煙梗開包機倒料過程的分析與實踐

徐榮華　張國平　方利梅　高雪峰　安浩　楊浩

摘 要：在卷煙生產企業制梗絲生產線投料端，越來越多的企業采用了自動化設備-煙梗開包機代替了傳統的人工上包、開口、倒料的投料模式，并獲得了良好的現場環境、很低的勞動強度等效果。但是，由于各企業采用的生產配方不同，原料的產地也不相同，造成原料包裝不同且包裝形式雜亂，部分產地原料包裝情況使得煙梗開包機出現了倒料動作的失敗，失去了自動化的意義。該文針對煙梗開包機倒料過程中所采用的機械結構、自動化控制方式，結合氣缸的工作原理，對產生倒料動作失敗的原因進行分析，并將分析后的方法應用于對設備的調整，得出一種適應不同包裝形態原料的控制方式。

關鍵詞：煙梗投料 煙梗開包機 氣缸 氣缸原理 氣缸勻速運動

中圖分類號：TS4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0072-03

在卷煙生產企業制梗絲生產線中，煙梗原料多采用麻袋進行包裝，每袋重25～50 kg不等。當需要將原料投入生產線時，需要由人工進行搬運、開口并將麻袋的煙梗倒進第一級設備。相比傳統的煙梗人工喂料方式帶來的工人勞動強度過大和對現場環境粉塵污染嚴重的情況，采用煙梗開包機將煙梗向生產線投料的方式，可自動完成麻袋的搬運、開口、倒料過程，從而有效避免以上問題，并使生產現場工作流程更加有序、生產線自動化程度得到一定的提高。但是，國家行業相關標準并沒有將包裝煙梗用麻袋像制葉絲線包裝片煙用煙箱進行尺寸、外形、包裝方式等方面的統一規定，各復烤企業在現階段向卷煙生產企業提供的原料包裝形態并不相同。由于生產采用的配方不同，使得不同產地、不同等級的梗包在同一批次生產流程內進入了煙梗開包機進行處理，導致煙梗開包機出現了整包掉落、空麻袋掉落等問題，不能滿足功能要求，也因此需要人工進行干涉，從而影響了生產的連續性和自動化程度。

1 狀況描述

該文主要就浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠的制梗絲原料的包裝情況，對煙梗開包機在倒料過程出現的掉落狀況進行描述和分析。制梗絲原料共來自4個產地，此稱為A、B、C、D4個產地，均采用麻袋進行包裝，包裝情況統計如表1所示。

從表1內可看出，各產地原料的包裝尺寸、外形、封口方式均不相同，同一產地的原料在包裝時也存在了不同的情況。在生產過程中，除B產地原料生產連續穩定外，其余3個產地的原料都產生了不同程度的生產中斷。

2 分析與實踐

2.1 倒料原理

如圖1所示，2-輸送帶將開口后的7-等待倒料的梗包向前輸送，經1-勾包檢測光電管檢測后延時停止在待倒料位置，部分8-灑落煙梗會提前從包裝內落下，以減少倒料負載。倒料機構由4-插包臂、5-驅動氣缸、6-支撐主軸組成，5-驅動氣缸的氣缸桿在初始狀態為伸出狀態，4-插包臂回繞6-支撐主軸旋轉抬起等待梗包通過；當氣缸桿縮回時，插包臂沿圖示弧線運動，插包臂頭端進入麻袋內部勾住麻袋，插包臂將麻袋提起，同時2-輸送帶在插包臂頭端進入梗包后啟動輔助氣缸動作。

2.2 分析調整

由于前端的自動開口機械機構無法完全模擬人工的割斷繩頭、抽繩解口、解開扎口團的動作，采用的是旋轉切割方式。如果切割封口端，會產生麻袋碎片、麻繩等雜物，同時由于封口時卷疊的麻袋層較厚會導致開口不連續影響卸料和扎口團纏繞導致的開口部件故障等問題，帶有扎口團的封口端也因此成為了倒料時插包臂進入的部位。由于梗包停止位置由光電管從接收信號到失去信號控制，所以梗包的長短并不影響勾包氣缸動作的時間。經觀察發現，A、C、D3個產地的原料主要由于不同長度的扎口團干擾了光電管，使得光電管在包裝本體通過后，仍判斷梗包未完全通過，導致梗包停止位置不在同一位置范圍，出現了當停留在較遠位置時插包臂頭端進入麻袋較少和勾到了較厚的麻袋層卷疊部位的情況，從而導致當輸送帶啟動后出現了插包臂頭端進入量減少甚至脫落的情況，從而導致了麻袋的掉落。

由于輸送帶采用的是直插式減速機驅動、無變頻控制，輸送速度無法降低，只能增加插包臂頭端進入麻袋內的深度，因此我們將氣缸桿縮回的速度進行了提高。當速度提高后，出現了麻袋從輸送帶上被推落的情況。按圖1內運動軌跡，我們發現掉落梗包的停留位置出現在了插包臂運動弧線的最低點附近。綜合考慮表1內統計的麻袋外形狀況，我們決定將麻袋停止時間提前，使插包臂頭端從包裝貼進尾端的上表面進入。此種方法改善了A、C、D產地原料在倒料過程中的掉袋情況，但仍有大部分麻袋出現了在完全提起后空麻袋從插包臂頭端脫落的情況以及B產地包在原料在提起的過程中從插包臂頭端脫落的情況。對此，我們調整了氣缸終位時的緩沖，以求減小氣缸桿完全縮回時產生的沖擊，結果由于速度較快，氣缸桿在到達終位前出現了抖動，仍出現了速度的下降，空麻袋仍從插包臂頭端脫落；而且，B產地原料仍在提起倒料過程中脫落麻袋。

