自動換卷機構的方案選擇與設計

（集美大學 輪機工程學院，廈門 361021）

0 引言

隨著二胎放開，新生兒數量增加，以及老齡化進程加速，我國對成人和兒童紙尿褲需求量日益增大[1,2]，導致近年來紙尿褲設備的生產廠家急劇增加，尤其泉州地區。由于起步晚，研發投入不足，與國外的生產線廠家如日本的瑞光公司、意大利的吉地美公司有較大的距離。

不停機自動換卷是紙尿褲生產線的核心技術之一[3]。每條紙尿褲生產線上布設多達6組以上的自動放卷單元[4～6]，每組放卷單元有一套自動換卷機構。各放卷單元的物料卷幅面寬度不一致，壓、切、接合機構大小甚至形狀也不一致，屬于非標類單件生產型式，造價高，寬幅面換卷時間長。本文提出了兩個新的方案，與目前使用的方案進行分析比較，針對不同材質和幅面，選擇合理的自動換卷方案并進行設計。

1 自動放卷的作用和性能要求

造紙、衛品、印刷包裝等行業設備要實現連續不停機生產，自動換卷機構是必不可少的[7～10]。目前紙尿褲生產線速度大都超過250m/min，這就要求換卷速度要快。圖1是自動放卷示意圖，物料卷A、卷B均拉到自動放卷機構中。若A卷運行，則物料卷B的頭部拉到接合部對應的地方，并在物料卷B的頭上貼著雙面不干膠。料卷A用完，啟動控制裝置，壓住物料A，接合氣缸伸出接合料A、B，切斷A，料卷B切入運行。圖中的儲料架，主要用途是保證換卷時輸送輥連續不停機向生產線供料。

圖1 自動換卷示意圖

換卷要求是快速、可靠，料尾浪費盡量少。由于機械運動時差，從控制命令發出到執行完命令，需要一定的時間，一般超過0.3s，對于速度為600片/min拉拉褲（合作廠家生產的XXL碼，每條長0.53m左右，0.53×10×0.3=1.59m），則換卷過程中儲料架料長縮短了1.59m以上。對于幅面寬度超過500mm的料卷，直接采用現有的剪刀式兩切刀對切，0.3s時間是難以保證的，必須把儲料架做大。恒張力控制是紙尿褲、造紙、印刷等工業領域的基本要求[11～13]，換卷過程快速性差，增大了恒張力控制的難度。

2 現有的自動換卷機構

圖2是目前紙尿褲生產線上常用的自動換卷機構。采用5個氣缸實現壓料、接合、切斷。切斷采用剪刀式結構，上、下刀有一小角度，下刀不動，上刀由氣缸推動往下運行，要求上、下刀兩刀面緊貼，有縫隙會產生無紡布擠在兩刀之間未切斷。對刀的加工和裝配有較高的要求。

圖2 全氣缸式換卷方案

對于寬幅面的物料，這種方案難以做到。目前采用無桿氣缸拉著刀片進行切割寬幅面物料，無桿缸的價格昂貴。在成人紙尿褲或經期褲生產線上，有幅面達到1m左右，普通1m行程的無杠缸，實際推力20kg左右的SMC MY 1B32-1000的報價3500元以上，一臺自動換卷機構，需要2個長行程的無桿缸，造價昂貴。即使使用昂貴的高速的無杠缸，切割時間也達到秒級，儲料架必須做大，增強儲料功能。

3 新型的自動換卷機構

3.1 氣缸加電機式自動換卷機構

圖3是氣缸加電機式自動換卷結構，壓料、接合仍采用氣缸，切斷采用15W的交流電機或直流電機作為動力，電機正/反轉拖動固定在同步帶上的刀片機構前/后運動，切斷壓住的無紡布。這種結構造價較無桿缸便宜得多，且速度可以根據需要改變。電機拖動的刀片可以采用現成的筆紙刀片，刀片成本低廉，切斷可靠。缺陷是結構復雜一些，必須在兩頭布上光耦檢測刀片到位與否。速度過快，還有一定的過沖，必須把光耦擋片做長點。

