YP11 型裝封箱機柔性壓縮箱體輔助裝置的設計

劉 江，劉長龍，史建新，潘廣樂，薛 磊*

1. 陜西中煙工業有限責任公司，西安市高新區灃惠南路38 號 710065

2. 陜西中煙工業有限責任公司延安卷煙廠，陜西省延安市姚店經濟技術開發區 716000

3. 陜西中煙工業有限責任公司技術中心，陜西省寶雞市高新大道100 號 721013

YP11 型裝封箱機是引進德國FOCKE 公司465/329B 型裝封箱機技術研究設計的卷煙自動裝封箱設備，主要完成卷煙包裝生產的最后一道工序，即條煙裝箱工作［1］。在條煙裝箱過程中，由于推送慣性、缺條檢測精度不高、煙箱封口膠帶錯位等原因，容易出現條煙錯位、條煙擠壓、缺條、煙箱粘貼不牢等現象，導致設備停機，影響產品外觀質量，降低生產效率［2-3］。目前對于改善YP11 型裝封箱機產品質量和提高生產效率已有較多研究。陳培生等［4］通過改進煙箱輸送帶安裝位置并加裝吹風檢測裝置，解決了煙箱封口膠帶粘貼不牢等問題。鄧春寧［5］通過增加條形碼掃描裝置和工控機，設計了煙箱缺條檢測裝置故障自診斷系統，可實時發現缺條檢測裝置和剔除機構故障。伍廣浩［6］通過改進上下吸壁、加寬推手位置等措施，提高了YP11 型裝封箱機對回收煙箱的適應能力。此外，機器視覺［7］、稱重檢測［8］、γ射線檢測［9］等方法應用于煙箱缺條檢測也有較多報道。王偉等［10］根據煙箱內部前后位圖像建立了一種基于相似性分析和閾值自校正的煙箱缺條檢測方法，較好地解決了裝箱過程中煙箱缺條等問題。但對于由于條煙滑動錯位而引起的設備停機率高等問題則鮮見報道。為此，基于運動學原理研制了一種柔性壓縮箱體輔助裝置，通過施加柔性外力減小條煙慣性滑動量，避免條煙在推垛過程中因錯位而產生擠壓變形，以期提升卷煙產品質量，提高生產效率。

1 問題分析

由圖1 可見，在生產過程中條煙通過輸入皮帶進入裝封箱機，每次輸送5 條煙，由提升器將5 條煙提升至堆垛位置，后續條煙繼續輸入直至形成5×5 的條煙堆垛，再由推板將堆垛推入煙箱。裝封箱機重復上述操作，經過兩次堆垛和推垛過程后完成一件煙的裝箱工序。在裝箱過程中，由于煙箱上壁與堆垛條煙之間存在一定間隙，推入煙箱內的第1 組5×5 條煙因推送慣性容易產生滑動，引起條煙錯位，尤其是最上層條煙錯位明顯；當推板將第2 組條煙推入煙箱內時，因滑動錯位的條煙會受到擠壓而產生變形。

圖1 條煙裝箱過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of cigarette case filling process

在條煙推垛過程中，煙箱上壁與最上層條煙不接觸，每層條煙受到的作用力和摩擦力均不相同，條煙到達煙箱預定位置時的滑動距離也不相同。設定5×5 條煙堆垛由上至下分別為第1 層至第5 層，每條煙的質量為m，條煙間摩擦系數為μ，每層條煙視為一個整體，則第1 層至第5 層條煙下表面受到的摩擦力分別為5μmg、10μmg、15μmg、20μmg、25μmg（g 為重力加速度）。可見，第1 層條煙受到的摩擦力最小，所以容易產生滑動。在將第1 組條煙推入煙箱后，用直尺測量每層條煙到達的推送位置，統計因慣性產生的瞬間滑動量，結果見圖2?？梢?，第1 組的第1 層和第2 層條煙因慣性產生的瞬間滑動量，均大于第3 層、第4層和第5 層條煙的平均滑動量（3.2 mm），因此產生錯位進而在第2 組條煙推入時出現條煙擠壓現象。

圖2 第1 組各層條煙的慣性滑動量Fig.2 Inertial sliding distance of cigarette carton at each layer in the first group

