手卷雪茄內胚器電動化改進

李俊瑤 黃紫祥 王 劍 郭群陵 簡 蓉 陳 濤 施友志

(1. 湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430040；2. 湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

手卷雪茄內胚是茄芯與直接包裹茄芯的茄套卷制而成的組合體[1]27。雪茄內胚卷制是手卷雪茄卷制的核心過程，手卷雪茄卷制效率在一定程度上取決于手卷雪茄內胚卷制效率。當前中國手卷雪茄卷制效率約60支/(人·班)，為了提高手卷雪茄卷制過程機械化和卷制效率，國內雪茄煙生產企業大多使用一種全葉卷雪茄手工卷煙機[2-3](以下簡稱內胚器)部分替代手工作業，將卷制效率從約60支/(人·班)提升到了90支/(人·班)。但內胚器缺少機械動力，卷制工連續工作勞動強度大，容易引發卷制工的職業健康風險[1]130-132。

內胚器結構見圖1，其中卷煙軌道、搖臂支撐架與框架連接為一體形成固定支架，鉸軸穿過搖臂下端軸孔與搖臂支撐架連接，滾動輥安裝在兩搖臂之間的上端，控制搖臂行程的定位塊固定在框架上端，弧板固定在卷煙軌道的前端凹槽內，卷煙布帶蓋過滾動輥，其兩端分別固定在卷煙軌道的后端面及布帶長度控制軸上，布帶長度控制軸安裝在與框架相固定的軸座上。操作時手動推動手柄帶動滾動輥繞鉸軸在卷煙軌道上滑動，使卷煙布帶中的茄套包裹茄芯，完成內胚卷制。

1. 手柄 2. 搖臂 3. 卷煙軌道 4. 弧板 5. 搖臂支撐架 6. 框架 7. 定位塊 8. 軸座 9. 滾動輥 10. 布帶長度控制軸 11. 鉸軸

雖然內胚器卷制較手工卷制有諸多優點(如吸阻均勻、卷制效率較高等)，但仍存在一定的操作困難。為研究內胚器在實際卷制過程中有何種缺陷，對全車間所有使用過內胚器的54名卷制工進行調查，依據生產過程反饋的突出問題設置多個內胚器使用缺陷選項(勞動強度大、力度掌控不均、皮帶位移造成質量缺陷、卷制工位設計不便、煙葉消耗大、其他)，對卷制工選擇結果繪制排列圖[4]，如圖2所示。

由圖2可知，前3項的累積頻率達到77.8%，即勞動強度大、力度掌控不均和皮帶位移造成質量缺陷是內胚器使用過程的主要缺陷。其中針對勞動強度大進行分析，由該設備工作原理可知，該設備未配置動力系統，卷制過程依賴人工推動內胚器手柄完成卷制過程，當卷制工長期、連續重復勞動，肩部負荷大易引發肩部不適，為后續進一步提升卷制效率增加難度。

圖2 內胚器使用缺陷排列圖Figure 2 Using defect pareto of hand-made cigar machine

1 結構及原理

針對前期調研內胚器存在的設計和使用缺陷，增加現用內胚器機械動力，通過電機驅動搖臂制胚，實現內胚器平穩運行，最大程度降低卷制工勞動強度。

1.1 電動內胚器結構

如圖3所示，改進后內胚器由框架、卷制機構、驅動機構3部分組成。卷制機構包括卷煙軌道、制胚搖臂、搖臂支撐架、光電檢測開關、卷煙布帶、滾動輥。卷煙軌道的兩端固定在框架上，框架兩側設置搖臂支撐架，搖臂支撐架通過鉸軸連接，制胚搖臂的一端可繞鉸軸旋轉，另一端設有限位孔，左右制胚搖臂通過滾動輥連接。卷煙布帶兩端分別與框架的兩端固定，框架上設置光電檢測開關。驅動機構包括電機、曲柄、連桿和支架，支架的一端固定在制胚搖臂上，另一端通過連桿、曲柄與驅動電機連接。

1. 電機 2. 曲柄 3. 連桿 4. 支架 5. 制胚搖臂 6. 搖臂支撐架 7. 光電檢測開關 8. 卷煙布帶 9. 框架 10. 滾動輥 11. 手柄 12. 填料凹槽 13. 出料凹槽 14. 負壓孔 15. 搖臂支撐軸 16. 限位孔

