ZB48 型機組YB618 入口部位的綜合改進與應用

易文超，喻樹洪，項 穎，吳永新，雷國星，房 華

（湖南中煙工業責任有限公司長沙卷煙廠，湖南長沙 410034）

0 引言

國產ZB48 高速包裝機是中國煙草總公司引進德國FOCKE 公司技術，由中煙機械技術中心有限責任公司和上海煙草機械制造有限責任公司制造的高速雙軌包裝機組。ZB48 機型設計生產速度為800 包/min[1]。目前國產ZB48 高速包裝機普遍存在運行不穩定的問題，減少國產設備停機次數已成為行業內亟待解決的問題[2]。在實際生產過程中，長沙卷煙廠發現ZB48 機組YB618 入口部位卡煙是國產超高速的常見故障[3]，這在很大程度上影響著設備的運行效率并存在一定質量隱患，有必要運用設備維修技巧[4]正確認識并處理好該部位各部件間的配合關系，以提高設備運行效率和產品質量。

1 存在的問題

目前ZB48 機組YB618 條盒包裝機入口部位制動機構采用壓縮空氣驅動雙氣囊制動煙包，改善制動機構的反應速度和制動效果，但也存在影響設備運行及產品質量隱患的問題。

（1）入口輸送上皮帶頻繁脫落產生質量缺陷產品。在運行過程中，入口輸送上皮帶頻繁出現滑出皮帶輪從而脫離的現象，發生該故障后煙包背部均有磨損痕跡，甚至有不合格煙包進入條包。統計顯示，每次有1～2 件煙包存在不同程度的質量缺陷。

（2）入口剎車部位制動機構造成煙盒皺褶。設備運行過程中如果制動氣囊對煙包的夾持力度不足，煙包在剎車氣囊夾持停頓時將向前躥動，導致入口頻繁卡煙并有擠壞的爛包煙進入條包。為防止YB618 入口通道處煙組的最前端兩包煙制動時向前躥動，根據現有設備條件只能調大制動氣囊氣壓，但氣囊對煙包夾持力度（氣壓）過大會造成煙包有擠壓痕跡、形成煙盒皺褶（表1）。

表1 缺陷煙包風險等級表

由表1 和表2 可以看出，該ZB48 機組的YB618 入口卡煙較頻繁直接影響著設備的運行效率，同時存在較大的質量風險。因此，急需對該部位進行優化升級改進，以確保產品質量合格率及設備有效作業率。

表2 2020 年某一時期YB618 部位平均日運行情況

2 原因分析

2.1 剎車氣囊壓力對設備運行及質量影響

當YB618 入口剎車部位出現煙包夾持不住造成卡煙時，為保證YB618 入口剎車能有足夠的制動力，通常會調大剎車氣囊充氣使用的壓縮空氣壓力，加大剎車制動力度。但因兩個氣囊作用到煙包上的接觸面較小，容易造成煙包出現被擠壓痕跡質量缺陷，而且氣壓不穩定或氣囊磨損后易造成剎車不住而煙包出現卡堵、爛包現象（圖1）。

圖1 剎車氣囊對煙包壓力示意

2.2 輸送上皮帶擺動過大皮帶易脫落

YB618 入口處剎車氣囊充氣制動時會推動煙包橫向移動，同時會帶動上皮帶向一側偏移，從而在運行中會造成輸送皮帶的頻繁擺動，導致皮帶自動運行不穩定，在下輸送輥處皮帶擺動過大時容易脫出導輥，造成煙包輸送故障（圖2）。

圖2 YB618 入口上皮帶受煙包摩擦力方向示意

3 設計思路與方案選擇及實施

ZB48 機組YB618 入口部位由于設備設計問題存在著較多的設備及質量隱患。為此，通過對該部位的改進解決煙包停不住和皮帶脫落的設備問題，以及煙包制動時有煙包擠壓痕跡的質量隱患，提高設備運行效率，減少廢煙廢包。

3.1 改進剎車板結構及氣囊材料

3.1.1 煙包輸送及剎車過程中的受力分析

（1）煙包在通道中與輸送皮帶同步運動時，受到上下皮帶的靜摩擦力F1（0＜F1≤F1max）。其中，Fmax為最大靜摩擦力，與輸送皮帶對煙包組的正壓力Fn1有關，F1max≈μ1×Fn1；μ1為輸送皮帶與煙包包裝薄膜之間的摩擦因數。

（2）煙包組運動到剎車氣囊位置，氣囊工作（壓力Fn2=pS），產生滑動摩擦力F2=μ2×Fn2，當其大于輸送皮帶給煙包組的靜摩擦力F1，煙包減速直到靜止；μ2為氣囊與煙包包裝薄膜之間的摩擦因數。

3.1.2 可改進因素分析

3.1.2.1 減小輸送上皮帶對煙包組的壓力

由于煙包組自身重力固定，通過減小輸送上皮帶對煙包組的壓力來輸送皮帶對煙包組的正壓力Fn1，從而減小上下皮帶對煙包組的最大靜摩擦力Fmax，但會引起煙包組上下兩層煙包之間摩擦力偏小、后續煙包碰撞剎車位置靜止狀態的煙包組后回彈，導致煙包跌落或傾斜，造成卡煙。

