自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)的方案選擇與設(shè)計(jì)

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，廈門 361021）

0 引言

隨著二胎放開，新生兒數(shù)量增加，以及老齡化進(jìn)程加速，我國對(duì)成人和兒童紙尿褲需求量日益增大[1,2]，導(dǎo)致近年來紙尿褲設(shè)備的生產(chǎn)廠家急劇增加，尤其泉州地區(qū)。由于起步晚，研發(fā)投入不足，與國外的生產(chǎn)線廠家如日本的瑞光公司、意大利的吉地美公司有較大的距離。

不停機(jī)自動(dòng)換卷是紙尿褲生產(chǎn)線的核心技術(shù)之一[3]。每條紙尿褲生產(chǎn)線上布設(shè)多達(dá)6組以上的自動(dòng)放卷單元[4～6]，每組放卷單元有一套自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)。各放卷單元的物料卷幅面寬度不一致，壓、切、接合機(jī)構(gòu)大小甚至形狀也不一致，屬于非標(biāo)類單件生產(chǎn)型式，造價(jià)高，寬幅面換卷時(shí)間長。本文提出了兩個(gè)新的方案，與目前使用的方案進(jìn)行分析比較，針對(duì)不同材質(zhì)和幅面，選擇合理的自動(dòng)換卷方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)放卷的作用和性能要求

造紙、衛(wèi)品、印刷包裝等行業(yè)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)連續(xù)不停機(jī)生產(chǎn)，自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)是必不可少的[7～10]。目前紙尿褲生產(chǎn)線速度大都超過250m/min，這就要求換卷速度要快。圖1是自動(dòng)放卷示意圖，物料卷A、卷B均拉到自動(dòng)放卷機(jī)構(gòu)中。若A卷運(yùn)行，則物料卷B的頭部拉到接合部對(duì)應(yīng)的地方，并在物料卷B的頭上貼著雙面不干膠。料卷A用完，啟動(dòng)控制裝置，壓住物料A，接合氣缸伸出接合料A、B，切斷A，料卷B切入運(yùn)行。圖中的儲(chǔ)料架，主要用途是保證換卷時(shí)輸送輥連續(xù)不停機(jī)向生產(chǎn)線供料。

圖1 自動(dòng)換卷示意圖

換卷要求是快速、可靠，料尾浪費(fèi)盡量少。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)差，從控制命令發(fā)出到執(zhí)行完命令，需要一定的時(shí)間，一般超過0.3s，對(duì)于速度為600片/min拉拉褲（合作廠家生產(chǎn)的XXL碼，每條長0.53m左右，0.53×10×0.3=1.59m），則換卷過程中儲(chǔ)料架料長縮短了1.59m以上。對(duì)于幅面寬度超過500mm的料卷，直接采用現(xiàn)有的剪刀式兩切刀對(duì)切，0.3s時(shí)間是難以保證的，必須把儲(chǔ)料架做大。恒張力控制是紙尿褲、造紙、印刷等工業(yè)領(lǐng)域的基本要求[11～13]，換卷過程快速性差，增大了恒張力控制的難度。

2 現(xiàn)有的自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)

圖2是目前紙尿褲生產(chǎn)線上常用的自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)。采用5個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)壓料、接合、切斷。切斷采用剪刀式結(jié)構(gòu)，上、下刀有一小角度，下刀不動(dòng)，上刀由氣缸推動(dòng)往下運(yùn)行，要求上、下刀兩刀面緊貼，有縫隙會(huì)產(chǎn)生無紡布擠在兩刀之間未切斷。對(duì)刀的加工和裝配有較高的要求。

圖2 全氣缸式換卷方案

對(duì)于寬幅面的物料，這種方案難以做到。目前采用無桿氣缸拉著刀片進(jìn)行切割寬幅面物料，無桿缸的價(jià)格昂貴。在成人紙尿褲或經(jīng)期褲生產(chǎn)線上，有幅面達(dá)到1m左右，普通1m行程的無杠缸，實(shí)際推力20kg左右的SMC MY 1B32-1000的報(bào)價(jià)3500元以上，一臺(tái)自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)，需要2個(gè)長行程的無桿缸，造價(jià)昂貴。即使使用昂貴的高速的無杠缸，切割時(shí)間也達(dá)到秒級(jí)，儲(chǔ)料架必須做大，增強(qiáng)儲(chǔ)料功能。

3 新型的自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)

3.1 氣缸加電機(jī)式自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)

圖3是氣缸加電機(jī)式自動(dòng)換卷結(jié)構(gòu)，壓料、接合仍采用氣缸，切斷采用15W的交流電機(jī)或直流電機(jī)作為動(dòng)力，電機(jī)正/反轉(zhuǎn)拖動(dòng)固定在同步帶上的刀片機(jī)構(gòu)前/后運(yùn)動(dòng)，切斷壓住的無紡布。這種結(jié)構(gòu)造價(jià)較無桿缸便宜得多，且速度可以根據(jù)需要改變。電機(jī)拖動(dòng)的刀片可以采用現(xiàn)成的筆紙刀片，刀片成本低廉，切斷可靠。缺陷是結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，必須在兩頭布上光耦檢測(cè)刀片到位與否。速度過快，還有一定的過沖，必須把光耦擋片做長點(diǎn)。

