黃小平，嚴(yán)斌，馬存國，李志勇，黃云波*，鄭高峰，劉長勝

1.廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽路1號(hào) 361022 2.廈門大學(xué)儀器與電氣系，福建省廈門市思明區(qū)思明南路422號(hào) 361005

近年來隨著國內(nèi)細(xì)支卷煙市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在常規(guī)包裝機(jī)基礎(chǔ)上改造的YB45細(xì)支煙包裝機(jī)在卷煙生產(chǎn)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。由于細(xì)支煙煙支直徑小、質(zhì)量輕，在包裝過程中容易出現(xiàn)因小盒商標(biāo)紙側(cè)邊粘貼不牢固而彈開等問題，由此導(dǎo)致煙包輸送堵塞、小盒透明紙破損、CH折疊器堵塞等故障，影響設(shè)備生產(chǎn)效率［3］。YB45細(xì)支煙包裝機(jī)額定運(yùn)行速度為300包/min，受各種因素影響實(shí)際生產(chǎn)速度約為280包/min，與常規(guī)YB45包裝機(jī)400包/min差距較大。針對(duì)GDX2包裝機(jī)組已有較多研究及改進(jìn)，呂小波等［4］將平皮帶輸送鋁箔紙改進(jìn)為同步齒形吸風(fēng)帶輸送，延長了吸風(fēng)帶使用壽命，解決了吸風(fēng)帶跑偏等問題。李超等［5］設(shè)計(jì)了一種便捷式煙包調(diào)頭裝置，實(shí)現(xiàn)了煙包方向的快速調(diào)整。廖艷培等［6］在小盒美容整形裝置的出口處增加了一套冷卻吹風(fēng)系統(tǒng)，并改進(jìn)了美容整形裝置的上下支座，解決了煙包錯(cuò)位粘連等問題。陳正榮等［7］對(duì)內(nèi)框紙限位裝置進(jìn)行優(yōu)化，提高了新型內(nèi)框紙的生產(chǎn)適用性。劉倩等［8］設(shè)計(jì)了一種煙支通道導(dǎo)向工具，通過控制煙支流向縮短煙支清理時(shí)間，降低生產(chǎn)消耗。呂小波等［9］取消了ZB45包裝機(jī)組主傳動(dòng)箱輸出的動(dòng)力，通過調(diào)整交流伺服電機(jī)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸送帶與煙包同步運(yùn)行。烘干工序是卷煙包裝生產(chǎn)中耗時(shí)較長的工藝環(huán)節(jié)，對(duì)于包裝機(jī)烘干裝置的研究或改進(jìn)則鮮見報(bào)道。為此，通過分析小盒煙包包裝工藝流程，對(duì)YB45包裝機(jī)煙包烘干裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高包裝設(shè)備生產(chǎn)效率，提升卷煙包裝品質(zhì)。

1 問題分析

1.1 存在問題

YB45細(xì)支煙包裝機(jī)烘干裝置主要由上壓板（1）、上加熱器（2）、下加熱器（3）和下壓板（4）等部分組成，見圖1。小盒煙包完成折疊后進(jìn)入烘干裝置，由上壓板和下壓板共同對(duì)煙包施加作用力，并利用上加熱器和下加熱器對(duì)煙包進(jìn)行烘干。YB45包裝機(jī)烘干裝置共有36工位，其中27工位有煙包，即煙包進(jìn)入烘干裝置后需經(jīng)過27工位才能進(jìn)入下一工序，并在此階段完成煙包干燥。細(xì)支煙包折疊成型后其側(cè)邊折疊面積小、厚度薄，由于紙張彈性大且加膠面積小，容易造成煙包側(cè)邊粘貼不牢固而彈開，進(jìn)而導(dǎo)致下游設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、煙包輸送堵塞、小盒透明紙破損等故障，影響設(shè)備生產(chǎn)效率。

1.2 原因分析

由于細(xì)支煙包厚度薄，膠水點(diǎn)和上膠量均較少，因此煙包干燥時(shí)間較長（約5.8 s），遠(yuǎn)大于常規(guī)煙包的烘干時(shí)間（約4.0 s）。但在對(duì)常規(guī)YB45包裝機(jī)進(jìn)行細(xì)支煙改造中未對(duì)烘干裝置進(jìn)行改進(jìn)，YB45細(xì)支煙包裝機(jī)烘干裝置仍由36工位組成，為保證煙包干燥時(shí)間最高運(yùn)行速度只能達(dá)到280包/min，由此制約了生產(chǎn)效率。在保證烘干效果的前提下，提高YB45細(xì)支煙包裝機(jī)的運(yùn)行速度需要增加烘干裝置的工位數(shù)量。由圖2可見，烘干裝置的間歇運(yùn)動(dòng)由槽輪驅(qū)動(dòng)。因此，增加烘干裝置的工位數(shù)量需要對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 YB45包裝機(jī)烘干裝置傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission system of heating device in YB45 cigarette packer

2 改進(jìn)方法

2.1 48工位煙包烘干裝置設(shè)計(jì)

選擇在Solidworks軟件中對(duì)煙包烘干裝置的相關(guān)零部件進(jìn)行建模和虛擬裝配。48工位烘干裝置由烘干支架（1）、輪體（2）、上加熱器（3）和下加熱器（4）組成，見圖3。改進(jìn)后烘干裝置工位由36個(gè)增加到48個(gè)，烘干裝置內(nèi)夾持的煙包數(shù)量由27包增加到36包，一包煙在烘干裝置中經(jīng)過36工位后進(jìn)入下一工序。改進(jìn)前后烘干裝置的傳動(dòng)比1∶3保持不變，驅(qū)動(dòng)烘干裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的槽輪機(jī)構(gòu)由12工位增加至16工位，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

