濾嘴棒發(fā)射彎管軌道總成的設(shè)計與改進(jìn)

吳其鶴，陳錦聰，李鉑穎，唐永良

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 361026

卷煙設(shè)備制造成品煙支的過程中，濾嘴棒的供應(yīng)是其重要環(huán)節(jié)之一。濾嘴棒通過發(fā)射機(jī)被有序接收到卷接機(jī)組的濾嘴接裝機(jī)的存儲料斗內(nèi)，以供濾嘴接裝機(jī)為切割后的煙條接裝濾嘴棒[1]。此外，濾嘴棒的接收也是卷煙產(chǎn)品質(zhì)量管控的重要內(nèi)容，要保障煙支卷接質(zhì)量，必須有質(zhì)量穩(wěn)定的濾棒供應(yīng)，濾嘴接裝機(jī)設(shè)備接收得到的濾嘴棒的質(zhì)量與煙支搓接、最后分切后的成品煙支質(zhì)量息息相關(guān)[2]。目前，國產(chǎn)ZJ17 卷煙機(jī)多用于常規(guī)煙支（煙支直徑7.8 mm）的生產(chǎn)制造，將其改造后并用于中支煙支（煙支直徑6.36 mm）的生產(chǎn)制造方面所涉及的故障及問題仍有待改進(jìn)。受濾嘴棒發(fā)射機(jī)與卷煙機(jī)設(shè)備的兩者間安裝形式的限制，濾嘴棒輸送過程需要經(jīng)過一段彎管軌道總成以將縱向方向輸送下落的濾嘴棒轉(zhuǎn)換為橫向方向輸送。濾嘴棒在輸送過程中由于運行不暢通，易在輸送管道造成堵塞，究其原因，主要由于到達(dá)彎管軌道總成上入口處的濾嘴棒易發(fā)生重疊、交錯現(xiàn)象或者在彎管軌道總成中濾嘴棒前后造成碰撞、擠壓。濾嘴棒接收過程中的管道堵塞還將引起濾嘴棒觸頭多、彎折、扭皺、破損等質(zhì)量缺陷的新問題出現(xiàn)。針對濾嘴棒輸送管道堵塞問題，國內(nèi)相關(guān)卷煙工業(yè)企業(yè)也做了相關(guān)探索和技術(shù)改進(jìn)，如凌孝存等[3]采用接收槍導(dǎo)軌改造、濾棒輸送管道泄壓閥改造以及其他綜合技術(shù)改造；劉程等[4]采用接收端處壓縮空氣反吹，發(fā)射端管道脫開機(jī)構(gòu)配合排空，較好地解決了管道堵塞的問題；李繼波等[5]設(shè)計了通過PLC 控制的由四通清管器與輸送管道前端相連接的改進(jìn)系統(tǒng)，解決了濾棒滯留在輸送管道內(nèi)的問題。然而大部分改進(jìn)存在成本偏高、改造涉及范圍廣、持續(xù)時間周期長、維護(hù)零部件多等問題，且濾嘴棒輸送過程中未引起堵塞但是仍舊存在的觸頭、壓扁、彎折等質(zhì)量問題的改進(jìn)以及針對中細(xì)支煙支生產(chǎn)的濾棒發(fā)射相關(guān)問題的探討亦還鮮見報道。

ZJ17 卷接機(jī)進(jìn)行中細(xì)支規(guī)格改造后，濾棒接收裝置將由輸送粗短濾嘴棒（圓周24.1 mm 長度108 mm）轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔图?xì)長濾嘴棒（中支：圓周19.8 mm，長度120 mm；細(xì)支：圓周16.8 mm，長度120 mm），原輸送裝置無法適應(yīng)改造后中細(xì)支煙用濾嘴棒的穩(wěn)定輸送。為此，基于ZJ17 卷接機(jī)的原先的濾棒發(fā)射接收裝置，重新設(shè)計了用于實現(xiàn)濾嘴棒從縱向輸送轉(zhuǎn)換為橫向輸送的彎管軌道總成的結(jié)構(gòu)與零配件裝配形式，以保留常規(guī)煙支濾嘴棒穩(wěn)定輸送的功能并解決ZJ17 卷煙機(jī)進(jìn)行中細(xì)支規(guī)格改造后濾嘴棒在彎管軌道總成處的堵塞現(xiàn)象，降低了濾嘴棒接收到存儲料庫后的彎折、扭皺、觸頭、爆口、壓扁、環(huán)皺、破損等質(zhì)量問題的出現(xiàn)概率，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

