FY117型廢煙支處理機排序裝置的改進

劉仁瑞，戴團結，馬存國，劉長勝，李 濤，練孔輝，張可洲*

1.廈門煙草工業有限責任公司，福建省廈門市海滄新陽工業區新陽路1 號 361026

2.常德瑞華制造有限公司，湖南省常德市工業新區2 號路518 號 415000

FY117型廢煙支處理機是將雜亂的廢煙支進行分選、整理、排序、調頭匯流和搓揉后，基于氣吹式原理從煙支濾嘴端噴射高壓氣流，將煙絲從煙支段中分離出來。其中，排序工序是利用排序裝置將煙庫中不同朝向的煙支呈單支狀態分離后送入調頭匯流工序，但在煙支分離過程中容易出現下煙機構被折斷的廢煙支堵塞、各運動件動作不平穩等問題。近年來，針對廢煙處理設備已有較多改進研究。王俊等［1］基于ZJ116 型卷接機組設計了一種新型廢煙支提升輸送裝置，解決了輸送帶易磨損、維護保養周期短等問題；湯治國［2］對FY36型廢煙支處理機工作腔落料口處的導流風扇進行改進，解決了廢煙支在進料口處被反復擊打、剪斷和遺漏拍打等問題；朱建新［3］通過在FY115型廢煙支處理機中增加手動切刀刃口磨削裝置、安裝永磁磁板并更換切刀隔套材料，提高了廢煙支的整絲率；陳浩等［4］針對ZJ118型卷接機組的廢煙提升裝置設計了鏈輪裝配工裝，提高了鏈輪裝配質量；普學文［5］通過對FY113 型廢煙支處理機切刀、隔輪與軸的裝配固定方式和切刀軸聯接方式進行改進，提高了煙絲回收利用率；張冬芹等［6］對FY37型廢煙支處理機的陡角帶輸送頻率、蒸汽流量、分離機頻率、增濕機頻率和高頻振篩網孔徑等工藝參數進行優化，提高了廢煙支的出絲率；葉松濤［7］針對FY36 型廢煙支處理機設計了一種柔性螺旋物料分離系統，降低煙絲造碎率的同時提高了煙絲回收率和純凈率；何海鵬［8］采取模塊化、結構化編程方式對FY113 型廢煙支處理機的控制系統進行改進，增強了控制程序的功能獨立性和接口通用性。但對于FY117型廢煙支處理機排序裝置的改進研究則鮮見報道。為此，通過分析FY117型廢煙支處理機排序裝置中煙支堵塞下煙機構和各運動件發生干涉的原因，對下煙機構及其傳動系統進行改進，以期減少設備停機故障次數，提高廢煙支處理效率。

1 問題分析

如圖1所示，廢煙支排序裝置由煙庫（1）、下煙機構（2）、雙面齒形帶輸送機構（3）、煙支存儲機構（4）、煙支識別機構（5）、煙支排序機構（6）、煙支定位機構（7）和煙支轉接機構（8）等部分組成。其中，下煙機構設置在煙庫下方，由撥煙桿組件（9）、推煙桿組件（10）、下煙槽組件（11）等部分組成。廢煙處理機啟動后，不同朝向的廢煙支被收集在煙庫中并在撥煙桿的擾動作用下落入下煙槽，下煙槽底部的廢煙支被推煙桿推出后落入雙面齒形帶（12）（以下簡稱齒形帶）的凹槽中，使煙支呈單支分離狀態。由于下煙槽中的廢煙支朝向不同，推煙桿從煙支濾嘴端推出廢煙支時過程順利，煙支雜亂概率較低；而從燃燒端推出廢煙支時，煙支容易折斷并卡在下煙槽中，進而影響設備運行效率。此外，推煙桿和齒形帶等運動件之間的配合采用氣缸驅動，排序裝置長時間運行后，受氣源波動、密封件老化等因素影響，氣動執行件容易出現輸出力不足、動作不平穩等問題，導致煙支落入下煙槽、煙支從下煙槽間歇移出和輸送皮帶間歇動作，三者之間因不同步而產生干涉，從而造成故障停機。

圖1 廢煙支排序裝置結構圖Fig.1 Structure of collation device

2 改進方法

2.1 系統設計

為避免因煙支朝向不同而造成下煙機構煙支堵塞，以煙支柱面為受力區域，設計一種適應于不同朝向煙支的開關式下煙機構，見圖2。開關式下煙機構可上下移動且下煙槽（2）底部安裝有開關板（6），為配合改進后下煙機構運動及煙支釋放方式，將齒形帶（3）調整至下煙槽正下方。廢煙支釋放至齒形帶凹槽前，開關式下煙機構向下運動至最低點（下煙槽底面距離齒形帶頂面1～2 mm）并打開開關板，避免煙支下落時散亂；下煙槽中最底層煙支下落至齒形帶凹槽后，開關板關閉同時下煙機構向上運動，避免下煙機構干擾凹槽中煙支隨齒形帶向前運動；下煙機構上升至最高點后停止，等待齒形帶凹槽中煙支被輸送至下一工序，同時空凹槽運動至下煙機構下方，開始新一批次煙支單獨釋放過程。下煙過程中，齒形帶的間歇運動、下煙機構的上下運動以及開關板的開合運動需要相互配合才能避免發生干涉行為。為此，采用凸輪傳動機構代替氣缸驅動控制下煙機構、開關板；采用平行凸輪分割器驅動齒形帶做間歇運動，各運動件的運動方式及時序控制見圖3。

圖2 開關式下煙機構結構圖Fig.2 Structure of flapper-type cigarette hopper

圖3 下煙機構、開關板、齒形帶運動方式及時序控制圖Fig.3 Movement modes and sequential control of cigarette hopper,flapper and tooth timing belt

