YF17 卷煙儲存輸送系統(tǒng)提升機(jī)的分析與改進(jìn)

王 亮，石躍朋，牛 博，周紅光

1.中國煙草機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市西城區(qū)廣安門外大街9號 100055

2.許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南省許昌市工農(nóng)路南段 461000

3.中國平煤神馬集團(tuán)陽光物業(yè)有限公司，河南省平頂山市新華區(qū)園林路14號 467000

4.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴陽卷煙廠，貴陽市小河區(qū)紅河路96號 550009

YF17 卷煙儲存輸送系統(tǒng)將卷煙機(jī)與包裝機(jī)柔性地連接起來，完成煙支的自動輸送、存儲和緩沖調(diào)節(jié)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)卷接包生產(chǎn)線的高速自動化［1］。該系統(tǒng)主要由提升機(jī)、高架輸送器、下降裝置、存儲器、電控系統(tǒng)等部分組成。其中提升機(jī)的作用是將卷煙機(jī)生產(chǎn)的煙支提升到一定高度，經(jīng)高位輸送器輸送到存儲器或包裝機(jī)中［2］。但YF17 提升機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在著煙支下墜、皺紋煙支等問題，特別是在超高速卷接包設(shè)備中，無法滿足對煙支外觀品質(zhì)的要求。針對上述問題，胡偉等［3］將提升通道的弧形導(dǎo)向板改為柔性不銹鋼絲網(wǎng)帶，增加帆布整理皮帶，使提升通道頂部的硬聯(lián)接改為軟聯(lián)接，有效減少了皺紋煙支數(shù)量，但未涉及提升機(jī)入口處產(chǎn)生皺紋煙的情況，且外觀上不夠簡潔；王俊等［4］在入口轉(zhuǎn)彎處采用浮動小皮帶改變拐彎處通道寬度，形成緩沖區(qū)域，減少垂直通道頂部料位的抖動，避免了煙支產(chǎn)生缺陷，但由于采用窄帶輸送，與煙支的接觸面積較小，煙支在擠壓時反而容易產(chǎn)生皺紋煙。為此，通過對提升通道中煙支流量匹配和相對運(yùn)動分析，在入口轉(zhuǎn)彎段采用擺臂式柔性輸送裝置，在垂直提升段進(jìn)行獨(dú)立控制，在出口轉(zhuǎn)彎段采用彈性輸送裝置，以實(shí)現(xiàn)對煙支流量的精確控制和柔性輸送，避免煙支在輸送過程中受損。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

YF17 卷煙儲存輸送系統(tǒng)提升機(jī)主要由水平取樣段（1）、入口轉(zhuǎn)彎段（2）、垂直提升段（3）、出口轉(zhuǎn)彎段（4）等部分組成，見圖1。煙支在取樣段被堆碼到設(shè)定高度，經(jīng)入口轉(zhuǎn)彎段90°轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入垂直提升段，再經(jīng)出口轉(zhuǎn)彎段90°轉(zhuǎn)彎，被輸送到高位輸送器（5），從而將卷煙機(jī)制造的煙支提升到一定高度。

YF17 提升機(jī)入口轉(zhuǎn)彎段采用同角速度大轉(zhuǎn)彎半徑方式，出口轉(zhuǎn)彎段的煙支通道采用內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)彎半徑、外側(cè)固定圓弧導(dǎo)板的設(shè)計(jì)方式。提升機(jī)取樣段速度跟蹤卷煙機(jī)速度，提升段速度通過取樣段末端的料位監(jiān)測裝置跟蹤取樣段速度，垂直提升段、入口轉(zhuǎn)彎水平段與入口轉(zhuǎn)彎段外圈線速度相同。在實(shí)際使用過程中，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，有時會出現(xiàn)煙支下墜、皺紋煙支等現(xiàn)象，影響煙支品質(zhì)［5］。

圖1 YF17 卷煙儲存輸送系統(tǒng)提升機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 問題分析

YF17 提升機(jī)出現(xiàn)煙支下墜、皺紋煙支等問題主要有兩方面原因：一是單位時間內(nèi)煙支通過轉(zhuǎn)彎段的流量與煙支通過直線段的流量不匹配，二是煙支在轉(zhuǎn)彎段時，在自身重力及軌道壓力［6］的作用下，不可避免地產(chǎn)生相對運(yùn)動，當(dāng)煙支在相對運(yùn)動過程中間隙變大時，煙支之間就會產(chǎn)生較為明顯的錯動，從而造成煙支下墜或產(chǎn)生皺紋煙支。為解決該問題，應(yīng)對入口轉(zhuǎn)彎段與出口轉(zhuǎn)彎段進(jìn)行流量匹配以及相對運(yùn)動分析。

2.1 入口轉(zhuǎn)彎段

煙支從水平段經(jīng)入口轉(zhuǎn)彎段被輸送到垂直提升段過程中，通過建立流量匹配數(shù)學(xué)模型，可分析入口轉(zhuǎn)彎段及其上下游直線段間的流量關(guān)系；通過對煙支在過彎時的相對運(yùn)動分析，可分析煙支過彎時在重力和煙支之間擠壓力的作用下產(chǎn)生的相對運(yùn)動關(guān)系。

