安市姚店經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū) 716000

3. 陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西省寶雞市高新大道100 號 721013

YP11 型裝封箱機(jī)是引進(jìn)德國FOCKE 公司465/329B 型裝封箱機(jī)技術(shù)研究設(shè)計(jì)的卷煙自動(dòng)裝封箱設(shè)備，主要完成卷煙包裝生產(chǎn)的最后一道工序，即條煙裝箱工作［1］。在條煙裝箱過程中，由于推送慣性、缺條檢測精度不高、煙箱封口膠帶錯(cuò)位等原因，容易出現(xiàn)條煙錯(cuò)位、條煙擠壓、缺條、煙箱粘貼不牢等現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率［2-3］。目前對于改善YP11 型裝封箱機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率已有較多研究。陳培生等［4］通過改進(jìn)煙箱輸送帶安裝位置并加裝吹風(fēng)檢測裝置，解決了煙箱封口膠帶粘貼不牢等問題。鄧春寧［5］通過增加條形碼掃描裝置和工控機(jī)，設(shè)計(jì)了煙箱缺條檢測裝置故障自診斷系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)缺條檢測裝置和剔除機(jī)構(gòu)故障。伍廣浩［6］通過改進(jìn)上下吸壁、加寬推手位置等措施，提高了YP11 型裝封箱機(jī)對回收煙箱的適應(yīng)能力。此外，機(jī)器視覺［7］、稱重檢測［8］、γ射線檢測［9］等方法應(yīng)用于煙箱缺條檢測也有較多報(bào)道。王偉等［10］根據(jù)煙箱內(nèi)部前后位圖像建立了一種基于相似性分析和閾值自校正的煙箱缺條檢測方法，較好地解決了裝箱過程中煙箱缺條等問題。但對于由于條煙滑動(dòng)錯(cuò)位而引起的設(shè)備停機(jī)率高等問題則鮮見報(bào)道。為此，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)原理研制了一種柔性壓縮箱體輔助裝置，通過施加柔性外力減小條煙慣性滑動(dòng)量，避免條煙在推垛過程中因錯(cuò)位而產(chǎn)生擠壓變形，以期提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

1 問題分析

由圖1 可見，在生產(chǎn)過程中條煙通過輸入皮帶進(jìn)入裝封箱機(jī)，每次輸送5 條煙，由提升器將5 條煙提升至堆垛位置，后續(xù)條煙繼續(xù)輸入直至形成5×5 的條煙堆垛，再由推板將堆垛推入煙箱。裝封箱機(jī)重復(fù)上述操作，經(jīng)過兩次堆垛和推垛過程后完成一件煙的裝箱工序。在裝箱過程中，由于煙箱上壁與堆垛條煙之間存在一定間隙，推入煙箱內(nèi)的第1 組5×5 條煙因推送慣性容易產(chǎn)生滑動(dòng)，引起條煙錯(cuò)位，尤其是最上層條煙錯(cuò)位明顯；當(dāng)推板將第2 組條煙推入煙箱內(nèi)時(shí)，因滑動(dòng)錯(cuò)位的條煙會受到擠壓而產(chǎn)生變形。

圖1 條煙裝箱過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of cigarette case filling process

在條煙推垛過程中，煙箱上壁與最上層條煙不接觸，每層條煙受到的作用力和摩擦力均不相同，條煙到達(dá)煙箱預(yù)定位置時(shí)的滑動(dòng)距離也不相同。設(shè)定5×5 條煙堆垛由上至下分別為第1 層至第5 層，每條煙的質(zhì)量為m，條煙間摩擦系數(shù)為μ，每層條煙視為一個(gè)整體，則第1 層至第5 層條煙下表面受到的摩擦力分別為5μmg、10μmg、15μmg、20μmg、25μmg（g 為重力加速度）。可見，第1 層條煙受到的摩擦力最小，所以容易產(chǎn)生滑動(dòng)。在將第1 組條煙推入煙箱后，用直尺測量每層條煙到達(dá)的推送位置，統(tǒng)計(jì)因慣性產(chǎn)生的瞬間滑動(dòng)量，結(jié)果見圖2?？梢姡? 組的第1 層和第2 層條煙因慣性產(chǎn)生的瞬間滑動(dòng)量，均大于第3 層、第4層和第5 層條煙的平均滑動(dòng)量（3.2 mm），因此產(chǎn)生錯(cuò)位進(jìn)而在第2 組條煙推入時(shí)出現(xiàn)條煙擠壓現(xiàn)象。

圖2 第1 組各層條煙的慣性滑動(dòng)量Fig.2 Inertial sliding distance of cigarette carton at each layer in the first group

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

柔性壓縮箱體輔助裝置主要由橫向調(diào)整件、縱向調(diào)整件、執(zhí)行氣缸、柔性壓縮體等部件組成，見圖3。輔助裝置固定在自動(dòng)封箱機(jī)上，位于煙箱上方；橫向調(diào)整件一端固定在自動(dòng)封箱機(jī)上，另一端與縱向調(diào)整件連接，橫向調(diào)整件與縱向調(diào)整件均可伸縮；氣缸固定于縱向調(diào)整件下方，柔性壓縮體安裝在氣缸下方，與氣缸相連，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下柔性壓縮體可伸縮。為保證輔助裝置的使用壽命，所有部件均采用絕緣性好、抗電磁、耐高溫材料。