2.2 傳動系統設計

2.2.1 結構組成

驅動齒形帶、下煙機構以及開關板運動的傳動系統由電機、左右凸輪及其從動件、上下凸輪及其從動件、平行凸輪分割器等部分組成，見圖4。上下凸輪（5）和左右凸輪（4）通過傳動軸（3）串聯，由電機（1）通過同步帶（10）和傳動軸組成的連接機構完成不間斷旋轉運動；隨著上下凸輪和左右凸輪同步轉動一周，下煙機構在上下凸輪從動件（7）的帶動下完成“降-停-回-停”周期運動，開關板（9）在左右凸輪從動件（6）以及連桿（8）的帶動下完成“閉-開”周期運動。齒形帶由電機驅動平行凸輪分割器（2）完成“運動-停止”間歇運動，一個運動周期與凸輪轉動一周時間相同。如圖4b所示，凸輪組件采用槽凸輪結構，從動件上通過軸承安裝的滾子（11）置于凸輪凹槽中，依靠凹槽兩側的輪廓曲線與凸輪始終保持接觸。為延長凸輪使用壽命，凸輪及從動件滾子采用工具鋼20CrMnTi材質，工件接觸表面采用滲碳淬火至洛氏硬度56～62 HRC，滲碳層深度為0.8～1.5 mm。

圖4 傳動系統及凸輪組件結構圖Fig.4 Structure of drive system and cam component

2.2.2 凸輪凹槽輪廓曲線設計

根據下煙機構和開關板的運動位置和時間要求，分析上下和左右兩組凸輪在一個運動周期內（一個運動周期時間為T）的運動行程，從而確定凸輪凹槽輪廓曲線［9-11］。①上下凸輪。如圖5a所示，在啟動位置開始時，凸輪帶動下煙機構整體下降，下降持續時間為T/12（凸輪轉動角度30°），在最低點停留時間為T/3（120°）；然后凸輪帶動下煙機構整體上升，上升持續時間為T/12（30°），在最高點停留時間為T/2（180°）。②左右凸輪。如圖5b所示，在啟動位置時，開關板保持關閉狀態，凸輪轉動T/18（20°）后帶動開關板打開，打開動作持續時間為T/12（30°），打開狀態保持時間為2T/9（80°）；然后凸輪帶動開關板關閉，關閉動作持續時間為T/12（30°），關閉狀態保持時間為5T/9（200°）。

圖5 凸輪轉動角度（φ）與從動件位移（S）對應圖Fig.5 Corresponding diagram between cam rotation angle and follower displacement

根據凸輪轉動角度與從動件運動規律，利用Solidworks軟件（法國達索公司）的凸輪生成工具建立凸輪模型，并根據凸輪運動行程設計運動角度，利用軸孔鍵槽確定運動啟動位置，凸輪3D模型見圖6。凸輪從動件的運動規律有等速運動（直線運動）、等加速等減速運動（拋物線運動）、簡諧運動（余弦加速度運動）、擺線運動（正弦加速度運動）、五次多項式運動等。為防止凸輪過度磨損而影響使用壽命，應避免出現加速度突變和柔性沖擊等問題。因此，根據下煙機構“降-停-回-停”的運動規律采用擺線運動方式，使凸輪及其從動件的運動更加平穩。凸輪凹槽輪廓曲線見圖7。

圖6 凸輪3D模型圖Fig.6 Three dimensional models of cams

圖7 凸輪凹槽輪廓曲線Fig.7 Profile curves of grooves of cams

2.3 運動仿真分析

利用Soldworks 軟件的Motion 模塊對凸輪機構進行仿真分析，輸出上下凸輪滾子質心點的運動性能（位移、速度、加速度）曲線［12-14］，見圖8。可見，滾子質心點的運動曲線均較為平滑，對凸輪工作面的沖擊力較小，說明凸輪輪廓線符合設計要求。利用相同方法分析左右凸輪滾子質心點的運動性能曲線，同樣驗證了所設計的凸輪輪廓線符合要求。

圖8 上下凸輪滾子的運動參數曲線Fig.8 Motion parameter curves of upper and lower cam rollers

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“七匹狼（純境）”牌卷煙生產過程中產生的廢煙支（廈門煙草工業有限責任公司提供）。

設備：FY117型廢煙支處理機（常德瑞華制造有限責任公司）。

方法：FY117型廢煙支處理機運行速度為1 333支/min，運行時間6 h/班次。排序裝置改進前后，各統計6班次下煙機構煙支堵塞次數和廢煙支處理量，根據公式（1）計算設備運行效率，取平均值。

3.2 數據分析

由表1可見，排序裝置改進后FY117型廢煙支處理機下煙機構煙支堵塞次數由10次/班次降低至0.5次/班次，設備運行效率由75%上升至90%，有效提高了設備運行穩定性。

表1 排序裝置改進前后FY117型廢煙支處理機運行數據①Tab.1 Operation data of FY117 waste cigarette processor before and after modification

4 結論

基于FY117型廢煙支處理機設計了一種開關式下煙機構，解決了排序裝置中因煙支朝向不同而導致的下煙槽堵塞問題；為避免設備運行過程中下煙機構、開關板和齒形帶等發生干涉，采用凸輪傳動方式代替氣缸傳動方式驅動各運動件按時序控制要求運動。以廈門煙草工業有限責任公司生產的“七匹狼（純境）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：排序裝置改進后下煙機構煙支堵塞次數由10 次/班次降低至0.5 次/班次，設備運行效率由75%提高至90%，有效提高了廢煙支處理機的運行穩定性。