圖3 48工位烘干裝置立體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-dimensional structure of 48-unit heating device

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)分析

槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性通常采用類角速度ω3/ω2和類角加速度α3/ω22進(jìn)行衡量。圖4中，θ2、θ3分別是主動(dòng)件曲柄B3和從動(dòng)件導(dǎo)桿P3與機(jī)架C1的正向夾角（rad），ω2為撥桿的角速度（rad/s），ω3為槽輪的角速度（rad/s），α3為槽輪的角加速度（rad/s2）。

圖4 槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.4 Movement diagram of maltese mechanism

角位移方程（閉環(huán)矢量方程）為：

角速度方程（矩陣形式）為：角加速度方程（j矩陣形式）為：

在MATLAB軟件中編寫程序得到槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線［10-12］，見圖5。可見，槽輪角速度和角加速度的變化取決于槽輪的槽數(shù)z，槽數(shù)z越大，槽輪機(jī)構(gòu)之間的沖擊力越?。唤撬俣群徒羌铀俣鹊淖畲笾惦S槽數(shù)z的增多而減小。槽數(shù)z的取值范圍是4～18，考慮到加工難度和運(yùn)行穩(wěn)定性，選取z=16。

圖5 槽輪機(jī)構(gòu)的類角速度和類角加速度曲線Fig.5 Curves of similar angular velocity and similar angular acceleration of maltese mechanism

2.3 烘干裝置的動(dòng)停比

煙包烘干裝置的動(dòng)停比是指?jìng)鲃?dòng)過程中烘干裝置運(yùn)動(dòng)與停頓時(shí)間之比，主要由槽輪的槽數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪的滾輪數(shù)量決定。設(shè)槽輪有z個(gè)徑向等分槽（槽數(shù)），主動(dòng)盤撥銷數(shù)為m，槽輪每次運(yùn)動(dòng)時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角為2α，槽間角為2β，由運(yùn)動(dòng)原理可知從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)。槽輪每次運(yùn)動(dòng)時(shí)間td與停頓時(shí)間tj之比即為動(dòng)停比k：

已知改進(jìn)前烘干裝置m=1，z1=12，則動(dòng)停比k1為：

已知改進(jìn)前烘干裝置工位n1=36，改進(jìn)后槽輪槽數(shù)z2=16，則改進(jìn)后烘干裝置工位n2為：

改進(jìn)后烘干裝置的動(dòng)停比k2為：

可知k2＞k1，動(dòng)停比越大槽輪運(yùn)動(dòng)過程中速度變化越小，即槽輪機(jī)構(gòu)之間的沖擊力越小。因此，在煙包烘干裝置上增加工位是可行的。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)確定

已知改進(jìn)后槽輪槽數(shù)z2為16，槽輪與撥銷的中心距a為150 mm，撥銷數(shù)m為1個(gè)。根據(jù)槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理［13-14］可得：

槽間角：

槽輪每次運(yùn)動(dòng)時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角：

曲柄長度：

圓銷半徑：

槽輪的外圓半徑：

取撥銷與輪槽底部之間的徑向間隙δ=3～5 mm，則輪槽深度：

運(yùn)動(dòng)系數(shù)：

通過對(duì)槽輪機(jī)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，見表1。

表1 改進(jìn)后煙包烘干裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of modified transmission system of sideseam glue line heating device

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（鋒芒）”牌卷煙（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：YB45細(xì)支煙包裝機(jī)（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：改進(jìn)前YB45包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)速度為280包/min，改進(jìn)后YB45包裝機(jī)運(yùn)行速度由280包/min提升至370包/min（車速以10包/min增加）。統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后小盒商標(biāo)紙側(cè)邊彈開缺陷率和設(shè)備生產(chǎn)效率，設(shè)備生產(chǎn)效率為單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的百分比。統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2021年10月—12月，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見，在煙包烘干時(shí)間不變的前提下，改進(jìn)后YB45包裝機(jī)運(yùn)行速度由280包/min提升至350包/min時(shí)，小盒商標(biāo)紙側(cè)邊彈開缺陷率由0.062 3%降低到0.009 8%，設(shè)備生產(chǎn)效率增加9.3百分點(diǎn)，提高包裝機(jī)運(yùn)行速度未對(duì)煙包質(zhì)量產(chǎn)生影響。但當(dāng)包裝機(jī)運(yùn)行速度提升至360和370包/min時(shí)，煙包缺陷率顯著增加，分別達(dá)到0.015 7%和0.032 4%，表明運(yùn)行速度超過360包/min時(shí)會(huì)對(duì)煙包質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。綜合考慮，改進(jìn)后將350包/min作為包裝機(jī)的額定運(yùn)行速度。

表2 改進(jìn)前后YB45包裝機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of YB45 cigarette packer before and after modification

4 結(jié)論

對(duì)YB45細(xì)支煙包裝機(jī)的煙包烘干裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將烘干裝置由36工位改為48工位，烘干裝置內(nèi)夾持的煙包數(shù)量由27包增加到36包，在保證小盒商標(biāo)紙側(cè)邊加膠點(diǎn)烘干效果的前提下，有效提高了包裝機(jī)運(yùn)行速度。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（鋒芒）”牌卷煙為對(duì)象，對(duì)改進(jìn)前后YB45包裝機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后YB45包裝機(jī)運(yùn)行速度由280包/min提高到350包/min，小盒商標(biāo)紙側(cè)邊彈開缺陷率由0.062 3%降低到0.009 8%，設(shè)備生產(chǎn)效率提升9.3百分點(diǎn)，有效提升了包裝設(shè)備生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。