乙烯粒料產(chǎn)品自動化重膜包裝線改造優(yōu)化及應(yīng)用

胡文文 陳 杰 袁 宏 許 虹 張 超

（蘭州石化公司電儀事業(yè)部）

自動化重膜包裝線是蘭州石化公司乙烯等產(chǎn)品后系統(tǒng)包裝、成垛的重要裝置，化工生產(chǎn)區(qū)在用共18 條線， 其設(shè)備自動化運行程度在國內(nèi)屬先進(jìn)水平，維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)要求較高。 重膜包裝線主要由稱重單元、包裝單元、輸送單元、碼垛單元和套膜單元5 部分構(gòu)成，其中包裝單元在整個包裝系統(tǒng)中屬于核心機(jī)構(gòu)，它的功能主要由電氣控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、機(jī)械連動機(jī)構(gòu)配合完成，自動化程度高，機(jī)電儀設(shè)備種類復(fù)雜，特別在機(jī)械機(jī)構(gòu)的維護(hù)上難度相對較大，它的運轉(zhuǎn)可靠性直接影響裝置前系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和后系統(tǒng)產(chǎn)品的包裝質(zhì)量。 自2017 年新上的重膜線設(shè)備運行以來，由于包裝機(jī)自身的機(jī)械設(shè)計缺陷導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)供袋輥斷裂、開袋機(jī)構(gòu)運行不準(zhǔn)、熱封不佳、抓手卡澀、夾持機(jī)構(gòu)斷裂及料門移位等故障，常規(guī)檢修維護(hù)不能徹底根除此類問題。 針對這種情況， 對重膜包裝機(jī)設(shè)備本體機(jī)械構(gòu)造分析研究后，結(jié)合檢修維護(hù)技術(shù)經(jīng)驗，對設(shè)備部分機(jī)械設(shè)計缺陷進(jìn)行優(yōu)化改造，從而減少設(shè)備運行中的機(jī)械故障，確保重膜包裝機(jī)長周期運行。

1 重膜包裝機(jī)概況及工作原理

重膜包裝機(jī)的實際包裝能力為每小時1 100袋，其整個工作過程是自動制袋、開袋、物料裝袋和袋口封合，其中主要工序有送袋、底封熱封、底封冷卻、縮口開袋、裝料、墩袋、口封熱封、口封冷卻及立袋輸送等， 所有執(zhí)行動作都由電氣系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)控制， 最終由機(jī)械機(jī)構(gòu)完成具體的執(zhí)行任務(wù)。

1.1 送袋機(jī)構(gòu)工作原理

送袋機(jī)構(gòu)（圖1）主要由驅(qū)動電機(jī)、主動掛膠輥和從動掛膠輥組成。

圖1 送袋機(jī)構(gòu)示意圖

送袋機(jī)構(gòu)的主要工作流程是壓緊輥與送袋輸送輥分開，保證二者的間隙大于15 mm，將薄膜引入送袋輸送輥中間，薄膜繞過送袋輸送輥和4 根托輥，并保證薄膜在托輥中心位置，再通過伺服電機(jī)驅(qū)動，主、從動掛膠輥同步轉(zhuǎn)動，將輥子中間的膜卷輸送至設(shè)定長度（790～810 mm），完成送袋工序，配合底封完成熱封。

1.2 熱封機(jī)構(gòu)工作原理

熱封機(jī)構(gòu)（圖2）主要由底封、口封、夾持和冷卻機(jī)構(gòu)組成。 主要工序是送袋機(jī)構(gòu)完成膜卷的推送，由底封夾持機(jī)構(gòu)固定膜卷，同時加熱組件的左、右加熱機(jī)構(gòu)通過電加熱方式，使加熱片瞬間溫度達(dá)到160 ℃左右（實踐數(shù)據(jù)），將膜卷口熱封粘合，再由切刀組件完成切割分離，此加熱過程和口封加熱組件的工作原理相同，熱封完成后的袋口均由底封、口封的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行降溫，加固熱封效果，整體完成料袋封口工序。