1 問題分析

基于目前的濾棒發(fā)射方式，濾嘴棒由FILTROMAT 1S 發(fā)射機(jī)發(fā)射，通過輸送管道從縱向方向進(jìn)入彎管導(dǎo)軌總成后進(jìn)入橫向輸送段，最后到達(dá)濾嘴接裝機(jī)的濾嘴棒存儲料斗中。如圖1 所示，彎管軌道整體結(jié)構(gòu)兩端切線夾角為90°，實現(xiàn)濾嘴棒從發(fā)射機(jī)到接收裝置縱向到橫向90°的輸送方向的改變。在彎管軌道總成上，濾嘴棒的輸送通道主要由兩部分組成，下半部分為彎管軌道的“V”型凹槽，上半部分為弧形彈性板件。如圖2 所示，彎管軌道總成通過螺釘固定連接在直角連接件上最終與濾嘴棒的橫向輸送段的側(cè)壁固定在一起。直角連接件上采用銷子穿過彎管軌道上的腰型孔以定位弧形彈性板件的濾嘴棒的出口端位置，入口端位置則直接通過彎管軌道上的螺紋孔進(jìn)行固定連接。ZJ17 卷接機(jī)幾十年的應(yīng)用實踐證明了該接收方式在常規(guī)煙支（煙支直徑7.80 mm）的生產(chǎn)應(yīng)用過程中，接收得到的濾嘴棒質(zhì)量穩(wěn)定，每班生產(chǎn)過程中發(fā)生濾嘴棒堵塞的概率幾乎為0。然而在將原用于常規(guī)煙支（煙支直徑7.80 mm）卷煙生產(chǎn)的ZJ17 設(shè)備改造成用于生產(chǎn)中支（煙支直徑6.36 mm）煙支后，在調(diào)試濾嘴棒接收的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其到達(dá)彎管軌道之后極易造成濾嘴棒的重疊、打橫、大幅度彎折現(xiàn)象的發(fā)生從而導(dǎo)致濾嘴棒的堵塞，如圖1 所示，嚴(yán)重時甚至在垂直橫向輸送段的方向上出現(xiàn)由于多根濾嘴棒并排或擠壓在一起導(dǎo)致彎管軌道的防護(hù)門被頂開的現(xiàn)象。

圖1 彎管軌道總成實物圖及濾嘴棒堵塞現(xiàn)象示意圖Fig.1 The diagram of the elbow track assembly and the schematic diagram of the blockage of the filter rod

圖2 濾嘴棒接收裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the filter rod receiving device

為便于分析，定義濾嘴棒在彎管軌道運輸過程中的占空比概念，即：

R=b/(a+b+c)×100%

其中，R 為占空比，通道中，被輸送濾棒的徑向方向上，濾嘴棒頂部與彎管軌道總成中彈性板件的距離為a、濾嘴棒下端部與彎管軌道極限底部的距離為c，b 為濾嘴棒的直徑（mm）。

圖3 左圖為濾嘴棒在彎管軌道總成輸送通道中出口端與入口端的截面示意圖，根據(jù)圖示，濾嘴棒在進(jìn)入彎管軌道總成的占空比R進(jìn)為45.65%(其中a=5.00 mm，b=6.30 mm,c=1.00 mm)；濾嘴棒在彎管軌道總成出口，進(jìn)入直角連接件之前，其占空比R出為51.22%(其中a=4.50 mm，b=6.30 mm,c=3.00 mm)。計算可得，濾嘴棒在彎管軌道總成進(jìn)行輸運時，其縱向占空比都在50%左右，濾嘴棒的可竄動空間大，且由于濾嘴棒本身具有一定的彈性，在高速輸送過程中，容易造成同一截面上兩根濾嘴棒疊加的現(xiàn)象，從而造成輸送過程濾嘴棒的堵塞而無法進(jìn)入到濾嘴棒接收裝置的橫向輸送段。

