PROTOS2-2 卷接機壓紙輪裝置結構改進

陳生平，林 斌

（紅塔煙草集團有限責任公司玉溪卷煙廠，云南玉溪 653100）

0 引言

設備的改進升級是設備管理和維修工作中的一項重要內容，其可明顯降低設備故障發生頻次，提升設備的可靠性和穩定性，提高產品質量，使設備保持較高的有效作業率。在生產中，PRO原TOS2-2 卷接機組生產的卷煙出現搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短等質量缺陷的頻次較高，接裝紙壓紙輪裝置維修頻繁，通過分析發現，在運行過程中壓紙輪與供紙輥間的壓力波動大，彈簧剛度衰減引起壓紙輪壓力變化及彈簧產生的極限彈力較小是導致以上問題的主要原因。較高的質量缺陷頻次和維修頻次使產品質量得不到保障，設備效率較低，需對壓紙輪裝置的結構進行改進。

1 接裝紙壓紙輪裝置的結構

接裝紙供給系統主要由第1 供紙輥、接裝紙平衡箱、拉力調節器、卷曲器和壓紙輪裝置等組成（圖1），其作用是按一定的速度和拉力連續不斷地向機器提供接裝紙，同時由涂膠裝置在紙的一面均勻涂上一層符合工藝標準的膠水，然后被切割裝置切成一片片等長接裝紙片，在鼓輪與搓板的搓接過程中對濾嘴和煙支進行包裹。

圖1 接裝紙供紙系統結構示意

接裝紙壓紙輪裝置是接裝紙供給系統重要組成部分（圖2），由緊固螺栓、鎖緊手柄、壓紙輪支架、壓紙輪、供紙輥、壓縮彈簧等組成。接裝紙繞過供紙輥并被壓紙輪壓緊，供紙輥與接裝紙之間的摩擦力帶動接裝紙輸送，實現連續勻速供紙。兩個橡膠壓紙輪裝在支架上，支架中有一個偏心軸，轉動手柄，即可將兩個壓紙輪抬起脫離供紙輥。在供紙輥上部裝有微動開關，監控壓紙輪的位置，若壓紙輪被升起，機器不能啟動。供紙輥的兩個壓紙輪靠彈簧壓力壓在供紙輥上。

圖2 壓紙輪裝置結構示意

2 存在問題及原因分析

2.1 存在問題

在生產維護中，PROTOS 2-2 卷接機組生產的卷煙出現搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短等質量缺陷的頻次較高。搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短通常是由接裝紙供給系統故障導致的，對產生以上卷煙質量缺陷的故障原因及維修頻次進一步調查發現，接裝紙壓紙輪裝置維修頻次較高，壓紙輪裝置故障導致接裝紙搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短。

2.2 原因分析

從接裝紙壓紙輪裝置的結構可知，壓紙輪是被彈簧施加的彈力壓緊在供紙輥上，壓紙輪和供紙輥間對接裝紙的摩擦力拖動接裝紙運行，摩擦力的大小和波動決定接裝紙運行的穩定性，進而影響接裝紙的接裝質量，而彈簧施加的壓紙輪對供紙輥的壓力決定著摩擦力的大小和波動。

對彈簧及壓紙輪的受力進行分析。彈簧是一種利用彈性來工作的機械標準零件，因其結構簡單、制造方便、價格低廉，被廣泛用于各種場合。彈簧在使用中也存在振動、失穩，使用一定時間后，其剛度、強度會衰減而不斷降低，影響其工作性能。壓紙輪采用圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧通過一定的壓縮對壓輪支架施加持續的力，要計算彈簧產生的力，需要先計算彈簧的剛度，圓柱螺旋壓縮彈簧的剛度可通過公式計算：

式中：K是彈簧的剛度，N/m；G 是彈簧材料切變模量，彈簧鋼的切變模量G=80 GPa=81010Pa；d 是彈簧的線徑，m；D 是彈簧的中徑，m；n 是彈簧的有效圈數。

通過對生產中使用的彈簧進行測量，可獲取以上參數的數值，其中d=2.3 mm；D=15.9 mm；n=12。把以上數值代入公式可得彈簧剛度：K=5.8103N/m=5.8 N/mm。

壓紙輪彈簧在工作時，當彈簧不受壓縮，即彈簧為自由長度時，彈簧產生的彈力Ftmin=0；當彈簧達到壓縮極限，此時彈簧的彈力最大，彈簧工作中達到壓縮極限時彈簧的壓縮量l=30 mm，則壓紙輪彈簧的最大彈力Ftmax=Kl=174 N。壓紙輪在工作時，彈簧對壓紙輪支架施加彈力Ft，供紙輥與兩壓紙輪接觸，在他們之間存在接觸壓力，接觸壓力均勻分布在接觸線上，接觸壓力可簡化為作用于壓紙輪長度方向中點的壓力Fn，壓紙輪支架受力如圖3 左圖所示。

