儲柜出料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

李鵬超，吳國忠，邵文池，沈 科，林俊棟，黃紹先

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽路1號 361022

制絲生產(chǎn)線的儲柜或喂料機主要起儲存物料以及平衡煙絲含水率和溫度等作用［1-3］。為確保儲柜或喂料機出料連續(xù)且流量均勻一致，洪凱強等［4］改進了喂料機提升帶的速度控制模式，有效提高了制絲生產(chǎn)線恒流量系統(tǒng)的控制水平；劉賜德等［5］建立了預(yù)混柜出料流量與片煙加料需求流量匹配模型，降低了儲柜啟停次數(shù)。但在實際生產(chǎn)中，儲柜料頭和料尾階段的出料流量遠低于料中階段，尤其是料尾階段撥料輥向外撥料時物料容易翻滾打滑，造成物料無法及時排出，導(dǎo)致進入下游設(shè)備的物料流量偏小且不連續(xù)［6］，容易造成回潮機片煙出口含水率不合格、切絲機待機時間長等問題，影響卷煙工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性。針對此，巫海鷹［7］利用分段控制方法優(yōu)化了料頭和料尾控制方式；彭敏［8］從片煙來料、撥料輥、底帶輸送裝置3個方面對儲柜進行改造，降低了料尾對葉片工藝質(zhì)量的影響，但仍未能解決料尾出料時間長、效率低等問題。為此，對儲柜出料系統(tǒng)進行改進，以期減少出料時間，提高料頭和料尾階段出料流量穩(wěn)定性。

1 問題分析

如圖1所示，儲柜出料過程分為料頭1、料中2、料尾3三個階段。出料時物料隨底帶5被輸送至出料口，通過自上而下排列的撥料輥6撥向下游設(shè)備，采用接近開關(guān)4檢測的底鏈鏈節(jié)累計量代表出料量。一個完整批次的出料長度L包括3部分：從開始出料至物料堆積坡度接近0°時為料頭階段，即長度x所包括范圍；出料量達到90%時，儲柜內(nèi)剩余物料在撥料輥作用下向后翻滾，容易在底帶上產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致物料無法及時排出，此時至出料結(jié)束為料尾階段，即長度y所包括范圍；除去料頭和料尾的中間部分即為料中階段。在實際生產(chǎn)中，料中階段出料流量可以滿足生產(chǎn)需求，但料頭和料尾階段因物料堆積呈斜坡狀，導(dǎo)致出料流量過低甚至斷斷續(xù)續(xù)，對下游回潮機、切絲機等設(shè)備的正常生產(chǎn)造成了較大的影響。

圖1 儲柜出料過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge process of tobacco silo

2 改進方法

通過設(shè)計料頭檢測及控制裝置、撥料輥自動平移系統(tǒng)，結(jié)合底帶運行速度優(yōu)化出料運行模式，以提高料頭和料尾階段出料流量穩(wěn)定性。

2.1 料頭檢測及控制裝置設(shè)計

料頭階段底帶承載整個批次的物料，傳動系統(tǒng)負載較大，若通過增加底帶運行速度的方法提高出料流量會導(dǎo)致能耗升高并加劇傳動系統(tǒng)的損耗。因此，在底帶運行速度不變的情況下，在儲柜下游皮帶輸送機3入口處增加料頭檢測及控制裝置。該裝置由漫反射式光電管4和PLC組成，見圖2a。根據(jù)光電管4監(jiān)測到的輸送機3入口處物料的堆積高度，采用控制算法動態(tài)調(diào)整輸送機3的運行狀態(tài)，控制流程見圖2b。可見：①當(dāng)輸送機3入口處物料堆積高度不滿足要求時，光電管4將料空信號傳送給PLC，由PLC控制輸送機3進入待機狀態(tài)，輸送機2繼續(xù)運行并在輸送機3入口處堆積物料；當(dāng)輸送機3入口處物料堆積高度滿足要求時，光電管4將有料信號傳送給PLC，由PLC控制啟動輸送機3向前送料。②輸送機3進入待機狀態(tài)的同時，PLC啟動定時器T，用于計算輸送機3本次待機時長t；當(dāng)輸送機3再次啟動時，定時器T停止，將本次待機時長t與預(yù)設(shè)待機時長t0比較；若t＜t0，待機時長過短次數(shù)k增加1，重復(fù)步驟①和②，直至k達到預(yù)設(shè)值n時，認為后續(xù)來料充足，退出料頭控制模式，轉(zhuǎn)入料中生產(chǎn)模式，輸送機3恢復(fù)正常運行狀態(tài)持續(xù)送料。