在卷煙軌道填料凹槽和出料凹槽之間設置負壓孔，用以吸附卷煙布帶，減少卷煙布帶因褶皺對煙支外觀質量的影響。機構增設腳踏開關，控制電機啟停。

1.2 電動內胚器工作原理

如圖4所示，電動內胚器啟動前，搖臂停留在填料凹槽處。設備啟動時光電開關檢測到搖臂處于填料凹槽處時，光電開關檢測值置0，此時接觸線圈失電，減速電機停止工作，防止搖臂由于慣性或者人工操作失誤造成打手或者停止位置位移，導致質量不合格或安全事故。

1. 電機 2. 曲柄 3. 連桿 4. 支架 5. 制胚搖臂 6. 光電檢測開關 7. 框架 8. 填料凹槽 9. 出料凹槽 10. 負壓孔 11. 卷煙軌道

卷制工在填料凹槽的卷煙布帶上添加所需的雪茄煙葉，踩下腳踏開關，光電檢測開關檢測值置1，減速電機啟動，驅動曲柄旋轉，通過連桿驅動搖臂由填料凹槽向出料凹槽運動，到達出料凹槽時，卷制完成的雪茄內胚落入出料凹槽后，搖臂反向運動，由出料凹槽向填料凹槽運動，直到觸碰到光電檢測開關，光電檢測開關檢測值置0，電源斷開，電機停止工作，完成一個卷制周期。

2 電動內胚器驅動機構改進

2.1 內胚器驅動機構

根據空間布局，傳動機構選擇曲柄搖桿機構，曲柄搖桿機構由轉動副盤形凸輪、連桿、連桿支架等組成。

2.2 曲柄搖桿機構的受力分析

2.2.1 盤形凸輪 盤形凸輪的功能是將減速電機產生的動力傳給連桿，將旋轉運動變為連桿隨曲柄平移和繞偏心銷轉動的往復運動。

2.2.2 連桿 連桿和連桿支架由銷連接，中間為連桿桿身，下端通過銷軸與盤形凸輪連接。由于連桿作平面往復運動，桿身受拉力、壓力和彎矩三者共同影響，要求連桿質量輕、抗彎性能強。

2.2.3 曲柄搖桿機構上的作用力 作用于曲柄搖桿機構上的力包括主動力(盤形凸輪推力)、負載阻力(機構運動慣性力、摩擦阻力)。由于摩擦力數值較小，變化規律復雜，受力分析予以忽略[5]，只研究減速電機的驅動力和運動質量慣性力變化規律對機構的作用，選擇減速電機的合適型號。

(1) 機構的慣性力：曲柄搖桿機構的慣性力是由于運動不均勻產生的，為了確定機構的慣性力，通常將連續分布質量的曲柄搖桿機構質量離散成用往復運動質量mj和旋轉運動質量mr的動力學等效的當量系統來代換[6]，簡化后整個曲柄搖桿機構變為由只有剛性而無質量的桿件連接的兩個集中質量。

往復質量：mj=mp+m1，

(1)

旋轉質量：mr=mcr+m2，

(2)

式中：

mj——搖桿中心點的總質量，g；

mr——曲柄中心點的總質量，g。

綜合以上分析，曲柄搖桿機構轉化后集中到搖桿銷中心點。如圖5所示，A的總質量mj為mj=mp+m1集中到曲柄銷中心點B的總質量mr為mr=mcr+m2，其中mcr為曲柄銷質量，m2為曲柄質量，其中，α為Fj(往復慣性力)與y軸的夾角，即摩擦角α，ωA為A點的角速度，ωB為B點的角速度。

曲柄搖桿機構的慣性力等于質量與加速度的乘積[7]，方向與加速度方向相反，曲柄搖桿機構運動時，有兩種慣性力：往復運動的慣性力和旋轉運動的慣性力，二者可由上述運動分析及質量轉化求出。

往復運動的慣性力：

(3)

式中：

Fj——往復慣性力，N；

1. 曲柄 2. 搖桿銷軸 3. 搖桿 4. 連桿銷軸 5. 連桿圖5 曲柄搖桿機構運動示意圖Figure 5 Motion diagram of crank rocker mechanism

mj——往復質量，g；

j——加速度，m/s2；

ωA——A點的角速度，rad/s；

α——摩擦角，°。

旋轉運動的慣性力：

(4)

