ZF12B 煙支儲存輸送系統水平輸送裝置的設計

陳 超，吳小超，鄢紅章，蘭志超，孫昊寧

1.湖北中煙工業有限責任公司襄陽卷煙廠，湖北省襄陽市樊城區大慶西路55 號 441000

2.湖北中煙工業有限責任公司生產制造中心，武漢市東西湖區海口二路2 號 430040

3.武漢納莫電子控制技術有限責任公司，武漢市東湖高新區光谷大道62 號 430074

ZF12B 煙支儲存輸送系統是位于卷接機組與包裝機組之間的連接輸送設備，主要完成煙支自動輸送、存儲和緩沖調節等任務，實現卷接包生產線的高速自動化［1］。ZF12B 一般先將煙支提升到一定高度，再將煙支輸送到位于包裝機組煙庫上方的落料頭內，然后煙支垂直下落到包裝機組煙庫中用于包裝生產。由于ZF12B 的轉角提升和落料頭結構對煙支流產生較大擠壓力，導致生產過程中存在煙支下墜、煙支歪斜、皺紋煙支等問題，增加了煙支空頭率和不合格品剔除率。針對此，盧新潤［2］設計了一種煙支輸送通道中煙支歪斜檢測裝置，減少了因煙支歪斜導致的包裝機組故障停機次數。此外，針對大流量輸送裝置近年來也有較多研究和改進，主要包括在轉角提升處采用擺臂式柔性輸送裝置［3］、減小導向座摩擦力［4］、采用半月牙形輸送鏈板［5］等方法改進垂直提升結構；采用斜提升代替垂直提升［6］；在包裝機組煙庫中對分離器［7］、下煙通道［8-9］、攪動塊［10］等裝置進行優化設計。湯達偉等［11］采用離散元仿真軟件EDEM 對包裝機組煙庫中煙支流動規律進行仿真分析，為優化設計煙庫提供了參考。因煙支提升結構存在自身局限性，上述改進或設計未能從根本上解決大流量輸送裝置生產效率低和材料損耗大等問題。為此，設計了一種新型煙支水平輸送裝置，采用水平輸送方式取代ZF12B 的轉角提升方式，以期提高卷煙包裝質量和生產效率。

1 問題分析

在原ZF12B 煙支儲存輸送系統中，煙支堆疊后進入裝盤及輸送通道。標準卷煙的堆疊層數為7～8 層，堆疊厚度約為60 mm；中細支卷煙的堆疊層數為8～9 層，堆疊厚度約為50 mm。而在轉角提升和包裝機組煙庫上方落料頭處，通道內煙支堆疊厚度通常大于500 mm，此時通道及落料頭中的下層單支卷煙會受到自身重力、相鄰煙支的法向壓力和切向摩擦力的共同作用，其中法向壓力為所有煙支重力分量的疊加，見圖1。因此，煙支堆疊厚度越厚，下層單支煙支所受壓力越大，煙支越容易產生皺紋和傾斜等現象。

圖1 煙支受力示意圖Fig.1 Stress analysis of cigarette

由圖2 可見，轉角提升和落料頭結構不合理也會對煙支輸送質量產生較大影響。主要原因在于：①煙支在轉角處的轉角半徑不同，使得煙支間存在相互搓動和擠壓，同時因轉角處輸入流量存在波動，煙支在提升過程中會下墜以彌補輸入流量不足，由此煙支在輸送鏈板或輸送帶上產生搓動，進而產生皺紋煙支甚至煙支歪斜；②在落料頭處設有一個弧形壓板，通過弧形壓板對落料頭中煙支施加了較大壓力，用于壓緊煙支避免煙支散亂，但該壓力也容易使煙支產生擠壓變形。

圖2 改進前ZF12B 煙支儲存輸送系統結構示意圖Fig.2 Structure of ZF12B cigarette reservoir and transfer system before modification

2 系統設計

2.1 系統結構

根據ZF12B 煙支儲存輸送系統和包裝機組的結構布局，設計了一種新型煙支水平輸送裝置，以替代ZF12B 從匯流口到包裝機組的連接部分。該裝置主要由水平輸送帶、中間皮帶、煙庫、導流塊、左右導流板、料位傳感器等部分組成，見圖3。在生產中，采用水平輸送帶1 將煙支從匯流口水平輸送到包裝機組下煙通道上方，水平輸送帶由電機2 驅動。在包裝機組下煙通道上方設置了煙庫3 用于接收儲存煙支，并向下輸送煙支到包裝機組。煙庫中部有一條中間皮帶4 輔助將煙支從煙庫右邊輸送到左邊，中間皮帶由電機5 驅動。煙庫中部設有導流塊6，兩邊設有左導流板7 和右導流板8，用于將煙支順利導入包裝機組下煙通道；左邊導流板上設有3 個料位傳感器9、10、11 用于檢測煙庫料位，分別對應低位、正常、高位3 個料位高度。

