FILTROMAT-S2 濾棒發射機發射機構改進

徐 杰

（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

濾嘴棒發射機是濾棒與卷包車間相互連接的重要設備，發射機運行狀態正常與否，直接影響卷包車間生產效率。FILTROMAT-S2 濾嘴棒發射機（以下簡稱為FT-S2）是德國豪尼公司設計生產，利用壓縮空氣輸送濾棒的設備。該設備在長期運行后，因設備老化等原因，發射機夾傷濾棒等故障頻發。

1 FT-S2 濾嘴棒發射機發射機構工作原理及存在問題

1.1 發射機構工作原理

發射鼓采用金屬材料，密封槽采用樹脂材料，在運行過程中，兩者之間通過一定的壓力貼合來實現密封，在兩者之間形成的密閉空間內利用壓縮空氣推動濾棒，通過發射鼓的旋轉，把濾棒按一定節拍和間隔輸送到下游的濾棒接收機。

1.2 發射鼓與密封槽受力分析

發射鼓與密封槽受力分析如圖1 所示，忽略重力G 的影響，則有：

圖1 發射鼓與密封槽受力分析

式中，F1為密封槽對發射鼓的壓力，F2為發射鼓對密封槽的壓力，F3為運行過程中密封槽對發射鼓的摩擦力，F4為運行過程中發射鼓對密封槽的摩擦力，μ 為發射鼓與密封槽之間的動摩擦因數[1]。

因為發射鼓與密封槽之間存在相對運動和摩擦，而密封槽為樹脂材料，容易產生磨損（圖2），導致發射機構之間氣密性降低，出現漏氣現象，從而導致發射濾嘴棒的過程中發射機輸出氣流速度降低，造成發射鼓夾傷濾棒故障。

圖2 磨損的密封槽

2 原因分析

通過對各項影響因素的綜合分析，確定引起FT-S2 濾嘴棒發射機故障的主要因素為發射機構氣密性降低，解決氣密性問題可以提高發射機輸出氣流速度，從而消除故障，所以把發射機構確定為改進目標。

本著改動最少的原則，所以改進過程不針對原設備壓縮空氣輸入管路。也就是發射機構在入口氣壓、大氣壓和管道等相關條件不變的前提下進行改進，單位時間內輸入空氣流量也是不變的。根據泊肅葉定律：

式中，Q 為空氣流量，r 為管半徑，P1為輸入氣壓，P2為大氣壓，η 為粘滯系數，L 為管長度。

因為輸入氣體沿流線運動過程中，總壓強之和保持不變。所以當發射機構發生漏氣現象時，通過發射機構的氣流產生損失，使得總壓強減小，也就導致發射機構輸出總氣壓減小，出口端空氣流量Q 也隨之減小。

根據連續性方程：

式中，r 為管半徑，V 為氣體速度，Q 為出口端空氣流量[2]。

由式（5）可知，在管徑不變的情況下，單位時間空氣流量Q減小，發射機構出口輸出的有效工作氣流速度也相應降低。

改進前，在輸入氣壓為2.5 bar（1 bar=0.1 MPa）的條件下，各FT-S2 濾棒發射機組發射單元空載狀態下輸出氣流速度平均值見表1。由表1 可知，改進前發射機各發射單元輸出氣流速度均值為11.71 m/s。

表1 空載狀態下輸出氣流速度m/s

3 改進方案

3.1 改進目的

因為FT-S2 濾棒發射機原密封槽主要表現出來的問題為磨損，所以改進方案以消除密封槽磨損為出發點，主要改進內容有：①發射鼓與密封槽塊相互之間不發生接觸，徹底消除磨損；②工作面無需潤滑，消除濾棒受污染風險；③不產生潤滑產生的污垢，無需進行清潔。最終確定了非接觸工作方式的改進方案。

