COMAS翻箱機新型夾緊機構的研制

焦陽，趙繼慈，楊力，余昆杰，李澤惠，譚勝，嚴樹先，李林桔，常金貴，楊云森

紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠，昆明市紅錦路366號650000

箱式儲葉技術在保證均衡生產(chǎn)的同時，可有效調(diào)控片煙儲存時間，促進片煙醇化和料液吸收，改善片煙內(nèi)在品質(zhì)，提高耐加工性，減少造碎，進而提高分組加工的靈活性［1-2］。COMAS翻箱機是意大利COMAS公司生產(chǎn)的新型翻箱設備，其功能是將存儲于煙箱內(nèi)的煙葉傾倒入喂料機中，實現(xiàn)煙葉存儲與生產(chǎn)的快速切換［3］。夾緊機構是翻箱機的關鍵組成部分，主要用于夾緊煙箱腰條，防止煙箱在翻轉過程中滑落。隨著儲葉煙箱的頻繁使用，因煙箱磨損容易導致夾緊機構卡住煙箱或煙箱難以進入夾緊機構等現(xiàn)象，由此造成翻箱機故障停機。岳盛強［4］研究發(fā)現(xiàn)直線軸承及螺旋絲杠損壞是導致翻箱機故障的主要原因，通過改進可減少翻箱機故障發(fā)生率；黃光富等［5］通過對翻箱機液壓系統(tǒng)的元器件進行調(diào)整，解決了液壓泵故障、液壓缸活塞密封圈損壞等問題；李軍［6］研制了一種新型氣動翻箱裝置，解決了采用液壓驅(qū)動翻箱機存在的噪聲大、液壓系統(tǒng)漏油等問題。但對于翻箱機夾緊機構的研究則鮮見報道。為此，通過對COMAS翻箱機夾緊機構進行分析，設計了一種新型夾緊機構，以期降低設備故障停機發(fā)生率，提高生產(chǎn)效率。

1 問題分析

1.1 工作原理

COMAS翻箱機位于箱式儲葉庫之后，二次加料工序之前［7-8］。箱式儲葉技術所使用的儲葉煙箱由箱蓋、箱體、煙箱腰條、底座和不銹鋼金屬條組成，見圖1。箱蓋1、箱體2及底座4的主體部分由橡木板組成，箱蓋1外圈、箱體2四角及中部由不銹鋼金屬條5加強固定，煙箱腰條3為不銹鋼材質(zhì)，其與翻箱機的夾緊機構配合，實現(xiàn)煙箱的翻轉動作。

圖1 儲葉煙箱結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of tobacco case

COMAS翻箱機主要由升降機、夾緊機構、往復移動機構、揭蓋系統(tǒng)、翻轉系統(tǒng)、喂料機、儲葉煙箱等部分組成，見圖2。翻箱機將存儲于煙箱的物料倒入喂料機中，通過后續(xù)的輔聯(lián)設備將煙葉均勻穩(wěn)定地輸送至二次加料工序，以滿足制絲生產(chǎn)柔性加工的需求［9］。在生產(chǎn)中，儲葉煙箱7輸送至取箱工位后，往復移動機構3前進并接近儲葉煙箱7，儲葉煙箱7的腰條插入夾緊機構2中，夾緊機構內(nèi)部氣囊充氣后頂起氣囊上方的耐磨條，將儲葉煙箱7的腰條夾緊固定；在往復移動機構3退回原位的同時，揭蓋系統(tǒng)4打開箱蓋，隨后翻轉系統(tǒng)5進行順時針翻箱作業(yè)，將物料倒入喂料機6中［10］。翻箱結束后蓋住箱蓋，夾緊機構2的氣囊停止充氣，儲葉煙箱7依靠自身重力將氣囊中的氣體排出，同時夾緊機構2松開儲葉煙箱7的腰條，往復移動機構3再次前進并將空的儲葉煙箱7輸送至升降機1上；往復移動機構3退回原位，儲葉煙箱7通過升降機1下降到位后輸送回庫。

圖2 COMAS翻箱機結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of COMAS case tipper

