片煙裝箱翻包機翻轉體控制及液壓系統的改進

王德吉，王志國，謝 建，劉俊峰

1.中國煙草總公司職工進修學院，鄭州市鑫苑路7號 450008

2.河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠，河南省南陽市新華東路6號 473000

3.河南中煙工業有限責任公司黃金葉制造中心制絲車間，鄭州經濟技術開發區第三大街9號 450016

片煙裝箱翻包機翻轉體控制及液壓系統的改進

王德吉1，王志國2，謝 建3，劉俊峰3

1.中國煙草總公司職工進修學院，鄭州市鑫苑路7號 450008

2.河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠，河南省南陽市新華東路6號 473000

3.河南中煙工業有限責任公司黃金葉制造中心制絲車間，鄭州經濟技術開發區第三大街9號 450016

為解決片煙裝箱翻包機在翻包過程中，翻轉體出現抖動，且液壓油溫及驅動電機機殼溫度偏高等問題，采用基于先驗知識的LS-SVM(Least Squares Support Vector Machines)理論，對皮帶輸送機定位方式進行了優化。利用PLC編程對翻轉體控制系統進行改進，采用軸流風機和壓縮機制冷技術對電機和液壓油分別進行冷卻處理，重新調整液壓系統的工作壓力。結果表明：改進后消除了液壓缸向外滲油和翻轉體抖動現象，翻轉體對油缸活塞桿支撐區域出現的開裂現象由3～4次/年減少為0，電機機殼溫度由65℃降至44℃，液壓油溫由55℃降至37℃左右，有效降低了設備故障率，提高了設備運行的可靠性和安全性。

片煙裝箱翻包機；翻轉體；支持向量機（SVM）；抖動；液壓系統；油溫

片煙裝箱翻包機應用于卷煙廠制絲線的片煙預處理段［1］，主要是將上游設備輸送的空箱準確定位到輥道輸送機上，并將卸去托盤、鋼帶、木夾板的煙包進行裝箱和90°翻轉，翻轉后的煙包底面向上。片煙經過裝箱翻包工序后，可方便垂直分片機對片煙進行松散，提高真空回潮后片煙的回透率。但片煙裝箱翻包機在使用過程中存在一些問題，如液壓油缸向外滲油、液壓油溫及其驅動電機的外殼溫度過高、翻轉體在翻轉過程中出現抖動、翻轉體對油缸活塞桿的支撐區域頻繁出現開裂現象等，從而導致設備故障停機。陳猛［2］分析對比了片煙裝箱翻包機回轉架結構（即翻轉體）的疲勞壽命和使用壽命；曹廣文［3］分析了液壓油溫過高原因并提出了降溫措施，但上述研究未能解決翻轉體出現抖動和裂縫等問題。支持向量機（Support Vector Machine，SVM）是 Vapnik 等［4-5］于1995年首先提出，在解決小樣本、非線性及高維模式識別中具有許多獨特優勢。SVM的主要思想可概括為線性可分和線性不可分兩種情況。對于線性不可分情況，通過使用非線性映射算法將低維輸入空間線性不可分的樣本轉化為高維特征空間使其線性可分，從而使高維特征空間可以采用線性算法對樣本的非線性特征進行分析。為此，在SVM［6-11］基礎上提出了基于先驗知識的LS-SVM（Least Squares Support Vector Machines）理論［12］，并通過PLC編程［13-14］及調整液壓系統［15］的壓力輸出等方法，對片煙裝箱翻包機的翻轉體控制及液壓系統進行優化及改進，以解決上述問題，提高設備安全運行水平，降低維修強度。

1 問題分析

片煙裝箱翻包機主要由翻轉體、液壓系統等部分組成，見圖1。翻轉體安裝在設備底座上，主要由轉軸、AB兩面相互垂直的矩形框構成，帶導向槽的A面矩形框上安裝了具有移動功能的皮帶輸送機；B面矩形框上安裝有輥道輸送機，翻轉體可繞轉軸作90°翻轉。液壓系統由液壓泵站、溢流閥、比例換向閥、平衡閥、風冷裝置及液壓油缸等元器件構成，共有2個液壓油缸，分別安裝在翻轉體的左右兩側，液壓油缸的一端以底座框架為支撐，另一端以翻轉體A面框為支撐，當油缸的活塞桿伸出時，翻轉體做翻轉動作，翻轉體B面框內的輥道輸送機由垂直狀態轉變為水平狀態，即輥道放平；當油缸的活塞桿縮回時，翻轉體A面框內的移動式皮帶輸送機由垂直狀態恢復到水平狀態，為下一次裝箱翻包動作做準備。