圖2 熱封結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 開袋機(jī)構(gòu)工作原理

開袋機(jī)構(gòu)（圖3）主要由CDM2C32 雙行程氣缸、機(jī)械連動組件和吸盤組件構(gòu)成，運行中由雙行程氣缸驅(qū)動機(jī)械組件， 同時縮口抓手動作，配合吸盤組件利用真空吸附的原理將膜卷口兩側(cè)打開，通過角片監(jiān)測和輔助袋口開度，將制作完好的袋子平穩(wěn)運送至下料裝袋位置，配合下料裝袋工序。

圖3 開袋機(jī)構(gòu)示意圖

1.4 料門機(jī)構(gòu)工作原理

料門機(jī)構(gòu)（圖4）主要是將稱重25 kg 的物料產(chǎn)品裝至膜卷料袋中，此過程主要由伺服電機(jī)驅(qū)動，將料門放料口下降至袋口內(nèi)，再由MDBB40-25 氣缸驅(qū)動料門主、從動臂，將料門口打開放料，完成裝袋過程，放料完畢后料門升起回歸原位［1］，待下一個循環(huán)動作開始。 裝滿粒料的袋子，通過AND-50 裝袋抓手和主驅(qū)動擺臂配合將其送至口封處進(jìn)行最后一道封口、冷卻工序，由立袋輸送機(jī)將包裝滿袋送出包裝機(jī)，進(jìn)行金屬檢測、重量復(fù)檢和噴碼打印。

圖4 料門機(jī)構(gòu)示意圖

2 重膜包裝機(jī)主要機(jī)械缺陷分析及改造優(yōu)化

重膜包裝機(jī)工作中主要依靠機(jī)械組件配合，連動完成各機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動作，對機(jī)械配合件的強(qiáng)度、精準(zhǔn)度要求較高，任何機(jī)械配合環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常都會導(dǎo)致包裝失敗、掉袋子、灑料及熱封不佳等問題。 自2017 年運行以來，重膜包裝機(jī)送袋組件、夾持及熱封組件、開袋組件、料門驅(qū)動組件等機(jī)械設(shè)計上存在的缺陷逐步凸顯，各部件之間的配合標(biāo)準(zhǔn)較低，連接固定方式不合理，設(shè)備運行中存在導(dǎo)向板變形、掛澆輥齒輪脫離、夾持機(jī)構(gòu)主軸斷裂、袋口熱封效果差、平鍵疲勞失效、開袋器配合軸磨損移位、料門驅(qū)動臂磨損失效、下料門整體移位灑料等多方面問題，導(dǎo)致重膜包裝機(jī)故障頻發(fā)，維護(hù)工作量大，直接制約重膜包裝線長周期生產(chǎn)運行。

2.1 重膜包裝機(jī)本體結(jié)構(gòu)缺陷

2.1.1 送袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)缺陷

送袋機(jī)構(gòu)主體由掛膠輥、 伺服電機(jī)和順袋板構(gòu)成，其中順袋板主要起膜卷的輸送導(dǎo)向作用，原設(shè)計中用3 mm 厚的不銹鋼板制成，運行中導(dǎo)向板因強(qiáng)度低， 僅2018 年重膜包裝機(jī)就出現(xiàn)了13 次順袋板變形、 斷裂故障， 造成包裝機(jī)無法正常運行。 主、從動掛膠輥通過主、副齒輪配合，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動， 原設(shè)計上從動掛膠輥的齒輪安裝方式采用分體式， 利用8 個M8 螺絲將從動齒輪固定于從動掛膠輥前端，實際運行中輥子頻繁轉(zhuǎn)、停造成固定齒輪的螺絲松動失效， 傳動不一致， 引起堵袋子，甚至掛膠輥軸部直接斷裂等，2018 年出現(xiàn)6 次失效，每次檢修需花費1～2 天的時間。以上兩項送袋機(jī)構(gòu)設(shè)計薄弱點不僅制約了生產(chǎn)長周期運行，同時造成檢修配件的大量消耗。

