水松紙壓緊輪自動控制設計

梁 勇，李關勤，張皓天，李俊宏，鄭利明，宋衛東，翟 鑫，丁學潤

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655000）

ZJ17卷接機組的原型是國外煙機公司設計制造的PROTOS70卷煙機，中國在20世紀90年代左右引入國內，后由常德煙草機械有限責任公司經電控升級、在線檢測升級等多次改造而成，現是我國國產卷煙機的主流設備，也是我國大部分卷煙廠正在使用的煙支卷接設備。該設備應用了當今自動化控制的最新技術、借鑒了國外著名煙機品牌的實際設計經驗、參考了歐洲和國際上的電氣標準，因此該機組具備穩定性好、控制精度高、結構清晰、擴展方便和易于維護等優點，同時該設備具有煙支質量好、有效作業率高、節省原輔材料和剔除點準確等特點。水松紙是過濾嘴香煙的重要組成部分，ZJ17卷接設備進行卷煙生產過程中，需要靠供紙輥將水松紙從紙盤支架中拉出并以一定的速度運行，從而完成水松紙供紙工序。即水松紙繞過供紙輥并被壓輥壓緊，供紙輥與橡膠壓輥之間的摩擦力帶動水松紙輸送，實現連續勻速供紙[1]。

1 水松紙壓緊輪研究現狀

當前水松紙壓緊輪控制方式基本處在手動控制方式，效率低、使用壽命短，維修次數多。李關勤等[2]設計一種新型卷接機壓緊輪自動控制裝置和控制方法，使水松紙壓緊輪從手動控制方式提升到自動控制方式。王明剛、劉光兵等[3-5]對水松紙的導紙棍進行研究，在水松紙的傳送穩定性、供紙裝置改進方面取得階段性進展。虎勇、付保等[6-7]對水松紙導紙棍、壓緊輪的結構上進行研究。王振國等[8]改造PROTOS70卷煙機水松紙導紙輥,在表面平整的導紙輥特定位置開槽,解決生產預打孔水松紙煙支時,煙支水松紙刮破,皺紋等質量問題。趙斌等[9]通過對PROTOS1-8卷接機組水松紙上膠工藝及印刷、燙金亮光型水松紙特點的研究和分析,對水松紙上膠裝置處的導紙輥軸及支架進行了改進,實現了增大水松紙上膠時與上膠輥的接觸面積和接觸時間,使印刷、燙金亮光型水松紙進行充分上膠。解決PROTOS1-8卷接機組生產印刷、燙金亮光型水松紙細支卷煙牌號時易出現煙支漏氣（濾嘴脫落）、翹邊等質量缺陷的問題,根據實際測試結果表明:導紙輥軸及支架改進后,煙支漏氣、翹邊等質量缺陷率降低到約0.6%,降低了11.9個百分點。

但是以上均為堅決卷煙機壓緊輪磨損的問題，某卷煙廠為例，ZJ17水松紙壓緊裝置使用壽命僅有50天左右，經統計，其主要有橡膠輥表面磨損、局部壓不到位、角度偏斜導致水松紙片長短不一、水松紙輸送皺褶等，因此造成更換零配件費用過高、生產效率下降，廢煙過多。

1.1 水松紙壓緊輪現有模型及工作原理

如圖1所示，2個橡膠輥3裝在支架5上，支架與基座之間有彈簧支承，支架中有一個偏心軸，通過轉動手柄2，即可將2個橡膠輥抬起脫離或壓緊供紙輥4。

圖1 現有水松紙輸送裝置原理圖

設備啟動前須人工手動旋轉手柄使橡膠輥壓緊供紙輥，無法脫離人工干預的影響。不論設備在任何狀態下，支架與基座間的彈簧始終處于受力狀態，長時間下來，彈簧的彈性形變存在受損隱患，且彈力大小無法定量。一旦手動旋轉手柄使橡膠輥壓緊供紙輥后，橡膠輥與供紙輥在相互接觸的徑向相位將始終存在擠壓，在設備長時間停機狀態下，橡膠輥可能存在徑向變形而無法恢復的問題，導致橡膠輥局部壓不到位或角度偏斜導致水松紙片長短不一，水松紙輸送皺褶等潛在的質量隱患出現，此時便需要更換橡膠輥。

1.2 水松紙壓緊輪主要技術指標

為了解每臺機組的壓緊輪維修間隔時間，對在線機型進行了統計，見表1。由表1可知，通過對水松紙壓緊裝置的維修情況統計發現，水松紙壓緊裝置損壞頻率較高，使用壽命在50.23 d。

