煙梗開包機倒料過程的分析與實踐

徐榮華　張國平　方利梅　高雪峰　安浩　楊浩

摘 要：在卷煙生產(chǎn)企業(yè)制梗絲生產(chǎn)線投料端，越來越多的企業(yè)采用了自動化設(shè)備-煙梗開包機代替了傳統(tǒng)的人工上包、開口、倒料的投料模式，并獲得了良好的現(xiàn)場環(huán)境、很低的勞動強度等效果。但是，由于各企業(yè)采用的生產(chǎn)配方不同，原料的產(chǎn)地也不相同，造成原料包裝不同且包裝形式雜亂，部分產(chǎn)地原料包裝情況使得煙梗開包機出現(xiàn)了倒料動作的失敗，失去了自動化的意義。該文針對煙梗開包機倒料過程中所采用的機械結(jié)構(gòu)、自動化控制方式，結(jié)合氣缸的工作原理，對產(chǎn)生倒料動作失敗的原因進行分析，并將分析后的方法應(yīng)用于對設(shè)備的調(diào)整，得出一種適應(yīng)不同包裝形態(tài)原料的控制方式。

關(guān)鍵詞：煙梗投料 煙梗開包機 氣缸 氣缸原理 氣缸勻速運動

中圖分類號：TS4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0072-03

在卷煙生產(chǎn)企業(yè)制梗絲生產(chǎn)線中，煙梗原料多采用麻袋進行包裝，每袋重25～50 kg不等。當(dāng)需要將原料投入生產(chǎn)線時，需要由人工進行搬運、開口并將麻袋的煙梗倒進第一級設(shè)備。相比傳統(tǒng)的煙梗人工喂料方式帶來的工人勞動強度過大和對現(xiàn)場環(huán)境粉塵污染嚴重的情況，采用煙梗開包機將煙梗向生產(chǎn)線投料的方式，可自動完成麻袋的搬運、開口、倒料過程，從而有效避免以上問題，并使生產(chǎn)現(xiàn)場工作流程更加有序、生產(chǎn)線自動化程度得到一定的提高。但是，國家行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有將包裝煙梗用麻袋像制葉絲線包裝片煙用煙箱進行尺寸、外形、包裝方式等方面的統(tǒng)一規(guī)定，各復(fù)烤企業(yè)在現(xiàn)階段向卷煙生產(chǎn)企業(yè)提供的原料包裝形態(tài)并不相同。由于生產(chǎn)采用的配方不同，使得不同產(chǎn)地、不同等級的梗包在同一批次生產(chǎn)流程內(nèi)進入了煙梗開包機進行處理，導(dǎo)致煙梗開包機出現(xiàn)了整包掉落、空麻袋掉落等問題，不能滿足功能要求，也因此需要人工進行干涉，從而影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和自動化程度。

1 狀況描述

該文主要就浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠的制梗絲原料的包裝情況，對煙梗開包機在倒料過程出現(xiàn)的掉落狀況進行描述和分析。制梗絲原料共來自4個產(chǎn)地，此稱為A、B、C、D4個產(chǎn)地，均采用麻袋進行包裝，包裝情況統(tǒng)計如表1所示。

從表1內(nèi)可看出，各產(chǎn)地原料的包裝尺寸、外形、封口方式均不相同，同一產(chǎn)地的原料在包裝時也存在了不同的情況。在生產(chǎn)過程中，除B產(chǎn)地原料生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定外，其余3個產(chǎn)地的原料都產(chǎn)生了不同程度的生產(chǎn)中斷。

2 分析與實踐

2.1 倒料原理

如圖1所示，2-輸送帶將開口后的7-等待倒料的梗包向前輸送，經(jīng)1-勾包檢測光電管檢測后延時停止在待倒料位置，部分8-灑落煙梗會提前從包裝內(nèi)落下，以減少倒料負載。倒料機構(gòu)由4-插包臂、5-驅(qū)動氣缸、6-支撐主軸組成，5-驅(qū)動氣缸的氣缸桿在初始狀態(tài)為伸出狀態(tài)，4-插包臂回繞6-支撐主軸旋轉(zhuǎn)抬起等待梗包通過；當(dāng)氣缸桿縮回時，插包臂沿圖示弧線運動，插包臂頭端進入麻袋內(nèi)部勾住麻袋，插包臂將麻袋提起，同時2-輸送帶在插包臂頭端進入梗包后啟動輔助氣缸動作。