式中：

Fr——旋轉慣性力，N；

mr——旋轉質量，g；

jr——向心加速度，m/s2；

ωB——B點的角速度，rad/s。

旋轉慣性力的方向始終沿著曲柄半徑方向，并隨著曲柄位置而變化。

(2) 減速電機的驅動力：對于內胚器制胚過程中所需驅動力矩的計算，涉及到摩擦阻力、制胚所需最大推力和慣性力。

制胚時的慣性力是機構受力不均勻產生的[8]，與上文慣性力分析相似。而制胚所需最大推力通過用彈簧秤實測得出一組數據，如表1所示。

由表1可得，制胚時所需最大驅動力為7 kg，所選減速電機驅動力適宜范圍為略大于制胚最大驅動力[9]，若減速電機驅動力遠大于制胚最大驅動力，會產生較大的沖擊力，不利于與卷制工手動操作配合。

根據曲柄搖桿機構受力分析以及彈簧秤測試計算，初步選擇型號為SA/TDR63M4的減速電機。

2.3 減速電機(SA/TDR63M4)效果驗證

SA/TDR63M4減速電機是轉速為60 r/min，電壓為380 V的星型接法，功率0.18 kW。為準確驗證所選減速電機是否滿足電動內胚器的需要，進行以下驗證：

T=9 550P/n，

(5)

式中：

T——扭矩，N·m；

9 550——常數；

P——電機的功率，kW；

n——輸出的轉速，r/min。

經計算T=14.32 N·m。

電動機的轉矩T=電動機軸拖動盤形凸輪的力×盤形凸輪的半徑，經轉換得

(6)

式中：

F驅——減速電動機的驅動力，N；

T——電動機的轉矩，N·m；

R——盤形凸輪的半徑，m。

現電動機轉矩已求得為14.32 N·m，盤形凸輪的半徑已知為0.03 m，經計算F驅≈477 N。

由彈簧秤測得制胚阻力7 kg(最大值)，計算其阻力值F阻：

F阻=7 kg×9.8 N/kg≈70 N。

顯然，在考慮摩擦力、力傳動的效率等因素的情況下，F驅>F阻，所選電機型號能夠滿足工作需求。

2.4 電機驅動及控制

電動內胚器控制系統由S7200.CN PLC處理器、S7電源、光電檢測開關、中間繼電器、腳踏接觸式開關和線纜組成。

光電檢測開關的選型根據生產實際和工作環境，選擇體積小、壽命長、精度高、響應速度快的omron(歐姆龍)E3Z-R61回歸反射型(4M/DC10-30V)光電開關。

電動內胚器控制系統的工作原理是：S7200內部程序采集到檢測開關及腳踏接觸式開關的信號轉換后，依據程序自動調節算法將輸出控制信號發送給中間繼電器，控制接觸器線圈得電(或失電)，從而控制驅動電機的啟動(或停止)[10-11]。

該方案采用西門子控制程序對內胚器的驅動機構進行精準控制，保證了內胚器良好的動態響應特性。

3 應用效果

電動內胚器投入生產使用后，卷制工反映肩部不適的次數明顯降低，因為勞動強度過大而請假的次數也明顯降低，連續跟蹤一周某卷制工使用改進后電動內胚器的卷制產量，與改進前該卷制工卷制同一品規煙支的卷制產量進行對比，結果見表2。

表2 電動內胚器改進前后產量對比表

由表2可知，改進前該卷制工日均產量118.67支，改進為電動內胚器后日均產量為142.17支，單人平均增產23.5支，達到超過20%的增長率，說明電動內胚器的改進可以增加卷制工的卷制效率。

隨機抽取改進前后各30支內胚樣品進行檢測，每支樣品重復檢測3次，從吸阻穩定性、圓周穩定性兩個方面驗證質量一致性，如表3所示。

表3 電動內胚器卷制質量對比表

由表3可知，改進后吸阻標準差由109.816 kPa降至73.542 kPa，圓周標準差由0.613 mm降至0.370 mm，說明為內胚器增加機械動力，對煙支質量無不良影響，而且還可以使煙支質量更加穩定，降低次品率。

4 結論

對傳統手卷雪茄內胚器進行電動化改進，增添機械動能，將現代工業中常用的曲柄搖桿機構、光電感應裝置等應用于傳統手卷雪茄的生產中，并證實了其可行性。

電動內胚器的應用能夠提升手卷雪茄卷制效率，突破目前中國圓頭平尾手卷雪茄卷制效率瓶頸，但試驗只驗證了單人卷制效率的提升，后期可對電動內胚器卷制效率進行長期驗證，開展其他影響因子分析。