圖3 煙支水平輸送裝置結構示意圖Fig.3 Structure of horizontal conveying device of cigarettes

如圖4 所示，采用新型煙支水平輸送裝置后，取消了煙支提升過程，避免了煙支在此過程中產出下墜、搓動和擠壓現象。此外，改進后在包裝機組上方增設了一個開放式煙庫，用于消除落料頭中弧形壓板對煙支產生的壓力。當煙庫料位為空時，包裝機組不允許啟動，水平輸送帶以設定速度向煙庫中填充煙支，直至煙庫達到正常料位。此時包裝機組啟動，水平輸送帶的輸入流量與包裝機組實際生產速度相匹配，并可根據煙庫料位對輸入流量進行調節。輸入煙庫中的煙支一部分下落到煙庫右邊，另一部分通過中間皮帶輸送至煙庫左邊，通過中間皮帶控制流量分配，使煙庫中煙支流的上平面保持平整。

圖4 改進后ZF12B 煙支儲存輸送系統結構示意圖Fig.4 Structure of ZF12B cigarette reservoir and transfer system after modification

2.2 料位監測

通過設置在左導流板上的3 個料位傳感器來監測煙庫料位。由圖3 可見，低位傳感器露出時表示煙庫空閑，此時包裝機組不允許啟動；高位傳感器被遮擋時表示煙庫充滿，此時輸送帶停止輸送；中間傳感器作為煙庫理想料位用于控制煙支輸入流量，被遮擋時減少輸入量，露出時增加輸入量。圖5 中，料位高度H 表示中間皮帶上煙支流的厚度，3 個料位傳感器的安裝位置分別對應的料位高度H 為25、85 和110 mm。生產中通過分析3 個料位傳感器狀態以及計算流量速度積分，可以確定實際料位高度。

圖5 煙庫料位示意圖Fig.5 Schematic diagram of cigarette flow level in cigarette hopper

2.3 流量分配

如圖6 所示，輸入煙庫中的煙支流量分為兩部分，一部分用于包裝機組生產消耗，從煙庫兩邊直接導入包裝機組，消耗流量由包裝機組生產速度確定，左右兩邊按比例1∶1 分配；另一部分用于煙庫存儲，由水平輸送帶輸入流量與包裝機組消耗流量的差值確定，這部分流量以中間皮帶最右端為分界線進行劃分，左右兩邊寬度比例約為7∶3，即流量分配比例為7∶3。因此，中間皮帶輸送流量L 與水平輸送帶輸入流量Lin滿足以下關系：

圖6 煙支流量分配示意圖Fig.6 Schematic diagram of distribution of cigarette flow

式中：Lp為包裝機組生產速度，支/min；L 為中間皮帶輸送流量，支/min；Lin為水平輸送帶輸入流量，支/min。

生產中通常會根據煙庫料位和包裝機組生產速度設置輸入流量基本值′，即輸入流量的最小需求量。包裝機組停止運行時若煙庫未達到中間傳感器對應的正常料位，則設定為3 000支/min。取料位調節系數為1.85，在不同煙庫料位和包裝機組生產速度下設定：

式中：H 為煙庫料位高度，mm；Lp為包裝機組生產速度，支/min。

2.4 運動分析

由于煙支流由獨立的煙支組成，其物理性質介于固體與液體之間，具有流動性，且能承受較大的壓力和剪力，因此可以通過定性分析列出其運動計算公式，再采用實驗方法確定參數。通常情況下，煙庫中煙支越多煙支承受的壓力越大，而包裝機組生產時煙支向下流動，流動速度越快煙支壓力越小。通過實驗可知，相同受力條件下，中間皮帶速度越快，煙支水平位移越大；在相同中間皮帶速度下，煙支壓力越大，水平位移越小。設置不同的中間皮帶速度V01、V02、V03，使其滿足V01＞V02＞V03，觀察煙庫中煙支流形態，見圖7。根據圖7，可以認為中間皮帶存在最小初速度V0min，當中間皮帶速度接近最小初速度V0min時煙支流上平面基本平整；隨著中間皮帶速度增大，超過最小初速度V0min時，煙支流上平面的平整度變化較小；隨著中間皮帶速度減小，小于最小初速度V0min時，煙支流上平面的平整度變化較大。可見，最小初速度V0min主要取決于煙支流內部壓力。根據實驗結果，取中間皮帶速度為300 mm/min，料位調節系數為0.017，包裝機組速度調節系數為0.012，利用煙庫料位高度H 和包裝機組速度Lp可確定V0min：