1.2 存在問題

COMAS翻箱機夾緊機構主要由底座、氣囊、方形進氣座、堵頭、抱箍、耐磨條等部分組成，見圖3。隨著煙箱頻繁使用產(chǎn)生磨損，翻箱機經(jīng)常會出現(xiàn)故障停機現(xiàn)象，主要原因：①夾緊機構高度容差值過小。目前夾緊機構高度間隙為60 mm，容差值為13 mm（±6.5 mm），當煙箱出現(xiàn)磨損，煙箱腰條高度降低超出正常范圍時，夾緊機構無法正常夾緊固定煙箱。②耐磨條4與氣囊3之間無連接。煙箱往復進出夾緊機構過程中，耐磨條4與煙箱腰條表面產(chǎn)生摩擦［11］，因耐磨條4與氣囊3之間無連接，則會出現(xiàn)耐磨條4移位現(xiàn)象。當耐磨條4移位至方形進氣座5、堵頭1或抱箍2上方時，氣囊3放氣過程中耐磨條4無法正?；匚?，此時夾緊機構高度間隙小于煙箱腰條尺寸，無法卡住煙箱腰條。③無煙箱橫向限位裝置。在煙箱進入夾緊機構過程中，若煙箱夾緊效果不好則會出現(xiàn)煙箱橫向移位現(xiàn)象，當移位量＞3 mm時，箱蓋無法蓋入箱體。

圖3 改進前夾緊機構結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of clamping mechanism before modification

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

新型夾緊機構由底座、氣囊、耐磨條、圓柱形進氣座、圓柱形堵頭、抱箍等部分組成，見圖4。改進后通過增大氣囊6直徑、夾緊機構底座3的高度和寬度，采用圓柱形進氣座1和堵頭4，改進耐磨條5與氣囊6的連接方式，以解決夾緊機構高度間隙容差值小、耐磨條與氣囊之間無連接等問題；通過加裝橫向限位裝置，以解決煙箱橫向移位問題。

圖4 改進后夾緊機構結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of clamping mechanism after modification

2.2 夾緊機構高度容差

通過現(xiàn)場測量，當磨損后煙箱腰條高度低于正常高度3～5 mm時，為保證煙箱腰條順利進入夾緊機構且留有余量，將夾緊機構高度容差值由原來的13 mm（±6.5 mm）增大至30 mm（±15 mm）。

2.2.1 氣囊

當夾緊機構高度容差值調(diào)整為30 mm（±15 mm）時，氣囊行程≥30 mm方可滿足設計要求。為此，選擇直徑50 mm，厚度2 mm，行程30 mm，長度700 mm的聚氨酯消防水帶作為新型夾緊機構的氣囊。

2.2.2 進氣座與堵頭

將原來的方形進氣座改為圓柱形，增大堵頭尺寸。進氣座與堵頭均采用錐形設計［12］，上下直徑分別為52 mm和45 mm，高度為70 mm，以減少反復充放氣對氣囊產(chǎn)生影響，延長氣囊使用壽命，見圖5。利用抱箍3將進氣座4和堵頭1鎖緊固定在氣囊2兩端，以保證氣囊的密封性，見圖6。當氣囊破損發(fā)生變形時，圓柱形進氣座可避免因氣囊卡死在夾緊機構底座而無法回位等問題。在進氣座氣管連接頭對面與耐磨條的連接處，以及堵頭與耐磨條的連接處分別加工6 mm的螺紋孔，將耐磨條與氣囊相連接。抱箍寬度為5 mm，在其連接位置設計了兩條間距5.1 mm，寬度1 mm，高度1 mm的凸起圓環(huán)，用于鎖緊抱箍。

圖5 改進后進氣座和堵頭結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of structure of air inlet seat and plug

圖6 進氣座與氣囊連接示意圖Fig.6 Connection diagram of air inlet seat and air bag

2.2.3 夾緊機構底座

（1）由圖7可見，夾緊機構底座高度H=夾緊機構高度間隙C+耐磨條高度H1+2×夾緊機構底座材料厚度T。其中，夾緊機構高度間隙C=煙箱腰條厚度47 mm+高度容差2×15 mm=77 mm；夾緊機構底座材料厚度T=10 mm；當氣囊放氣時，耐磨條高度H1應大于氣囊直徑D且不影響氣囊行程，故確定H1=55 mm。因此，夾緊機構底座高度H=77 mm+55 mm+2×10 mm=152 mm。

（2）由圖7可見，夾緊機構底座寬度B=耐磨條寬度B1+寬度容差+2×夾緊機構底座材料厚度T。由于耐磨條寬度B1＞氣囊直徑D且氣囊兩側留有一定空間，故確定B1=60 mm；耐磨條在氣囊充放氣時會上下運動，但橫向移位較小，故寬度容差為10 mm（±5 mm）即可滿足要求。因此，夾緊機構底座寬度B=60 mm+10 mm+2×10 mm=90 mm。

圖7 夾緊機構底座高度和寬度示意圖Fig.7 Schematic diagram of height and width of clamper base

（3）由圖7可見，氣囊與耐磨條均置于夾緊機構底座內(nèi)部，當氣囊放氣時耐磨條會下降至底部。因此，在進氣座和堵頭處各加工一個方孔，尺寸為長90 mm，寬60 mm。

