FY117型廢煙支處理機(jī)排序裝置的改進(jìn)

劉仁瑞，戴團(tuán)結(jié)，馬存國，劉長勝，李 濤，練孔輝，張可洲*

1.廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄新陽工業(yè)區(qū)新陽路1 號 361026

2.常德瑞華制造有限公司，湖南省常德市工業(yè)新區(qū)2 號路518 號 415000

FY117型廢煙支處理機(jī)是將雜亂的廢煙支進(jìn)行分選、整理、排序、調(diào)頭匯流和搓揉后，基于氣吹式原理從煙支濾嘴端噴射高壓氣流，將煙絲從煙支段中分離出來。其中，排序工序是利用排序裝置將煙庫中不同朝向的煙支呈單支狀態(tài)分離后送入調(diào)頭匯流工序，但在煙支分離過程中容易出現(xiàn)下煙機(jī)構(gòu)被折斷的廢煙支堵塞、各運(yùn)動件動作不平穩(wěn)等問題。近年來，針對廢煙處理設(shè)備已有較多改進(jìn)研究。王俊等［1］基于ZJ116 型卷接機(jī)組設(shè)計(jì)了一種新型廢煙支提升輸送裝置，解決了輸送帶易磨損、維護(hù)保養(yǎng)周期短等問題；湯治國［2］對FY36型廢煙支處理機(jī)工作腔落料口處的導(dǎo)流風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)，解決了廢煙支在進(jìn)料口處被反復(fù)擊打、剪斷和遺漏拍打等問題；朱建新［3］通過在FY115型廢煙支處理機(jī)中增加手動切刀刃口磨削裝置、安裝永磁磁板并更換切刀隔套材料，提高了廢煙支的整絲率；陳浩等［4］針對ZJ118型卷接機(jī)組的廢煙提升裝置設(shè)計(jì)了鏈輪裝配工裝，提高了鏈輪裝配質(zhì)量；普學(xué)文［5］通過對FY113 型廢煙支處理機(jī)切刀、隔輪與軸的裝配固定方式和切刀軸聯(lián)接方式進(jìn)行改進(jìn)，提高了煙絲回收利用率；張冬芹等［6］對FY37型廢煙支處理機(jī)的陡角帶輸送頻率、蒸汽流量、分離機(jī)頻率、增濕機(jī)頻率和高頻振篩網(wǎng)孔徑等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了廢煙支的出絲率；葉松濤［7］針對FY36 型廢煙支處理機(jī)設(shè)計(jì)了一種柔性螺旋物料分離系統(tǒng)，降低煙絲造碎率的同時(shí)提高了煙絲回收率和純凈率；何海鵬［8］采取模塊化、結(jié)構(gòu)化編程方式對FY113 型廢煙支處理機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了控制程序的功能獨(dú)立性和接口通用性。但對于FY117型廢煙支處理機(jī)排序裝置的改進(jìn)研究則鮮見報(bào)道。為此，通過分析FY117型廢煙支處理機(jī)排序裝置中煙支堵塞下煙機(jī)構(gòu)和各運(yùn)動件發(fā)生干涉的原因，對下煙機(jī)構(gòu)及其傳動系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期減少設(shè)備停機(jī)故障次數(shù)，提高廢煙支處理效率。

1 問題分析

如圖1所示，廢煙支排序裝置由煙庫（1）、下煙機(jī)構(gòu)（2）、雙面齒形帶輸送機(jī)構(gòu)（3）、煙支存儲機(jī)構(gòu)（4）、煙支識別機(jī)構(gòu)（5）、煙支排序機(jī)構(gòu)（6）、煙支定位機(jī)構(gòu)（7）和煙支轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)（8）等部分組成。其中，下煙機(jī)構(gòu)設(shè)置在煙庫下方，由撥煙桿組件（9）、推煙桿組件（10）、下煙槽組件（11）等部分組成。廢煙處理機(jī)啟動后，不同朝向的廢煙支被收集在煙庫中并在撥煙桿的擾動作用下落入下煙槽，下煙槽底部的廢煙支被推煙桿推出后落入雙面齒形帶（12）（以下簡稱齒形帶）的凹槽中，使煙支呈單支分離狀態(tài)。由于下煙槽中的廢煙支朝向不同，推煙桿從煙支濾嘴端推出廢煙支時(shí)過程順利，煙支雜亂概率較低；而從燃燒端推出廢煙支時(shí)，煙支容易折斷并卡在下煙槽中，進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行效率。此外，推煙桿和齒形帶等運(yùn)動件之間的配合采用氣缸驅(qū)動，排序裝置長時(shí)間運(yùn)行后，受氣源波動、密封件老化等因素影響，氣動執(zhí)行件容易出現(xiàn)輸出力不足、動作不平穩(wěn)等問題，導(dǎo)致煙支落入下煙槽、煙支從下煙槽間歇移出和輸送皮帶間歇動作，三者之間因不同步而產(chǎn)生干涉，從而造成故障停機(jī)。