圖2 料頭檢測及控制裝置結(jié)構(gòu)與控制流程圖Fig.2 Structure and control flow of head tobacco monitoring and control device

2.2 撥料輥自動平移系統(tǒng)設(shè)計

料尾階段物料在撥料輥作用下難以快速出料，為此設(shè)計了撥料輥自動平移系統(tǒng)，通過將撥料輥外移，增大撥料輥與底帶之間的間隙，減小撥料輥對物料的作用力，進而使物料快速下落和排出。該系統(tǒng)包括撥料輥轉(zhuǎn)動機構(gòu)和平移機構(gòu)兩大部分，見圖3。其中，撥料輥轉(zhuǎn)動機構(gòu)由撥料輥1、可滑動軸承座2、減速機3等組成；平移機構(gòu)由滑槽4、絲桿5、牽引鉸支座6、電機7、蝸輪蝸桿組件8、聯(lián)軸器9、連桿10等組成。平移機構(gòu)通過牽引軸承座2使轉(zhuǎn)動機構(gòu)在滑槽4上做往復(fù)運動，電機7、組件8、支座6、絲桿5、軸承座2依次連接，且兩個蝸輪蝸桿組件通過聯(lián)軸器9和連桿10實現(xiàn)同步運行，保證撥料輥1始終與其他兩個撥料輥平行運行。為使3個撥料輥具有相同撥料狀態(tài)，撥料輥1的轉(zhuǎn)速與其他兩個撥料輥的轉(zhuǎn)速保持一致。蝸輪蝸桿組件具有自鎖性，且能夠承載撥料輥撥散物料時所產(chǎn)生的作用力，以保證轉(zhuǎn)動機構(gòu)在平移機構(gòu)的作用下運動穩(wěn)定。

圖3 撥料輥自動平移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of automatic translation system for picker roller

2.2.1 蝸桿平移速度計算

SWL系列蝸輪絲桿升降機符合JB/T 8809—1998行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于機械加工等領(lǐng)域［9］。系統(tǒng)設(shè)計中選用了型號SWL2.5T蝸輪蝸桿，則絲桿輸出線速度為［10］：

式中：v輸出為絲桿輸出線速度，mm/s；n輸入為蝸桿輸入轉(zhuǎn)速（即電機轉(zhuǎn)速），取1 400 r/min；p為絲桿螺距，取6 mm；i為傳動比。

SWL2.5T蝸輪蝸桿有6∶1、12∶1和24∶1共3種傳動比，根據(jù)公式（1）計算出的相應(yīng)絲桿輸出線速度分別為23.3、11.7和5.8 mm/s。

2.2.2 底帶運行速度計算

底帶傳動系統(tǒng)由底帶減速機1、主動鏈輪2、被動鏈輪3、底帶大鏈輪4組成，見圖4。底帶減速機1與主動鏈輪2共軸，被動鏈輪3與底帶大鏈輪4共軸。根據(jù)文獻［11］和底帶傳動系統(tǒng)運行原理可得到底帶運行速度：式中：v為底帶運行速度，m/s；n為底帶減速機的輸出轉(zhuǎn)速，r/min；z1、z2、z3分別為主動鏈輪、被動鏈輪和底帶大鏈輪的齒數(shù)；p為底鏈節(jié)距，mm。

圖4 底帶傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of transmission system of bottom belt

以GPT15D儲葉柜（秦皇島煙機設(shè)備集團有限公司）為例，底帶傳動系統(tǒng)中主動鏈輪、被動鏈輪、底鏈大鏈輪的齒數(shù)分別為z1=19、z2=26、z3=6，底帶減速機輸出轉(zhuǎn)速n1=0.45 r/min，底鏈節(jié)距p=200 mm。底帶驅(qū)動電機由變頻器控制，在最高頻率50 Hz下根據(jù)公式（2）計算可得底帶運行速度v=0.006 6 m/s（6.6 mm/s）。料尾階段撥料輥向外平移速度（即絲桿平移速度）應(yīng)大于物料隨底帶運行速度，否則物料會受到較大作用力向后翻滾。因此，選用傳動比為12∶1的蝸輪蝸桿，可滿足設(shè)計需求。

