條煙輸送在線切換裝置的研發

王 超，李海濤，王傳許

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠，云南紅河 652399）

0 引言

紅河卷煙廠卷包車間包裝機出口的煙條經過條煙提升機輸送至下游設備。在原有條煙輸送工藝下，下游機停機或質量自檢時，會造成包裝機停機，制約設備效率，影響產品質量。目前國內多家卷煙廠均采用該形式的條煙輸送方式，卷包設備受下游機影響的難題在行業內普遍存在。

針對以上問題提出防夾煙升降式切換的設計思路，并研發條煙輸送在線切換裝置。該裝置實現了生產過程中條煙輸送路徑的在線切換，成功消除了下游設備制約包裝機效率的因素，保障產品質量，使操作更便捷、安全、有保障。

1 原有工藝流程及存在的問題

1.1 包裝機出口與條煙提升機對接工藝流程

包裝機出口處煙條輸送原有工藝如圖1 所示，煙條經過包裝機出口后，有2 條輸送路徑：正常輸送時，煙條從包裝機出口進入提升機，輸送至下游設備；煙條質量自檢時，需要停止包裝機，打開包裝機出口的翻板，安裝下滑過渡板，重新開機，此時煙條從包裝機出口進入下滑通道，輸送至自檢桌臺。

圖1 包裝機出口煙條輸送環節原有工藝

1.2 原有工藝的弊端

在原有的工藝模式下，條煙輸送環節主要存在2 個弊端：①下游機停機時，會導致包裝機停機，包裝機的頻繁啟停不僅影響了設備運行效率，制約了設備產能，更嚴重的是會導致煙條質量不穩定；②煙條質量自檢時，需停機打開翻板，安裝下滑過渡板，再重新開機，影響設備產能和質量穩定性，煙條輸送工藝無法有效保障產品質量，難以保障設備高效運行。

2 裝置設計思路

2.1 總體思路

考慮功能性、快速性、穩定性、安裝空間等因素，采用防夾煙升降式切換的設計思路。裝置主要包含夾持機構、升降機構及控制部分（圖2）。

圖2 防夾煙升降式輸送通道切換裝置示意

設計要點：①升降機構位于包裝機出口與條煙提升機交接處，通過氣缸驅動升降機構動作，實現煙條輸送路徑的在線切換，無需停機；②在升降機構前設置夾持機構，通過氣缸驅動，用于在升降動作前將煙條短暫夾持住，使輸送中的煙條拉開足夠間距，保證升降機構順利動作；③升降機構附近采用光電開關，用于檢測升降機構動作的區域是否存在煙條，避免升降機構動作時夾傷煙條；④裝置通過PLC 程序進行控制，實現煙條輸送路徑切換快速、穩定，保證設備連續高效運行。

2.2 夾持機構設計

輸送通道切換時，煙條是連續輸送的，為避免切換過程中造成煙條夾傷，需要在切換前增加一個夾持機構，用于阻隔不斷輸送的煙條，確保路徑切換時不會對煙條造成損傷。夾持機構為雙側夾持方式，設置在包裝機出口的輸送機兩側，這種方式可以保證煙條被夾持時，煙條居中性好，煙條被夾持機構阻擋時，煙條受力均勻，不會發生傾斜（圖3）。

圖3 雙側夾持機構示意

夾持氣缸采用三軸氣缸，具有安裝方式靈活，工作平穩性好、精度高的特點，氣缸自帶導板，且導板上設有安裝螺孔，夾持機構能可靠地安裝在導板上；同時，由于三軸氣缸帶有兩根導向軸，可承受側向載荷。氣缸型號選擇如下：

（1）確定氣缸缸徑D。根據氣缸理論推力計算公式：

變換可得：

其中S 為活塞面積；F 為理論推力；β 為氣缸效率；P 為氣缸工作壓力；D 為氣缸缸徑。

已知：煙條重量m=280 g；β=0.3（高速氣缸）；P=0.3 MPa；氣缸軸向載荷F=mg=2.8 N。

故所選三軸氣缸缸徑應大于6.3 mm，取標準尺寸為D=10 mm。

（2）確定氣缸行程L。結合氣缸的安裝方式，測得夾緊面與煙條之間的距離L0=22 mm，為保證煙條夾持穩固，同時對煙條外觀不造成損傷，理論氣缸行程為L=L0+1 mm=23 mm，通過氣缸固定支架可適當調整氣缸行程，故選擇氣缸行程L=20 mm。

綜上，選用型號為TCM10X20S 的氣缸可滿足使用需求。

2.3 升降機構設計

升降機構是切換裝置最核心的部分，其作用是通過氣缸驅動升降板動作，完成條煙輸送路徑的切換。升降板的結構如圖4所示，升降板有高位和低位2 個工作位置：升降板在高位時，其作用相當于提升機的護欄，煙條從包裝機出口到達升降板側面，下落進入提升機；升降板在低位時，煙條從包裝機出口經過升降板頂面，下滑進入人工通道。

圖4 升降板結構示意

2.3.1 確定彎折式升降板傾角

為保證煙條下滑過程平穩順暢，升降板頂面采用彎折式的形狀，材料選用表面光滑、強度高、抗變形能力強、便于焊接的不銹鋼，厚度為2 mm。升降板彎折的角度設計如下（圖5）：

圖5 升降板彎折角度設計

（1）計算傾角一：升降板與輸送機對接段角度θ。已知條煙鏈板寬度L=108 mm；包裝機出口輸送機平面與煙鏈板間距離為h=70 mm；煙條高度尺寸h0=48 mm。升降機構動作時，應保證升降板不與條煙鏈板上的煙條發生干涉，故H

