一種新型棒料填裝裝置的設計

郭蒙飛 杜江恒

摘 要：【目的】為了解決棒料填裝過程中填裝裝置適用性差、填裝速度慢、棒料損傷率較大等問題，設計一款結構簡單、功能齊全的棒料填裝裝置。【方法】新型棒料填裝裝置由上推送單元和下推送單元兩部分組成，上推送單元包括上支撐板、上連接推板、上連接板、上推板、上導軌、線性驅動單元一，下推送單元包括下支撐板、線性驅動單元二、下導軌、下連接推板、下連接板、下推板一、下推板二、下推板三。該裝置實現了將料庫中存儲的棒料一次性推送填裝至空容器內的功能。【結果】經過濾棒生產線聯機調試，達到了棒料填裝過程速度快、填裝速度高和棒料損傷率低等效果。【結論】試驗結果表明：新型濾棒填裝裝置結構簡單、操作方便；填裝速度和精度大幅提高；滿足多種長度規格濾棒的填裝需求；填裝后的棒料堆疊規則、排列整齊，降低了濾棒的損傷率。

關鍵詞：濾棒填裝裝置；推送單元；濾棒規格；損傷率

中圖分類號：TS43? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）04-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.010

Design of a New Type of Bar Filling Device

GUO Mengfei? ? DU Jiangheng

（Xuchang Tobacco Mschinery Co.， Ltd.， Xuchang? 461000， China）

Abstract： [Purposes] To solve the problems of poor applicability， slow filling speed and high bar damage rate of the filling device in the production process of filter rods， the filling device with simple structure and complete functions is designed. [Methods] The new filter rod filling device is composed of an upper pushing unit and a lower pushing unit. The upper pushing unit includes an upper support plate， an upper connecting push plate，an upper connecting plate，an upper push plate，an upper guide rail and a linear driving unit1. The lower pushing unit includes a lower support plate，a linear driving unit 2， a lower guide rail，a lower push plate，a lower connecting push plate，a lower push plate 1， a lower push plate 2 and a lower push plate 3. This device realizes the function of pushing and filling the filter rod in the materrial warehouse into the empty container. [Findings] After online debugging of the filter rod production line， the effects of fast rod filling process， high filling speed and low rod damage rate are realized. [Conclusions] The test results show that： the new filter rod filling device has simple structure and convenient operation; filling speed and accuracy are both greatly improved ; the device meets the filling requirements of filter rods of various length specifications ;? the rods filled are stacked regularly and arranged neatly， which reduces the damage rate of the filter rod.

Keywords： filter rod filling device; pushing unit; filter rod specification; damage rate

0 引言

在濾棒生產加工過程中，為了解決設備生產線上、下游設備不配套的問題，需要配置用于存儲或接收棒料的設備或裝置，用于棒料的緩存，收納后的容器可運轉到下游的存儲庫或生產線上。由于國內煙草行業超高速卷包生產線的推廣應用和高速輔聯類設備的普及，以及市場對個性化需求的增加，對收納類容器的數量和規格需求日益劇增，對于棒料的損傷率控制情況也提出了更高要求［1］。但目前市場上傳統填裝裝置由于設計原理和結構限制，不能根據容器規格大小進行靈活變化，需要一種規格容器對應一種相應設備，導致設備種類增多，生產、存放、管理成本增加。傳統填裝裝置的填裝速度低、濾棒損傷率高也制約了設備的繼續使用［2］。為此，通過設計一種全新結構的濾棒填裝裝置，以期提高濾棒裝填效率，降低濾棒的損傷率以及降低生產線上人工工作強度。