與上述方案相比，電控的輸入點數增加4個（料A、料B切刀運行的限位光耦），增加輸出點2個（2個電機正反轉，需要4個輸入點進行控制，上述方案只需要用2路控制兩個切刀氣缸）。窄幅面（寬度≤200mm）的自動換卷機構，氣缸剪刀式的切斷機構加工裝配要求不是很苛刻，氣缸加電機式的自動換卷機構沒有成本和可靠性方面優勢。對于大于500mm幅寬的自動換卷機構，優勢是明顯的。

圖3 氣缸加電機式換卷方案

3.2 氣缸加熱切式自動換卷機構

圖4是氣缸加熱切式的自動換卷方案。由氣缸推動的上壓塊上布設著φ1.0的圓的鎳鎘絲，通入AC24V交流電加熱切斷無紡布，結構簡單可靠，解決了剪刀式無紡布擠入刀縫的問題。壓住無紡布氣缸動作之前即可加熱，壓住無紡布的同時也切斷無紡布，實現壓住、接合、切斷同時動作，換卷速度最快。

圖4 氣缸加熱切式換卷方案

熱切方式機構最為簡單，但切斷處有受熱糾縮的問題。在紙尿褲生產中，不管是熱切，還是刀切，都要把接合處的這一條褲子剔除成廢品，糾縮是沒有關系的。為了實現快速切斷，變壓器功率要超過1kVA。料卷A/B可用同一變壓器，節約成本。用同一變壓器，副邊根據需要接通相應的料卷A/B切斷加熱絲。由于副邊電流太大，控制時應注意控制方法。圖5是加熱切斷控制原理圖，繼電器采用宏發HF152F，觸頭電流20A，接通時先接通副邊的電路，然后接通原邊；斷開時先斷開原邊，再斷開副邊回路，防止繼電器閉合或斷開時，副邊大電流拉弧燒蝕銀觸頭。采用這種方法進行控制，通過30多個小時試驗（每隔2s加熱絲通電200ms），試驗結果是切斷快速可靠，實驗后副邊繼電器外殼剝開，銀觸頭沒有任何燒蝕的跡象。

1kVA的變壓器的價位較切刀氣缸（以亞德客或怡和達為準）低，且結構簡單。對于大幅面采用無杠缸的結構，價格便宜得多，且速度快。無紡布、POF膜、PE膜等石油產品加熱切斷方法是可行的，但對于棉花或者紙等，切斷難，是不適合的。

圖5 加熱切斷控制原理圖

4 實例

泉州合作廠家生產的二片式拉拉褲上，共有9組放卷單元，根據各單元物料卷幅寬和材質（如表1所示），選擇相應的自動換卷方案。

表1 方案選擇

實際設計時，內外層無紡布和兩側無紡布放卷單元采用方案3，其余依照廠家的習慣，選用方案1，即原來廠家采用的方案。方案1作了一些修改，采用同一氣缸壓住物料A、B的方式，即方式2的壓料模式。按照上述原則設計的機構，在實際的二片式拉拉褲上生產，效果良好，穩定可靠。寬幅面的自動換卷單元，成本僅為原來的60%左右，換卷速度得到較大的提高，儲料架與窄幅面的相似，較原先簡單的多。

5 結論

針對衛生用品生產線上的放卷單元較多，各單元物料卷幅面和材質的不同，提出了三種設計方案。建議幅面小于250mm的物料卷，采用氣缸式或氣缸加電機式的方案。幅面大于250mm的無紡布、POF膜等石油類的產品，采用氣缸加熱切式的方案。幅面大于250mm的紙類、棉布類，應采用氣缸加電機式的方案。這種方案選擇方式已作為泉州合作廠家的自動換卷單元的設計規則，在后續的二片式、三片式、環腰褲等上面應用，效果佳，換卷速度快，料尾損耗少，得到廠家的認可，具有較高推廣應用價值。