壓紙輪支架所受的力Ft、Fn1和Fn2是平面匯交力系，根據剛體內部力的可傳性，可將各力沿其作用線移動匯交于一點，如圖3 右圖所示，根據力的平衡原理，可得

當彈簧的彈力Ft=Ftmax=174 N 時，壓紙輪對供紙輥的最大壓力Fnmax=98 N。

彈簧工作一定時間后，其剛度和強度會發生衰減，設彈簧的初始剛度為Ko，工作一定時間后的剛度為K1，則相應的壓紙輪對供紙輥的壓力Fno和Fn為

由上式可得彈簧剛度變化引起的壓紙輪對供紙輥壓力的變化。

由以上公式可知，彈簧剛度衰減會引起壓紙輪壓力較大的變化。

圖3 壓紙輪支架受力示意

同時，設備在運行中，供紙輥高速轉動，通過摩擦帶動接裝紙輸送和壓紙輪轉動，供紙輥和壓紙輪的高速轉動使壓紙輪支架產生振動，使供紙輥和壓紙輪間的壓力產生波動，供紙輥與接裝紙間的摩擦力改變。

壓紙輪與供紙輪間壓力的變化使供紙輥與接裝紙間的摩擦力發生變化，進而改變接裝紙的拉力，若壓紙輪與供紙輥間壓力過低，接裝紙會打滑，引起搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短等質量缺陷。使用彈簧存在的這些問題會引起接裝紙運行和搓接相關的故障，為降低接裝紙供紙裝置的故障維修頻次，提高產品質量，降低備件消耗，需要對壓紙輪裝置進行改進。

3 接裝紙壓紙輪裝置結構改進

3.1 改進技術方案

針對采用彈簧壓緊的壓紙輪機構存在的問題，對壓紙輪裝置進行改進，提出采用氣動裝置施加壓紙輪對供紙輥壓力的新技術方案。氣動裝置比彈簧振動小，不存在失穩問題，氣體壓力恒定，不會因使用時間太久而發生較大變化，具有較長的使用壽命。在氣缸氣壓不變的情況下，氣缸施加的壓紙輪對供紙輥的壓力將保持恒定，壓力波動較小。同時，通過調整氣缸氣壓，可快速方便地根據需要改變壓紙輪對供紙輥的壓力。

卷煙機壓縮空氣氣源最大壓力為Pmax=0.6 MPa，若氣缸缸徑為25 mm，則氣缸加載到壓紙輪支架上的最大壓力

可見，使用氣缸時產生的壓力遠高于使用彈簧時的極限彈力Ftmax=174 N。

彈簧由于剛度和長度受限，產生的極限力較小，使用一段時間后彈簧剛度會衰減，壓紙輪提供的最大供紙拉力降低。因不同規格的接裝紙摩擦系數不同，所需的供紙拉力也不同，若壓紙輪提供的供紙拉力不足，會導致接裝紙輸送過程打滑或內外飄移；接裝紙供紙不同步，造成煙支搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短等煙支質量缺陷或故障。

而氣缸式壓紙裝置產生的極限壓力更大，壓紙輪壓力可調范圍較大，壓紙輪能提供足夠的供紙拉力適應具有不同摩擦系數的接裝紙輸送，采用氣缸式壓紙輪裝置更適用，更可靠。

3.2 氣缸式壓紙輪裝置結構

新的壓紙輪裝置采用氣缸代替彈簧，需對壓紙輪裝置結構進行改進，使新的壓紙輪裝置連續穩定輸送接裝紙，滿足工作要求。改進后的氣缸式壓紙輪裝置（圖4），采用雙作用氣缸，氣缸通過螺釘固定在氣缸支架上，氣缸的活塞安裝有一個向心關節軸承，向心關節軸承安裝在壓紙輪支架的臺階孔中，上方用壓板壓住，壓板通過螺釘固定在壓紙輪支架上。

4 結論

在生產中，PROTOS2-2卷接機組生產的卷煙出現搭口膠位寬窄不一、接裝紙長短等質量缺陷的頻次較高，接裝紙壓紙輪裝置維修頻繁，通過分析可知，此問題是以下原因導致：彈簧剛度的衰減引起壓紙輪壓力變化較大，進而改變供紙輥的供紙拉力；彈簧式壓紙輪裝置在運行過程中壓紙輪與供紙輥間的壓力波動較大；彈簧產生的極限彈力較小，使壓紙輪提供的供紙拉力不足。

相對彈簧，氣缸式壓紙輪裝置具有以下優點：振動較小，氣體壓力恒定，不會因使用時間太久而發生較大變化，具有較長的使用壽命；氣缸施壓的壓紙輪對供紙輥的壓力波動較小；通過調整氣缸氣壓，可快速方便地根據需要改變壓紙輪對供紙輥的壓力；氣缸式壓紙裝置產生的極限壓力更大，壓紙輪壓力可調范圍較大，壓紙輪能提供足夠的供紙拉力適應不同摩擦系數的接裝紙輸送。因此，采用氣缸式壓紙輪裝置更適用、更可靠。

圖4 氣缸式壓紙輪裝置結構

壓紙輪裝置改造為氣缸式，并在PROTOS 系列卷接機組推廣應用后，煙支質量缺陷明顯減少，壓紙輪裝置的故障維修頻次明顯降低。氣缸式壓紙輪裝置在工作中運行穩定，能滿足不同規格的接裝紙材料的輸送，維護保養方便，設備效率大大提高，經濟效益顯著。