為便于加工，角度取整θ=10°。

（2）計算傾角二：升降板與待檢臺對接的角度α。對與待檢臺對接的彎折式升降板進行了不同傾角的測試，當傾角角度α>70°時，煙條會出現觸傷，故α<70°。同時為保證煙條在彎折式升降板上過渡平順，避免角度差過大導致煙條停滯，綜合選擇與待檢臺對接段升降板角度α=45°。

2.3.2 升降氣缸選型

升降氣缸選用三軸氣缸，可依靠頂面安裝孔直接固定在垂直平面上，厚度較薄，滿足安裝空間要求，升降板固定在氣缸導板上，平衡性好。氣缸型號選擇如下：

（1）確定氣缸缸徑D。升降氣缸打開時，為避免煙條跳動等原因造成干涉，彎折式升降板與輸送機之間的距離H 大于2 倍煙條高度，即H>96 mm。故升降氣缸行程選擇L=100 mm（圖6）。

圖6 升降氣缸缸徑計算示意

根據氣缸理論推力計算公式：

變換可得：

其中S 為活塞面積；F 為理論推力；β 為氣缸效率；P 為氣缸工作壓力；D 為氣缸缸徑。

已知：升降板重量m=2.3 kg，β=0.5（中速氣缸）；P=0.3 MPa；氣缸軸向載荷F=mg=23 N。

故所選三軸氣缸缸徑應大于13.98 mm，取標準尺寸為D=20 mm。

（2）確定氣缸行程L。彎折式升降板需要固定在升降氣缸的背板上，需綜合考慮升降氣缸固定孔間距離（圖7）。

圖7 升降氣缸行程計算示意

彎折式升降板的寬度尺寸W=220 mm，為保證固定穩定，升降氣缸固定孔間距離：

結合氣缸選型對照表，選取標準尺寸W2=78 mm。

綜上，選取TCM25X100S的氣缸可滿足使用需求。

2.4 檢測機構設計

升降機構處設置2 個光電開關，用于檢測升降機構動作區域內是否存在煙條，若檢測到有煙條，則升降機構無法動作；只有當升降機構動作區域內沒有煙條時，才能根據控制邏輯動作。該機構同時能夠防止操作人員誤觸碰導致的機械傷害。

光電開關采用反射式光電開關，相比較于漫反射式和對射式，反射式光電開關具有結構簡單、便于安裝，并且能準確檢測不同外觀煙條的優點。

2.5 控制方式設計

裝置的控制程序平臺為西門子S7-200 SMART 系列PLC，在現有條煙提升機控制程序的基礎上進行編程，無需新增控制系統。裝置控制邏輯如下：

（1）設備停止控制邏輯：提升機停機，升降機構處于低位，夾緊機構松開。

（2）設備啟動控制邏輯：提升機運行，夾持機構動作，將出口的煙條夾持住，升降機構隨即上升，0.3 s 后夾持機構放松，煙條得以通過，進入提升機。

（3）輸送通道切換控制邏輯：第一種情況，提升機上部堵塞、下游機停機故障時，提升機停止，夾持機構動作，將出口的煙條夾持住；此時若升降機構處的2 個光電開關檢測到升降板下方有煙條，則提升機繼續運行，直至煙條離開升降板下方，升降板下降；若未檢測到煙條，則升降機構直接下降，0.3 s 后夾持機構放松，煙條得以通過，經過升降板進入人工裝箱通道。第二種情況，提升機中部堵塞時，提升機立即停機；若光電開關檢測到有煙條，則升降機構保持高位不動作，直至人工將檢測區域的煙條取出后，升降機構延時2 s 下降；若光電開關未檢測到煙條，則升降機構直接下降。第三種情況，人工抽檢煙條時，可通過按鈕使升降機構降下，將煙條輸送路徑切換至人工裝箱通道；抽檢完成后再通過按鈕升起升降機構，煙條輸送至提升機。所有切換過程都不影響包裝機連續生產運行。

根據控制邏輯編寫PLC 程序如圖8 所示。

圖8 PLC 控制程序

3 安裝調試

裝置各部分設計完成后，按照各部分的設計加工夾持機構支架、彎折式升降板、升降機構背板等零件，定購夾持機構氣缸、升降機構氣缸、光電開關等器件，然后進行各機構的安裝、電氣接線、聯機調試。并對裝置切換煙條輸送路徑的成功率進行測試驗證，結果見表1、表2。由試驗結果可知，煙條輸送路徑從提升機切換至人工通道、以及從人工通道切換至提升機的成功率均為100%，成功實現了裝置功能。

表1 提升機切換至人工通道測試統計

表2 人工通道切換至提升機測試統計

4 生產應用效果

裝置投入使用后的2 個月內，下游機停機導致包裝機停機頻次平均為0 次/班，設備連續生產，完全消除了下游條煙輸送設備制約包裝機效率的因素，減少設備產能損失。停機頻次減少，產生的廢品也隨之減少，由此節約原輔料的消耗。裝置實現了煙條輸送路徑的在線自動切換，避免了調整翻板時被提升機夾傷的安全隱患，保障人身安全，并減少了設備啟動查煙的工作量。

該裝置徹底解決了下游設備對包裝機效率的影響，該裝置的結構設計和控制原理不僅在行業內適用于多種包裝機、提升機類型；在行業外涉及產品包裝與下游設備連接的情形都可以應用，如食品包裝、藥品包裝、日用品包裝等生產工序，在行業內外都具有廣泛的推廣應用價值。

5 結束語

條煙輸送在線切換裝置采用防夾煙環節的設計、升降式切換輸送通道的技術，實現了條煙輸送路徑在包裝機不停機的情況下切換，保障切換過程中的流程性、平穩性和安全性，完全消除了下游條煙輸送設備制約包裝機效率的因素，保障產品質量，提升設備生產“凈效率”。