GDX2包裝機鋁紙剔除系統改造

鄒紹康，莊護林，李勤書，李 燁

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠，云南彌勒 652300）

0 引言

紅河卷煙廠現有8組GDX2包裝機（國產機為ZB45），在生產運行中表現出較好的生產力及產品包裝質量，是工廠中速包裝設備的主力硬盒包裝機型。但是，該機型在長期的設備運行中，也表現出鋁紙剔除不完全、鋁紙歪斜及長短等設備及質量問題，從維修經驗可以看出，該類問題主要由鋁紙剔除裝置不穩定引起。

針對鋁紙剔除裝置的維修情況，從MES制造執行系統中統計了工廠8組GDX2包裝機在鋁紙剔除裝置部分造成的平均故障維修頻次，如表1所示。從表1可以看出，平均每臺機每年在鋁紙剔除裝置部分發生的故障維修為26次，全部8組GDX2機型每年的故障維修總量達到208次，按1 a 220 d的生產天數計算，平均每天有0.95次的故障需要處理。這一問題大大制約了GDX2機型運行效能的充分發揮，同時使鋁紙剔除裝置的故障維修成為常態性問題。因此，鋁紙剔除裝置不穩定的問題亟待解決。

1 項目的意義

本課題研究的GDX2鋁紙剔除裝置，其目的是解決因為原有電磁鐵剔除裝置自身不穩定帶來的設備運行不穩定及質量不穩定。通過從剔除裝置的結構原理、工作環境、維修難度等方面展開了深入、系統的分析與研究，從而得到采用一種新結構（氣缸電磁閥控制機構）來代替電磁鐵控制機構的改進思路，保證鋁紙剔除裝置的穩定性和后期維護高效性，進而促進設備的正常運行和產品質量的穩定。

表1 鋁紙剔除裝置故障維修次數統計

通過新剔除裝置的設計、研制、現場安裝和上機調試，成功地解決GDX2鋁紙剔除裝置不穩定的問題，有效控制了因剔除裝置故障停機帶來的產品質量波動較大、原輔材料消耗過高、人員勞動強度偏大等實際問題，從而提升了產品的穩定性和設備的穩定性，達到了優質、高效、低耗、安全的生產目的。新鋁紙剔除裝置的研制思路和使用經驗，可以推廣到GDX2000，GDX3000，GDX6和ZB48等相關設備上，具有一定的技術先進性和推廣價值。

2 原鋁紙剔除裝置存在問題及分析

2.1 原鋁紙剔除裝置工作原理（圖1）

鋁紙剔除裝置采用技術相對落后的電磁鐵裝置實現多余鋁紙材料的自動剔除。當組煙模盒無煙支組時，電磁鐵得電，電磁鐵芯子在磁場力作用下平行上移，電磁鐵芯子接觸到推桿后帶動推桿克服彈簧力向上運動。從而帶動連桿機構向后運動，使與連桿機構相連的鋁紙限位塊后退，讓出鋁紙向下運行的空間；同時鋁紙剔除輪向前運動，與鋁紙剔除膠輪接觸，被膠輪帶動做逆向轉動，使進入兩輪間的鋁紙（與無煙支組的組煙模盒相對應）向下輸送，進入剔除筐內，完成鋁紙的剔除動作。

當組煙模盒存在煙支組時，電磁鐵失電，連桿機構在彈簧力作用下迅速回位，鋁紙剔除輪向后運動，與鋁紙剔除膠輪分離，鋁紙限位塊向前運動，擋住鋁紙進入剔除筐的空間，保證鋁紙順利到達包裝折疊的工作位置，完成鋁紙折疊前的準備工作。

電磁鐵控制原理：當組煙模盒有煙支組被剔除時，程序控制輸出信號加到固態繼電器上，從而形成交流電壓加到電磁鐵上，從而在線圈上形成磁場，驅動電磁鐵芯子移動，帶動鋁紙剔除連桿機構動作，執行鋁紙的剔除的動作。