圖7 不同中間皮帶速度下煙支流形態示意圖Fig.7 Schematic diagram of cigarette flow forms at different initial velocities

式中：H 為煙庫料位高度，mm；Lp為包裝機組生產速度，支/min。

2.5 電機控制算法

生產中通常根據不同的應用場景控制水平輸送帶電機轉速V1和中間皮帶電機轉速V2。在包裝機組停止且煙庫料位高于中間料位傳感器或高料位傳感器時不輸送煙支，此時V1=V2=0。在系統需要輸送煙支時，應同時滿足流量最低和速度最低要求。由式（4）可得到中間皮帶最小初速度V0min，故對應的中間皮帶輸送流量最小值Lmin為：

根據式（2）可得到中間皮帶最小初速度V0min對應的水平輸送帶輸入流量Lin1：

取Lin1和′兩者中的最大值作為最終輸入流量設定值L1：

由于水平輸送帶上的煙支厚度固定為80 mm，故控制程序中設定水平輸送帶電機轉速V1：

根據式（1）可得到最終中間皮帶輸送流量設定值L2：

故控制程序中設定中間皮帶電機轉速V2：

式中：Lmin為中間皮帶輸送流量最小值，支/min；V0min為中間皮帶最小初速度，mm/min；H 為煙庫料位高度，mm；Lin1為最小初速度下水平輸送帶輸入流量，支/min；Lp為包裝機組生產速度，支/min；Lin′為輸入流量基本值，支/min；L1為最終輸入流量設定值，支/min；L2為最終中間皮帶輸送流量設定值，支/min；V1為水平輸送帶電機轉速，r/min；V2為中間皮帶電機轉速，r/min。

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“黃鶴樓（硬藍）”牌中支煙，長度90 mm；“黃鶴樓（天下名樓）”牌細支煙，長度84 mm（均由湖北中煙工業有限責任公司襄陽卷煙廠生產）。

設備：ZF12B 煙支儲存輸送系統2 組（許昌煙草機械設備有限責任公司）；ZB45 型包裝機組（上海煙草機械設備有限責任公司）。

方法：兩組ZF12B 分別對應生產90 mm 長中支煙和84 mm 長細支煙，對改進前后設備進行測試。每天測試1 個班次，連續測試3 d，記錄煙支歪斜次數和包裝機組因煙庫故障停機次數，并每隔1 h 在煙庫中取樣1 000 支煙進行抽檢，統計皺紋煙支數量，測試數據取平均值。

3.2 數據分析

由表1 可見，ZF12B 改進后中支煙機組的煙支歪斜次數和皺紋煙支數量每班次分別減少12 次和16 支，降幅分別為86%和84%；包裝機組因煙庫故障停機次數減少11 次/班次，降幅為58%。細支煙機組的煙支歪斜次數和皺紋煙支數量每班次分別減少14 次和22 支，降幅分別為88%和85%，包裝機組停機次數減少14 次/班次，降幅為61%。可見，ZF12B 改進后有效改善了卷煙產品品質，提高了設備運行效率。

表1 ZF12B 煙支儲存輸送系統改進前后測試數據Tab.1 Test data of ZF12B cigarette reservoir and transfer system before and after modification

4 結論

設計了一種新型煙支水平輸送裝置，利用水平輸送方式替換了ZF12B 煙支儲存輸送系統的轉角提升方式，并在包裝機組上方增設一個開放式煙庫取代原落料頭結構，用于減少煙支流內部壓力，進而有效解決了生產中產生皺紋煙支、煙支歪斜等問題。以襄陽卷煙廠使用的兩組ZF12B 設備為對象，對90 mm 長中支煙和84 mm 長細支煙分別進行測試，結果表明：改進后煙支歪斜次數和皺紋煙支數量的平均降幅分別達到86.7%和84.5%，包裝機組故障停機次數的平均降幅達到59.5%，有效提高了ZF12B 設備的運行效率和生產質量。