2.2.3 撥料輥平移距離的確定

通過調(diào)節(jié)遠近端檢測開關(guān)的位置，檢測不同平移距離下料尾階段的出料情況，見表1。可見，平移距離為4 cm時，撥料輥明顯阻礙物料，瞬時出料量偏小；平移距離為7 cm時，物料向后翻滾量較少，瞬時出料量基本保持恒定；平移距離為10 cm時，撥料輥不接觸物料，物料未受到撥料輥作用而導(dǎo)致瞬時出料量偏多。因此，撥料輥平移距離（即遠近端檢測開關(guān)的距離）選用7 cm。

表1 不同撥料輥平移距離下物料狀態(tài)Tab.1 Material states at different translation distances of picker roller

2.3 儲柜出料運行模式改進

儲柜出料系統(tǒng)改進前，出料過程中底帶電機頻率恒定為27 Hz，改進后底帶電機頻率及出料運行模式見圖5。可見：①在料頭階段，3個撥料輥同速同向轉(zhuǎn)動向下?lián)芩臀锪希隽狭恐鸩皆龆唷．?dāng)料頭檢測及控制裝置開始運行時，PLC控制輸送機以步進的形式堆積暫存物料；當(dāng)算法判斷后續(xù)來料充足時，系統(tǒng)退出料頭控制模式，由輸送機將暫存物料與后續(xù)來料合并送入下游設(shè)備。②在料中階段，保持3個撥料輥同速同向轉(zhuǎn)動，將物料松散并均勻撥下，出料量基本恒定。③在料尾階段，保持3個撥料輥同速同向轉(zhuǎn)動。當(dāng)平移機構(gòu)啟動運行時，將撥料輥向外平移7 cm后靜止，撥料輥與底帶之間保留適當(dāng)空隙，此時底帶傳動系統(tǒng)因物料較少而負載相對較低。按預(yù)設(shè)程序提高電機頻率至50 Hz，底帶加速運行，料尾順暢下落直至出料結(jié)束。撥料輥自動平移系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動機構(gòu)在出料過程中保持轉(zhuǎn)速恒定。

圖5 改進前后儲柜運行模式Fig.5 Running modes of tobacco silo before and after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“七匹狼（金砂）”“七匹狼（豪情）”“七匹狼（豪邁）”“七匹狼（豪運）”“七匹狼（平安）”“七匹狼（藍）”牌卷煙（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司）。

設(shè)備：廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司3 000 kg/h制絲生產(chǎn)線，包含GPT15D儲柜（秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司）、WQ311型滾筒式片煙回潮機（云南昆船第二機械有限公司）和A1切絲機（意大利COMAS公司）。

方法：儲柜出料系統(tǒng)改進前后，統(tǒng)計料尾排出時間、回潮機片煙出口含水率不合格時間以及切絲機運行時間。測試時間為3個月，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見，改進后儲柜料尾排出時間平均減少178 s/批次，降幅為38.1%；料頭和料尾階段回潮機片煙出口含水率不合格時間分別減少118和241 s/批次，降幅分別為45.7%和59.2%；切絲機運行時間減少422 s/批次，降幅為12.0%。出口含水率不合格片煙數(shù)量大幅降低，生產(chǎn)耗時顯著減少。

表2 儲柜出料系統(tǒng)改進前后測試數(shù)據(jù)①Tab.2 Test data of discharge system of tobacco silo before and after modification （s·批次-1）

4 結(jié)論

通過增設(shè)料頭檢測及控制裝置、設(shè)計撥料輥自動平移系統(tǒng)、優(yōu)化出料運行模式等方式，提高了儲柜料頭和料尾階段的出料效率，縮短了生產(chǎn)時間，減少了對下游設(shè)備工藝參數(shù)的影響。以秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的GPT15D儲柜為對象進行改進和測試，結(jié)果表明：改進后儲柜料尾時間縮短178 s/批次，料頭和料尾階段回潮機片煙出口含水率不合格時間分別降低45.7%和59.2%，切絲機運行時間縮短422 s/批次，減少了出口含水率不合格片煙數(shù)量，提升了儲柜出料流量穩(wěn)定性。