圖1 改進前鋁紙剔除裝置工作原理

2.2 原鋁紙剔除裝置存在問題

2.2.1 產品質量問題

（1）鋁紙剔除裝置連桿與電磁鐵芯子在工作時存在沖擊現象，長期反復的沖擊運動導致連桿端部出現膨扁變形，使連桿機構的行程縮短。

（2）鋁紙剔除裝置工作環境極差（煙灰多），電磁鐵密封困難，煙灰容易進入電磁鐵工作線圈內部，阻礙電磁鐵芯子的正常移動，導致連桿行程不穩定。

（3）由于連桿回位壓簧彈力不是很大，連桿機構的8件軸承在惡劣的工作環境下，容易出現轉動不靈活的現象。

上述3種情況均會導致鋁紙限位塊前進時不能到達工作位置，鋁紙會從限位塊與導板的縫隙向下移動，導致鋁紙不能在正確的包裝位置，從而影響鋁紙的折疊質量（圖2）。鋁紙限位塊后退，鋁紙剔除裝置工作時，限位塊不能到達隱藏位置，該剔除的鋁紙向下運動時會受限位塊的阻擋，導致不能正常剔除，出現鋁紙堵塞在剔除輪處，阻礙下一張鋁紙的正常傳送，從而影響鋁紙折疊質量，產生鋁紙廢煙。

圖2 改進前鋁紙剔除裝置長期使用結果

2.2.2 質量監控問題

當出現上述幾種情況時，產品質量問題較為隱蔽，不易觀察，往往會導致大批量的產品進入下道工序，造成產品質量問題、原輔材料消耗、操作人員勞動強度加大等嚴重危害。從生產運行數據記錄中發現，GDX2包裝機型因為上述問題導致翻箱等質量事故次數較多。

2.2.3 維修難度較大

鋁紙剔除裝置所處空間狹小，且拆卸電磁鐵需要拆下支座，該支座的拆卸需要在盤車手輪兩邊進行操作，導致維修困難，耗時較長。

鑒于以上分析結論，發現該裝置在實際運行中，存在較多的不穩定因素，而且維修量較大，尤其以軸承消耗量較大。為徹底消除該處隱患，有必要設計穩定性好的機構來替代，以保證鋁紙剔除裝置運行的穩定性，減少該裝置的維修次數，提高設備運行穩定性和產品質量穩定性。

2.3 原剔除裝置改進

為了簡化剔除裝置結構，同時加大此處空間以便于點檢和維修，尋找一種適合的結構來替代現有穩定性差的電磁鐵控制機構是解決問題的關鍵所在。從目前高速包裝設備中可以看出，對于有一定行程的運動機構，用氣缸控制的方式是比較適合且穩定的選擇，因此對鋁紙剔除裝置的改進思路如下。

（1）增強穩定性。消除鋁紙剔除裝置動力源的不穩定因素，用氣缸代替電磁鐵作為該裝置的執行動力源，消除工作環境灰塵多對動力機構的影響，增加鋁紙剔除功能的穩定性。

（3）電磁閥控制。加裝電磁閥自動控制氣缸的動作，實現鋁紙的剔除與限位功能的轉換。

（4）簡化結構。改進后的鋁紙剔除裝置，在維修時不需要拆卸支座，減少維修用時。

（5）減小鋁紙剔除裝置體積，使該處空間加大，便于維修。這一改進思路需要解決氣缸型號確定、氣管連接、電磁閥選型、電氣功能實現等問題。

2.3.1 氣缸型號及控制附件確定

（1）氣缸選型。條件：淤不能對原有結構產生干涉。鋁紙剔除裝置讓出空間便于一輪模盒順利轉動而不發生干涉，因此氣缸寬度不能大于剔除支座的寬度（24 mm）。于機構動作行程達到使用要求。鋁紙剔除裝置連桿行程在8 mm左右，所選氣缸行程不宜大于10 mm。

根據上述要求，選擇外形寬度為20 mm、行程為10 mm的氣缸，對應氣缸型號為ADVC-12-10-A-P。鋁紙限位塊在使用限位功能時，其位置向前3mm左右更有利于保證鋁紙處于正確的包裝位置。唯一需要改動的是避開薄片的開槽深度。或使限位塊連接的連桿端部減小2 mm，保證其前進、后退都能夠到達需要位置。而鋁紙剔除輪的前進行程被與之配合的膠輪位置限制，其壓力可通過氣壓表進行調節，保證其存在適當壓力。

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（2）氣管連接。由剔除裝置支座下方進行連接，避免氣管影響其他轉動機構的運動，容易實現。

（3）電磁閥選擇。根據氣缸的行程及大小，選擇相應的電磁閥來進行控制，以滿足氣缸的正常動作，同時保證電磁閥的安裝位置。因此選擇型號為45A-AC1-DDAJ-1JB（MAC）24 VDC 5.4 W的電磁閥作為信號控制閥。

改進后電磁閥控制原理：當改為電磁閥來控制執行鋁紙剔除動作后，由于電磁閥的工作電壓為+24 V，故在電路中取消了固態繼電器。直接用輸出板輸出信號控制電磁閥線圈得電，使電磁閥線圈得電動作，驅動氣缸執行鋁紙剔除的動作。

