YB55包裝機氣動式緩沖碰撞裝置設計

李榮基，涂科靜，陳興祥，劉榮，李乾

（紅云紅河煙草（集團）會澤卷煙廠，云南 曲靖 654200）

0 引言

GDX1包裝機組具有包裝質量良好、性能穩定、自動化程度高等優點，是目前我國中速軟盒卷煙包裝設備的主流機型[1]。YB55小盒透明紙包裝機組作為GDX1包裝機重要組成部分，存在以下情況：YB25型軟盒包裝機輸出的合格煙包，經過YB55輸入裝置轉向過程后，煙支被點燃端空陷深度均值在企業制定的標準（1 mm）范圍內，但是少部分數量的煙支空陷深度超過企業標準，根據具體的煙支空陷深度按云南中煙施行的卷煙產品質量檢驗管理規定（Q/YNZY.G06.008-2020）：嚴重空陷、一般空陷、輕微空陷標準分類累計進行煙支質量得分考核，空陷超標的煙支直接影響消費者對品牌卡諾質量模型的基本質量，面臨市場投訴風險，同時軟包機組可能面臨著工藝質量科、工藝質量室、技術監督科、集團與中煙的定期質量抽檢考核風險，成為該機型的普遍共性問題。

1 YB55包裝機設備原理

由YB25小盒包裝機5號輪分離的單包，經過煙包通道的輸送帶將煙包送入壓緊裝置，壓緊裝置在機器相位50°時開始向下運動，給煙包上端面正壓力，增大與煙包兩側同步輸送皮帶接觸面積，此時煙包進入加速運動階段，便于煙包進入提升器位置，在平面凸輪的帶動下提升裝置的推桿軸做上下運動，經過提升器提升，入口推包桿將煙包推到同步輸送帶上，由鉤形推包桿將與單張小盒透明紙會合的煙包推入六角煙包成型輪[2-3]，因此煙包經過壓緊裝置后在輸送帶摩擦力驅動下運動，在提升工位煙包頂端與提升器通道內的擋板發生碰撞后靜止，由于速度突變產生慣性力，導致煙包內煙支被點燃端煙絲受到一個突然向前的運動，煙支所承受的撞擊力使松動的煙絲朝濾嘴方向堆積，因此出現煙支端部空松或者整體內陷質量問題，抽樣數據均值約為0.78 mm，超標的煙支由于無再次檢測裝置，直接流入成品卷煙庫，從而對卷煙產品質量造成不利影響。

2 問題分析及改進思路

目前會煙共有4臺GDX1軟包包裝機組，除軟包5號安裝意大利GD公司C600Pack轉盤式煙包防縮負壓吸氣裝置外，其余3臺機組都依然采用原來的包裝機結構。在2021年6月份，GDX1包裝機組正常生產過程中，跟蹤統計軟包3#、4#、6#機組設備生產的煙絲端空松或者整體內陷的數量（抽樣方法：每天從兩個班組每次自檢的煙條里隨機抽取2包煙，每個班組抽取6次，共統計4周，每周每個機臺統計5 d×2 班×6 次×2 包×20 支=2400 支），統計結果顯示：軟#3煙支內陷超過標準的數量最多，平均每臺每周煙支內陷超標約為35支，煙支空陷均值接近1 mm的標準界限。

目前在軟5機組安裝GDX2 C600Packe負壓吸風旋轉裝置，通過利用負壓吸盤將煙包吸住旋轉90°后放入到同步輸送帶上，避免煙包與擋板發生直接碰撞，但是該裝置主要針對硬盒包裝煙包，對現有設備結構改造比較大，該裝置集成機械、電氣、氣動技術，結構比較復雜，涉及C600轉煙器缺煙包檢測、C600轉煙器對中相位、C600轉煙器速度跟隨系數K1（＜300）、C600轉煙器速度跟隨系數K1（＞300）,維修起來比較耗時，對煙包外觀質量要求比較高。經常因為煙包側面商標紙粘貼不良卡阻在同步輸送入口處，需要人工填補缺位煙包并處理透明紙輸送裁切輸送裝置里堵塞的透明紙；因為煙包運動位置滯后，頻繁報“C600未對中”，導致整個機組停機頻次增加，由于考慮到煙包透明紙密封性密封性合格率問題，通常會將六角成型輪側封烙鐵與煙包前后端面熱封烙鐵溫度設置較高，設備停機超過10 s后，煙包側面凹陷、端部明顯皺褶，通過系統移位程序在旋轉轉塔剔除口處剔除，以及YB25每次停機會自動剔除4包煙包，增加機組物耗。輸送煙包動作滯后，煙包卡阻在同步輸送帶與輸送通道側面端，輸送帶局部受力較大，頻繁的彎折會縮短同步輸送帶的壽命，更換一次同步輸送帶約40 min，嚴重影響包裝設備有效運行效率，這也是沒有在軟包機組進行普及的重要原因。