表1 水松紙壓緊裝置維修間隔時間統計表

2 水松紙壓緊輪自動控制的原理

為解決當前問題，仔細分析了壓緊輪容易損壞的原因是水松紙壓緊裝置設計不合理導致壓緊輪長時間鎖緊、彈簧衰減和壓力不可控，根據實際需求重新設計了水松紙壓緊裝置的結構。

2.1 基座改造

根據現有情況對基座進行改造，畫圖設計其改造方案如圖2所示。

圖2 全新設計的基座

2.2 壓緊輪動力裝置改造

經分析原來壓緊輪的動力裝置為彈簧，經過一段時間使用后彈簧容易產生老化，不易實現壓力的精準控制，所以改用氣缸代替，如圖3所示。

圖3 壓緊輪動力改造

采用試驗法設置氣缸壓力，一個工班內因水松紙供應裝置導致的停機次數隨壓力變化進行試驗，壓力值測試見表2。

表2 因水松紙供應裝置導致的停機次數隨壓力變化試驗表

將數據進行回歸擬合分析，結果如圖4所示。

圖4 數據擬合線圖

如圖4所示，方程y=0.085 3x2-10.771x+340.67可以算出最佳壓力值為63.14 N，實際取63 N，其對應的停機次數為0，其中擬合優度R2=0.936 3=93.63%＞90%，回歸擬合分析可信度很高，與試驗結果吻合。

2.3 控制系統改造

將原有的手柄控制改為氣缸控制，由電磁閥控制氣缸的進氣和排氣，實現氣缸的自動控制。

增加元件配置的電路、氣路來控制水松紙壓緊裝置的工作方式，其電路圖和氣路圖如圖5、圖6所示。

圖5 改造后的電路圖

圖6 改造后的氣路圖

如圖6所示，二位五通電磁閥的入氣口通過第1管路與氣源連接，二位五通電磁閥的第1接口通過第二管路4與氣缸的第一通孔連接，二位五通電磁閥的第2接口通過第三管路5與氣缸的第二通孔連接;活塞設置于第一接口與第二接口之間的氣缸內，活塞與氣缸桿固定連接。增加手/自動旋鈕開關電磁閥、節流閥、磁性開關及附件。手動狀態控制氣缸行程，用塞尺調節橡膠輥、供紙輥間隙，使兩輥之間壓力值接近于63 N；通過調節節流閥氣壓大小，可降低電磁閥控制的橡膠輥與供紙輥瞬間嚙合時的沖擊力，以延長執行機構使用壽命。在自動狀態下，設備停機時，電磁閥控制氣缸使橡膠輥脫離供紙輥，停止供紙；設備運行時，電磁閥切換氣壓，橡膠輥向下與供紙輥壓緊，以實現正常供紙。

3 水松紙壓緊裝置的安裝實施

通過對水松紙壓緊裝置的結構設計，經組裝后如圖7所示。

圖7 水松紙壓緊輪零件圖

其工作過程為：在原有機構的基礎上將手動旋轉手柄拆除，安裝氣缸固定于基座，氣缸活塞與支架間剛性連接。增加手動二位控制操作旋鈕，停機時可人工調節橡膠輥與供紙輥的間隙。在原機的切刀接觸器上增加輔助觸點，設備啟動時，斷開二位五通電磁閥的線圈電壓，使氣缸活塞帶動支架向下運動，橡膠輥與供紙輥之間壓緊，橡膠輥和供紙輥均圍繞各自中心軸做旋轉運動且供紙輥與2個橡膠輥的旋向相反，實現正常供紙；當設備停止時，電磁閥控制氣缸活塞帶動支架向上運動，使得橡膠輥脫離供紙輥停止供紙。在氣缸活塞的有桿區域和無桿區域供氣端口增加2個節流閥，用于調節控制橡膠輥的升降快慢。在氣缸上增加磁性開關，用于啟動或運行時橡膠輥能脫離報警停機。

如圖8所示，改造前扭動蝴蝶閥以調節水松枝壓緊輪的松緊，使用過程中只能依靠經驗，加入新員工或者其他人操作該設備就會出現壓力不均衡現象，但是改造后的就可以利用氣動裝置均勻控制壓力，保證壓緊輪始終保持在一個穩定的壓力，減少其磨損，通用性強。

圖8 水松紙壓緊裝置實物圖

4 效果檢查

對水松紙壓緊裝置改進后6個月的維修次數進行統計分析，見表3。

由表3可知，橫向對比改造后的3號設備和其他未改造的機臺因水松紙壓緊裝置而維修的次數可以看出，3號機在統計時間內的維修次數為0，其他未改造機臺的維修次數保持在3～5次。可以得出，改造后的機臺減少了維修次數，提高了效率，減少了物料的消耗。

表3 改裝后設備與未改裝的維修次數統計

5 結束語

通過對水松紙壓緊輪自動控制的重新設計，新裝置成本低，可行性高，通用性強。經過使用后發現該項目進一步提高了設備自動化運行程度，實現了水松紙供紙壓輪機構無人工干預的自動控制目標，同時新設計的水松紙自動壓緊裝置延長了使用壽命，減少了維修次數和維修時間，減少了物力、人力成本；提高了水松紙壓緊裝置的工作穩定性，提高了生產效率；提高了水松紙壓緊裝置的可靠性，減少了因水松紙供送問題產生的質量事故和不合格品。