用于維修ZL45型復合濾棒成型機組的平臺設計

劉東亞 竇武陽

（許昌煙草機械有限責任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

近年來，卷煙濾嘴的功能已由單功能向多功能的方向發展。煙草行業對具有降焦減害、增香保潤等功能的復合濾棒越來越重視。復合濾棒是由不同基棒通過分切、拼接，卷制而成的，兩元和三元復合濾棒較為常見［1-2］。我國先后自主研發了生產速度為200 m/min的YL43型復合濾棒成型機組和生產速度為400 m/min的ZL41型復合濾棒成型機組，二者均為兩元復合［3-4］，但其已無法較好地滿足市場對多元復合濾棒的需求。因此，許昌煙草機械有限責任公司與荷蘭ITM公司采用“平臺+模塊”的方式，成功地研發出ZL45型復合濾棒成型機組。ZL45型復合濾棒成型機組屬多元線性復合濾棒成型機組，最大生產速度為500 m/min，可生產兩元和三元復合濾棒。該機組配套有一臺裝盤機、三臺卸盤機以及一套大流量供料裝置。大流量供料裝置在將基棒輸送到相應的高級小棒模塊后，將其切分成不同長度的小棒，最后進入成型模塊，從而生產出相應的復合濾棒。

1 存在問題

ZL45型復合濾棒成型機組所配備的大流量供料裝置安裝在成型機組高級小棒模塊的上方，距離地面較高，最高處可達4.5 m，大流量供料裝置如圖1所示。由于大流量供料裝置的位置偏高，導致設備在維修維護時存在較大的安全隱患。因供料裝置及支架的結構限制，導致供料裝置的落料頭處一旦發生亂棒現象，將無法及時處理，嚴重時會導致設備停機，從而影響生產效率。因此，要對ZL45型復合濾棒成型機組進行優化設計，通過加裝維修平臺可解決上述問題。

圖1 大流量供料裝置

2 結構設計

通常情況下，出于對安全性的考慮，應將機器的維修平臺固定在機器上方或固定在地面上。由于ZL45型復合濾棒成型機組所配備的大流量供料裝置前方的安裝位置有限，下料裝置門與復合模塊門的距離僅為500 mm，而復合模塊門在開啟時的動作是垂直向上提升的，若將維修平臺固定在機組上，將會發生干涉事件。考慮到將維修平臺固定在地面上會影響后期換規格時復合模塊的更換，顯然采用固定式維修平臺不是最佳方案。

針對上述問題，本研究為ZL45型復合濾棒成型機組的大流量輸送裝置設計了如圖2所示的可移動式維修平臺，其是由支撐板、加強支架、滑軌、滑軌底板、平臺支撐架、維修平臺、登高梯等組成。可移動維修平臺安裝在機組的三個高級小棒模塊的前方。由于空間有限，對顯示屏的安裝方式進行變更，由原來的可滑動式顯示屏支架，更換為固定式旋轉支臂，而旋轉支臂通過固定架及加強支架安裝在落料頭支撐梁的中間位置上。在原有顯示屏支架滑軌的基礎上，新加裝可移動式維修平臺，三個支撐板均勻分布在落料頭支撐梁的上方，滑軌底板通過三個加強支架安裝在支撐板上，然后將滑軌用螺栓鎖緊在滑軌底板上。通過直線軸承使維修平臺與滑軌相連，使維修平臺能在滑軌上平穩滑動。平臺支撐架和支撐板起到支撐維修平臺的作用，平臺支撐架下方設有兩個滾輪，方便維修平臺的移動。在使用維修平臺時，可將其推至相應位置后，再將登高梯從平臺支撐架上放下。在維修或維護工作完成后，將登高梯掛在平臺支撐架上。維修平臺主要對高級小棒模塊上方的落料頭進行維修維護。轉運模塊通常不使用維修平臺，因此轉運模塊上方不設置滑軌，滑軌在機組最右側向外延伸。高級小棒模塊玻璃門開啟時將會與維修平臺產生干涉，因此維修平臺只能在高級小棒模塊玻璃門關閉時使用，不使用維修平臺時，將其移動至機組的最右側位置。