1 問題分析

目前，國內濾棒生產企業使用的棒料裝盤設備主要有兩種：日本生產的FF30裝盒機類和COMFLEX系列產品。YJ36型裝盤機、日本SANJO公司生產的FF30裝盤機、韓國JK公司的裝盒機，其工作原理及結構形式均相同，都屬于FF30裝盒機類，均為通過推板一次推送填裝三排棒料，棒料并非直接裝入盤盒，而是通過棒料的慣性進入盤盒內，這類推送填裝方式要求推板必須以一定速度碰撞棒料，才能實現填裝，棒料會受到一定的沖擊力［3］。這種填裝結構在裝填棒料過程中存在以下問題：推送裝置不能直接把濾棒推送到盤盒內，濾棒需要依靠慣性滑行一段距離才能進入盤盒內，造成濾棒在盤盒內存在亂棒、空洞多等現象；盤盒內填裝的濾棒在填裝時受到的沖擊力較大，使濾棒受損率增高；推板一次只能推送三排棒料，裝盤速度較低；上述裝盤機在填裝過程中，填裝機構對上游棒狀制品流的節流均采用相應規格輥子對的變距對棒料進行攔截，這種截流方式會出現夾棒、掉棒和擠棒等現象。

2 改進方法

2.1 新設計填裝裝置結構

新型濾棒填裝裝置主要由上推送單元和下推送單元兩部分組成，如圖1所示［4］。上推送單元由線性驅動單元一5、上支撐板6、上導軌7、上連接推板8、上連接板9、上推板10組成，線性驅動單元一5固定在支撐板4上、上導軌7固定在上支撐板6上，上連接推板8、上連接板9、上推板10組成第一組合推板，第一組合推板固定在線性驅動單元一5的運動執行塊上，并與上導軌7的滑塊連接，線性驅動單元一5驅動第一組合推板實現前移或退回功能；下推送單元由下支撐板1、線性驅動單元二2、下導軌3、下推板一11、下推板二12、下連接板13、下連接推板14、下推板三15組成，線性驅動單元二2和下導軌3固定在下支撐板1上，下推板一11、下推板二12、下連接板13、下連接推板14、下推板三15組成第二組合推板，第二組合推板固定在線性驅動單元二2的運動執行塊上，并與下導軌3的滑塊連接，線性驅動單元二2驅動第二組合推板實現前移和后退等功能。

2.2 上推送單元伺服電機及電缸的設計選型

已知工作負載重量M=10 kg，根據需求，對伺服電缸選型，初選ELGC-BS-KF-80-200-16P，機構參數見表1［5-6］。

2.2.1 計算轉動慣量。

計算重物作用在電機輸出軸上的負載慣量：

[Jm=M×P24π2=10×0.12524π2=0.004 kg?m2]

式中：Jm為重物作用在電機輸出軸上的負載慣量，kg·m2；M為負載重量，kg；P為進給常數，m/rev。

計算電機輸出軸上的總慣量：

J = Jm + J0 + Jc = 0.004 + 0.000 147 + 0.000 05 = 0.004 kg·m2

式中：J為折算到電機輸出軸上的總負載慣量，kg·m2；Jm重物作用在電機輸出軸上的負載慣量，kg·m2；J0為ELGA型電缸的轉動慣量，kg·m2；Jc為聯軸器的轉動慣量，kg·m2。

2.2.2 計算電機的轉速。

[N=VP=240125×60=115.2 r/min]

式中：N為轉速，r/s；V為工件速度，m/s；P為進給常數，m/rev。

2.2.3 驅動負載所需扭矩。

重物加速時所需轉矩：

[Ta1=MaP2πη=10×9.8×0.1252×3.14×0.9=2.16 N·m]

式中：Ta1為轉矩，N·m；P為進給常數，m/r；η為效率；a為重力加速度；M為工件重量，kg。

電缸減速時所需扭矩：

[]

[Ta2=J0αη=J02πNt2η=0.149 08×10-3×115.2×2×3.140.30.9=0.399 N·m]