2.3 耐磨條

為方便更換，改進后耐磨條與氣囊采用螺絲連接，見圖8a。在耐磨條與進氣座、堵頭的連接處加工一個腰型通孔，用于安裝氣囊及調(diào)節(jié)位置。在進氣座和堵頭的對應位置各加工一個6 mm螺紋孔，利用6 mm螺釘將兩者連接。當抱箍鎖緊位置確定后需要留出抱箍所占空間尺寸，以便耐磨條下降回位。為此，在耐磨條抱箍處加工一個方槽，尺寸為長50 mm，寬40 mm，高5 mm，見圖8b。

改進后耐磨條寬60 mm，長890 mm，高55 mm，采用尼龍材質(zhì)，材料厚度35 mm，見圖9。支撐面兩端采用倒角設計［13］，以減小對耐磨條的沖擊力。耐磨條兩端設置有橫向限位擋塊，當煙箱輸入或輸出時，利用橫向限位擋塊可避免耐磨條因摩擦產(chǎn)生橫向移位，減小耐磨條與氣囊之間的橫向剪切力，延長耐磨條使用壽命。

圖8 耐磨條與氣囊連接示意圖Fig.8 Connection diagram of wear strip and air bag

圖9 耐磨條結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of structure of wear strip

2.4 橫向限位裝置

橫向限位裝置的作用是解決煙箱橫向移位過大而造成箱蓋無法放入煙箱的問題。根據(jù)煙箱尺寸，在夾緊機構底座的后部增加橫向限位裝置，以保證煙箱橫向移位≤3 mm。

2.4.1 限位裝置底座受力分析

限位裝置底座的受力側為直角邊，另一側為斜邊。通過應力仿真分析［14］可知，底座的最大橫向受力為2.87×108N，最大移位量為8.06×10-7mm，見圖10?？梢?，雖然底座受到較大的橫向剪切力，但變形移位量較小，表明當限位裝置受到煙箱橫向撞擊時變形也較小。

2.4.2 軸承導向輪

煙箱在橫向移位的同時還會向內(nèi)運動，因此需要設計1個導向輪將煙箱引導到位。根據(jù)實際需求，選用了6004/2RZ型號軸承，見圖11。該軸承雙面密封，硬度高，耐磨性好，不容易產(chǎn)生形變［15］。當煙箱進入夾緊機構時，軸承與煙箱之間的摩擦為滾動摩擦［16］，受力較小，可避免出現(xiàn)煙箱卡死現(xiàn)象。

3 應用效果

3.1 試驗設計

設備：COMAS翻箱機（意大利COMAS公司）；新型夾緊機構［紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠研制］。

圖10 橫向限位裝置底座受力分析Fig.10 Base mechanism of lateral position limiting device and its force analysis

圖11 軸承導向輪結構及安裝圖Fig.11 Structure and installation diagram of bearing guide wheel

方法：對改進前后3條制絲生產(chǎn)線COMAS翻箱機的MES數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，統(tǒng)計故障停機次數(shù)及故障處理時間，統(tǒng)計周期均為5個月。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，改進后COMAS翻箱機故障停機次數(shù)由48次減少到3次，平均故障停機由9.6次/月降低到0.6次/月，故障處理時間由29.8 min/次縮短至18.0 min/次，有效提高了翻箱機工作效率。以昆明卷煙廠1 728個煙箱為例進行計算，改進前每年需維修磨損煙箱389個，改進后提高了翻箱機夾緊機構適應能力，同等磨損情況下的煙箱不需再維修，煙箱維修費用按2 000元/個計算，每年可減少維修費用77.8萬元。

表1 改進前后COMAS翻箱機運行數(shù)據(jù)Tab.1 Operation data of COMAS case tipper before and after modification

4 結論

通過改進夾緊機構底座尺寸、氣囊直徑、進氣座和堵頭形狀、耐磨條結構以及增加耐磨條與氣囊之間的連接件和橫向限位裝置等措施，研制了一種COMAS翻箱機新型夾緊機構，有效降低了維修工作量，提高了設備運行效率。以昆明卷煙廠3條制絲生產(chǎn)線為對象，對改進前后COMAS翻箱機進行對比測試，結果表明：改進后COMAS翻箱機故障停機次數(shù)減少9.0次/月，故障處理時間縮短11.8 min/次，節(jié)約煙箱維修費用77.8萬元/年，經(jīng)濟效益顯著，在同類設備中具有推廣應用價值。