2 系統設計

2.1 結構組成

柔性壓縮箱體輔助裝置主要由橫向調整件、縱向調整件、執行氣缸、柔性壓縮體等部件組成，見圖3。輔助裝置固定在自動封箱機上，位于煙箱上方；橫向調整件一端固定在自動封箱機上，另一端與縱向調整件連接，橫向調整件與縱向調整件均可伸縮；氣缸固定于縱向調整件下方，柔性壓縮體安裝在氣缸下方，與氣缸相連，在氣缸的驅動下柔性壓縮體可伸縮。為保證輔助裝置的使用壽命，所有部件均采用絕緣性好、抗電磁、耐高溫材料。

圖3 柔性壓縮箱體輔助裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of flexible case compressing device

改進后裝封箱機接收條煙并輸送至堆垛裝置，通過帶有負壓的紙箱矯正器將煙箱矯正成型，并由擴口裝置對箱體進行支撐，同時柔性壓縮體由氣缸驅動對煙箱上壁施加柔性作用力，推板將條煙堆垛推入煙箱。煙箱上壁受到作用力后內部空間減小，進而減小了煙箱上壁與條煙之間的空隙，避免條煙產生慣性滑動而導致條煙錯位。

2.2 柔性壓縮體材料和尺寸

分別選用海綿塊、豬鬃刷、橡膠輪作為柔性壓縮體材料進行對比，結果發現豬鬃刷硬度適中，在裝箱過程不會對煙箱和條煙造成壓痕。為確定豬鬃刷尺寸，以延安卷煙廠生產的“延安（軟）”牌卷煙為對象進行測試，煙箱長度548 mm，條煙寬度88 mm，設豬鬃刷長度為兩條煙的寬度（176 mm）,寬度為548/2-50=224 mm（紙箱矯正器的上吸杯直徑為50 mm），依次以1/2 幅度縮減寬度值，觀察柔性壓縮體的運行情況，結果見表1?？梢?，豬鬃刷寬度過大會影響上吸杯的吸附效果；豬鬃刷寬度過小會使煙箱表面產生壓痕。因此，豬鬃刷長度176 mm、寬度28 mm 時性能最優。

2.3 柔性壓縮體作用點及下沉距離

由圖4 可見，裝箱過程中煙箱上壁受到2 排共6 個上吸杯的作用力（F1=F2=F3=F4=F5=F6），使煙箱矯正成型。為保證上吸杯正常工作且柔性壓縮體施加的作用力F壓使煙箱產生一定形變，根據第1組條煙推入煙箱的位置，確定柔性壓縮體的作用點為煙箱上壁的中心位置。

表1 不同豬鬃刷寬度測試結果Tab.1 Test results of hog brush with different widths

圖4 煙箱上壁受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of force exerted on cigarette case’s upper wall

在柔性壓縮箱體輔助裝置的作用下，煙箱上壁受到作用力F壓會產生下沉。以“延安（軟）”牌卷煙為對象，分別設定下沉距離為6、7、8、9、10 mm 進行測試，結果見表2。可見，下沉距離較小（6 mm）時，煙箱上壁與條煙未接觸，輔助裝置作用失效；下沉距離較大（8、9、10 mm）時，煙箱與條煙均有不同程度的壓痕；下沉距離為7 mm 時，測試效果最佳。由此可確定柔性壓縮輔助裝置氣缸行程為50 mm，豬鬃刷與煙箱上壁距離為43 mm。

表2 煙箱上壁下沉距離測試結果Tab.2 Test results of moving downward distance of cigarette case’s upper wall

2.4 受力分析

在第1 組條煙推垛過程中，對煙箱上壁施加的作用力F壓會增加條煙受到的總摩擦力，減少條煙的慣性滑動量。為此，以推垛過程中的第1 層條煙為對象進行受力分析。由圖5可見，煙箱上壁對第1層條煙施加作用力F'壓，其中F'壓=F壓，煙箱上壁與條煙之間存在摩擦力f1；第2 層條煙對第1 層條煙存在支撐力F支，F支等于第1層條煙總重力5mg與F'壓之和；第1層條煙與第2層條煙之間存在摩擦力f2。

圖5 第1 層條煙推垛過程中受力分析圖Fig.5 Schematic diagram of mechanical analysis of cigarette cartons at the first layer during sliding process

2.4.1 摩擦系數

第1 層條煙與第2 層條煙之間的摩擦系數即為條煙透明包裝紙之間的摩擦系數，查閱資料可知該摩擦系數μ1=0.28；第1 層條煙與煙箱上壁之間的摩擦系數μ2可由試驗測得。由圖6 可見，條煙在傾斜的煙箱上從A 點靜止開始做勻加速直線運動到B 點，加速度a 的計算公式［11-12］為：

