張成鵬 李 峰 張加義

(山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250104)

YB517盒外透明紙包裝機是目前煙草行業(yè)主流的高速小盒透明紙包裝設(shè)備，運行速度達到550 包/min，其主要作用是在小盒煙包外面包裹一層透明紙，達到密封、防潮、美化外觀、延長卷煙保質(zhì)期和提高產(chǎn)品附加值的目的[1]。隨著社會的不斷發(fā)展，消費者對卷煙產(chǎn)品的外觀包裝質(zhì)量要求越來越高，精美的外觀往往能夠吸引消費者的注意[2]。而在實際生產(chǎn)中，YB517盒外透明紙包裝機生產(chǎn)的小盒煙包易出現(xiàn)煙包側(cè)封面透明紙皺褶、不平整的問題，主要是因為設(shè)備高速運行時，包裝成形輪在第二、三工位間歇停頓時間短，造成煙包側(cè)封烙鐵壓實加熱不充分[3-5]。

中國卷煙企業(yè)針對盒外透明紙側(cè)封面透明紙折皺、不平整問題已有相關(guān)研究，曾學(xué)淑等[6]采用減少弧形瓦板第二工位槽口寬度和增加烙鐵凹槽的方法；周紅光等[7]通過改進烙鐵工作表面的弧度、烙鐵體采用復(fù)合材料、烙鐵架子的材料優(yōu)化和烙鐵體調(diào)整機構(gòu)的改造，提高了GDX2小盒透明紙側(cè)邊熱封質(zhì)量；周奎田[4]通過改進烙鐵尺寸和圓弧板槽口寬度，增加靜電消除器，改善了FOCKE401透明紙包裝機側(cè)面松皺、起泡的問題。但這些改進僅僅針對400 包/min的中速包裝設(shè)備有一定的改善效果，但對于超過550 包/min的高速包裝設(shè)備收效甚微，而針對YB517盒外透明紙包裝機煙包側(cè)封整形技術(shù)的研究則鮮見報道。

研究擬設(shè)計一種適用于YB517盒外透明紙包裝機的煙包側(cè)封整形裝置，采用輸出轉(zhuǎn)盤接煙板驅(qū)動軸作為動力源，設(shè)計往復(fù)運動機構(gòu)、加熱器組件、煙包定位組件以及優(yōu)化推包座等部件，實現(xiàn)煙包側(cè)封的加熱整形，運用Solidworks軟件對整形裝置的位移、速度、加速度進行仿真分析；接入“YB517拉帶熱封器”的溫度檢測控制系統(tǒng)接口，在IPC控制面板上實現(xiàn)溫度參數(shù)的顯示和調(diào)節(jié)，并進行試驗驗證，以期減少煙包側(cè)封褶皺，提高消費者滿意度。

1 問題分析

1.1 工作原理

圖1為YB517盒外透明紙包裝機透明紙成型輪原理示意圖。當(dāng)硬盒煙包2帶著透明紙通過滾輪式折疊裝置1進入包裝成形輪的工位Ⅰ后，長邊折疊板3在拉簧的拉力作用下，將硬盒煙包側(cè)面下長邊透明紙向上折疊，折疊后包裝成形輪作順時針間歇轉(zhuǎn)動，硬盒煙包側(cè)面上長邊透明紙通過弧形折疊板4時被向下折疊。當(dāng)包裝成形輪旋轉(zhuǎn)至工位Ⅱ、工位Ⅲ時進行間歇停頓時，長邊熱封裝置對完成長邊折疊的硬盒煙包側(cè)面透明紙進行熱封，至此完成煙包側(cè)封動作[8-9]。

當(dāng)設(shè)備剛開始啟動時，設(shè)備運行速度小于165 r/min，長邊熱封裝置中的左加熱器向下壓，對包裝成型輪工位Ⅱ的硬盒煙包側(cè)面的透明紙長邊進行熱封，在此包裝速度下，硬盒煙包側(cè)面長邊僅一次熱封。當(dāng)設(shè)備進入正常高速工作時，設(shè)備運行速度大于400 r/min，此時，長邊熱封裝置中的左、右加熱器均開始工作，對硬盒煙包側(cè)面透明紙長邊進行二次熱封。