圖3 柔性壓縮箱體輔助裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of flexible case compressing device

改進(jìn)后裝封箱機(jī)接收條煙并輸送至堆垛裝置，通過帶有負(fù)壓的紙箱矯正器將煙箱矯正成型，并由擴(kuò)口裝置對箱體進(jìn)行支撐，同時(shí)柔性壓縮體由氣缸驅(qū)動(dòng)對煙箱上壁施加柔性作用力，推板將條煙堆垛推入煙箱。煙箱上壁受到作用力后內(nèi)部空間減小，進(jìn)而減小了煙箱上壁與條煙之間的空隙，避免條煙產(chǎn)生慣性滑動(dòng)而導(dǎo)致條煙錯(cuò)位。

2.2 柔性壓縮體材料和尺寸

分別選用海綿塊、豬鬃刷、橡膠輪作為柔性壓縮體材料進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)豬鬃刷硬度適中，在裝箱過程不會對煙箱和條煙造成壓痕。為確定豬鬃刷尺寸，以延安卷煙廠生產(chǎn)的“延安（軟）”牌卷煙為對象進(jìn)行測試，煙箱長度548 mm，條煙寬度88 mm，設(shè)豬鬃刷長度為兩條煙的寬度（176 mm）,寬度為548/2-50=224 mm（紙箱矯正器的上吸杯直徑為50 mm），依次以1/2 幅度縮減寬度值，觀察柔性壓縮體的運(yùn)行情況，結(jié)果見表1?？梢姡i鬃刷寬度過大會影響上吸杯的吸附效果；豬鬃刷寬度過小會使煙箱表面產(chǎn)生壓痕。因此，豬鬃刷長度176 mm、寬度28 mm 時(shí)性能最優(yōu)。

2.3 柔性壓縮體作用點(diǎn)及下沉距離

由圖4 可見，裝箱過程中煙箱上壁受到2 排共6 個(gè)上吸杯的作用力（F1=F2=F3=F4=F5=F6），使煙箱矯正成型。為保證上吸杯正常工作且柔性壓縮體施加的作用力F壓使煙箱產(chǎn)生一定形變，根據(jù)第1組條煙推入煙箱的位置，確定柔性壓縮體的作用點(diǎn)為煙箱上壁的中心位置。

表1 不同豬鬃刷寬度測試結(jié)果Tab.1 Test results of hog brush with different widths

圖4 煙箱上壁受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of force exerted on cigarette case’s upper wall

在柔性壓縮箱體輔助裝置的作用下，煙箱上壁受到作用力F壓會產(chǎn)生下沉。以“延安（軟）”牌卷煙為對象，分別設(shè)定下沉距離為6、7、8、9、10 mm 進(jìn)行測試，結(jié)果見表2?？梢?，下沉距離較?。? mm）時(shí)，煙箱上壁與條煙未接觸，輔助裝置作用失效；下沉距離較大（8、9、10 mm）時(shí)，煙箱與條煙均有不同程度的壓痕；下沉距離為7 mm 時(shí)，測試效果最佳。由此可確定柔性壓縮輔助裝置氣缸行程為50 mm，豬鬃刷與煙箱上壁距離為43 mm。

表2 煙箱上壁下沉距離測試結(jié)果Tab.2 Test results of moving downward distance of cigarette case’s upper wall

2.4 受力分析

在第1 組條煙推垛過程中，對煙箱上壁施加的作用力F壓會增加條煙受到的總摩擦力，減少條煙的慣性滑動(dòng)量。為此，以推垛過程中的第1 層條煙為對象進(jìn)行受力分析。由圖5可見，煙箱上壁對第1層條煙施加作用力F'壓，其中F'壓=F壓，煙箱上壁與條煙之間存在摩擦力f1；第2 層條煙對第1 層條煙存在支撐力F支，F(xiàn)支等于第1層條煙總重力5mg與F'壓之和；第1層條煙與第2層條煙之間存在摩擦力f2。

圖5 第1 層條煙推垛過程中受力分析圖Fig.5 Schematic diagram of mechanical analysis of cigarette cartons at the first layer during sliding process

2.4.1 摩擦系數(shù)

第1 層條煙與第2 層條煙之間的摩擦系數(shù)即為條煙透明包裝紙之間的摩擦系數(shù)，查閱資料可知該摩擦系數(shù)μ1=0.28；第1 層條煙與煙箱上壁之間的摩擦系數(shù)μ2可由試驗(yàn)測得。由圖6 可見，條煙在傾斜的煙箱上從A 點(diǎn)靜止開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)到B 點(diǎn)，加速度a 的計(jì)算公式［11-12］為：

