利用交棒原理解決復(fù)合濾棒成型機(jī)組中的疊棒問題

金風(fēng)凱

中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000號10號樓 201206

近年來，國內(nèi)卷煙（材料）生產(chǎn)企業(yè)先后進(jìn)口了一批國際領(lǐng)先水平的復(fù)合濾棒成型機(jī)組[1-2]，如德國HAUNI公司的MULFI-E型500 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組[3]和MERLIN型600 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組[3]等，國內(nèi)也先后自行設(shè)計(jì)了YL43型200 m/min[4]和ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組[5]。該類設(shè)備的主要工藝流程之一是由交接裝置將兩種或幾種不同材質(zhì)的濾棒組傳遞到煙槍布帶上進(jìn)行卷制成條。在復(fù)合濾棒成型過程中使用布帶驅(qū)動(dòng)濾棒條，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但濾棒組在布帶上會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[6]，由此造成濾棒組運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)疊棒問題。而國內(nèi)關(guān)于交接（輪）裝置向煙槍布帶傳遞濾棒組的研究較少，國外研究資料也尚未公開，因此在設(shè)計(jì)過程中缺乏理論依據(jù)。為此，在交接輪設(shè)計(jì)過程中，通過分析交棒原理，計(jì)算調(diào)整結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)合理的速度匹配，以解決疊棒問題的產(chǎn)生，保證國產(chǎn)設(shè)備高速穩(wěn)定運(yùn)行。

1 存在問題

進(jìn)口500 m/min和 600 m/min、YL43、ZL41復(fù)合濾棒成型機(jī)組中，基礎(chǔ)濾棒分切組合后向成型煙槍傳遞過程中都需要有交接裝置。根據(jù)結(jié)構(gòu)原理可將交接裝置分為兩種，一種是用于YL43型復(fù)合濾棒成型機(jī)組的定位輸送鏈和撥動(dòng)輸送輪裝置，另一種是用于其他幾種機(jī)型的交接輪裝置[7-8]。其中，用于YL43型的輸送鏈和輸送輪裝置屬于早期設(shè)計(jì)的輸送結(jié)構(gòu)，技術(shù)含量較低，僅適合于低速傳送物料，不在本研究內(nèi)容范圍。交接輪裝置采用負(fù)壓傳送交接方式，處理濾棒更加柔和，適合于高速傳送，交接輪交棒原理見圖1。但是由于濾棒在煙槍布帶上容易打滑，會(huì)出現(xiàn)后續(xù)濾棒的前端壓在前面濾棒末端之上的現(xiàn)象，即疊棒(或疊壓)現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象時(shí)，會(huì)使連續(xù)若干支成品復(fù)合濾棒變成廢品，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成通道堵塞、設(shè)備跑條[9]等故障而停機(jī)，產(chǎn)生更大浪費(fèi)。研究分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口改制的500 m/min型和國產(chǎn)ZL41機(jī)型，在部分規(guī)格的復(fù)合濾棒生產(chǎn)中不同程度的存在疊棒現(xiàn)象，有的是由于基礎(chǔ)濾棒有缺陷或分切偏差造成的，屬于偶然問題，對癥處理即可解決；有的則是由于交接速度不當(dāng)造成的，是本文分析解決的主要技術(shù)問題。

圖1 交接輪交棒原理示意圖

2 交棒原理分析

在濾棒成型部件中，表面平整的布帶包裹著濾棒穿過煙槍通道，驅(qū)動(dòng)濾棒條并使之成型。柔性的布帶依靠摩擦力驅(qū)動(dòng)濾棒包封紙和濾棒條前進(jìn)，在拉伸力、壓縮力和摩擦力的綜合作用下，布帶和物料不可避免地會(huì)出現(xiàn)拖延或打滑現(xiàn)象。特別是復(fù)合濾棒成型時(shí)，當(dāng)兩元或多元濾棒段交替排列時(shí)，物料呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，打滑會(huì)造成濾棒段之間出現(xiàn)縫隙[10]，縫隙過大則引起疊棒現(xiàn)象。因此，在交棒與成型兩個(gè)重要環(huán)節(jié)中，除了盡可能增大布帶表面的摩擦力、減小煙槍通道表面的摩擦力外，必須對交接輪裝置進(jìn)行改進(jìn)，才能達(dá)到既減少打滑又消除疊棒現(xiàn)象的目的。

2.1 定性分析

在ZL41型復(fù)合濾棒成型機(jī)組的研發(fā)過程中，為了消除濾棒段之間的縫隙，在交接輪設(shè)計(jì)時(shí)提出了超速的概念。由圖1可見，交接輪吸爪向煙槍交付濾棒組時(shí)的水平速度應(yīng)大于煙槍布帶的速度[11]，其速度差值即超速量△與煙槍布帶速度的比值稱為超速率，用符號t表示：

式中：V交=2πr n交；n交——交接輪的轉(zhuǎn)速(r/min)；r——吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑(mm)，為吸爪自轉(zhuǎn)中心到公轉(zhuǎn)中心之間的距離；V布——布帶速度(m/min)，即設(shè)備的額定生產(chǎn)速度。