1.滾輪式折疊裝置 2.硬盒煙包 3.長邊折疊板 4.弧形折疊板圖1 煙包成型輪示意圖Figure 1 Schematic diagram of cigarette packet forming wheel

1.2 存在的問題

YB517盒外透明紙包裝機的包裝成形輪在工位Ⅱ、工位Ⅲ停頓時，長邊側(cè)封烙鐵動作，對煙包側(cè)面透明紙搭口進行壓實加熱，使搭口的兩層透明紙熱封在一起，由于YB517盒外透明紙包裝機生產(chǎn)速度為550包/min，成形輪在每個工位停頓的時間約為0.06 s，這個時間內(nèi)側(cè)封烙鐵可以起到將透明紙搭口熱封在一起的作用，但煙包側(cè)面透明紙搭口表面存在褶皺、不平整的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。工作中經(jīng)常采取增加烙鐵溫度值、調(diào)整烙鐵壓實位置的方法來減少煙包側(cè)封透明紙褶皺，但這些措施均未從根本上解決煙包側(cè)封褶皺、不平整的質(zhì)量問題，同時易引起其他質(zhì)量隱患，如烙鐵溫度參數(shù)值設(shè)定過高會造成透明紙燙化損壞，烙鐵壓實位置過低易在煙包側(cè)面產(chǎn)生壓痕等。

2 系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，改進后在YB517盒外透明紙包裝機輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅱ處設(shè)計了一種煙包側(cè)封整形裝置，主要由往復(fù)運動機構(gòu)3、煙包定位組件4和加熱器組件5組成。當(dāng)煙包在輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅱ停頓時，該裝置利用設(shè)備原有接煙板驅(qū)動軸2的往復(fù)擺動，驅(qū)動四桿機構(gòu)對煙包側(cè)面透明紙搭口表面進行壓實加熱整形，由于輸出轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是包裝成型輪的1/2，因此該整形裝置的加熱器比原設(shè)備的長邊熱封裝置與煙包貼合時間延長了1倍，能夠達到熱整形的目的。

2.1 往復(fù)運動機構(gòu)

如圖3所示，往復(fù)運動機構(gòu)包括驅(qū)動軸1、搖臂3、關(guān)節(jié)軸承4、傳動桿5、軸座6、連桿7等部件，其作用是實現(xiàn)側(cè)封整形裝置對煙包的往復(fù)壓實動作。其中動力源來自于YB517盒外透明紙包裝機輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅰ處接煙板2的驅(qū)動軸1，在設(shè)備運行時，驅(qū)動軸1作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動。搖臂3通過螺栓固定在驅(qū)動軸1上，在驅(qū)動軸1的帶動下，搖臂3可作往復(fù)擺動；搖臂3通過關(guān)節(jié)軸承4與傳動桿5連接，實現(xiàn)動力的傳遞。傳動桿5的另一端固定在軸座6的軸上，連桿7的一端也固定在軸座6的軸上，軸座6安裝在底板8上，底板8固定在設(shè)備煙包補償庫的底座上，通過軸座6中軸承與軸9的配合實現(xiàn)傳動桿5與連桿7的動力傳遞。因此，通過接煙板驅(qū)動軸1的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動最終實現(xiàn)連桿7的往復(fù)擺動。同時傳動桿5上還開有長孔槽，用于調(diào)整加熱器組件的擺動幅度和角度；連桿7上的長孔槽用于調(diào)整加熱器組件10相對于煙包側(cè)面的位置。

1.煙包 2.接煙板驅(qū)動軸 3.往復(fù)運動機構(gòu) 4.煙包定位組件 5.加熱器組件圖2 煙包側(cè)封整形裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of structure of cigarette packet side seal shaping device

1.驅(qū)動軸 2.接煙板 3.搖臂 4.關(guān)節(jié)軸承 5.傳動桿 6.軸座 7.連桿 8.補煙庫底板 9.軸 10.加熱器組件圖3 往復(fù)運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of structure of reciprocating mechanism