此外，通過10 個生產(chǎn)班次在人員午餐1 h 停機(jī)期間對濾嘴棒發(fā)射和接收功能進(jìn)行測試，統(tǒng)計造成濾嘴棒接收過程堵塞故障的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。其中，濾嘴棒為廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境）”卷煙產(chǎn)品的“120 mm-3000 Pa（19.8 mm）”醋纖濾棒，濾嘴棒生產(chǎn)設(shè)備為KDF4 成型機(jī)，發(fā)射設(shè)備為FILTROMAT 1S，接收設(shè)備為E-J4#的卷接機(jī)，濾嘴棒接收速度為14 m/s。

表1 E-J4#濾嘴棒堵塞位置統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of E-J4# filter rod blockage position

表1 可以看出，濾嘴棒被接收過程出現(xiàn)彎管軌道總成處的堵塞頻次最高，在整個觀察周期中占比82.3%。相比于進(jìn)行中細(xì)支規(guī)格改造前的常規(guī)生產(chǎn)設(shè)備，濾棒接收過程引起的故障率大大提高，在1 h 的測試時間段內(nèi)的結(jié)果尚且如此，投入實際生產(chǎn)中將嚴(yán)重影響機(jī)臺生產(chǎn)效率。

在濾嘴棒極易堵塞在彎管軌道的情況下，繼續(xù)統(tǒng)計期間連續(xù)發(fā)射過程中獲得的濾嘴棒質(zhì)量。由于濾嘴棒運行過程中占空比小，使得其在較大的可竄動空間中運動時運動軌跡變化大，運動過程的平順性降低，同時提高了濾嘴棒的碰撞、擠壓等質(zhì)量損耗事件的發(fā)生概率，造成濾嘴棒從發(fā)射機(jī)到卷煙機(jī)濾嘴棒料庫的二次質(zhì)量缺陷。主要的質(zhì)量缺陷有觸頭、彎折、扭皺、壓扁、破損等，如圖4 所示。引起上述問題的主要原因為：（1）彎管軌道總成形成的濾嘴棒輸送通道在濾嘴棒縱向截面方向上，濾嘴棒與彎管軌道總成輸送通道的占空比?。唬?）彎管軌道的兩端的切線夾角為90°，濾嘴棒從縱向方向轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向輸送的變化轉(zhuǎn)角過大。

圖4 缺陷濾嘴棒示意圖Fig.4 Defective filter rod diagram

為適應(yīng)當(dāng)前中支煙支的生產(chǎn)要求，減少濾棒輸送管道堵塞故障以及保證濾嘴棒接收前后的質(zhì)量一致性，減少不必要效率損失及人力資源浪費。從使用成本上考慮，為進(jìn)一步提高該彎管軌道的零件互換性，提出了一種可變彎管軌道的濾嘴棒輸送方案，通過改變彎管軌道兩端切線的夾角以及彈性板件的收尾固定形式，實現(xiàn)不同規(guī)格濾嘴棒在彎管軌道總成輸送通道的適應(yīng)性，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)濾嘴棒的占空比。

2 改進(jìn)設(shè)計

2.1 彎管軌道整體改進(jìn)

為增加濾嘴棒在運行過程中的平順性，減少輸送過程中前一根濾嘴棒的末端與后一根濾嘴棒的首端碰撞時的撞擊強(qiáng)度，導(dǎo)致觸頭等二次質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生，我們在彎管軌道與改進(jìn)前同等高度（300 mm）的基礎(chǔ)上，綜合考慮發(fā)射機(jī)、發(fā)射管道與設(shè)備的布局和位置因素，將其首尾兩端切線夾角的角度改進(jìn)設(shè)計為135°，如圖5 所示，彎管軌道為整體一體制造，其V”型槽采用高速切削分層逼近的加工方法，也叫插補(bǔ)加工[6]。即使濾嘴棒發(fā)射后，縱向方向與橫向方向的轉(zhuǎn)換角度改進(jìn)為135°。相比于改進(jìn)前，濾嘴棒到達(dá)彎管軌道總成后沿該輸送通道方向上在相同的速度條件下，受到的慣性沖擊小，運行更平穩(wěn)。

圖5 改進(jìn)后的彎管軌道總成示意圖及局部放大示意圖）Fig.5 Schematic diagram and partial enlarged schematic diagram of the improved elbow track assembly

