基于濾棒質(zhì)量的KDF2 成型機開松輥改造設(shè)計

余寶意，毛思睿

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，湖北武漢 430051）

0 引言

KDF2 成型機組是由YL12 開松機、YL22 成型機和YJ35 裝盤機組成[1]。該機組中YL12 開松機利用由螺紋輥和橡膠輥等組成的輥壓開松裝置，對絲束進行開松。YL12 開松機原有結(jié)構(gòu)的2#、3#兩個橡膠輥，是由兩個框架式固定支架固定在開松機的墻板上，支架的本身不可調(diào)整，并且橡膠輥平行度調(diào)節(jié)精度低，導(dǎo)致實際工作時橡膠輥和螺紋輥不平行。兩個橡膠輥與螺紋輥的間隙只能由外框的偏心套來補償調(diào)整，如果間隙調(diào)整不當(dāng)，不僅會減少軸承的使用壽命，同時間隙大的部位絲束的卷曲沒有得到有效消除，進而影響開松效果，容易出現(xiàn)吸阻標偏大或吸阻質(zhì)量指標不合格等質(zhì)量問題[2]。為此，對兩個開松輥的固定結(jié)構(gòu)進行改造，靠氣缸支撐和外框結(jié)構(gòu)特點自動補償調(diào)整間隙和平行度，提高濾棒硬度及吸阻的穩(wěn)定性。

1 絲束輥壓開松裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 開松輥的工作原理

開松輥由預(yù)拉輥、前開松輥、后開松輥、輸出輥4 組輥筒組成（圖1）。其中，前開松輥、后開松輥軸線相互平行，上輥是由不銹鋼制成的螺紋輥，下輥是橡膠輥，為鋁芯外包聚氨酯材料的輥筒。兩個螺紋輥旋向相同，均為右旋螺紋，但螺紋略有差異，均為主動輥。前開松輥通過齒面夾持將經(jīng)過預(yù)拉輥擴展的絲束送入開松區(qū)。后開松輥的線速度快于前螺紋輥。當(dāng)絲束帶在前、后螺紋輥間通過時，螺紋頂面在沿輥的軸線橫向移動時將絲束向前送出，使單絲分離，并交替夾持、放松。且由于輥速的提高，使絲束產(chǎn)生縱向的拉伸，消除絲束卷曲，最終得到開松的絲束帶進入下個流程[3]。

圖1 YL12 原機開松輥

1.2 偏心套的鎖緊原理及存在的問題

螺紋輥與橡膠輥間的平行度通過橡膠輥上的偏心套來調(diào)節(jié)。兩個橡膠輥前支撐中各有一個偏心套，松開套筒圓周表面上端孔中旋入的緊固螺釘，可以通過轉(zhuǎn)動偏心套調(diào)整橡膠輥前端位置的高低，從而調(diào)整平行度。偏心套圓周上對稱分布了12 個孔，所以偏心套只能調(diào)節(jié)到對應(yīng)的12 個孔的位置，導(dǎo)致偏心套為有級調(diào)節(jié)。已知偏心套的偏移量為2.4 mm，而12 個孔使偏心套最高位到最低位之間有6 個等級，即偏心套的調(diào)節(jié)精度為2.4/6=0.4 mm。在實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)生橡膠輥和螺紋輥不平行情況，偏心套的定位孔和緊固螺釘不在同一軸線上。為了將偏心套鎖緊，必須將偏心套轉(zhuǎn)動一個角度（偏心套角度轉(zhuǎn)動量0＜∠偏心≤15°，此時平行度變化量0＜平行度≤0.4/2，角度轉(zhuǎn)動量與平行度變化量成正比），使定位孔和緊固螺釘同一軸線，導(dǎo)致螺紋輥與橡膠輥不平行，引起絲束跑偏、開松不均勻、部分絲束卷曲沒有得到消除等現(xiàn)象，濾棒硬度與吸阻的不穩(wěn)定。因此，想要提高濾棒的質(zhì)量，可以從平行度自動調(diào)整入手[4]。

2 開松棍改造后的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 改造思路

在開松輥的結(jié)構(gòu)中，橡膠輥支架一端固定在氣缸的連接件上，連接件為I 型接頭，與支架上的孔一同被銷軸固定。另一端固定在連接墻板的主軸上，可繞軸轉(zhuǎn)動。橡膠輥軸的兩端都有軸套，固定在橡膠輥支架的孔中。從原機結(jié)構(gòu)可以看出，橡膠輥兩端位置的高低，由偏心套的角度和橡膠輥支架兩端位置的高低兩個因素共同決定。所以除了在橡膠輥的軸套上做平衡度的調(diào)整之外，通過調(diào)整橡膠輥支架左右兩端的高低，也可以實現(xiàn)對橡膠輥前端位置高低的調(diào)整，從而調(diào)整平行度。由于支架只有繞主軸轉(zhuǎn)動這一個自由度，想要調(diào)整支架左右兩端的高低，需要改造支架的結(jié)構(gòu)，增加一個繞橫向軸轉(zhuǎn)動的自由度。