圖1 廢煙支排序裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of collation device

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為避免因煙支朝向不同而造成下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞，以煙支柱面為受力區(qū)域，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于不同朝向煙支的開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)，見圖2。開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)可上下移動且下煙槽（2）底部安裝有開關(guān)板（6），為配合改進(jìn)后下煙機(jī)構(gòu)運(yùn)動及煙支釋放方式，將齒形帶（3）調(diào)整至下煙槽正下方。廢煙支釋放至齒形帶凹槽前，開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動至最低點(diǎn)（下煙槽底面距離齒形帶頂面1～2 mm）并打開開關(guān)板，避免煙支下落時(shí)散亂；下煙槽中最底層煙支下落至齒形帶凹槽后，開關(guān)板關(guān)閉同時(shí)下煙機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動，避免下煙機(jī)構(gòu)干擾凹槽中煙支隨齒形帶向前運(yùn)動；下煙機(jī)構(gòu)上升至最高點(diǎn)后停止，等待齒形帶凹槽中煙支被輸送至下一工序，同時(shí)空凹槽運(yùn)動至下煙機(jī)構(gòu)下方，開始新一批次煙支單獨(dú)釋放過程。下煙過程中，齒形帶的間歇運(yùn)動、下煙機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動以及開關(guān)板的開合運(yùn)動需要相互配合才能避免發(fā)生干涉行為。為此，采用凸輪傳動機(jī)構(gòu)代替氣缸驅(qū)動控制下煙機(jī)構(gòu)、開關(guān)板；采用平行凸輪分割器驅(qū)動齒形帶做間歇運(yùn)動，各運(yùn)動件的運(yùn)動方式及時(shí)序控制見圖3。

圖2 開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of flapper-type cigarette hopper

圖3 下煙機(jī)構(gòu)、開關(guān)板、齒形帶運(yùn)動方式及時(shí)序控制圖Fig.3 Movement modes and sequential control of cigarette hopper,flapper and tooth timing belt

2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動齒形帶、下煙機(jī)構(gòu)以及開關(guān)板運(yùn)動的傳動系統(tǒng)由電機(jī)、左右凸輪及其從動件、上下凸輪及其從動件、平行凸輪分割器等部分組成，見圖4。上下凸輪（5）和左右凸輪（4）通過傳動軸（3）串聯(lián)，由電機(jī)（1）通過同步帶（10）和傳動軸組成的連接機(jī)構(gòu)完成不間斷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；隨著上下凸輪和左右凸輪同步轉(zhuǎn)動一周，下煙機(jī)構(gòu)在上下凸輪從動件（7）的帶動下完成“降-停-回-?！敝芷谶\(yùn)動，開關(guān)板（9）在左右凸輪從動件（6）以及連桿（8）的帶動下完成“閉-開”周期運(yùn)動。齒形帶由電機(jī)驅(qū)動平行凸輪分割器（2）完成“運(yùn)動-停止”間歇運(yùn)動，一個(gè)運(yùn)動周期與凸輪轉(zhuǎn)動一周時(shí)間相同。如圖4b所示，凸輪組件采用槽凸輪結(jié)構(gòu)，從動件上通過軸承安裝的滾子（11）置于凸輪凹槽中，依靠凹槽兩側(cè)的輪廓曲線與凸輪始終保持接觸。為延長凸輪使用壽命，凸輪及從動件滾子采用工具鋼20CrMnTi材質(zhì)，工件接觸表面采用滲碳淬火至洛氏硬度56～62 HRC，滲碳層深度為0.8～1.5 mm。

圖4 傳動系統(tǒng)及凸輪組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of drive system and cam component

2.2.2 凸輪凹槽輪廓曲線設(shè)計(jì)