濾嘴棒定量傳遞原理可表示為：

式中：K——交接輪上的吸爪個(gè)數(shù)；L——復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]長度的 2倍(mm)。

式（2）表明，單位時(shí)間交接輪傳遞到煙槍的濾棒組長度之和等于布帶單位時(shí)間沿直線走過的距離。用符號α表示吸爪等分角，因吸爪等分圓周，α=360°/K；L即為每個(gè)吸爪傳遞的二元濾棒組的長度。將公式V交=2πr n交和式（2）代入式(1)整理得到，超速率 t=2πr/(K×L)-1。根據(jù)超速起始角度的概念，在交接輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，每個(gè)吸爪向煙槍交付濾棒組之前，其水平分速度等于布帶速度時(shí)的偏角，簡稱超速角，用符號β表示，推導(dǎo)得出：

同時(shí)，可得超速角與超速率之間的關(guān)系式：

等分角α與超速角β之差占等分角α的比值稱為角差率，用符號 w 表示，w=(α-β)/α。在圖 1中，吸爪自轉(zhuǎn)中心01繞公轉(zhuǎn)中心O順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，01轉(zhuǎn)至A點(diǎn)時(shí)吸爪從另一鼓輪接收濾棒，轉(zhuǎn)至B點(diǎn)時(shí)吸爪向煙槍放置濾棒即交棒；02為與B點(diǎn)交棒吸爪相鄰且吸附著濾棒的吸爪中心，故α為等分角；當(dāng)02轉(zhuǎn)至C點(diǎn)時(shí)其水平分速度等于煙槍布帶速度，由此開始超速，至B點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大，故β為超速角。交接輪連續(xù)地從鼓輪接收濾棒，然后連續(xù)向成型煙槍交付濾棒。

超速過程中超速率和超速角的大小會(huì)受到多個(gè)因素的影響，如復(fù)合結(jié)構(gòu)、交接輪吸爪數(shù)、吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑和布帶速度等，同時(shí)也會(huì)影響復(fù)合濾棒的產(chǎn)品品質(zhì)。理論上，為了消除濾棒段之間的縫隙，超速量△（或超速率t）應(yīng)當(dāng)取大值，超速角β（或角差率w）應(yīng)當(dāng)取小值；相反，為了避免對濾棒造成較大撞擊和出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象，超速率取小值、角差率取大值則較合理。因此，超速率t和角差率w均應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜≈捣秶?。為了延長交接輪零件壽命并使其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能低。根據(jù)式(2)得知，當(dāng)濾棒復(fù)合結(jié)構(gòu)確定，即L確定后，吸爪數(shù)K越多則交接輪轉(zhuǎn)速越低。吸爪數(shù)K與吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑r成正相關(guān)關(guān)系，即吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑r越大，則吸爪數(shù)K越多。半徑r是以相關(guān)部件結(jié)構(gòu)尺寸為參考的設(shè)定值，設(shè)計(jì)中可取符合比例的數(shù)值。初定K值時(shí)的計(jì)算原則為連續(xù)交棒，即K=2πr/L。為避免發(fā)生干涉或疊棒現(xiàn)象，K值應(yīng)在試算后取較小的整數(shù)，然后重新計(jì)算并校核，選取較為可靠與合理的數(shù)據(jù)組合。

2.2 定量分析

基于上述理論和定性分析，通過研究進(jìn)口500 m/min和600 m/min型復(fù)合濾棒成型機(jī)組，針對自行設(shè)計(jì)的ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組，計(jì)算其超速率t和角差率w，找到符合規(guī)律的量化數(shù)據(jù)。

(1)進(jìn)口500 m/min型復(fù)合濾棒成型機(jī)組。該套設(shè)備已使用多年，性能良好，正常狀態(tài)下沒有出現(xiàn)過疊棒現(xiàn)象。已知復(fù)合結(jié)構(gòu)為（12+12）mm，L=48 mm，V布=500 m/min，測得r=113 mm，K=14，根據(jù)上述分析和式(2)得：

(2)進(jìn)口600 m/min型復(fù)合濾棒成型機(jī)組。該套設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，是目前運(yùn)行速度最高的復(fù)合濾棒成型機(jī)組，其交接輪裝置運(yùn)行良好，很少出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象。已知復(fù)合結(jié)構(gòu)為（14+10）mm，L=48 mm，V布=600 m/min，測得r=150 mm，K=19。計(jì)算結(jié)果如下：n交=657.895 r/min，V交=620.051 m/min，超 速 量△=20.051 m/min，α =18.947°，β =14.611°，t=0.033，w=0.229。

另外還計(jì)算核對了復(fù)合結(jié)構(gòu)（15+10）mm的500型和復(fù)合結(jié)構(gòu)（15+15）mm的600型復(fù)合濾棒成型機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)。綜合來說，能夠穩(wěn)定運(yùn)行的交接輪，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均滿足以下規(guī)則：超速率t＜0.1，角差率w＞0.1。

(3)ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組。復(fù)合結(jié)構(gòu)為（14+10）mm，L=48 mm，同樣按上述進(jìn)口機(jī)型運(yùn)用的公式并參照有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證上述規(guī)則。

