基于濾棒質(zhì)量的KDF2 成型機(jī)開松輥改造設(shè)計(jì)

余寶意，毛思睿

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，湖北武漢 430051）

0 引言

KDF2 成型機(jī)組是由YL12 開松機(jī)、YL22 成型機(jī)和YJ35 裝盤機(jī)組成[1]。該機(jī)組中YL12 開松機(jī)利用由螺紋輥和橡膠輥等組成的輥壓開松裝置，對(duì)絲束進(jìn)行開松。YL12 開松機(jī)原有結(jié)構(gòu)的2#、3#兩個(gè)橡膠輥，是由兩個(gè)框架式固定支架固定在開松機(jī)的墻板上，支架的本身不可調(diào)整，并且橡膠輥平行度調(diào)節(jié)精度低，導(dǎo)致實(shí)際工作時(shí)橡膠輥和螺紋輥不平行。兩個(gè)橡膠輥與螺紋輥的間隙只能由外框的偏心套來補(bǔ)償調(diào)整，如果間隙調(diào)整不當(dāng)，不僅會(huì)減少軸承的使用壽命，同時(shí)間隙大的部位絲束的卷曲沒有得到有效消除，進(jìn)而影響開松效果，容易出現(xiàn)吸阻標(biāo)偏大或吸阻質(zhì)量指標(biāo)不合格等質(zhì)量問題[2]。為此，對(duì)兩個(gè)開松輥的固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，靠氣缸支撐和外框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)整間隙和平行度，提高濾棒硬度及吸阻的穩(wěn)定性。

1 絲束輥壓開松裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 開松輥的工作原理

開松輥由預(yù)拉輥、前開松輥、后開松輥、輸出輥4 組輥筒組成（圖1）。其中，前開松輥、后開松輥軸線相互平行，上輥是由不銹鋼制成的螺紋輥，下輥是橡膠輥，為鋁芯外包聚氨酯材料的輥筒。兩個(gè)螺紋輥旋向相同，均為右旋螺紋，但螺紋略有差異，均為主動(dòng)輥。前開松輥通過齒面夾持將經(jīng)過預(yù)拉輥擴(kuò)展的絲束送入開松區(qū)。后開松輥的線速度快于前螺紋輥。當(dāng)絲束帶在前、后螺紋輥間通過時(shí)，螺紋頂面在沿輥的軸線橫向移動(dòng)時(shí)將絲束向前送出，使單絲分離，并交替夾持、放松。且由于輥速的提高，使絲束產(chǎn)生縱向的拉伸，消除絲束卷曲，最終得到開松的絲束帶進(jìn)入下個(gè)流程[3]。

圖1 YL12 原機(jī)開松輥

1.2 偏心套的鎖緊原理及存在的問題

螺紋輥與橡膠輥間的平行度通過橡膠輥上的偏心套來調(diào)節(jié)。兩個(gè)橡膠輥前支撐中各有一個(gè)偏心套，松開套筒圓周表面上端孔中旋入的緊固螺釘，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套調(diào)整橡膠輥前端位置的高低，從而調(diào)整平行度。偏心套圓周上對(duì)稱分布了12 個(gè)孔，所以偏心套只能調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)的12 個(gè)孔的位置，導(dǎo)致偏心套為有級(jí)調(diào)節(jié)。已知偏心套的偏移量為2.4 mm，而12 個(gè)孔使偏心套最高位到最低位之間有6 個(gè)等級(jí)，即偏心套的調(diào)節(jié)精度為2.4/6=0.4 mm。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)生橡膠輥和螺紋輥不平行情況，偏心套的定位孔和緊固螺釘不在同一軸線上。為了將偏心套鎖緊，必須將偏心套轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（偏心套角度轉(zhuǎn)動(dòng)量0＜∠偏心≤15°，此時(shí)平行度變化量0＜平行度≤0.4/2，角度轉(zhuǎn)動(dòng)量與平行度變化量成正比），使定位孔和緊固螺釘同一軸線，導(dǎo)致螺紋輥與橡膠輥不平行，引起絲束跑偏、開松不均勻、部分絲束卷曲沒有得到消除等現(xiàn)象，濾棒硬度與吸阻的不穩(wěn)定。因此，想要提高濾棒的質(zhì)量，可以從平行度自動(dòng)調(diào)整入手[4]。

2 開松棍改造后的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 改造思路

在開松輥的結(jié)構(gòu)中，橡膠輥支架一端固定在氣缸的連接件上，連接件為I 型接頭，與支架上的孔一同被銷軸固定。另一端固定在連接墻板的主軸上，可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。橡膠輥軸的兩端都有軸套，固定在橡膠輥支架的孔中。從原機(jī)結(jié)構(gòu)可以看出，橡膠輥兩端位置的高低，由偏心套的角度和橡膠輥支架兩端位置的高低兩個(gè)因素共同決定。所以除了在橡膠輥的軸套上做平衡度的調(diào)整之外，通過調(diào)整橡膠輥支架左右兩端的高低，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠輥前端位置高低的調(diào)整，從而調(diào)整平行度。由于支架只有繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)這一個(gè)自由度，想要調(diào)整支架左右兩端的高低，需要改造支架的結(jié)構(gòu)，增加一個(gè)繞橫向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。