2.1.2 夾持及熱封組件結(jié)構(gòu)缺陷

夾持及熱封組件主要分為底封組件和口封組件，夾持組件分為左、右兩側(cè)，運行中通過兩端MBT32-40 氣缸驅(qū)動連動組件完成料袋的夾持固定，執(zhí)行氣缸分別由兩路氣源控制，受人工手動調(diào)節(jié)氣量誤差的制約， 造成兩端動作不同步，使夾持機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸頻繁受剪切力的影響，長期疲勞導(dǎo)致斷裂失效， 同時驅(qū)動臂連動組件由Q235 制成，材料硬度較低，且與軸之間僅采用6 mm 的平鍵連接，整體機(jī)械強(qiáng)度不高，頻繁轉(zhuǎn)動導(dǎo)致平鍵損壞，轉(zhuǎn)軸配合不同步，引起料袋脫落等故障。 熱封組件接線連接處，使用普通壓接端子直接機(jī)械式壓緊，受振動影響常出現(xiàn)虛接，電流不穩(wěn)定，造成熱封口的熱合效果不佳， 袋口易破損或開裂，造成產(chǎn)品包裝質(zhì)量低。

2.1.3 開袋組件結(jié)構(gòu)缺陷

開袋機(jī)構(gòu)主體部件是吸盤組件和機(jī)械驅(qū)動組件，它們的配合精度直接關(guān)系到膜卷袋能否正確打開，角片能否順利插入。 原設(shè)計中吸盤連接驅(qū)動臂是通過φ12 mm×64 mm 的軸（Q235 材料）配合，且軸直接以過盈裝配的方式安裝于開袋器的固定架本體上。 實際運行中，軸保持固定不轉(zhuǎn)（固定于開袋架），驅(qū)動臂在軸承的配合下做往復(fù)運動，動作頻次為每小時2 200 次，因存在頻繁振動，受過盈配合固定方式的制約，軸、孔之間產(chǎn)生相對運動，造成軸、孔配合處嚴(yán)重磨損，因而配合軸隨驅(qū)動臂同步轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致開袋失敗，造成灑料故障，且開袋器本體架磨損后，需整套更換，維修工作量大。

2.1.4 料門組件結(jié)構(gòu)缺陷

料門組件準(zhǔn)確動作是整個包裝過程中的核心工序， 其主要作用是將25 kg 的粒料準(zhǔn)確地裝入膜卷料袋中。 正常運行中，料門需頻繁上下升降動作(每小時2 200 次)，原設(shè)計上料門主體架未合理固定， 利用導(dǎo)向運行軌道保證料門垂直動作，因而頻繁的升降導(dǎo)致料門軌道移位、本體架傾斜，無法準(zhǔn)確將下料門裝入料袋，造成灑料或袋口褶皺問題。 同時料門開、合的驅(qū)動連接組件（Q235），同樣采用6 mm 的平鍵連接，往復(fù)式運動易造成平鍵損傷， 導(dǎo)致各組件非正常磨損，配合精度急劇下降，兩側(cè)料門出現(xiàn)撞擊、卡澀等狀況，引起機(jī)械疲勞或損傷。 裝袋成功后，滿裝的料袋需在3 套承重抓手（AND-50）的配合下直接輸送至包裝機(jī)外的輸送皮帶上，此過程中受粉塵的影響，3 套抓手設(shè)計上未采取防塵措施，粉塵侵入抓手， 使內(nèi)部軸承61905 和61902 的潤滑脂固化、軸承卡澀，導(dǎo)致抓手無法抓緊25 kg 的料袋，造成料袋傾斜、刮破等問題，不僅影響包裝質(zhì)量，而且抓手軸承消耗量較大， 抓手內(nèi)部機(jī)械連桿4次失效斷裂，僅2018 年就更換了100 余套軸承。