上海煙草機械有限責任公司王平等[4]提出通過煙包調頭、更換拉線位置進行防煙支縮頭，不符合企業現行工藝質量標準。湛江卷煙廠林賢朗[5]提出在YB55小盒包裝機入口安裝壓輪, 增大煙包與煙包兩側面輸送帶的接觸面積，進而增加摩擦力，減少煙包與擋板的碰撞力度，壓輪對煙包的壓力控制不好，可能對煙包內的煙支外觀產生負面影響，同時借鑒現有GDX1五輪出口盤防堵塞裝置、氣動防碰撞原理提出兩種方案：氣動式防空頭裝置、彈簧式防空頭裝置，降低內陷量均值，減少超標的煙支數量。從設備穩定與磨損角度考慮，目前YB25小盒包裝機能力限定在368 包/min以內，通過實驗可以發現：當YB55小包透明紙包裝機運行速度提高，煙支空陷深度變化，空頭煙支數量也將變多，這是因為隨著包裝機速度提升，煙包的加速度變大，慣性變大，碰撞的阻力也將變大[6]，因此煙支空陷量響應的增大，實驗表明：小盒透明紙包裝機速度在241 包/min以內，空陷量均值約0.4 mm，出于節能降耗要求，包裝機待機、維修狀態、設備保養、低速運行狀態時，需要切斷壓縮空氣氣路。

3 方案對比

1）氣動式防空頭裝置。對擋板進行結構改造，利用壓縮空氣對輸送通道即將進入提升工位的煙包對其反向吹氣，形成氣墊緩沖層，降低碰撞強度，開設4個直徑為4 mm的氣孔，接入0.02 MPa的壓縮空氣，推算出對煙包頂部的氣流阻力約為0.104 N，同時為了節能降耗，在YB55包裝機組低速（小于241 包/min）關閉壓縮空氣供給，減少了空頭煙支數量。

2）彈簧式防空頭裝置。將擋板切割一個凹槽，安裝一個彈性撥片，彈性撥片后面利用兩個直線軸承支撐，并利用彈簧調節彈性撥片剛度，進而控制煙包與撥片的緩沖力F=Kx。通過檢索彈簧疲勞壽命，普通壓縮彈簧壽命約為40萬次，特殊壓縮彈簧壽命約為150萬次，由于YB55包裝機碰撞次數為388 次/min，因此使用特殊材質的彈簧使用時間為150×10000÷388÷60÷24=26.85 d，即彈簧連續使用一個月就需要進行更換，不然將影響其穩定性，而且直線軸承需要定期進行潤滑，可能出現油液溢出，污染煙包頂部的情況。

圖1 氣動式防空頭裝置

圖2 彈性式防空頭裝置

因此從機構復雜性、設備調試周期、后期維護等因素考慮，采用氣動式防空頭裝置來降低空陷量均值，進而降低超標煙支出現的概率。

4 改進措施

4.1 擋板封簽色標傳感器

為防止煙包從煙包外觀成像檢測相機工位到YB55小盒透明紙包裝機入口因為封簽粘貼不良丟失，因此CH鏈上小花缺失3B227色標傳感器在48°相位時對擋板前的煙包進行檢測，3B227色標傳感器屬于德國施克NT6光電色標傳感器，體積較大，無安裝空間，因此需要進行相應的移動，并需要對無封簽剔除移位程序進行修改，但是隨著成像視覺檢測技術與硬件的逐漸成熟，目前在YB55六角成像轉塔出口安裝成像檢測系統，通過對煙包上表面與下表面特定區域進行特征匹配、面積特定點檢索、灰度分析等，能對封簽歪斜、無封簽、散包、倒置煙包進行識別剔除，因此拆卸現有的封簽色標傳感器對改進后的設備無影響。

4.2 氣體腔結構

氣體腔主要是將氣管內的壓縮空氣傳導到擋板上開設的小氣孔，因此需要形成一個中空體積腔，有兩種模式：1）外置式氣體腔。將外擋板與擋板利用螺栓固定在機器墻面上，利用氣管接頭將壓縮空氣引入到氣體腔內。2）內置式氣體腔。在內擋板居中位置開設凹槽，中間加工小氣孔，將外擋板與內擋板利用螺栓固定在機器墻面上，利用氣管接頭將壓縮空氣引入到氣體腔內，采用目前YB55小盒透明紙常使用的8×6（外徑為8 mm，內徑為6 mm）氣管對外擋板通過調節閥改變氣體壓力，在內擋板開設8×6（外徑為8 mm，內徑為6 mm）出氣口，并安裝調壓表，由于內置式相對于外置式氣壓損失量較小，波動較小，選擇內置式氣體腔。

4.3 擋板材料

考慮擋板連接方式、耐用性、經濟實用、易加工特點，必須能查看內部氣體腔的情況、煙包頂部折疊情況、方便保養，現有的煙包撞擊力度約為0.135 N，材料硬度>10 HRC、耐磨性>156 MPa就可滿足需求,選擇有機透明紙耐磨玻璃板。