根據(jù)下煙機(jī)構(gòu)和開關(guān)板的運(yùn)動位置和時(shí)間要求，分析上下和左右兩組凸輪在一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)（一個(gè)運(yùn)動周期時(shí)間為T）的運(yùn)動行程，從而確定凸輪凹槽輪廓曲線［9-11］。①上下凸輪。如圖5a所示，在啟動位置開始時(shí)，凸輪帶動下煙機(jī)構(gòu)整體下降，下降持續(xù)時(shí)間為T/12（凸輪轉(zhuǎn)動角度30°），在最低點(diǎn)停留時(shí)間為T/3（120°）；然后凸輪帶動下煙機(jī)構(gòu)整體上升，上升持續(xù)時(shí)間為T/12（30°），在最高點(diǎn)停留時(shí)間為T/2（180°）。②左右凸輪。如圖5b所示，在啟動位置時(shí)，開關(guān)板保持關(guān)閉狀態(tài)，凸輪轉(zhuǎn)動T/18（20°）后帶動開關(guān)板打開，打開動作持續(xù)時(shí)間為T/12（30°），打開狀態(tài)保持時(shí)間為2T/9（80°）；然后凸輪帶動開關(guān)板關(guān)閉，關(guān)閉動作持續(xù)時(shí)間為T/12（30°），關(guān)閉狀態(tài)保持時(shí)間為5T/9（200°）。

圖5 凸輪轉(zhuǎn)動角度（φ）與從動件位移（S）對應(yīng)圖Fig.5 Corresponding diagram between cam rotation angle and follower displacement

根據(jù)凸輪轉(zhuǎn)動角度與從動件運(yùn)動規(guī)律，利用Solidworks軟件（法國達(dá)索公司）的凸輪生成工具建立凸輪模型，并根據(jù)凸輪運(yùn)動行程設(shè)計(jì)運(yùn)動角度，利用軸孔鍵槽確定運(yùn)動啟動位置，凸輪3D模型見圖6。凸輪從動件的運(yùn)動規(guī)律有等速運(yùn)動（直線運(yùn)動）、等加速等減速運(yùn)動（拋物線運(yùn)動）、簡諧運(yùn)動（余弦加速度運(yùn)動）、擺線運(yùn)動（正弦加速度運(yùn)動）、五次多項(xiàng)式運(yùn)動等。為防止凸輪過度磨損而影響使用壽命，應(yīng)避免出現(xiàn)加速度突變和柔性沖擊等問題。因此，根據(jù)下煙機(jī)構(gòu)“降-停-回-?！钡倪\(yùn)動規(guī)律采用擺線運(yùn)動方式，使凸輪及其從動件的運(yùn)動更加平穩(wěn)。凸輪凹槽輪廓曲線見圖7。

圖6 凸輪3D模型圖Fig.6 Three dimensional models of cams

圖7 凸輪凹槽輪廓曲線Fig.7 Profile curves of grooves of cams

2.3 運(yùn)動仿真分析

利用Soldworks 軟件的Motion 模塊對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，輸出上下凸輪滾子質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動性能（位移、速度、加速度）曲線［12-14］，見圖8?？梢姡瑵L子質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動曲線均較為平滑，對凸輪工作面的沖擊力較小，說明凸輪輪廓線符合設(shè)計(jì)要求。利用相同方法分析左右凸輪滾子質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動性能曲線，同樣驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的凸輪輪廓線符合要求。

圖8 上下凸輪滾子的運(yùn)動參數(shù)曲線Fig.8 Motion parameter curves of upper and lower cam rollers

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（純境）”牌卷煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢煙支（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：FY117型廢煙支處理機(jī)（常德瑞華制造有限責(zé)任公司）。

方法：FY117型廢煙支處理機(jī)運(yùn)行速度為1 333支/min，運(yùn)行時(shí)間6 h/班次。排序裝置改進(jìn)前后，各統(tǒng)計(jì)6班次下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞次數(shù)和廢煙支處理量，根據(jù)公式（1）計(jì)算設(shè)備運(yùn)行效率，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，排序裝置改進(jìn)后FY117型廢煙支處理機(jī)下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞次數(shù)由10次/班次降低至0.5次/班次，設(shè)備運(yùn)行效率由75%上升至90%，有效提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

表1 排序裝置改進(jìn)前后FY117型廢煙支處理機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)①Tab.1 Operation data of FY117 waste cigarette processor before and after modification

4 結(jié)論

基于FY117型廢煙支處理機(jī)設(shè)計(jì)了一種開關(guān)式下煙機(jī)構(gòu)，解決了排序裝置中因煙支朝向不同而導(dǎo)致的下煙槽堵塞問題；為避免設(shè)備運(yùn)行過程中下煙機(jī)構(gòu)、開關(guān)板和齒形帶等發(fā)生干涉，采用凸輪傳動方式代替氣缸傳動方式驅(qū)動各運(yùn)動件按時(shí)序控制要求運(yùn)動。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境）”牌卷煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：排序裝置改進(jìn)后下煙機(jī)構(gòu)煙支堵塞次數(shù)由10 次/班次降低至0.5 次/班次，設(shè)備運(yùn)行效率由75%提高至90%，有效提高了廢煙支處理機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。