2.2 加熱器組件

如圖4所示，加熱器組件包括熱整形烙鐵板1、直彈性板3、支架4、定位套5、固定支架6等部件，其作用主要是對煙包側(cè)面透明紙進行加熱整形，從而起到“美容”的作用。烙鐵板1上開有槽孔，橫槽8用于防止雙層煙包熨燙在一起，豎槽9用于避免烙鐵板對小盒拉線頭進行加熱；兩側(cè)開有2個通孔10，用于安裝烙鐵芯，采用緊定螺釘通過螺孔11進行固定，4個雙頭螺柱2用于將烙鐵板1固定在直彈性板3上。支架4和定位套5用于安裝熱電偶。直彈性板3通過中間的2個螺栓7固定在固定支架6上。固定支架6固定在圖3中的連桿7上，從而通過連桿的往復(fù)擺動實現(xiàn)加熱器組件對煙包的往復(fù)壓實動作。

1.烙鐵板 2.雙頭螺柱 3.直彈性板 4.支架 5.定位套 6.固定支架 7.螺栓 8.橫槽 9.豎槽 10.通孔 11.螺孔圖4 加熱器組件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of structure of heater assembly structure

2.3 煙包定位組件

如圖5所示，煙包定位組件包括推包座1、第一擋板2、基準板3、第二擋板4、底板5等部件，其作用是使煙包在輸出轉(zhuǎn)盤中正確地定位，保證煙包順利隨輸出轉(zhuǎn)盤作逆時針間歇轉(zhuǎn)動，同時在整形加熱器對煙包進行加熱時能夠起到對煙包的定位作用，保證加熱器能夠壓實煙包側(cè)面。設(shè)備原推包座帶有?？颍芷鸬较尬粺煱淖饔?，而由于增加側(cè)封整形裝置后，原推包座的外形結(jié)構(gòu)影響加熱器組件的運動，因此將推包座模框的后擋板部分去除，改變其外形，以滿足烙鐵對煙包側(cè)封面加熱時往復(fù)擺動的要求。同時設(shè)計第一擋板2、第二擋板4，分別對輸出轉(zhuǎn)盤工位Ⅰ轉(zhuǎn)向工位Ⅱ以及工位Ⅲ、工位Ⅳ的煙包進行限位；第一擋板2、第二擋板4通過螺栓固定在圖3中的軸座6上?；鶞拾?、底板5在加熱器壓實煙包時，可以起到定位煙包的作用，提高加熱整形效果。

1.推包座 2.第一擋板 3.基準板 4.第二擋板 5.底板圖5 煙包定位組件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of structure of cigarette packet positioning component

2.4 仿真分析

2.4.1 建立數(shù)學(xué)模型 煙包側(cè)封整形裝置的往復(fù)運動機構(gòu)實際上為鉸鏈四桿機構(gòu)的一種形式，建立一個四桿機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，其運動結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。為保證機構(gòu)具有確定的相對運動，該機構(gòu)的自由度需滿足原動件的數(shù)目與自由度的數(shù)目相等[10]。自由度計算公式為：

圖6 往復(fù)運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Figure 6 Kinematic sketch of reciprocating mechanism

F=3n-2PL-Ph，

(1)

式中：

n——活動構(gòu)件數(shù)；

PL——低副數(shù)目；

Ph——高副數(shù)目。

經(jīng)計算得F=3×3-2×4-0=1，即該機構(gòu)的自由度為1，由于該機構(gòu)僅有一個原動件AB桿，因此滿足機構(gòu)具有確定相對運動的條件。

2.4.2 三維模型創(chuàng)建 使用Solidworks三維軟件對四桿機構(gòu)的各構(gòu)件進行建模[11]。利用軟件繪圖功能創(chuàng)建機架A和D，a桿、b桿、c桿的三維模型，按照裝配要求，對圓柱銷進行簡化，確定各構(gòu)件之間的位置關(guān)系，并將a桿、b桿、c桿的桿長分別設(shè)置為80，90，130 mm，完成往復(fù)運動四桿機構(gòu)的三維模型創(chuàng)建，如圖7所示。

圖7 四桿機構(gòu)模型Figure 7 Model of four-bar mechanism

2.4.3 運動仿真分析 利用Solidworks中Motion插件對建立的四桿機構(gòu)進行運動仿真，對機架A和D進行定位約束，在“運動算例”的“Motion Manager”中選擇“Motion分析”，定義桿a為主動件，選取從動件c桿為特征對象，添加a桿順時針旋轉(zhuǎn)馬達，在結(jié)果和圖解選項中選擇線性位移、線性速度和線性加速度進行仿真計算，可以獲得從動件c桿的線性位移、線性速度和線性加速度的曲線圖，如圖8所示。由圖8可知，線性速度、線性加速度曲線平緩，無明顯沖擊，仿真過程中并無干涉發(fā)生，運動軌跡滿足預(yù)期要求。