2.2 改造后開松輥的結(jié)構(gòu)

改造后的開松輥結(jié)構(gòu)將一整塊支架改造成由橫向調(diào)節(jié)軸連接的兩塊支架，支架上開了個直徑為15 mm 的孔，孔位于支架平面的正中心，軸長55 mm（圖2）。改造后的橡膠輥支架可以繞軸做一定角度的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整支架兩端的高低。支架靠近中心主軸的左右兩端，分別加裝了限位調(diào)整螺絲，可以控制橡膠輥支架繞橫向調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)動的最大角度，從而控制橡膠輥兩端的高度差，同時也避免了因支架轉(zhuǎn)動角度過大，造成銷軸固定氣缸與支架時不方便的問題，節(jié)約了維修時間。

圖2 改造后的支架

改造中還發(fā)現(xiàn)，由于氣缸上的I 形接頭與橡膠輥支架被銷軸完全固定，制約了橡膠輥支架繞橫向調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，需要改造氣缸支撐桿連接件的結(jié)構(gòu)，使支架與氣缸支撐桿之間，有一定的相對運動量。將原機氣缸單向支撐結(jié)構(gòu)改為萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)（圖3），將I 形接頭改為桿端關(guān)節(jié)軸承，桿端關(guān)節(jié)軸承是萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)，銷軸在桿端關(guān)節(jié)軸承的小孔中可以自由旋轉(zhuǎn)一定角度。

圖3 萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)

2.3 改造后開松輥自動平衡的工作原理

改造后的開松輥擁有自動平衡的功能，其工作原理分為3個流程：

圖4 橡膠輥支架受力分析

（1）當(dāng)氣缸進氣，活塞向上推動氣缸支撐桿，帶動橡膠輥支架向螺紋輥靠攏時，橡膠輥支架兩端同時受到向上的力F1和F2（圖4）。假設(shè)平行度＞0，高的一端受力F1，低的一端受力F2。

（2）在氣缸支撐桿推力的持續(xù)作用下，橡膠輥高的一端，會接觸到螺紋輥，受到螺紋輥的反作用力F2反。而未接觸到螺紋輥的一端，由于沒受到螺紋輥的反作用力，F(xiàn)2會分解成以橫向轉(zhuǎn)動軸的中心為圓心，橫向轉(zhuǎn)動軸的中心線到左/右端面的垂直線為半徑的圓周力Ft和徑向力Fr（圖5）（Ft垂直于Fr，F(xiàn)1與Ft的夾角為∠α，F(xiàn)r=Ft×tanα）。其中徑向力Fr因為軸的反作用力受力平衡，圓周力Ft推動橡膠輥支架繞軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動后橡膠輥兩端的高度差會減少，平行度降低。

（3）在橡膠輥繞軸轉(zhuǎn)動的同時，橡膠輥高的一端，在轉(zhuǎn)動的過程中會因為高度降低，遠離螺紋輥，導(dǎo)致反作用力F2反消失，橡膠輥支架重復(fù)步驟（1），直到橡膠輥高的一端重新接觸螺紋輥，再重復(fù)流程（2）。流程（1）和流程（2）會自動反復(fù)轉(zhuǎn)換，每進過一次流程（2），∠α 都會減小，橡膠輥兩端的高度差也會逐漸減少，平行度也隨之逐漸降低。當(dāng)橡膠輥兩端同時接觸到螺紋輥（此時∠α=0，F(xiàn)2與圓周力Ft大小相等，方向相同，徑向力Fr為0），左右兩端同時受到螺紋輥的反作用力，開松輥結(jié)構(gòu)受力平衡，流程（2）自動停止進行（圖6）。

改造后的開松輥結(jié)構(gòu)，一方面在結(jié)構(gòu)上使開松輥平行度從有級調(diào)節(jié)，變?yōu)闊o級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度更高。另一方面通過受力轉(zhuǎn)換，用自動平衡調(diào)整代替手動調(diào)整，調(diào)整更快捷，平行度更高，消除了手動調(diào)整時出現(xiàn)的誤差，延長了橡膠輥、軸、軸承的使用壽命。