2.2 重膜包裝機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

2.2.1 送袋機(jī)構(gòu)優(yōu)化

改造送袋機(jī)構(gòu)順袋導(dǎo)向板，同時優(yōu)化送袋輸送輥與齒輪的連接方式。 增加導(dǎo)向板強(qiáng)度，將原順袋導(dǎo)向板730 mm×250 mm×2 mm-φ2 mm 的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為730 mm×250 mm×5 mm-φ4 mm。 同時，將順袋導(dǎo)向板頂端的導(dǎo)向桿加工成帶彎曲弧度（160°）的形式（圖5），其直徑由2 mm 增加至4 mm。 將原送袋輸送輥與齒輪分體式連接結(jié)構(gòu)（使用8 個M8 螺絲連接固定） 優(yōu)化為一體式結(jié)構(gòu)，采用氬弧焊接，將齒輪與掛膠輥拼焊為一體（圖6），同時在主動掛膠輥軸肩處加工R3 mm 的倒角，降低軸肩的應(yīng)力集中程度。

圖5 優(yōu)化后的順袋導(dǎo)向板示意圖

圖6 齒輪與掛膠輥一體式結(jié)構(gòu)示意圖

改造優(yōu)點：優(yōu)化導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)，增加其厚度與導(dǎo)向桿彎曲度， 整體提高了導(dǎo)向板的機(jī)械強(qiáng)度，增加順袋導(dǎo)向的開度，運行過程中，減少因堵袋造成導(dǎo)向板變形， 送袋輸送輥受阻力斷裂等問題。 采用送袋輸送輥與齒輪一體式結(jié)構(gòu)，可大幅降低因固定齒輪螺絲失效造成的齒輪脫落、送袋輸送輥運動不同步等故障，降低齒輪、送袋輸送輥的消耗量， 同時主動輥軸肩配合處設(shè)計R3mm倒角圓弧可有效降低應(yīng)力集中產(chǎn)生的剪切力對輥子的破壞，延長送袋機(jī)構(gòu)的使用壽命，保證膜卷傳送的準(zhǔn)確性。

2.2.2 夾持及熱封組件改造

將原夾持組件普通碳鋼Q235 材料制成的75 mm×φ18 mm 栽焊式轉(zhuǎn)動軸端改為一根45#鋼制作920 mm×φ30 mm 通軸配合安裝（圖7）。 同時將夾持連接塊由普通6 mm 平鍵連接改進(jìn)為夾緊連接方式， 在與原連接塊配合孔垂直線夾角135°處， 加工2 mm×17.5 mm×30 mm 的緩沖槽，兩側(cè)對應(yīng)加工M8 的通絲孔（圖8），并使用M8 的螺絲鎖緊固定，以保證機(jī)械配合的精準(zhǔn)度。 將原夾持機(jī)構(gòu)雙氣源、雙氣缸控制方式，使用AS2201-3-φ10 mm 的轉(zhuǎn)換接頭和調(diào)速閥優(yōu)化為單氣源、雙氣缸控制方式（圖9），保證夾持組件同步動作，避免人工調(diào)節(jié)兩路氣源速度造成不同步，從而產(chǎn)生剪切力。 將原熱封組件接線端由普通機(jī)械式壓緊（壓接端子）方式優(yōu)化為使用錫焊將壓接端子和線端進(jìn)行掛錫連接，增加接觸強(qiáng)度和固定強(qiáng)度，保證熱封的穩(wěn)定性。

圖7 夾持轉(zhuǎn)動軸通軸式配合示意圖

圖8 優(yōu)化后的連接塊示意圖

圖9 氣路優(yōu)化現(xiàn)場

改造優(yōu)點： 夾持組件轉(zhuǎn)軸優(yōu)化為通軸式，且采用45#鋼加工，提高了機(jī)械強(qiáng)度，維護(hù)中便于拆卸，軸端受損后僅需單獨修復(fù)軸部，避免整套組件更換的情況。 連接形式優(yōu)化為鎖緊式固定，提高了組件之間的安裝強(qiáng)度和機(jī)械配合精準(zhǔn)度，避免了軸端和連接塊磨損引起的夾持錯位、熱封不佳等問題。 通過優(yōu)化氣路控制，用單氣路調(diào)速閥控制雙氣缸，可控制兩側(cè)氣缸同步工作，保證夾持組件的一致性，避免因動作不同步所產(chǎn)生的剪切力對轉(zhuǎn)軸造成不可修復(fù)的機(jī)械破壞。 加熱組件接線端進(jìn)行掛錫處理， 保證了線端的充分接觸，避免虛接發(fā)熱引起加熱組件熱封溫度不恒定。