4.4 噴射角度設計

因為壓縮空氣氣壓與氣孔的面積、氣孔的數量決定對煙包頂部所施加的反向作用力F=PS，進而影響煙支內陷深度，通過實驗對比：當壓縮氣壓為0.02 MPa，小孔面積為1.5 mm，氣孔數量為20個，煙支空陷深度均值約在0.4 mm，對現有包裝機設備效率無影響。

4.5 氣孔的組合

由于作用力不能過于集中，避免煙包頂部局部受力過大，因此20個氣孔需要進行排序，可有兩種選擇方案：環形排列，將5個氣孔環繞為1個環，共4個環；直線排列，將20個孔均分兩排對應著煙包頂部均勻排布。對這兩種氣孔排列方式進行實驗對比，在機器速度相同（365 包/min）時，直線排列效果比環型排列略好，因此選擇直線排列。

4.6 檢測位置選擇

因為涉及到檢測YB55包裝機運行速度，在低速運行狀態，煙支空頭內陷深度也比較小，如果再施加反作用力，效果不大，有可能使煙包運動位置不精確，從而導致在提升過程中卡住，因此在YB55包裝機低速或者待機時，關閉壓縮空氣，進而節約能源。由于現有的GDX1包裝機MICROⅡ控制系統封閉性、可拓展性較差，不能從包裝機控制系統進行電動機編碼器信號提取轉化，因此從機器控制原理、機器配置、可行性考慮有3種方案可實施：

1）驅動輪位置檢測。通過對YB55小盒透明紙包裝機背后主驅動大帶輪輪廓邊緣處安裝金屬螺栓，對應著YB55小盒透明紙包裝機某個固定點相位，利用光電開關對著該金屬螺栓進行周期計數，通過脈沖信號變化轉化為包裝機運行速度，但是需要對大帶輪進行動平衡計算，所需的接近檢測需要耐油。

2）烙鐵位置檢測。YB55型小包透明紙包裝機煙包側封烙鐵主要是對六角成型輪第二工位、第三工位的暫停的煙包包裹的透明紙進行熱封固型，并在六角成型即將旋轉時，烙鐵由凸輪連桿機構驅動脫離煙包，因此可以通過電感接近開關對烙鐵上下運行頻次進行檢測，進而測得包裝機運行速度。

3）鋁箔紙檢測。通過系統自帶的六角成型入口煙包存在檢測傳感器——電感式接近開關，通過檢測同步輸送帶內煙包的鋁箔紙信號進而判定包裝機運行速度。通過驅動輪位置檢測精度達到100%，但是帶輪改造成本較高，需要進行動平衡實驗，不宜推廣。烙鐵位置檢測受限于安裝空間，適宜的檢測距離調整比較麻煩，增加修理人員后期維修烙鐵時間，而鋁箔紙檢測對輸送通道單一的煙包的鋁箔紙進行煙包識別，灰塵、煙塵、紙屑對其無影響，可靠性極高，因此直接調用現有的電感式接近開關作為檢測元件，對鋁箔紙檢測可靠性最高，無需安裝。

4.7 調壓裝置

因為不同品牌的卷煙系列的煙支工藝與輔料規格不同，因此煙包與擋板的碰撞力度不同，需要操作人員根據實際情況進行氣壓的調節，因此需要選擇氣體壓力調節裝置。由調壓閥控制精確，出口壓力波動較小，因此選擇調壓閥（FESTOBO1504F6）。

4.8 電磁閥選型

根據設計要求，需控制氣路的通斷。在YB55小盒透明紙包裝機低速（小于241 包/min）或者待機情況進行斷氣，高于241 包/min供氣。當電磁閥的線圈通電后，壓縮空氣氣路就會接通，而當電磁閥線圈斷電的時候，壓縮空氣氣路就會斷開。因此需要采用常閉二位三通電磁閥。

4.9 氣管接頭

根據GB 050236-2018《工業現場設備施工以及驗收規范》, 對快接頭的漏氣度有一定的要求（漏氣度低于0.5%），在維修過程中對拆卸的難度和對氣管的影響有一定的要求，要求拆卸時間低于1 min/次，同時保證能使氣管的重復插拔次數>50次，因此采用直通型氣管接頭。綜合上述信息，通過氣動式減輕碰撞力度裝置，進而降低YB55小包透明紙包裝機煙支空頭率。

5 改進效果

對相關零件進行組裝，對壓縮氣體控制裝置進行調試，在軟包3#YB55機組氣動式防空頭裝置安裝調試成功后，我們將其投入正常的生產運行，小包透明紙包裝機運行未影響設備停機頻次。設備運行過程中，通過對所生產出的煙條進行煙支檢查，觀察設備運行狀態。跟蹤統計了煙支空陷深度均值約為0.25 mm。通過對現有的設備進行微小的改動，降低煙支空陷量的均值，減少空頭煙支出現的概率，由于設備性能有所差異，對于其余軟包機組還需根據實際情況進行壓縮空氣的調節。