圖5 橡膠輥支架未受力端受力分析

圖6 流程（3）受力分析

3 開松棍改造對濾棒質(zhì)量的影響

3.1 改造對濾棒硬度的影響

影響濾棒硬度的原因有環(huán)境溫濕度、絲束來料，絲束填充量、增塑劑施加量、甘油酯噴涂壓力、濾棒圓周、絲束卷曲穩(wěn)定性[5]。為了檢測改造對硬度的影響，采用控制變量法。在同一環(huán)境下（溫度26 ℃，濕度60%RH），選兩臺KDF2 設(shè)備（7#與8#）同時生產(chǎn)，7#設(shè)備（K7）未經(jīng)過改造，8#（K8）設(shè)備經(jīng)過改造。絲束包選用同一批次的醋酸纖維，增塑劑批次相同，施加量統(tǒng)一調(diào)至8%，甘油酯噴涂壓力統(tǒng)一調(diào)至1.0 MPa，濾棒圓周平均值統(tǒng)一調(diào)至24.00 mm。產(chǎn)品中取300 支濾棒，存放一天后，在綜合測試臺測量的濾棒硬度指標。K7 和K8 的硬度測試數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 K7 的硬度測試數(shù)據(jù) %

表2 K8 的硬度測試數(shù)據(jù) %

可以看出，K7 的濾棒硬度最大值84.3%，最小值80.4%，平均值82.12%；K8 的濾棒硬度最大值89.7%，最小值84.4%，平均值87.06%

從測量結(jié)果得出，在同樣的外部條件下，經(jīng)過改造的K8 設(shè)備濾棒硬度，比未改造的K7 設(shè)備濾棒硬度值大約5%。

3.2 改造對濾棒吸阻偏差的影響

影響吸阻偏差的原因有：環(huán)境溫濕度、絲束來料、開松輥速比、開松輥壓力、空氣開松器氣壓、圓周大小、絲束卷曲穩(wěn)定性。為了檢測改造對硬度的影響，同樣采取控制變量法。在同一環(huán)境下（溫度26 ℃，濕度60%RH），仍然選擇7#和8#設(shè)備同時生產(chǎn)，絲束包選用同一批次的醋酸纖維，開松輥速比統(tǒng)一調(diào)至1∶1.30，開松輥壓力統(tǒng)一調(diào)至0.2 MPa，預(yù)拉輥壓力統(tǒng)一調(diào)至0.05 MPa，三級開松絲束展幅統(tǒng)一調(diào)至230 mm，濾棒圓周平均值統(tǒng)一調(diào)至24.00 mm。產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，分別取300 支生產(chǎn)出來的濾棒，在綜合測試臺測量濾棒的吸阻偏差。K7 和K8 的吸阻測試數(shù)據(jù)見表3 和表4。

表3 K7 的吸阻測試數(shù)據(jù) mmH2O

表4 K8 的吸阻測試數(shù)據(jù) mmH2O

由測量結(jié)果可知，K7 的濾棒吸阻最大值292 mmH2O，最小值266 mmH2O，平均值280.2 mmH2O，吸阻偏差6.4；K8 的濾棒吸阻最大值286 mmH2O，最小值277 mmH2O，平均值282.6 mmH2O，吸阻偏差2.7 mmH2O。

從測量結(jié)果得出，在同樣的外部條件下，經(jīng)過改造的K8 設(shè)備濾棒的吸阻標準偏差，比未改造的K7 設(shè)備濾棒的吸阻標準偏差，降低了3.7 mmH2O。

3.3 改造對濾棒吸阻穩(wěn)定性的影響

將3.2 中測量的300 個吸阻值，每10 個測量數(shù)據(jù)算平均值，并將算出來的30 組數(shù)據(jù)做折線圖，對比改造前后的吸阻穩(wěn)定性（圖7）。從圖中可以看出，K8 的折線較K7 上下波動小很多，吸阻穩(wěn)定性有明顯的提高。

圖7 改造前后吸阻對比

3.4 結(jié)果比較

從測量結(jié)果可以看出，改造后設(shè)備生產(chǎn)出來的濾棒，硬度指標較改造前提高了約5%，濾棒的吸阻指標更穩(wěn)定，吸阻偏差降低了3.7 mmH2O，吸阻穩(wěn)定性較改造前有明顯的提高。

4 結(jié)束語

通過上述對橡膠輥支架結(jié)構(gòu)的改造，提高了設(shè)備的調(diào)節(jié)靈活性及精度，解決了由于開松輥平行度調(diào)節(jié)精度低引起的濾棒硬度低、吸阻偏差大等問題，極大地提升了產(chǎn)品質(zhì)量，取得了預(yù)期效果。該改造有如下技術(shù)優(yōu)勢：①不改變原機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和安裝方式；②橡膠輥可獨立拆卸，便于更換及維修；③對橡膠輥和螺紋輥之間的平衡和間隙自動補償調(diào)節(jié)；④橡膠輥長期處于自動平衡狀態(tài)，減少磨損，延長軸承和橡膠輥的使用壽命；⑤延長了維護周期，減少配件消耗，降低維修成本；⑥改造后的結(jié)構(gòu)外形規(guī)格尺寸與原機一致，確保了通用性、兼容性和互換性；⑦自動克服絲束的卷曲度、硬度等物理缺陷，提高吸阻的穩(wěn)定性。