2.2.3 開袋組件改造

改造開袋組件吸盤架配合軸。 采用45#鋼加工軸，并增加φ40 mm×2 mm 一體式固定圓盤，圓盤中心對稱距離30 mm 處開2 個φ6 mm 的孔，同時在開袋器配合軸中心30 mm 處加工2-M5的底絲，用于固定圓盤軸（圖10）。

圖10 圓盤軸及應(yīng)用

改造優(yōu)點：優(yōu)化轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，在原軸基礎(chǔ)上增加固定圓盤， 將新軸直接固定于開袋器本體上，防止軸與開袋架產(chǎn)生相對運動造成軸與開袋架磨損，降低軸與孔之間的摩擦損耗，提高軸孔配合精度， 在后期維護(hù)中只需更換失效軸即可，此優(yōu)化不僅減少因開袋器配合不精準(zhǔn)引起的灑料故障，同時節(jié)約了設(shè)備維修保養(yǎng)的成本。

2.2.4 料門組件改造

采用45#鋼加工L 形固定支架，其尺寸為40 mm×40 mm×15 mm-M10 mm，利用原M10 底絲孔， 將料門軌道支架加固于設(shè)備本體之上 （圖11），防止因料門往復(fù)運動造成整體偏移。 將料門驅(qū)動連接組件由原平鍵配合連接改為夾緊連接，在原基礎(chǔ)上開2 mm 緩沖槽（圖12），使用M10 的螺絲將連接塊與轉(zhuǎn)軸抱緊， 防止產(chǎn)生相對運動，避免機(jī)械配合件的磨損和失效。

圖11 改造后縮口連動接頭示意圖

圖12 改造后的驅(qū)動連接臂示意圖

針對包裝機(jī)粉塵大的現(xiàn)狀， 在降低粉塵含量的同時，設(shè)計φ48 mm×φ25 mm×3 mm 防塵蓋（圖13），用優(yōu)質(zhì)尼龍制作，加裝于6 套負(fù)重抓手上， 并保證防塵蓋與抓手的裝配間隙在0.2～0.5 mm， 抑制抓手內(nèi)部軸承卡澀和機(jī)械連桿斷裂。

圖13 防塵蓋示意圖

改造優(yōu)點：優(yōu)化料門組件，提高了料門固定支架的安裝強(qiáng)度， 保證料門動作過程中不移位，使料門口順利進(jìn)入袋口，準(zhǔn)確下料，抑制下料過程中的灑料等問題；同時采用夾緊結(jié)構(gòu)的料門驅(qū)動臂連接件，不僅提高了機(jī)械配合精度，同時降低了料門機(jī)械組件的消耗； 負(fù)重抓手加裝防塵蓋， 防止粉塵侵入抓手內(nèi)部造成潤滑脂固化、軸承卡澀、機(jī)械連桿斷裂，降低因抓手動作不靈活引起的灑料、掉袋子等故障，同時消減抓手的檢修消耗數(shù)量。