式中：Ta2為轉矩，N·m；J0為ELGA型電缸的轉動慣量，kg·m2；N為轉速，r/s；η為效率；t2為減速時間，s。

克服摩擦力所需轉矩：

Tf=[Mg=擦力所需轉矩]=10[×]10[×]0.2[×]0.016/6.28/0.9 =0.058 N·m

總扭矩：

[T=Ta1+Ta2+Tf=2.16+0.399+0.058=2.617 N·m]

2.3 下推送單元伺服電機及電缸的設計選型

下推送單元伺服電機及電缸的設計選型方法同上。

2.4 伺服電機選型

根據伺服電機選型原則：連續工作扭矩<伺服電機的額定扭矩；瞬時最大扭矩<伺服電最大扭矩（加速時）；負載慣量<3倍電機轉子慣量；連續工作速度<電機額定轉速。

綜合以上計算結果得出，上下推送單元選擇：伺服電缸：ELGC-BS-KF-80-200-16P（FESTO）；伺服電機：EAMM-U-65-T42-80P-87（Siemens）。

3 工作原理

選擇物料填裝裝置的一次推送物料填裝滿容器的模式，即第一組合推板和第二組合推板同步前移，將存儲料庫中的棒料料推送至后面的空容器內，第一組合推板保持不動，用于截流上游機構輸送的棒形制品流，第二組合推板后退至初始位，實現一次推送物料即可填裝滿容器的功能。

4 應用效果

4.1 試驗設計

材料：選擇長度L=120 mm，直徑Φ=7.7 mm的濾棒，選擇規格710 mm×130 mm×670 mm的塑料煙盤。棒料由山東中煙工業有限責任公司青州卷煙廠提供，煙盤由山東中煙工業有限責任公司青州卷煙廠提供。

設備：2組成型機組。1組由ZL26與YJ35D裝盤機聯機，此組沒有設計改進后的填裝裝置；第2組由ZL26F與YJ36B裝盤機聯機，裝有新設計改進的填裝裝置。機組由許昌煙草機械有限責任公司提供。

方法：設定2組成型機組的生產速度為5 000支/min，統計5 min內，每次填裝一盤濾棒所需時間；每次填裝完成后對每盤棒料的空洞數量進行統計，并按照《卷煙第3部分：包裝、卷制技術要求及貯運》（GB/T 5606.3—2005）的要求對每盤濾棒的質量進行檢驗，計算填裝時每盤棒料的受損率。

4.2 數據分析

由表2可見，設備在正常運行時，2組的裝盤速度明顯高于1組，有效提高了設備作業率［7］。

由表3可見，設備正常運行時，2組每盤濾棒的空洞數量是遠小于1組，2組裝盤的整齊度和美觀度提高，每盤濾棒數量的統計變得更加簡單高效。

由表4可見，2組每盤濾棒的受損率由之前的0.65%降低到0.16%，降低了75.4%。通過對填裝裝置的設計進行改進，降低了填裝過程中棒料與填裝裝置的接觸次數，從而有效降低了棒料的受損率，提高了濾棒產品質量。

5 結論

本研究通過對濾棒填裝板、填裝驅動裝置和推送單元組合等部分進行重新結構設計，有效解決了濾棒裝盤時速度慢、盤內空洞數多、濾棒損傷率高等問題。本研究以青州卷煙廠濾棒成型車間的2組ZL26F機組（2組對應不同裝盤機）為測試對象，對濾棒填裝情況進行測試，通過長時間對多次裝盤質量進行統計分析和計算。結果表明：使用新型棒料填裝裝置之后，濾棒裝盤機的裝盤速度顯著提升，裝盤后的濾棒在盤內排列更加整齊，每盤濾棒空洞數量明顯減少，每盤濾棒的受損率由之前的0.65%降低到0.16%，降低了75.4%，該裝置有效提高了濾棒填裝質量，提高了設備作業率，降低了設備維修工人的勞動強度。

參考文獻：

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［4］王玉蘭，殷昌貴.機械制圖［M］.北京：高等教育出版社，2020.

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