式（1）和式（2）合并計算可得到摩擦系數μ2為：

式（1）～式（3）中：L 為煙箱斜面長度，m；a 為滑塊加速度，m/s2；t 為滑塊由A 點到B 點的滑動時間，s；g 為重力加速度，m/s2；θ為煙箱斜面與水平面夾角，（°）；μ2為條煙與煙箱之間摩擦系數；h 為A點距離地面的垂直高度，m；d 為A 點與B 點的水平距離，m。

圖6 條煙在煙箱斜面上受力分析圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical analysis of cigarette cartons in inclined case

取10 條“延安（軟）”牌卷煙在煙箱斜面上進行測試，并根據式（3）計算摩擦系數μ2，結果見表3?？梢?，條煙與煙箱間的摩擦系數為0.35。

表3 摩擦系數μ2測試結果Tab.3 Test results of friction coefficient μ2

2.4.2 施加壓力計算

推垛裝置將條煙推入煙箱時，條煙獲得動能E動，條煙進入煙箱后動能轉化為滑動摩擦力做功E摩。改進前第1 層5 條煙的摩擦力做功E1摩的計算公式為：

改進后第1 層5 條煙的摩擦力做功E2摩的計算公式為：

式（4）和式（5）中：E1摩為改進前第1 層5 條煙的摩擦力做功，J；E2摩為改進后第1 層5 條煙的摩擦力做功，J；μ1為第1 層與第2 層條煙之間的摩擦系數；μ2為第1 層條煙與煙箱上壁的摩擦系數；m為條煙質量，kg；g 為重力加速度，m/s2；s1為改進前第1 層條煙的慣性滑動量，mm；s2為改進后第1 層條煙的慣性滑動量，mm；F'壓為煙箱上壁對第1 層條煙施加的作用力，N。

將改進前后條煙推入煙箱時獲得的動能E動設為 定 值，故E1摩=E2摩。已知μ1=0.28，μ2=0.35，m=0.23 kg，g=9.8 m/s2，s1=41.6 mm，s2=3.2 mm，代入式（4）和式（5）中計算可得F壓=F'壓=60.1 N，即柔性壓縮體施加的作用力不小于60.1 N，可保證第1 組條煙推垛到位后第1 層條煙的慣性滑動量小于3.2 mm，進而避免條煙發生滑動錯位，導致條煙擠壓變形。

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“延安（軟）”牌卷煙（由陜西中煙工業有限責任公司延安卷煙廠提供）；循環利用煙箱長548 mm，寬448 mm，高235 mm（由陜西卷煙材料公司提供）。

設備：YP11 型裝封箱機4 臺，分別編號1#～4#［頤中煙草（青島）實業有限公司機械廠］。

方法：將柔性壓縮箱體輔助裝置安裝在YP11型裝封箱機上，記錄改進前后在條煙推送過程中因條煙錯位、擠壓變形引起的停機次數，測試周期6 個月。

3.2 數據分析

由表4 可見，安裝柔性壓縮箱體輔助裝置后，單臺裝封箱機因條煙錯位、擠壓變形引起的停機次數由改進前的29 次/月減少為0，有效提高了卷煙產品外觀質量和設備生產效率。

表4 改進前后封裝箱機停機次數統計Tab.4 Numbers of times of cigarette case filling and sealing machine strop before and after improvement（次）

4 結論

基于YP11 型裝封箱機設計了一種柔性壓縮箱體輔助裝置，通過壓縮煙箱上壁內部空間，增大了條煙與煙箱上壁之間的摩擦力，有效減小了條煙在推垛過程中的慣性滑動量。經試驗，柔性壓縮體選用豬鬃刷材料，豬鬃刷尺寸為176 mm×28 mm較適宜；柔性壓縮體作用點位于煙箱上壁中心位置，煙箱上壁下沉距離為7 mm 時，該輔助裝置作用效果最佳；當柔性壓縮體施加的作用力大于60.1 N 時，第1 層條煙的慣性滑動量小于3.2 mm，條煙不會出現錯位和擠壓現象。以延安卷煙廠生產的“延安（軟）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：加裝柔性壓縮箱體輔助裝置后，每臺裝封箱機在裝箱過程中因條煙錯位和擠壓引起的停機次數減少29 次/月，有效改善了卷煙產品質量，提高了設備生產效率。