2.1.1 流量匹配數(shù)學(xué)模型

提升機(jī)過入口轉(zhuǎn)彎段時，內(nèi)外圓的軌道各式各樣，但都是圍繞內(nèi)外圓同心的方式進(jìn)行微調(diào)。為便于分析，假設(shè)內(nèi)外圓同心。設(shè)通道各部分流量匹配，煙支之間擠壓均勻，無明顯壓痕。如圖2 所示，設(shè)在單位時間t 內(nèi),經(jīng)入口轉(zhuǎn)彎段的煙支流量為Q1,經(jīng)過上下游任一直線段的流量為Q直，煙支有效截面積為S0，煙支在外輸送帶處轉(zhuǎn)過θ、在內(nèi)輸送帶處轉(zhuǎn)過α，L彎為轉(zhuǎn)彎通道寬度，L直為上下游任一直線段通道寬度，R外為外輸送帶半徑，R內(nèi)為內(nèi)輸送帶半徑，m 為外輸送帶速度V外與直線段速度V直的速比，V外為外輸送帶速度，V內(nèi)為內(nèi)輸送帶速度。

圖2 YF17 提升機(jī)流量匹配數(shù)學(xué)模型原理圖

其中：

可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)k=1 時,即內(nèi)外圈的角速度相同時，根據(jù)式（1），k 與L彎成正比，因此只有通過調(diào)整L彎的大小，才可以使Q1與Q直達(dá)到流量匹配。

（2）當(dāng)k≠1 時，即內(nèi)外圈的角速度不同時，|y|在［0,］內(nèi)為單減函數(shù)，越 大（k值離1 越遠(yuǎn)），|y|的變化量越大的變化量也越來越大，很難找到合適的傳動比來匹配直線段與轉(zhuǎn)彎段的流量比。由式（2）可見，m，L直，R內(nèi)，V外，V內(nèi)均為非變化量，k 是關(guān)于L彎的正比例函數(shù)，只有當(dāng)L彎也為變化量時，才可以使Q1與Q直流量匹配，即當(dāng)轉(zhuǎn)彎段的有效寬度為變量時，才能找到有效的傳動比使直線段與轉(zhuǎn)彎段流量匹配[7]。

2.1.2 相對運(yùn)動分析

圖3a 中煙支1，2，3 位于水平段，由于重力作用，相鄰煙支中心相等，呈正三角形布局。由于YF17 外圈速度等于水平段速度，煙支4 在進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段時，保持與煙支2 相切狀態(tài)。由于煙支4 重心逐步升高，與之相鄰的煙支5 重心也相應(yīng)提高，則煙支2，3，5 中心所組成的三角形由于煙支2 與5 的距離拉長，不可能再呈現(xiàn)正三角形布局。

圖3b 可見，在轉(zhuǎn)彎通道中煙支重心高度處于不斷變化中，煙支通過轉(zhuǎn)彎段的有效利用寬度是變量。但由于YF17 在入口轉(zhuǎn)彎段的通道有效寬度為定值，當(dāng)調(diào)整入口料位使轉(zhuǎn)彎通道內(nèi)煙支不出現(xiàn)擠壓時，通道內(nèi)有的地方充滿煙支，有的地方縫隙較大，因此出現(xiàn)煙支下墜現(xiàn)象；當(dāng)調(diào)整入口料位使轉(zhuǎn)彎通道內(nèi)縫隙較小不出現(xiàn)煙支下墜時，通道內(nèi)煙支必然會相互擠壓，產(chǎn)生皺紋煙支。當(dāng)煙支流量匹配時，此現(xiàn)象并不明顯，一旦出現(xiàn)流量不匹配，煙支下墜、皺紋煙支現(xiàn)象就會加劇。

圖3 改進(jìn)前煙支過彎道微觀和整體運(yùn)動示意圖

2.2 出口轉(zhuǎn)彎段

出口轉(zhuǎn)彎段的內(nèi)圈動力為提升鏈輪組（1），外圈為固定導(dǎo)板（2），見圖4。煙支從垂直段輸送到轉(zhuǎn)彎段時，轉(zhuǎn)彎段煙支線速度Vn＜垂直段煙支線速度V直，由結(jié)論（2）可知，此時內(nèi)外圈的角速度不同，即k ≠1，只有當(dāng)轉(zhuǎn)彎段的有效寬度為變量時，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎段與垂直段的流量匹配。外圈采用固定導(dǎo)板結(jié)構(gòu)，由于實(shí)際利用寬度為變量，當(dāng)導(dǎo)板半徑過大時，煙支之間的間隙加大，就會產(chǎn)生煙支下墜、搓動等現(xiàn)象；當(dāng)導(dǎo)板半徑過小時，煙支之間的間隙變小，由于擠壓會出現(xiàn)皺紋煙支。