2.2 可變通道形式的設(shè)計

改進(jìn)后該夾角增大，由于高度一致，根據(jù)代數(shù)計算可知彎管軌道的有效長度增加，相應(yīng)地增加彈性板件的弧線調(diào)節(jié)裝置的數(shù)量。如圖5 所示，彈性板件調(diào)節(jié)裝置主要由彈性板件調(diào)節(jié)支架、彈簧、調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成，調(diào)節(jié)原理為：調(diào)節(jié)螺釘穿過調(diào)節(jié)支架上的孔，接著套上一個彈簧后，鎖在彎管軌道預(yù)先開設(shè)的螺紋孔上，調(diào)節(jié)支架有折角的一端與彈性板件接觸。通過順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘使整個調(diào)整支架下移或者上升，其折角端便將彈性板件往下壓或者上抬，從而改變彈性板件與彎管軌道上“V”型槽的距離。在彎管軌道上均勻分布的多個彈性板件調(diào)節(jié)裝置共同作用將其限制成所需要的弧形板條，最終實現(xiàn)濾嘴棒輸送通道中間部位的調(diào)節(jié)。

濾嘴棒在彎管軌道縱向截面上的占空比是其造成堵塞、疊棒等的重要因素，且設(shè)計改進(jìn)的彎管軌道仍為一體制造，即該輸送通道的下半部分不可改變，因此彈性板件作為濾嘴棒在彎管軌道總成輸送過程中的通道上極限位置零件，其更重要的影響因素是首尾兩端的固定方式及固定位置。如圖6 所示，左邊2 圖為改進(jìn)后的彎管軌道總成示意圖，右邊為彎管軌道總成濾嘴棒出、入口端的細(xì)節(jié)圖。在綜合考慮彎管軌道的零件互換性以及濾嘴棒輸送過程中縱向占空比可控的情況下，需要使彈性板件的位置可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)變化。

圖6 彎管軌道總成實物圖及濾嘴棒出、入口局部圖Fig.6 The physical drawing of the elbow track assembly and the partial drawing of the outlet and inlet of the filter rod

改進(jìn)設(shè)計的彈性板件在首尾端相應(yīng)位置有設(shè)計一光孔，結(jié)合圖5 所示，主要從兩方面實現(xiàn)通道可調(diào)節(jié)功能。（1）入口端：入口固定座為一個“一”字型座塊，正面設(shè)計有階梯腰型孔，側(cè)面設(shè)計有螺紋孔以通過螺釘將彎折后的彈性板件連接在入口固定座上。彎管軌道在濾嘴棒入口端設(shè)計有兩個沿其徑向方向的長孔。彈性板件在入口處的連接為：用兩顆M4 的緊固螺釘穿過入口固定座的階梯腰型孔，分別穿過彎管軌道相應(yīng)位置處的長孔，與設(shè)計有相應(yīng)螺紋孔的薄板零件通過螺紋連接，完成與彎管軌道的裝配連接。只要改變兩顆緊固螺釘在彎管軌道長孔上固定入口固定座的位置，就能改變彈性板件在彎管軌道入口處徑向方向上的高低。（2）出口端：出口固定座為一個“L”型座塊，正面長段設(shè)計有階梯腰型孔，短段側(cè)面設(shè)計有螺紋孔以通過螺釘將彎折后的彈性板件連接在出口固定座上。彎管軌道在濾嘴棒出口端區(qū)域豎直方向上設(shè)計有兩個螺紋孔以裝配出口固定座。彈性板件在出口處的連接為：用兩顆M4 的緊固螺釘穿過出口固定座的正面的階梯腰型孔并連接在彎管軌道上。出口固定座以反“L”的形式被固定在彎管軌道上，由于該階梯腰型孔是長孔，只要改變出口固定座被緊固的上下位置就能改變彈性板件在彎管軌道出口處徑向方向上的高低。

實際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)濾嘴棒的規(guī)格要求調(diào)整入口固定座與出口固定座相對于彎管軌道的相對位置，同時調(diào)整彈性板件調(diào)整裝置，實現(xiàn)濾嘴棒在彎管軌道總成中輸送時縱向方向上的占空比調(diào)控。根據(jù)改進(jìn)設(shè)計實際，該形式下濾嘴棒輸送通道的調(diào)整范圍廣，為直徑5～11 mm，相應(yīng)地，濾嘴棒輸送中占空比可調(diào)范圍達(dá)45%～71%，針對目前的市場熱門的中支煙支產(chǎn)品，甚至常規(guī)煙支煙支產(chǎn)品的濾嘴棒發(fā)射要求都能得到滿足。同時極大地提高了彎管軌道總成做為零部件的互換性，降低生產(chǎn)成本，且維護(hù)簡易方便。