當改為電磁閥來控制執行鋁紙剔除動作后，由于電磁閥的工作電壓為+24 V，故在電路中取消了固態繼電器。直接用輸出板輸出信號控制電磁閥線圈得電，使電磁閥線圈得電動作，驅動氣缸執行鋁紙剔除的動作。

（4）電磁閥安裝位置選擇。安裝于煙灰相對較少的地方，減小電磁閥磨損周期，保證其工作穩定性，容易實現。

（5）電磁閥信號轉換控制。由于設備上電磁鐵的控制信號為交流電壓，故需要將控制器取消,選擇DC 24 V的電磁閥來進行控制，并改接線路即可。

2.3.2 連桿設計

由于鋁紙剔除裝置限位、剔除功能轉換時，連接剔除輪與限位塊的運動支座并不是作平移運動，而是沿以軸承1和軸承2中心距為半徑的圓弧轉動，如圖3a所示。因此，活塞平移運動時存在一個向上的力，影響氣缸活塞正常工作。在設計連桿時加裝了一絞鏈，避免氣缸軸徑向受力，影響氣缸的使用壽命。改進后連桿結構如圖3b所示。

圖3 鋁紙剔除裝置連桿

2.3.3 改進后鋁紙剔除裝置工作原理

電磁閥控制氣缸兩根進氣管壓縮空氣的轉換，當電磁閥得電，氣管2進氣，氣缸活塞向后運動，剔除輪向前運動，限位塊向后運動，實現鋁紙剔除。當電磁閥失電，氣管1進氣，活塞向前運動，剔除輪向后運動，限位塊向前運動，實現鋁紙限位功能。電磁鐵的信號依然由模盒內煙支檢測結果提供，如圖4所示。

2.4 效果驗證

2.4.1 功能性

（1）改進后的鋁紙剔除裝置由于在設計時考慮較為全面，所設計的連桿鉸鏈機構消除連桿端部圓弧運動對氣缸徑向受力影響，鋁紙剔除或限位功能完全能夠順利實現。

（2）改進后的鋁紙剔除裝置很好的消除因為電磁鐵不穩定引起的相關產品質量隱患，在降低了配件費用和檢修費用的同時，提高了紅河卷煙廠產品鋁紙質量，減輕了維修人員及設備操作人員的勞動量，并保證了設備的穩定運行。

2.4.2 穩定性

通過對鋁紙剔除裝置工作情況進行了為期一年的跟蹤調查，并統計相應故障，如表2所示。

表2 故障統計

2.4.3 便利性

改進后由于拆除了供膠閥部分，空間尺寸由改進前的250 mm×150 mm×210 mm 降低至 170 mm×110 mm×160 mm（圖5），使該部分的操作空間增大，為維修及保養工作提供了極大的方便。

3 項目創新點

（1）改進后鋁紙剔除裝置結構簡潔明了，鋁紙剔除、限位功能同時由電磁閥和氣缸完成，動作準確、穩定。電磁閥和氣缸尺寸較小，使該機構安裝空間加大，便于維修。

（2）為了實現鋁紙剔除裝置2個功能的順利轉換，氣缸的選型是改進機構的關鍵。

（3）為保證氣缸不受徑向力的干擾，影響氣缸的使用壽命，連桿的設計是改進的要點。

（4）電磁閥電路控制改進是改進后鋁紙剔除裝置動作順利轉換的關鍵。

圖5 改進前后鋁紙剔除裝置外形尺寸對比

4 結束語

研究GDX2鋁紙剔除裝置，目的是解決因為原有電磁鐵剔除裝置自身不穩定帶來的設備運行不穩定及質量不穩定，采用一種新結構（氣缸電磁閥控制機構）來代替電磁鐵控制機構，保證鋁紙剔除裝置的穩定性和后期維護高效性，進而促進設備的正常運行和產品質量的穩定。通過新剔除裝置的設計、研制、現場安裝和上機調試，成功地解決GDX2鋁紙剔除裝置不穩定的問題，有效控制了因剔除裝置故障停機帶來的產品質量波動較大、原輔材料消耗過高、人員勞動強度偏大等實際問題，從而提升了產品的穩定性和設備的穩定性，達到了優質、高效、低耗、安全的生產目的。新鋁紙剔除裝置的研制思路和使用經驗，可以推廣到GD機型相關設備上，具有一定的技術先進性和推廣價值。