圖4 出口轉(zhuǎn)彎段布局圖

3 改進(jìn)方法

根據(jù)上述分析，在保留YF17 提升機(jī)箱體式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[8]，對造成煙支下墜、皺紋煙支的出口轉(zhuǎn)彎段、垂直提升段、出口轉(zhuǎn)彎段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 入口轉(zhuǎn)彎段采用擺臂式柔性輸送裝置

圖5 擺臂式柔性輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5 所示，采用擺臂式柔性輸送裝置替代原固定式輸送通道，由一組浮動的鏈板與內(nèi)圈軌道一起組成柔性輸送通道。鏈板（2）掛在主動鏈輪組（1）的鏈輪和擺臂支撐輪（4）上，擺臂（3）壓在鏈板上，使鏈板時刻處于張緊狀態(tài)。改進(jìn)后的入口轉(zhuǎn)彎段，煙支在經(jīng)過彎道時，其水平段速度V水平與內(nèi)圈速度V內(nèi)相等，外圈鏈板速度V外＞V水平。

如圖6 所示，煙支1 以V水平被輸送到轉(zhuǎn)彎段入口處時，由 于鏈板速度V外＞V水平，煙支1 加速，在重力作用下，煙支2 落到煙支1 與下一煙支因速度差所造成的空隙中。在整個通道中，當(dāng)煙支流從水平段輸送到轉(zhuǎn)彎段時，煙支流的料位會降低，從而避免了煙支擠壓現(xiàn)象。另外，由于鏈板是浮動的，且在擺臂作用下時刻處于張緊狀態(tài)，因此煙支在柔性輸送通道中被壓緊，避免了掉煙現(xiàn)象。

圖6 改進(jìn)后煙支過彎道相對運(yùn)動示意圖

3.2 對垂直提升段與入口轉(zhuǎn)彎段實(shí)施分段控制

為實(shí)現(xiàn)垂直提升段與入口轉(zhuǎn)彎段的分段控制，在垂直提升段和入口轉(zhuǎn)彎段配置獨(dú)立驅(qū)動電機(jī)，并可根據(jù)煙支直徑和煙支品質(zhì)[9]的不同要求，對垂直提升段電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)垂直提升段電機(jī)對入口轉(zhuǎn)彎段電機(jī)速度的精確跟蹤，從而達(dá)到兩者流量匹配[10]。

3.3 出口轉(zhuǎn)彎段采用彈性輸送裝置

如圖7 所示，在出口轉(zhuǎn)彎段采用彈性輸送裝置，利用彈簧片壓緊導(dǎo)板，通過調(diào)整彈簧片的預(yù)緊力，使煙支在經(jīng)過彎道時張緊適度、輸送平穩(wěn)。當(dāng)煙支到達(dá)高位輸送段后，還可對煙支流進(jìn)行整理，避免出現(xiàn)擠煙和掉煙等現(xiàn)象。

4 改進(jìn)效果

圖7 改進(jìn)后出口轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)示意圖

改進(jìn)后的YF17 卷煙儲存輸送系統(tǒng)提升機(jī)實(shí)現(xiàn)了對煙支流量的精確控制，當(dāng)煙支輸送到入口轉(zhuǎn)彎段和出口轉(zhuǎn)彎段時，由于采用了煙支柔性輸送裝置，煙支下墜現(xiàn)象消失，皺紋煙支由原來的3～4 支/min 降低到0.5～1.0支/min，有效提高了卷煙產(chǎn)品的外觀品質(zhì)。

［1］許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司.YF17 卷煙儲存輸送系統(tǒng)說明書［G］.2005.

［2］康瑛.幾種適用于超高速卷煙生產(chǎn)線的卷煙儲存輸送系統(tǒng)［J］.煙草科技，2002（3）：26-29.

［3］胡偉，王江華.YF17 型卷煙儲存輸送裝置提升通道弧形板的改進(jìn)［J］.煙草科技，2012（9）：22-23.

［4］王俊，彭鑄.卷煙、濾棒儲存輸送系統(tǒng)中提升通道的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，21（1）：78-80.

［5］李金學(xué)，高尊華，楊帆，等.COMFLEX-1 煙支內(nèi)煙絲分布對卷煙質(zhì)量的影響［J］.煙草科技，2004（8）：11-12，15.

［6］蒲良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社.2006.

［7］劉明周.ZF12B 大流量帶結(jié)構(gòu)傾斜提升的設(shè)計(jì)［J］.中國科技信息，2010（18）：20-21.

［8］楊春霞.COMFLEX-1 卷煙儲存輸送系統(tǒng)的技術(shù)升級［J］.煙草科技，2007（8）：23-25.

［9］趙同林，李兵役，田興友，等.煙支密度與煙支重量、吸阻、硬度［J］.煙草科技，2005（4）：13-15.

［10］李利.MOLINS 大流量系統(tǒng)的調(diào)整［J］.煙草科技，2003（12）：15-16.