3 改進(jìn)結(jié)果

3.1 試驗設(shè)計與條件

改進(jìn)設(shè)計后的彎管軌道總成，通過連續(xù)5 d 10 個生產(chǎn)班次（每個班次為8 h）對濾嘴棒進(jìn)行發(fā)射接收試驗，統(tǒng)計連續(xù)10 個生產(chǎn)班次下發(fā)生在彎管軌道處的濾嘴棒堵塞現(xiàn)象的次數(shù)。通過對比改造前后連續(xù)5 d 早班停機(jī)期間1 h 濾嘴棒二次質(zhì)量缺陷數(shù)量的統(tǒng)計，綜合對比分析改進(jìn)彎管軌道后對濾嘴棒產(chǎn)生二次質(zhì)量缺陷的影響。

濾嘴棒為廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境）”卷煙產(chǎn)品的“120 mm-3000 Pa（19.8 mm）”醋纖濾棒，濾嘴棒生產(chǎn)設(shè)備為KDF4 成型機(jī)，發(fā)射設(shè)備為FILTROMAT 1S，接收設(shè)備為E-J4#的卷接機(jī)，濾嘴棒接收速度為14 m/s。觀察統(tǒng)計質(zhì)量缺陷時，測試過程中每輪測試取7 盤濾嘴棒，濾嘴棒通過發(fā)射后到達(dá)卷煙機(jī)貯料區(qū)后采用人工方式手捧至煙盤中，1盤約6000 根濾嘴棒。

3.2 數(shù)據(jù)分析

表2為連續(xù)10個生產(chǎn)班次下發(fā)生在彎管軌道處的濾嘴棒堵塞現(xiàn)象的統(tǒng)計。相比于改進(jìn)前僅測試停機(jī)1 h的時間段彎管軌道處的堵塞頻率高達(dá)83.2%的結(jié)果，在擴(kuò)大了測試的時間范圍后，其結(jié)果仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于改進(jìn)設(shè)計前。表3 為改進(jìn)前停機(jī)1 h 期間濾嘴棒發(fā)射過程中平均每盤濾嘴棒二次質(zhì)量缺陷的數(shù)量，在經(jīng)過彎管軌道的改進(jìn)設(shè)計，并調(diào)試完成應(yīng)用生產(chǎn)后，根據(jù)表4可以發(fā)現(xiàn)彎折和觸頭的質(zhì)量缺陷大大減少，扭皺、壓扁、破損等缺陷的數(shù)量也明顯降低，每盤平均缺陷占比由原來的13.3%降低為0.42%，進(jìn)一步表明彎管軌道總成的設(shè)計改進(jìn)對于濾嘴棒發(fā)射過程的平順性和穩(wěn)定性得到了明顯提升。

表2 改進(jìn)后E-J4#濾嘴棒彎管軌道處堵塞統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of blockage at the track of the improved E-J4# filter rod elbow

表3 改進(jìn)前E-J4#濾嘴棒二次質(zhì)量缺陷統(tǒng)計表Tab.3 Statistics table of secondary quality defects of E-J4# filter rod before improvement

表4 改進(jìn)后E-J4#濾嘴棒二次質(zhì)量缺陷統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of secondary quality defects of E-J4# filter rod after improvement

4 結(jié)論

通過改進(jìn)彎管軌道的角度，將其兩端切線夾角改進(jìn)為135°，以及重新設(shè)計彈性板件的在彎管軌道出、入口位置可調(diào)節(jié)的固定方式，實現(xiàn)了濾嘴棒接收裝置的彎管軌道總成對中支濾嘴棒的平穩(wěn)輸送接收，彎管軌道總成的可變通道設(shè)計還可根據(jù)不同規(guī)格的濾嘴棒輸送要求，調(diào)整合適的濾嘴棒占空比，使彎管軌道總成零部件具備互換性，方便維護(hù)保養(yǎng)的同時進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境）”卷煙產(chǎn)品的“120 mm-3000 Pa（19.8 mm）”醋纖濾棒為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：改進(jìn)設(shè)計后，濾嘴棒在彎管軌道總成處的堵塞概率為0%，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性，且每盤平均缺陷占比由原來的13.3%降低為0.42%，明顯降低了改進(jìn)前產(chǎn)生的觸頭、彎折、扭皺、壓扁、破損等濾嘴棒二次質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。