式（1）和式（2）合并計(jì)算可得到摩擦系數(shù)μ2為：

式（1）～式（3）中：L 為煙箱斜面長度，m；a 為滑塊加速度，m/s2；t 為滑塊由A 點(diǎn)到B 點(diǎn)的滑動(dòng)時(shí)間，s；g 為重力加速度，m/s2；θ為煙箱斜面與水平面夾角，（°）；μ2為條煙與煙箱之間摩擦系數(shù)；h 為A點(diǎn)距離地面的垂直高度，m；d 為A 點(diǎn)與B 點(diǎn)的水平距離，m。

圖6 條煙在煙箱斜面上受力分析圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical analysis of cigarette cartons in inclined case

取10 條“延安（軟）”牌卷煙在煙箱斜面上進(jìn)行測試，并根據(jù)式（3）計(jì)算摩擦系數(shù)μ2，結(jié)果見表3?？梢?，條煙與煙箱間的摩擦系數(shù)為0.35。

表3 摩擦系數(shù)μ2測試結(jié)果Tab.3 Test results of friction coefficient μ2

2.4.2 施加壓力計(jì)算

推垛裝置將條煙推入煙箱時(shí)，條煙獲得動(dòng)能E動(dòng)，條煙進(jìn)入煙箱后動(dòng)能轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)摩擦力做功E摩。改進(jìn)前第1 層5 條煙的摩擦力做功E1摩的計(jì)算公式為：

改進(jìn)后第1 層5 條煙的摩擦力做功E2摩的計(jì)算公式為：

式（4）和式（5）中：E1摩為改進(jìn)前第1 層5 條煙的摩擦力做功，J；E2摩為改進(jìn)后第1 層5 條煙的摩擦力做功，J；μ1為第1 層與第2 層條煙之間的摩擦系數(shù)；μ2為第1 層條煙與煙箱上壁的摩擦系數(shù)；m為條煙質(zhì)量，kg；g 為重力加速度，m/s2；s1為改進(jìn)前第1 層條煙的慣性滑動(dòng)量，mm；s2為改進(jìn)后第1 層條煙的慣性滑動(dòng)量，mm；F'壓為煙箱上壁對第1 層條煙施加的作用力，N。

將改進(jìn)前后條煙推入煙箱時(shí)獲得的動(dòng)能E動(dòng)設(shè)為 定 值，故E1摩=E2摩。已知μ1=0.28，μ2=0.35，m=0.23 kg，g=9.8 m/s2，s1=41.6 mm，s2=3.2 mm，代入式（4）和式（5）中計(jì)算可得F壓=F'壓=60.1 N，即柔性壓縮體施加的作用力不小于60.1 N，可保證第1 組條煙推垛到位后第1 層條煙的慣性滑動(dòng)量小于3.2 mm，進(jìn)而避免條煙發(fā)生滑動(dòng)錯(cuò)位，導(dǎo)致條煙擠壓變形。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“延安（軟）”牌卷煙（由陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司延安卷煙廠提供）；循環(huán)利用煙箱長548 mm，寬448 mm，高235 mm（由陜西卷煙材料公司提供）。

設(shè)備：YP11 型裝封箱機(jī)4 臺，分別編號1#～4#［頤中煙草（青島）實(shí)業(yè)有限公司機(jī)械廠］。

方法：將柔性壓縮箱體輔助裝置安裝在YP11型裝封箱機(jī)上，記錄改進(jìn)前后在條煙推送過程中因條煙錯(cuò)位、擠壓變形引起的停機(jī)次數(shù)，測試周期6 個(gè)月。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表4 可見，安裝柔性壓縮箱體輔助裝置后，單臺裝封箱機(jī)因條煙錯(cuò)位、擠壓變形引起的停機(jī)次數(shù)由改進(jìn)前的29 次/月減少為0，有效提高了卷煙產(chǎn)品外觀質(zhì)量和設(shè)備生產(chǎn)效率。

表4 改進(jìn)前后封裝箱機(jī)停機(jī)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Numbers of times of cigarette case filling and sealing machine strop before and after improvement（次）

4 結(jié)論

基于YP11 型裝封箱機(jī)設(shè)計(jì)了一種柔性壓縮箱體輔助裝置，通過壓縮煙箱上壁內(nèi)部空間，增大了條煙與煙箱上壁之間的摩擦力，有效減小了條煙在推垛過程中的慣性滑動(dòng)量。經(jīng)試驗(yàn)，柔性壓縮體選用豬鬃刷材料，豬鬃刷尺寸為176 mm×28 mm較適宜；柔性壓縮體作用點(diǎn)位于煙箱上壁中心位置，煙箱上壁下沉距離為7 mm 時(shí)，該輔助裝置作用效果最佳；當(dāng)柔性壓縮體施加的作用力大于60.1 N 時(shí)，第1 層條煙的慣性滑動(dòng)量小于3.2 mm，條煙不會出現(xiàn)錯(cuò)位和擠壓現(xiàn)象。以延安卷煙廠生產(chǎn)的“延安（軟）”牌卷煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：加裝柔性壓縮箱體輔助裝置后，每臺裝封箱機(jī)在裝箱過程中因條煙錯(cuò)位和擠壓引起的停機(jī)次數(shù)減少29 次/月，有效改善了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。