圖2 可移動式維修平臺

3 有限元分析

在新產品研發過程中，尤其是機械結構較為復雜時，為保證機械結構的安全性和經濟性，通常使用有限元分析法對其進行受力分析。利用有限元軟件對所設計的機械結構等進行離散化處理，根據其受力情況，在劃分網格后的三維模型上施加載荷，然后依靠相關求解器對應力和位移進行求解［5］。

先對維修平臺的三維模型進行網格劃分，將三維模型導入到有限元軟件中進行分析。由于維修平臺的結構較為復雜，對其進行網格劃分較為費時，且結果誤差較大。考慮到模型計算的可行性，在對維修平臺進行三維模型劃分前，刪除對結果影響較小的零部件，盡可能簡化模型，同時又能反映出所設計結構的實際特點［6-7］。此次建模便于網格的劃分以及確保計算的可行性，在對維修平臺進行有限元分析時，忽略安裝用的螺紋孔，并刪除模型中的登高梯等對計算結果影響較小的非承載零部件。維修平臺的三個支撐板是由7075鋁合金制成的，滑軌和滑軌底板的材料為20鋼，維修平臺及護欄均采用強度高、質量輕的鋁合金型材。所劃分網格共有718 340個節點以及271 890個單元。維修平臺的網格劃分結果如圖3所示。

圖3 維修平臺的網格劃分（單位：mm）

對維修平臺進行靜態分析時，先對已劃分好網格的平臺支撐板、滑軌、滑軌底板及維修平臺模型施加相應的約束，再對其進行力的加載。此平臺僅用于ZL45型復合濾棒成型機組的大流量輸送裝置的維修維護，以及落料頭發生亂棒時能及時清理亂棒，以免造成設備停機，單人即可完成操作。平臺的支撐架通過滾輪與地面接觸，其能承受一部分載荷。該維修平臺可簡化為四點支撐，即兩處滑杠連接處和兩個輪子。設計操作承重載荷為100 kg，在機械設計中，通過引入安全系數來保證機械結構在使用過程中的穩定性及安全性，該維修平臺的安全系數取1.5。維修平臺自身重量約為120 kg，則設計載荷為270 kg。故在維修平臺上加載2 700 N的向下作用力。由于作用在滑杠上的推力較小，為了便于計算，假設滑杠只受垂直向下的作用力。簡化模型后，通過有限元求解得到維修平臺的應力、應變云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 維修平臺的應力云圖（單位：mm）

圖5 維修平臺的應變云圖（單位：mm）

由維修平臺的應力云圖可知，維修平臺的最大應力為87.555 MPa，發生在維修平臺與滑杠連接處，主要是維修平臺與支撐板對滑杠及其底板產生的剪切應力，其余部分的應力較小。維修平臺的最大應力（87.555 MPa）小于滑杠的屈服強度（245 MPa）。由于最大應力值小于材料的許用應力，安全因數為2.8，具有一定的強度儲備。因此，維修平臺能滿足使用要求。由維修平臺的應變云圖可知，維修平臺的最大變形量為0.393 35 mm，變形主要發生在維修平臺的連接板處。維修平臺僅在連接板處發生較小的變形，對維修平臺的正常使用影響不大。滑杠及其底板的變形量很小，不會影響維修平臺的左右滑動。

4 結語

本研究設計出一種用于ZL45型復合濾棒成型機組大流量供料裝置的維修平臺，在ZL45型復合濾棒成型機組原有結構的基礎上進行改造優化，并將維修平臺與先前顯示屏支架基座進行結合。該可移動式維修平臺的設計對ZL45型復合濾棒成型機組原有結構的改變較少，方便客戶安裝。通過對維修平臺的部分主要承載零部件進行有限元分析，并對其應力、應變云圖進行分析，可知該維修平臺的設計結構合理，能較好地滿足使用要求。本研究通過對可移動式維修平臺進行設計，為客戶進行設備的維護維修提供強有力的幫助，同時增加維護維修的安全性。