2.2 分析調(diào)整

由于前端的自動開口機械機構(gòu)無法完全模擬人工的割斷繩頭、抽繩解口、解開扎口團的動作，采用的是旋轉(zhuǎn)切割方式。如果切割封口端，會產(chǎn)生麻袋碎片、麻繩等雜物，同時由于封口時卷疊的麻袋層較厚會導(dǎo)致開口不連續(xù)影響卸料和扎口團纏繞導(dǎo)致的開口部件故障等問題，帶有扎口團的封口端也因此成為了倒料時插包臂進入的部位。由于梗包停止位置由光電管從接收信號到失去信號控制，所以梗包的長短并不影響勾包氣缸動作的時間。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，A、C、D3個產(chǎn)地的原料主要由于不同長度的扎口團干擾了光電管，使得光電管在包裝本體通過后，仍判斷梗包未完全通過，導(dǎo)致梗包停止位置不在同一位置范圍，出現(xiàn)了當(dāng)停留在較遠位置時插包臂頭端進入麻袋較少和勾到了較厚的麻袋層卷疊部位的情況，從而導(dǎo)致當(dāng)輸送帶啟動后出現(xiàn)了插包臂頭端進入量減少甚至脫落的情況，從而導(dǎo)致了麻袋的掉落。

由于輸送帶采用的是直插式減速機驅(qū)動、無變頻控制，輸送速度無法降低，只能增加插包臂頭端進入麻袋內(nèi)的深度，因此我們將氣缸桿縮回的速度進行了提高。當(dāng)速度提高后，出現(xiàn)了麻袋從輸送帶上被推落的情況。按圖1內(nèi)運動軌跡，我們發(fā)現(xiàn)掉落梗包的停留位置出現(xiàn)在了插包臂運動弧線的最低點附近。綜合考慮表1內(nèi)統(tǒng)計的麻袋外形狀況，我們決定將麻袋停止時間提前，使插包臂頭端從包裝貼進尾端的上表面進入。此種方法改善了A、C、D產(chǎn)地原料在倒料過程中的掉袋情況，但仍有大部分麻袋出現(xiàn)了在完全提起后空麻袋從插包臂頭端脫落的情況以及B產(chǎn)地包在原料在提起的過程中從插包臂頭端脫落的情況。對此，我們調(diào)整了氣缸終位時的緩沖，以求減小氣缸桿完全縮回時產(chǎn)生的沖擊，結(jié)果由于速度較快，氣缸桿在到達終位前出現(xiàn)了抖動，仍出現(xiàn)了速度的下降，空麻袋仍從插包臂頭端脫落；而且，B產(chǎn)地原料仍在提起倒料過程中脫落麻袋。

綜合上述考慮，我們決定將氣缸速度降低，以解決A、C、D產(chǎn)地原料終點位置時的速度下降過多導(dǎo)致的空麻袋掉落問題和B產(chǎn)地在提起過程中的脫落情況。因此，保證氣缸速度降低后插包臂頭端進入麻袋內(nèi)的深度是需要解決的問題。鑒于此種結(jié)構(gòu)內(nèi)使用的驅(qū)動源為雙作用單桿氣缸，我們對氣缸的工作過程進行了探討，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)插包臂頭端需要進入麻袋時，氣缸桿進行縮回動作。壓縮空氣從2-頭端進排氣口進入3-氣缸頭腔，缸體內(nèi)原有壓縮空氣經(jīng)5—尾端進排氣口流出，3-氣缸頭腔和4-氣缸尾腔產(chǎn)生了壓力差，產(chǎn)生了拉力，并推動1-活塞桿移動。忽略活塞桿的直徑，產(chǎn)生的拉力F=P1S-P2S，其中P1為氣缸頭腔內(nèi)的空氣壓力，P2為氣缸尾腔內(nèi)的空氣壓力，S為活塞面積。產(chǎn)生的拉力又可表述為F=ma，其中m為負載質(zhì)量，a為使負載產(chǎn)生的加速度。由上述公式來看，隨著氣缸尾腔的空氣排出，壓力下降，氣缸活塞桿會對物料產(chǎn)生拉力，當(dāng)拉力大于負載后，氣缸活塞桿會產(chǎn)生變加速運動。由于在提起倒料過程中，煙梗會從麻袋內(nèi)倒出，相對于氣缸桿的負載會大幅減少，氣缸活塞桿的加速度會進一步增大，這也導(dǎo)致了在提起倒料的終點位置時速度很大。上述也可佐證，當(dāng)B產(chǎn)地原料相對其他3個產(chǎn)地原料停止位置靠前時，相比其他3個產(chǎn)地原料會提前接觸插包臂，從而阻礙了插包臂的運動，使得此時氣缸尾腔的壓力下降較多；當(dāng)插包臂的運動軌跡不再受到阻礙時，啟動速度較大，導(dǎo)致在提起倒料過程中的脫落。