圖1 片煙裝箱翻包機結構示意圖

片煙裝箱翻包機在運行過程中，經常會出現異常現象：①在翻包過程中，翻轉體出現連續抖動現象；翻轉體對油缸活塞桿的支撐區域出現開裂，且裂縫逐漸擴大，最終導致翻轉體無法翻轉，造成生產中斷。裂縫焊接后，經過一段時間的使用，新的裂縫再次出現。②翻轉體在翻轉過程中，液壓系統的工作壓力達1.5×107Pa，油缸內油溫上升至60℃左右，而設備本身的液壓油風冷裝置無法使油溫保持在40℃以下，造成液壓油黏度下降，液壓系統出現泄露現象。液壓油溫度繼續升高，會導致液壓油缸損壞。③液壓系統驅動電機功率為7.5 kW，起動電流超過20 A，在片煙裝箱翻包機每個工作周期的開始，電機都要重新起動。電機的頻繁啟動，使電機外殼溫度高達65℃，定子線圈溫度在70℃左右，造成線圈絕緣性能降低，轉子軸承內潤滑狀況惡化。

2 改進方法

根據設備運行原理，皮帶輸送機在片煙裝箱過程中，所處位置不同會導致液壓系統的負荷發生變化。對液壓系統負荷進行優化，可以減少系統消耗，延長設備使用壽命，提高動力輸出能力。液壓系統負荷的優化問題，亦可視為皮帶輸送機定位優化的問題。而皮帶輸送機定位問題屬于小樣本［16］回歸，為此引入SVM理論，對其進行優化處理。

2.1 SVM回歸算法

針對皮帶輸送機定位優化問題，鑒于已知信息無法應用于傳統的SVM，在本研究中應用了基于先驗知識的LS-SVM。先驗知識是指對于學習任務除訓練數據外可得到的所有信息，涵蓋范圍很廣。人工智能領域的學者將先驗知識引入SVM分類模型中，主要有兩個研究方向：①選擇特定背景知識下的核函數；②直接把先驗知識引入SVM分類器中，包括直接在訓練樣本中引入先驗知識屬性，然后統一通過SVM表示。本研究中基于后者，使先驗知識耦合于SVM，其表達形式為［17］：

2.2 抖動實驗

利用泰克實時示波器配合TDSJIT3抖動分析軟件［18-19］，對 FJ718Y406103 型裝箱翻包機進行抖動測試和分析。由圖1b所示，以檢測開關SQ1.5A103所處位置為起點，設SQ1.1A103與SQ1.5A103距離為xi，xi在1.0～2.0 m 范圍內分別取 10個數據，通過實驗測得翻轉體翻轉過程中的抖動角y，結果見表1。

表1 檢測開關SQ1.1A103、SQ1.5A103之間距離與翻轉體抖動角的關系

應用表1數據作為訓練數據，根據先驗知識0≤y（xi）≤6和SVM，選擇徑向基函數（RBF）作為核函數，包含寬度參數δ和C。由于基于先驗知識選擇參數，會導致不同數據對先驗知識適應程度不同。為此，采用動態調整優化參數，即用先驗知識固定第1個參數，用列舉法確定第2個參數，然后再固定已優化的參數確定第1個參數，最后將優化后的第2個參數在各自鄰域內驗證其最優性。在選定核函數和SVM參數后，輸入樣本集求得Lagrange乘子ai（i，…，l）和偏置b，從而確定預測函數 y（x）=WTφ（x）+b。根據函數，確定抖動角最小值對應的xi為1.5 m。

2.3 改進措施

（1）應用上述訓練結果，對檢測開關SQ1.1A103的位置進行重新定位，使檢測開關SQ1.5A103、SQ1.1A103之間的距離為1.5 m，以獲得最小的抖動角。