圖8 往復(fù)運動機構(gòu)仿真圖Figure 8 Simulation diagram of reciprocating mechanism

2.5 溫控系統(tǒng)

該整形裝置溫控系統(tǒng)選用兩個型號為“80×6.35 110V/200W/CAVO 1000 USCITA 90”的電熱器為加熱元件，采用“ASTME608(+GIALLO-NERO)LG2500”熱電偶作為測溫元件，接入YB517盒外透明紙包裝機“YB517拉帶熱封器”控制接口，實現(xiàn)整形裝置電熱器的加熱及溫度控制。溫度由IPC“加熱器編程”參數(shù)“CH拉帶電熱器恒溫器”設(shè)定，溫度設(shè)定范圍40～200 ℃。溫度控制波動范圍小并具有自診斷功能，完全滿足整形設(shè)計要求。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

3.1.1 材料

泰山(紅將軍)牌卷煙：山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟南卷煙廠；

透明紙：規(guī)格為120 mm×21 μm×2 500 mm，山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司將軍集團濟南包裝材料分公司。

3.1.2 設(shè)備

硬盒硬條包裝機組：ZB47型，由YB47型硬盒包裝機、YB517型盒外透明紙包裝機、YB617型硬條包裝機、YB917型條外透明紙包裝機4個單機組成，上海煙草機械有限責(zé)任公司。

3.1.3 方法 ZB47包裝機組按照550包/min的生產(chǎn)速度運行，連續(xù)生產(chǎn)運行3個班次(3班次/d)，取樣時間間隔為1 h，每個班次抽檢8次，每次取樣數(shù)量為50盒/臺，累計取樣1 200盒/臺。按照GB/T 5606.3—2005的要求對小盒包裝質(zhì)量進行檢驗，統(tǒng)計盒裝透明紙褶皺數(shù)量，并與改進前相同樣本量進行比較[12]。按式(2)計算盒裝透明紙折皺比例。

(2)

式中：

c——盒裝透明紙折皺比例，%；

m1——盒裝透明紙折皺數(shù)量，盒；

m2——抽檢總盒數(shù)，盒。

3.2 數(shù)據(jù)分析

改進后，對側(cè)封整形裝置的運行情況和盒裝透明紙折皺情況進行3個月的持續(xù)追蹤。試驗期間，該整形裝置運行穩(wěn)定，未與設(shè)備其他部位發(fā)生干涉，透明紙折皺比例明顯降低，未出現(xiàn)隨使用時間增加透明紙折皺比例增加的情況。設(shè)備高速、長時間運行均較為穩(wěn)定。安裝前后盒裝透明紙折皺比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

由表1可知，盒裝透明紙折皺比例由安裝前的11.58% 降低到2.50%，下降78.40%。通過安裝煙包側(cè)封整形裝置后，YB517盒外透明紙包裝機實現(xiàn)了小盒側(cè)封整形功能，透明紙搭口熨燙平整，無褶皺，小盒外觀質(zhì)量滿足工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性得到提升。

表1 安裝前后盒裝透明紙折皺比例數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics on the wrinkle ratio of boxed transparent paper before and after installation

4 結(jié)論

基于凸輪機構(gòu)往復(fù)式運動特征，在YB517盒外透明紙包裝機輸出轉(zhuǎn)盤處設(shè)計了一種煙包側(cè)封整形裝置，利用輸出轉(zhuǎn)盤的間歇運動和接煙板驅(qū)動軸的往復(fù)擺動，實現(xiàn)了煙包透明紙搭口的熱整形，解決了煙包側(cè)封褶皺、不平整的問題。以ZB47包裝機組生產(chǎn)的“泰山紅將軍”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：該側(cè)封整形裝置運行穩(wěn)定可靠，小盒外觀質(zhì)量滿足工藝要求，煙包側(cè)封平整、無褶皺，盒裝透明紙折皺比例下降78.40%，有效提高了包裝機組的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。