3.1.2.2 減小輸送皮帶與煙包包裝薄膜之間的摩擦因數

由于輸送皮帶表面有特殊材料的植絨處理，以保證能同時輸送帶動煙包通道中的多組煙包，因此不宜過多降低輸送皮帶表面的摩擦因數μ1，且皮帶表面材料重新選擇、制作工藝較為復雜，難以掌握。

3.1.2.3 增大剎車氣囊面積

通過增大剎車氣囊面積S 來增大氣囊對運動煙包組施加的壓力Fn2，從而增大氣囊對煙包組的滑動摩擦力F2。

原剎車板為雙孔設計，氣囊充氣后為兩個作用面，當原剎車裝置工作時紅色剎車氣囊作用到煙包后使得雙層煙包的上下煙包同時受力（圖3）。但主要受力區域在上下兩包煙的邊緣位置，邊緣位置硬度較大，且剎車氣囊面積偏小，需要較大的氣壓，這造成煙包邊緣位置受力較大，煙包頂部或底部邊緣容易變形皺褶。由于煙包的形變不同直接影響另一包煙的受力情況，從而造成制動效果不穩定。

圖3 改進前后的剎車板及煙包制動效果

將原雙孔設計剎車板改進成四孔剎車板后，由原來的每個孔制動兩包煙改進成每個孔制動一包煙（圖4）。氣囊充氣作用到4 包煙包的壓力都很均衡穩定，制動力作用到煙包正中部位，煙包邊緣不會因受力而變形皺褶，且制動時煙包的有效制動受力面變大，煙包的制動效果穩定性更好（圖5）。

圖4 改進前后的剎車板及煙包制動效果

圖5 改進前后的剎車板結構對比

輸送皮帶對煙包組最大靜摩擦力F1=F1max≈μ1×Fn1，以20 包煙為例：其中正壓力Fn1約為（20 包煙的重力+皮帶對煙包壓力）20×30×10+20×1.5=36 N；μ1約為0.8，計算可得F1為28.8 N。當包煙數為30、40、50 時（通道中后續煙包堆積），F1分別約為43.2 N、57.6 N 和72 N。

改進前剎車面積約1672 mm2，改進后約2595 mm2。雙向拉伸聚酯薄膜（BOPET）的摩擦因數μ2約為0.2，如果氣壓設置為1.5 bar（150 kPa），則剎車力Fn2約389.4 N（改進前約250.8 N）。則剎車力F2由改進前約50.16 N，變為改進后的77.88 N 左右。可以看出，改進前剎車面積偏小，氣囊對煙包組的滑動摩擦力F2偏小，在YB618 入口煙包較少時可以有效制動，當通道中煙包堆積時，不足以完全制動煙包組，改進后則F2明顯大于F1，可以有效減速制動煙包。

3.1.2.4 增大氣囊壓強p

根據上述公式可以反向計算出要達到與剎車氣囊面積S 同樣的效果，氣囊的壓縮空氣壓強需要達到2.1 bar（210 kPa）以上。在實際操作過程中發現，增大氣壓雖然能改善剎車剎不住的問題，但是會帶來煙支皺、氣囊使用壽命短等一系列問題。

3.1.2.5 更換新的剎車氣囊材料，增大氣囊與煙包摩擦因數

不同的剎車氣囊材料，其摩擦因數μ2不同：PU（合成革）為0.3，鋼為0.12～0.18，PVC 約0.4，且耐摩擦橡膠約0.32、尼龍0.15～0.25。

通過對比試驗，使用PVC 材料[5]的氣囊皮更耐磨、耐用，使用時間較長，在四孔充氣充分的狀態下可以保證有足夠的制動力、降低維修頻次。因此本項目選用PVC 材料制作剎車氣囊進行試驗。

3.2 增加皮帶齒輪擋圈

針對煙包輸送上皮帶經常跑偏脫落皮帶輪的問題，將原無擋圈皮帶齒輪兩側各安裝一個擋圈，保障皮帶始終在皮帶輪內傳動運轉，有效避免皮帶脫落造成的皮帶磨損（圖6～圖7）。

圖6 改進后的下輸送輥

圖7 改進后下輸送輥的擋圈零件

4 應用效果

皮帶輪擋圈于2020 年1 月份確定零件圖紙并加工完成后上機使用，而剎車板于2020 年1月份設計圖紙，4 月份零件制作，5 月份完成零件加工改進并試用，6 月份完全投入上機使用。該ZB48 機組2020 年5—8 月份YB618 部位平均每天的運行情況見表3，改進前后機臺生產效率對比見圖8。

圖8 改進前后的生產效率對比

表3 2020 年5—8 月份YB618 部位每天的運行情況

（1）改進后生產效率保證在11 箱/h 左右，7 月份的生產效率更是達到了11.51 箱/h。不僅解決了YB618 入口卡煙問題，同時也杜絕了皺褶煙包以及爛包煙的產生，消除了該部位皺紋煙支的質量隱患。

（2）改進后該部位產生的卡煙停機故障率降低80%以上，制動機構工作時缺陷煙包產生率為0。

（3）設備運行平穩，達到了預期效果。

5 結論

ZB48 機組YB618 入口剎車部位制動機構的成功改進，能夠解決國產超高速包裝機的該部位產生煙包皺褶和制動效果不佳而造成卡煙的通病，使得國產超高速包裝設備在保質提速的工作中邁出了重要一步，為后續國產超高速設備的性能提升指明了方向，給進口超高速包裝機改進提供明確的方向。