2.2 改造后開松輥的結(jié)構(gòu)

改造后的開松輥結(jié)構(gòu)將一整塊支架改造成由橫向調(diào)節(jié)軸連接的兩塊支架，支架上開了個(gè)直徑為15 mm 的孔，孔位于支架平面的正中心，軸長(zhǎng)55 mm（圖2）。改造后的橡膠輥支架可以繞軸做一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整支架兩端的高低。支架靠近中心主軸的左右兩端，分別加裝了限位調(diào)整螺絲，可以控制橡膠輥支架繞橫向調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度，從而控制橡膠輥兩端的高度差，同時(shí)也避免了因支架轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大，造成銷軸固定氣缸與支架時(shí)不方便的問題，節(jié)約了維修時(shí)間。

圖2 改造后的支架

改造中還發(fā)現(xiàn)，由于氣缸上的I 形接頭與橡膠輥支架被銷軸完全固定，制約了橡膠輥支架繞橫向調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，需要改造氣缸支撐桿連接件的結(jié)構(gòu)，使支架與氣缸支撐桿之間，有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。將原機(jī)氣缸單向支撐結(jié)構(gòu)改為萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)（圖3），將I 形接頭改為桿端關(guān)節(jié)軸承，桿端關(guān)節(jié)軸承是萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)，銷軸在桿端關(guān)節(jié)軸承的小孔中可以自由旋轉(zhuǎn)一定角度。

圖3 萬向節(jié)支撐結(jié)構(gòu)

2.3 改造后開松輥?zhàn)詣?dòng)平衡的工作原理

改造后的開松輥擁有自動(dòng)平衡的功能，其工作原理分為3個(gè)流程：

圖4 橡膠輥支架受力分析

（1）當(dāng)氣缸進(jìn)氣，活塞向上推動(dòng)氣缸支撐桿，帶動(dòng)橡膠輥支架向螺紋輥靠攏時(shí)，橡膠輥支架兩端同時(shí)受到向上的力F1和F2（圖4）。假設(shè)平行度＞0，高的一端受力F1，低的一端受力F2。

（2）在氣缸支撐桿推力的持續(xù)作用下，橡膠輥高的一端，會(huì)接觸到螺紋輥，受到螺紋輥的反作用力F2反。而未接觸到螺紋輥的一端，由于沒受到螺紋輥的反作用力，F(xiàn)2會(huì)分解成以橫向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心為圓心，橫向轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心線到左/右端面的垂直線為半徑的圓周力Ft和徑向力Fr（圖5）（Ft垂直于Fr，F(xiàn)1與Ft的夾角為∠α，F(xiàn)r=Ft×tanα）。其中徑向力Fr因?yàn)檩S的反作用力受力平衡，圓周力Ft推動(dòng)橡膠輥支架繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)后橡膠輥兩端的高度差會(huì)減少，平行度降低。

（3）在橡膠輥繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，橡膠輥高的一端，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)因?yàn)楦叨冉档?，遠(yuǎn)離螺紋輥，導(dǎo)致反作用力F2反消失，橡膠輥支架重復(fù)步驟（1），直到橡膠輥高的一端重新接觸螺紋輥，再重復(fù)流程（2）。流程（1）和流程（2）會(huì)自動(dòng)反復(fù)轉(zhuǎn)換，每進(jìn)過一次流程（2），∠α 都會(huì)減小，橡膠輥兩端的高度差也會(huì)逐漸減少，平行度也隨之逐漸降低。當(dāng)橡膠輥兩端同時(shí)接觸到螺紋輥（此時(shí)∠α=0，F(xiàn)2與圓周力Ft大小相等，方向相同，徑向力Fr為0），左右兩端同時(shí)受到螺紋輥的反作用力，開松輥結(jié)構(gòu)受力平衡，流程（2）自動(dòng)停止進(jìn)行（圖6）。

改造后的開松輥結(jié)構(gòu)，一方面在結(jié)構(gòu)上使開松輥平行度從有級(jí)調(diào)節(jié)，變?yōu)闊o級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度更高。另一方面通過受力轉(zhuǎn)換，用自動(dòng)平衡調(diào)整代替手動(dòng)調(diào)整，調(diào)整更快捷，平行度更高，消除了手動(dòng)調(diào)整時(shí)出現(xiàn)的誤差，延長(zhǎng)了橡膠輥、軸、軸承的使用壽命。