綜合上述考慮，我們決定將氣缸速度降低，以解決A、C、D產地原料終點位置時的速度下降過多導致的空麻袋掉落問題和B產地在提起過程中的脫落情況。因此，保證氣缸速度降低后插包臂頭端進入麻袋內的深度是需要解決的問題。鑒于此種結構內使用的驅動源為雙作用單桿氣缸，我們對氣缸的工作過程進行了探討，其結構如圖2所示。

當插包臂頭端需要進入麻袋時，氣缸桿進行縮回動作。壓縮空氣從2-頭端進排氣口進入3-氣缸頭腔，缸體內原有壓縮空氣經5—尾端進排氣口流出，3-氣缸頭腔和4-氣缸尾腔產生了壓力差，產生了拉力，并推動1-活塞桿移動。忽略活塞桿的直徑，產生的拉力F=P1S-P2S，其中P1為氣缸頭腔內的空氣壓力，P2為氣缸尾腔內的空氣壓力，S為活塞面積。產生的拉力又可表述為F=ma，其中m為負載質量，a為使負載產生的加速度。由上述公式來看，隨著氣缸尾腔的空氣排出，壓力下降，氣缸活塞桿會對物料產生拉力，當拉力大于負載后，氣缸活塞桿會產生變加速運動。由于在提起倒料過程中，煙梗會從麻袋內倒出，相對于氣缸桿的負載會大幅減少，氣缸活塞桿的加速度會進一步增大，這也導致了在提起倒料的終點位置時速度很大。上述也可佐證，當B產地原料相對其他3個產地原料停止位置靠前時，相比其他3個產地原料會提前接觸插包臂，從而阻礙了插包臂的運動，使得此時氣缸尾腔的壓力下降較多；當插包臂的運動軌跡不再受到阻礙時，啟動速度較大，導致在提起倒料過程中的脫落。

由于氣體具有可壓縮性，氣缸尾腔內的壓縮空氣在連接大氣后出現的壓力下降，可由氣缸活塞向尾端的移動進行壓縮后再次上升，從而減慢對活塞桿拉力的變化速度。但當前采用的通過排氣調速提高氣缸速度的方法，氣缸尾腔內的壓縮空氣順利排出并不能很好地保證氣缸頭腔和尾腔的壓力差。

綜上所述，為避免扎口團對插包臂頭端進入包裝內的影響，將全部原料停止時間提前，在插包臂受到阻礙的位置進行動作保持，將氣缸尾端排氣頭減小，但留給足夠時間排氣形成壓力差，從而使插包臂頭端獲得一定的進入深度。但是需要考慮氣缸活塞桿受到阻礙時，尾端壓力對麻袋提起速度的影響，即能否對后端氣體進行壓縮，不產生加速度的大幅增加。由于沒有收集到相關資料，筆者并沒有計算出準確結果，此處提出的計算過程僅供參考和指正。我們認為，當插包臂運動軌跡受到梗包的阻礙后，氣缸活塞桿停止運動，氣缸頭腔壓縮空氣壓力應為0.6 MPa（供應壓力），由于插包臂本身結構，只要產生壓差，插包臂就會產生運動，可假設運動過程中對氣缸后腔空氣進行了壓縮，在插包臂被梗包阻礙停止后，氣缸尾腔內的壓力也為0.6 MPa。根據伯努力方程應用公式P=0.5ρv2（P為空氣動壓力，v為氣體流動速度）計算出氣缸后腔向外排出的空氣流速，再使用Q=vs（v為氣體流動速度，s為排出口截面積）計算出空氣流量，接著根據氣體體積的減少計算質量的減少，最后根據P/m=C（P為實際壓力，m為氣缸后腔體積內的空氣質量，C為常數）。由于氣缸后腔內的壓力和空氣密度隨著空氣的排出在下降，排出的速度也隨之下降，筆者未能計算出后腔內的壓力與時間和排出口截面積的關系。另外，當氣缸運動后，由于壓縮空氣流動速度很快，假設氣缸頭腔內的壓力很快達到即保持0.6 MPa，根據玻意耳-馬略特定律公式計算一定的運動距離對氣體的壓縮情況，但由于壓縮空氣同時在排出且隨內部壓力變化排出速度也在變化，并不符合玻意耳-馬略特定律對一定質量理想氣體的前提條件要求。

對此，我們只能采用實驗的方法，先將氣缸速度調至較低工況。在較低速度的情況下，需保持較長時間才能使插包臂頭端進入包裝內一定深度，同時在輸送帶啟動后由于輸送帶和插包臂運動的速度差，插包臂頭端會從包裝內脫落。經過多次調整氣缸速度和停止時間，我們確定的最終控制方式為將輸送帶停止時間提前，即麻袋停止等待倒料的位置提前使插包臂進入點避開尾部位置而從尾端上表面進入，延遲時間啟動輸送帶使插包臂頭端進入一定深度后，采用步進輸送帶的控制方式保證插包臂頭端在提起倒料前仍保持一定的進入深度。

3 結語

綜上所述，針對包裝形式雜亂的制梗絲線原料，通過對控制方式的調整，利用氣缸前后腔壓力差，在不改動當前結構的基礎上成功地完成了煙梗開包機的倒料動作。但是，氣缸內部的壓力變化過程較為復雜，使用氣缸作為驅動源并不是最合適的選擇，使用帶有變頻控制的電機控制插包臂的效果應會優于氣缸。

參考文獻

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