第一種數(shù)據(jù)組合：取r=115 mm，初始計(jì)算K=2πr/L=15.053。按較大超速量△=30 m/min(超速率t=0.075)試算，則：

由V交=2πr n交，得：

代入式(2)：

取整K=14（比初始計(jì)算K值小的整數(shù)），再由V布=400 m/min，r=115 mm，K=14，等分角α =360 °/14=25.714°，重新計(jì)算對應(yīng)的超速率與角差率：

根據(jù)該數(shù)據(jù)組合設(shè)計(jì)的ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組交接輪裝置的超速交棒見圖2，該組數(shù)據(jù)符合由上述分析計(jì)算獲得的規(guī)則。

圖2 ZL41型復(fù)合濾棒成型機(jī)組復(fù)合結(jié)構(gòu)(14+10)mm超速交棒示意圖

第二種數(shù)據(jù)組合：取r=113 mm，初始計(jì)算K=2πr/L=14.792。按超速量△=25 m/min（超速率t=0.0625）試算，則：

取整K=14（比初始計(jì)算K值小的整數(shù)），重新計(jì)算各值，n交=595.238 r/min，V交=422.619 m/min，β =18.83°，t=0.057，w=0.268。

當(dāng) K=14（n交=595.238 r/min保持不變）時(shí)，還計(jì)算了r=114 mm和r=112 mm對應(yīng)的數(shù)據(jù)組合，均符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。數(shù)據(jù)分別為：

取 r=114 mm，計(jì)算得 V交=426.359 m/min，β=20.252°，t=0.066，w=0.212。

取 r=112 mm，計(jì)算得 V交=418.879 m/min，β=17.267°，t=0.047，w=0.328。

以上3組數(shù)據(jù)作為備選，是否比第一種數(shù)據(jù)組合更加合理還有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

綜合以上所有計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)規(guī)則并獲得優(yōu)先取值范圍為：超速率0.03＜t＜0.08，角差率0.15＜w＜0.35。

3 解決疊棒問題

（1）引進(jìn)改制的500 m/min型復(fù)合濾棒成型機(jī)組[復(fù)合結(jié)構(gòu)（10+10）mm]，生產(chǎn)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象。首先判斷并非偶然因素而引起，于是按上述交接原理和獲得的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則要求分析其產(chǎn)生原因。設(shè)備數(shù)據(jù)為V布=500 m/min，r=115 mm，L=40 mm，K=17，計(jì)算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=531.299 m/min，β=19.765°，t=0.063，w=0.067。

對照經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可知，超速率t=0.063＜0.1，符合要求，能夠確保消除濾棒段之間的縫隙。而角差率w=0.067偏小，不符合w＞0.1的規(guī)則要求，是造成疊棒現(xiàn)象的根本原因。為解決疊棒問題，應(yīng)當(dāng)增大角差率，將設(shè)備數(shù)據(jù)中吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑改為r=114 mm，縮小超速率t值，增大角差率w值。

取r=114 mm，其他數(shù)據(jù)不變，計(jì)算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=526.679 m/min，β =18.315°，t=0.053，w=0.135。設(shè)備采用改進(jìn)數(shù)據(jù)，即將r=115 mm改為r=114 mm后，超速率t值和角差率w值均符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)則要求，基本消除了疊棒現(xiàn)象。

經(jīng)過分析計(jì)算，如果將r=115 mm改為r=113 mm，計(jì)算得超速率t=0.044，角差率w=0.211，也符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)則要求，并且在優(yōu)先取值范圍內(nèi)，效果應(yīng)當(dāng)更好，可以應(yīng)用于以后的設(shè)計(jì)改進(jìn)中。

（2）ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機(jī)組[復(fù)合結(jié)構(gòu)（14+10）mm]中，為消除濾棒段之間縫隙，最初設(shè)計(jì)中取交接輪旋轉(zhuǎn)半徑r=116 mm，實(shí)物調(diào)試中經(jīng)常出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象。利用上述方法計(jì)算并對照規(guī)則，得知超速率t=0.085偏大，角差率w=0.114偏小，確定是造成疊棒問題的根本原因。初步改進(jìn)設(shè)計(jì)中采用了2.2定量分析中的第一種數(shù)據(jù)組合，即超速率t=0.075，角差率w=0.161。由于符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，目前設(shè)備的交棒環(huán)節(jié)及濾棒成型過程運(yùn)行良好，沒有產(chǎn)生疊棒問題，成品復(fù)合濾棒中濾棒段之間的縫隙很小，完全滿足復(fù)合濾棒品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

4 結(jié)語

通過分析計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)表明，在復(fù)合濾棒生產(chǎn)交接過程中，復(fù)合濾棒成型機(jī)組交接輪裝置滿足設(shè)備功能需要的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是：超速率t＜0.1（優(yōu)選0.03～0.08），角差率w＞0.1（優(yōu)選0.15～0.35）。該規(guī)則能夠用于指導(dǎo)同一類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保物料交接過程穩(wěn)定準(zhǔn)確并可最大限度地解決疊棒問題。

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