（2）根據SQ1.5A103、SQ1.1A103之間的距離，確定翻轉檢測開關SQ1.4A103位置，并利用PLC編程對移動式皮帶輸送機的移動功能控制方式進行改進，見圖1b。移動式皮帶輸送機的移動功能主要通過電機M103-1的正反轉來實現，正轉使皮帶輸送機前移，反轉使其后退。改進前，翻轉體無論是靜止還是翻轉狀態，電機M103-1的正轉或反轉都可激活；改進后，當翻轉體處于靜止且翻轉檢測開關SQ1.4A103被觸發時，電機M103-1的正轉或反轉才被激活；翻轉體處于靜止且輥道放平檢測開關SQ1.3A103被觸發時，電機M103-1的反轉才被激活；翻轉體在翻轉過程中，電機M103-1的正轉或反轉均被禁止。

（3）根據電機M103-1的正轉或反轉情況，分別對液壓油和電機進行降溫，改進后冷卻裝置見圖2。利用壓縮機制冷技術，將液壓站內的高溫液壓油引入油溫精密控制裝置，根據SQ1.5A103、SQ1.1A10的距離，將油溫控制在設定值±4℃范圍內，液壓油經冷卻后，重新引回液壓站內；利用風冷技術，在液壓系統驅動電機的尾部增加一臺高轉速軸流風機，生產過程中保持連續運轉，使電機機殼溫度保持在一定范圍內。

（4）根據油溫控制在設定值±4℃范圍內的要求，對每只油缸兩個腔體的背壓腔壓力進行調整，通過調整平衡閥使油缸處于臨界動作狀態；將溢流閥的設定壓力從1.5×107Pa降低至0.9×107Pa，調整調速閥的開度，實現兩油缸活塞桿動作同步。

圖2 改進后冷卻裝置結構示意圖

3 結論

應用支持向量機SVM優化皮帶輸送機的定位，并對翻轉體控制和液壓系統進行改進后，片煙裝箱翻包機實際運行狀況良好，性能穩定可靠，液壓缸向外滲油和翻轉體抖動現象徹底消除，翻轉體對油缸活塞桿支撐區域出現的開裂現象由3～4次/年減少為0，電機機殼溫度由65℃降至44℃，液壓油溫度由55℃降至37℃左右，降低了設備故障率，提高了設備運行的安全性和可靠性。

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Improvement of Control and Hydraulic System for Turnover Body in Strips Case Filling and Tipping Machine

WANG Deji1,WANG Zhiguo2,XIE Jian3,and LIU Junfeng3
1.Staff Development Institute of CNTC,Zhengzhou 450008,China
2.Nanyang Cigarette Factory,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Nanyang 473000,Henan,China
3.Golden Leaf Production and Manufacturing Center,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China

As a solution to the dithering of turnover body and high temperatures of hydraulic oil and driving motor,the positioning means of belt conveyor was optimized by a prior knowledge based LS-SVM(Least Square Support Vector Machine)theory.The control system for turnover body was improved by PLC programming;motor and hydraulic oil were cooled by axial flow fan and compressor refrigeration technology respectively;and the working pressure of hydraulic system was readjusted.The results showed that after improvement,the leakage of hydraulic oil and the dithering of turnover body were eliminated,the cracking in the supporting area of turnover body to the piston rod of oil cylinder decreased from 3-4 times/year to 0,the temperature of motor lowered from 65 to 44℃and that of hydraulic oil lowered from 55 to 37℃.The failure rate of equipment was effectively reduced,while the reliability and safety of equipment running were promoted.

Strips case filling and tipping machine;Turnover body;Support vector machine(SVM);Dithering;Hydraulic system;Oil temperature

TS431

B

1002-0861（2015）12-0092-04

10.16135/j.issn1002-0861.20151215

2014-10-08

2015-05-11

王德吉（1975—），博士后，高級講師，主要從事工業自動化教學與研究。E-mail：wangdeji@aliyun.com

王德吉，王志國，謝建，等.片煙裝箱翻包機翻轉體控制及液壓系統的改進設計［J］.煙草科技，2015，48（12）：92-95.WANG Deji,WANG Zhiguo,XIE Jian,et al.Improvement of control and hydraulic system for turnover body in strips case filling and tipping machine[J].Tobacco Science&Technology,2015,48(12)：92-95.

責任編輯 曹 娟