由于氣體具有可壓縮性，氣缸尾腔內(nèi)的壓縮空氣在連接大氣后出現(xiàn)的壓力下降，可由氣缸活塞向尾端的移動進行壓縮后再次上升，從而減慢對活塞桿拉力的變化速度。但當(dāng)前采用的通過排氣調(diào)速提高氣缸速度的方法，氣缸尾腔內(nèi)的壓縮空氣順利排出并不能很好地保證氣缸頭腔和尾腔的壓力差。

綜上所述，為避免扎口團對插包臂頭端進入包裝內(nèi)的影響，將全部原料停止時間提前，在插包臂受到阻礙的位置進行動作保持，將氣缸尾端排氣頭減小，但留給足夠時間排氣形成壓力差，從而使插包臂頭端獲得一定的進入深度。但是需要考慮氣缸活塞桿受到阻礙時，尾端壓力對麻袋提起速度的影響，即能否對后端氣體進行壓縮，不產(chǎn)生加速度的大幅增加。由于沒有收集到相關(guān)資料，筆者并沒有計算出準(zhǔn)確結(jié)果，此處提出的計算過程僅供參考和指正。我們認為，當(dāng)插包臂運動軌跡受到梗包的阻礙后，氣缸活塞桿停止運動，氣缸頭腔壓縮空氣壓力應(yīng)為0.6 MPa（供應(yīng)壓力），由于插包臂本身結(jié)構(gòu)，只要產(chǎn)生壓差，插包臂就會產(chǎn)生運動，可假設(shè)運動過程中對氣缸后腔空氣進行了壓縮，在插包臂被梗包阻礙停止后，氣缸尾腔內(nèi)的壓力也為0.6 MPa。根據(jù)伯努力方程應(yīng)用公式P=0.5ρv2（P為空氣動壓力，v為氣體流動速度）計算出氣缸后腔向外排出的空氣流速，再使用Q=vs（v為氣體流動速度，s為排出口截面積）計算出空氣流量，接著根據(jù)氣體體積的減少計算質(zhì)量的減少，最后根據(jù)P/m=C（P為實際壓力，m為氣缸后腔體積內(nèi)的空氣質(zhì)量，C為常數(shù)）。由于氣缸后腔內(nèi)的壓力和空氣密度隨著空氣的排出在下降，排出的速度也隨之下降，筆者未能計算出后腔內(nèi)的壓力與時間和排出口截面積的關(guān)系。另外，當(dāng)氣缸運動后，由于壓縮空氣流動速度很快，假設(shè)氣缸頭腔內(nèi)的壓力很快達到即保持0.6 MPa，根據(jù)玻意耳-馬略特定律公式計算一定的運動距離對氣體的壓縮情況，但由于壓縮空氣同時在排出且隨內(nèi)部壓力變化排出速度也在變化，并不符合玻意耳-馬略特定律對一定質(zhì)量理想氣體的前提條件要求。

對此，我們只能采用實驗的方法，先將氣缸速度調(diào)至較低工況。在較低速度的情況下，需保持較長時間才能使插包臂頭端進入包裝內(nèi)一定深度，同時在輸送帶啟動后由于輸送帶和插包臂運動的速度差，插包臂頭端會從包裝內(nèi)脫落。經(jīng)過多次調(diào)整氣缸速度和停止時間，我們確定的最終控制方式為將輸送帶停止時間提前，即麻袋停止等待倒料的位置提前使插包臂進入點避開尾部位置而從尾端上表面進入，延遲時間啟動輸送帶使插包臂頭端進入一定深度后，采用步進輸送帶的控制方式保證插包臂頭端在提起倒料前仍保持一定的進入深度。

3 結(jié)語

綜上所述，針對包裝形式雜亂的制梗絲線原料，通過對控制方式的調(diào)整，利用氣缸前后腔壓力差，在不改動當(dāng)前結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上成功地完成了煙梗開包機的倒料動作。但是，氣缸內(nèi)部的壓力變化過程較為復(fù)雜，使用氣缸作為驅(qū)動源并不是最合適的選擇，使用帶有變頻控制的電機控制插包臂的效果應(yīng)會優(yōu)于氣缸。

參考文獻

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