3 改造應(yīng)用現(xiàn)狀及檢修維護(hù)措施

3.1 改造應(yīng)用現(xiàn)狀

重膜包裝機(jī)送袋組件、夾持及熱封組件、開袋組件、料門驅(qū)動組件改進(jìn)優(yōu)化后，提高了送袋輸送輥、導(dǎo)向板的機(jī)械強(qiáng)度，袋口熱封效果也得到了明顯的改善。同時開袋機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確運行，保證了包裝的生產(chǎn)效率， 降低了灑料、 漏料的數(shù)量，增創(chuàng)了生產(chǎn)效益。其中對軸孔配合優(yōu)化及鎖緊結(jié)構(gòu)的投運， 提高了各組件之間的機(jī)械配合精準(zhǔn)度，銷軸、連接組件的強(qiáng)度也得到提高，其頻繁磨損、斷裂失效的問題得到了解決。料門組件改進(jìn)后，運行中料門偏移、袋口褶皺的現(xiàn)象得到了改善，同時通過優(yōu)化連接件，料門整體運行振動明顯減輕，料門撞擊、張口不到位等問題得到了解決。負(fù)重抓手加裝防塵蓋之后，其內(nèi)部軸承運行靈活，抓手配合面夾緊力均勻，掉袋子、袋口傾斜及熱封褶皺等問題得到了有效的改善，整體降低了自動化重膜包裝機(jī)的故障，助力產(chǎn)品高質(zhì)量的包裝， 讓企業(yè)產(chǎn)品放心可靠地投入市場。

3.2 檢修維護(hù)措施

為保證改造后的重膜包裝機(jī)正常運行，提高日常維護(hù)質(zhì)量，依據(jù)設(shè)備實際運行情況，提出以下7 項日常檢修維護(hù)措施：

a. 每天開車前，將包裝機(jī)開袋機(jī)構(gòu)、抓手、料門連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動試驗，若有卡澀，及時更換連接組件或軸承，開車后包裝速度不應(yīng)超過每小時1 200 袋（實踐數(shù)據(jù)）。

b. 每周緊固檢查夾持及熱封組件、 開袋組件、料門驅(qū)動組件的鎖緊機(jī)構(gòu)，避免螺絲松動導(dǎo)致鎖緊機(jī)構(gòu)失效，從而引發(fā)機(jī)械故障。

c. 每月檢查1 次各組件軸孔配合磨損情況，若銷軸與配合件之間處于間隙配合狀態(tài)，且磨損量大于1 mm，需更換配合組件，避免其他相關(guān)機(jī)械連接件受損傷。

d. 熱封組件的加熱片、硅膠條使用過程中若高溫氧化、硬化則需同時更換，避免單側(cè)更換；安裝加熱條時，必須從中心位置往兩邊對稱安裝固定；加熱片設(shè)定溫度在160 ℃左右（實踐數(shù)據(jù)）。

e. 每次更換熱封機(jī)構(gòu)，需保證料袋上邊超過上封的加熱條約5 mm，兩夾緊桿平行，保證夾緊桿的中心在料袋的中心線上。

f. 左加熱組件和右加熱組件的位置必須互相平行且熱封組件的中心與兩夾持桿的中心重合，左右加熱片閉合后應(yīng)互相緊貼無縫隙。

g. 對其他螺栓緊固件、易磨損件等連接部位要每月檢查1 次，磨損嚴(yán)重時必須更換（磨損量超過1 mm 表明配合件已磨損嚴(yán)重）。

4 結(jié)束語

通過分析重膜包裝機(jī)常見機(jī)械故障及缺陷，歸納造成故障的原因，從包裝機(jī)設(shè)備本體缺陷出發(fā)，剖析問題根源，對送袋組件、夾持及熱封組件、開袋組件、料門驅(qū)動組件的連接方式、強(qiáng)度設(shè)計、材料選用、防磨及防塵措施等幾個主要缺陷問題進(jìn)行優(yōu)化，消除了由機(jī)械原因所造成的重膜包裝機(jī)熱封不佳、 機(jī)械配合件疲勞失效等問題，不僅提高了重膜包裝機(jī)的長周期運行效率，而且有效保障了粒料產(chǎn)品的包裝質(zhì)量，減少了產(chǎn)品落地料數(shù)量，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時減輕了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的日常工作量。

筆者介紹的改造措施已在蘭州石化公司化工區(qū)重膜包裝線上正常投入使用， 運行效果良好，設(shè)備故障問題得到了明顯的改善。 所提及的改造形式，如夾緊結(jié)構(gòu)、一體式焊接結(jié)構(gòu)、單氣源控制雙氣缸同步動作等方法， 在普通機(jī)械連接、驅(qū)動上也可有所借鑒。