3.2 方案設計

結合FT-S2 濾棒發射機設備自身結構特點，決定采用增加發射鼓及密封槽長度，在發射鼓上加裝套筒的改造方案來實現發射鼓與密封槽之間的非接觸工作方式，消除密封槽的磨損問題。

3.2.1 密封槽與發射鼓之間間隙的確定

在結構上，發射鼓與密封槽之間的配合既要保證發射鼓能高速旋轉，又不允許發射鼓與密封槽產生表面摩擦，同時還要使氣體泄漏盡可能小。發射鼓與密封槽之間的泄漏量可按縫隙流量公式計算：

式中，d 為發射鼓直徑，δ 為間隙寬度，ΔP 為間隙兩端壓差，μ 為空氣動力黏度，L 為間隙長度，ε 為偏心比[3]。

式（6）表明，配合間隙的大小δ 是影響密封性能的最關鍵因素。

配合間隙的大小可由式（6）變形導出計算：

得到配合間隙δ=0.021 7 mm，最終確定套筒直徑為發射鼓直徑加0.02 mm[3]。

3.2.2 套筒尺寸以及安裝間隙的確定

因為FT-S2 濾棒發射機發射鼓直徑為80 mm，參考表2 進行軸承的選型[1]，選定套筒厚度為16 mm，套筒直徑為80.04 mm，以支撐發射鼓與密封槽，使發射鼓與密封槽達到非接觸的工作方式。

表2 軸承外形尺寸

發射鼓兩端分別增加一個套筒，套筒使用立式止推軸承固定于發射鼓軸上，套筒作為支撐面與密封槽接觸。根據表3 確定套筒與發射鼓安裝間隙為0.05～0.1 mm。

表3 軸承游隙

3.2.3 發射鼓加長尺寸

因為發射鼓兩端改進后需分別加裝厚度為16 mm 的套筒，所以也需要對發射鼓軸兩端進行分別加長16 mm，以滿足安裝需求（圖3）。

圖3 發射鼓軸端加長

改進后的發射鼓與密封槽安裝如圖4 所示。

圖4 改進后發射鼓與密封槽安裝示意

3.2.4 材料選擇

因密封槽塊與發射鼓的受力方式由改造前的面接觸改為兩端部接觸，原來加工密封槽材料所使用的樹脂材料已不能滿足使用要求，在強度和加工精度方面均達不到設計要求，所以改用金屬材料替代。因為滾動軸承鋼具有很高的抗壓強度和疲勞極限，高硬度、高耐磨性、高韌性、淬透性好，所以選為改進后密封槽與套筒的材料。

在確定了發射鼓與密封槽的各項參數之后，改進方案隨即實施，發射鼓改進前與改進后對比見圖5。密封槽改進前后的對比如圖6 所示。

圖5 發射鼓改進前后對比

圖6 密封槽改進前后對比

改進后，在輸入氣壓為2.5 bar（2.5 MPa）條件下，6#FT-S2 濾棒發射機發射單元空載狀態下輸出氣流速度平均值為13.95 m/s，大于改進前的11.72 m/s。

發射鼓與密封槽之間實現了非接觸的工作方式，消除了兩者之間的磨損，既降低了備件消耗，又提高了設備運行效率，基本實現了免維修設計。

4 結束語

通過對6#FT-S2 濾棒發射機實驗性改進和對改進效果的跟蹤調查，證明試驗性改進實現的效果已經達到預期目標，取得圓滿成功。此后，FT-S2 濾棒發射機的改進方案開始推廣到2#、3#濾棒發射機上，通過在2#、3#濾棒發射機上的成功推廣使用，進一步說明本次對FT-S2 濾棒發射機發射鼓及密封槽的改進是成功的，有效減少了FT-S2 濾棒發射機的故障，提高了濾棒發射機的運行效率，向著優質、高效、低耗的目標又邁進了一步。另外，1#、4#、7#FT-S2 濾棒發射機的改造工作也在進一步推進中。