圖5 橡膠輥支架未受力端受力分析

圖6 流程（3）受力分析

3 開松棍改造對(duì)濾棒質(zhì)量的影響

3.1 改造對(duì)濾棒硬度的影響

影響濾棒硬度的原因有環(huán)境溫濕度、絲束來料，絲束填充量、增塑劑施加量、甘油酯噴涂壓力、濾棒圓周、絲束卷曲穩(wěn)定性[5]。為了檢測(cè)改造對(duì)硬度的影響，采用控制變量法。在同一環(huán)境下（溫度26 ℃，濕度60%RH），選兩臺(tái)KDF2 設(shè)備（7#與8#）同時(shí)生產(chǎn)，7#設(shè)備（K7）未經(jīng)過改造，8#（K8）設(shè)備經(jīng)過改造。絲束包選用同一批次的醋酸纖維，增塑劑批次相同，施加量統(tǒng)一調(diào)至8%，甘油酯噴涂壓力統(tǒng)一調(diào)至1.0 MPa，濾棒圓周平均值統(tǒng)一調(diào)至24.00 mm。產(chǎn)品中取300 支濾棒，存放一天后，在綜合測(cè)試臺(tái)測(cè)量的濾棒硬度指標(biāo)。K7 和K8 的硬度測(cè)試數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 K7 的硬度測(cè)試數(shù)據(jù) %

表2 K8 的硬度測(cè)試數(shù)據(jù) %

可以看出，K7 的濾棒硬度最大值84.3%，最小值80.4%，平均值82.12%；K8 的濾棒硬度最大值89.7%，最小值84.4%，平均值87.06%

從測(cè)量結(jié)果得出，在同樣的外部條件下，經(jīng)過改造的K8 設(shè)備濾棒硬度，比未改造的K7 設(shè)備濾棒硬度值大約5%。

3.2 改造對(duì)濾棒吸阻偏差的影響

影響吸阻偏差的原因有：環(huán)境溫濕度、絲束來料、開松輥速比、開松輥壓力、空氣開松器氣壓、圓周大小、絲束卷曲穩(wěn)定性。為了檢測(cè)改造對(duì)硬度的影響，同樣采取控制變量法。在同一環(huán)境下（溫度26 ℃，濕度60%RH），仍然選擇7#和8#設(shè)備同時(shí)生產(chǎn)，絲束包選用同一批次的醋酸纖維，開松輥速比統(tǒng)一調(diào)至1∶1.30，開松輥壓力統(tǒng)一調(diào)至0.2 MPa，預(yù)拉輥壓力統(tǒng)一調(diào)至0.05 MPa，三級(jí)開松絲束展幅統(tǒng)一調(diào)至230 mm，濾棒圓周平均值統(tǒng)一調(diào)至24.00 mm。產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，分別取300 支生產(chǎn)出來的濾棒，在綜合測(cè)試臺(tái)測(cè)量濾棒的吸阻偏差。K7 和K8 的吸阻測(cè)試數(shù)據(jù)見表3 和表4。

表3 K7 的吸阻測(cè)試數(shù)據(jù) mmH2O

表4 K8 的吸阻測(cè)試數(shù)據(jù) mmH2O

由測(cè)量結(jié)果可知，K7 的濾棒吸阻最大值292 mmH2O，最小值266 mmH2O，平均值280.2 mmH2O，吸阻偏差6.4；K8 的濾棒吸阻最大值286 mmH2O，最小值277 mmH2O，平均值282.6 mmH2O，吸阻偏差2.7 mmH2O。

從測(cè)量結(jié)果得出，在同樣的外部條件下，經(jīng)過改造的K8 設(shè)備濾棒的吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差，比未改造的K7 設(shè)備濾棒的吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差，降低了3.7 mmH2O。

3.3 改造對(duì)濾棒吸阻穩(wěn)定性的影響

將3.2 中測(cè)量的300 個(gè)吸阻值，每10 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)算平均值，并將算出來的30 組數(shù)據(jù)做折線圖，對(duì)比改造前后的吸阻穩(wěn)定性（圖7）。從圖中可以看出，K8 的折線較K7 上下波動(dòng)小很多，吸阻穩(wěn)定性有明顯的提高。

圖7 改造前后吸阻對(duì)比

3.4 結(jié)果比較

從測(cè)量結(jié)果可以看出，改造后設(shè)備生產(chǎn)出來的濾棒，硬度指標(biāo)較改造前提高了約5%，濾棒的吸阻指標(biāo)更穩(wěn)定，吸阻偏差降低了3.7 mmH2O，吸阻穩(wěn)定性較改造前有明顯的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過上述對(duì)橡膠輥支架結(jié)構(gòu)的改造，提高了設(shè)備的調(diào)節(jié)靈活性及精度，解決了由于開松輥平行度調(diào)節(jié)精度低引起的濾棒硬度低、吸阻偏差大等問題，極大地提升了產(chǎn)品質(zhì)量，取得了預(yù)期效果。該改造有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①不改變?cè)瓩C(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和安裝方式；②橡膠輥可獨(dú)立拆卸，便于更換及維修；③對(duì)橡膠輥和螺紋輥之間的平衡和間隙自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)；④橡膠輥長(zhǎng)期處于自動(dòng)平衡狀態(tài)，減少磨損，延長(zhǎng)軸承和橡膠輥的使用壽命；⑤延長(zhǎng)了維護(hù)周期，減少配件消耗，降低維修成本；⑥改造后的結(jié)構(gòu)外形規(guī)格尺寸與原機(jī)一致，確保了通用性、兼容性和互換性；⑦自動(dòng)克服絲束的卷曲度、硬度等物理缺陷，提高吸阻的穩(wěn)定性。