與上述方案相比，電控的輸入點(diǎn)數(shù)增加4個(gè)（料A、料B切刀運(yùn)行的限位光耦），增加輸出點(diǎn)2個(gè)（2個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，需要4個(gè)輸入點(diǎn)進(jìn)行控制，上述方案只需要用2路控制兩個(gè)切刀氣缸）。窄幅面（寬度≤200mm）的自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)，氣缸剪刀式的切斷機(jī)構(gòu)加工裝配要求不是很苛刻，氣缸加電機(jī)式的自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)沒有成本和可靠性方面優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大于500mm幅寬的自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)是明顯的。

圖3 氣缸加電機(jī)式換卷方案

3.2 氣缸加熱切式自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)

圖4是氣缸加熱切式的自動(dòng)換卷方案。由氣缸推動(dòng)的上壓塊上布設(shè)著φ1.0的圓的鎳鎘絲，通入AC24V交流電加熱切斷無紡布，結(jié)構(gòu)簡單可靠，解決了剪刀式無紡布擠入刀縫的問題。壓住無紡布?xì)飧讋?dòng)作之前即可加熱，壓住無紡布的同時(shí)也切斷無紡布，實(shí)現(xiàn)壓住、接合、切斷同時(shí)動(dòng)作，換卷速度最快。

圖4 氣缸加熱切式換卷方案

熱切方式機(jī)構(gòu)最為簡單，但切斷處有受熱糾縮的問題。在紙尿褲生產(chǎn)中，不管是熱切，還是刀切，都要把接合處的這一條褲子剔除成廢品，糾縮是沒有關(guān)系的。為了實(shí)現(xiàn)快速切斷，變壓器功率要超過1kVA。料卷A/B可用同一變壓器，節(jié)約成本。用同一變壓器，副邊根據(jù)需要接通相應(yīng)的料卷A/B切斷加熱絲。由于副邊電流太大，控制時(shí)應(yīng)注意控制方法。圖5是加熱切斷控制原理圖，繼電器采用宏發(fā)HF152F，觸頭電流20A，接通時(shí)先接通副邊的電路，然后接通原邊；斷開時(shí)先斷開原邊，再斷開副邊回路，防止繼電器閉合或斷開時(shí)，副邊大電流拉弧燒蝕銀觸頭。采用這種方法進(jìn)行控制，通過30多個(gè)小時(shí)試驗(yàn)（每隔2s加熱絲通電200ms），試驗(yàn)結(jié)果是切斷快速可靠，實(shí)驗(yàn)后副邊繼電器外殼剝開，銀觸頭沒有任何燒蝕的跡象。

1kVA的變壓器的價(jià)位較切刀氣缸（以亞德客或怡和達(dá)為準(zhǔn)）低，且結(jié)構(gòu)簡單。對(duì)于大幅面采用無杠缸的結(jié)構(gòu)，價(jià)格便宜得多，且速度快。無紡布、POF膜、PE膜等石油產(chǎn)品加熱切斷方法是可行的，但對(duì)于棉花或者紙等，切斷難，是不適合的。

圖5 加熱切斷控制原理圖

4 實(shí)例

泉州合作廠家生產(chǎn)的二片式拉拉褲上，共有9組放卷單元，根據(jù)各單元物料卷幅寬和材質(zhì)（如表1所示），選擇相應(yīng)的自動(dòng)換卷方案。

表1 方案選擇

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)外層無紡布和兩側(cè)無紡布放卷單元采用方案3，其余依照廠家的習(xí)慣，選用方案1，即原來廠家采用的方案。方案1作了一些修改，采用同一氣缸壓住物料A、B的方式，即方式2的壓料模式。按照上述原則設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，在實(shí)際的二片式拉拉褲上生產(chǎn)，效果良好，穩(wěn)定可靠。寬幅面的自動(dòng)換卷單元，成本僅為原來的60%左右，換卷速度得到較大的提高，儲(chǔ)料架與窄幅面的相似，較原先簡單的多。

5 結(jié)論

針對(duì)衛(wèi)生用品生產(chǎn)線上的放卷單元較多，各單元物料卷幅面和材質(zhì)的不同，提出了三種設(shè)計(jì)方案。建議幅面小于250mm的物料卷，采用氣缸式或氣缸加電機(jī)式的方案。幅面大于250mm的無紡布、POF膜等石油類的產(chǎn)品，采用氣缸加熱切式的方案。幅面大于250mm的紙類、棉布類，應(yīng)采用氣缸加電機(jī)式的方案。這種方案選擇方式已作為泉州合作廠家的自動(dòng)換卷單元的設(shè)計(jì)規(guī)則，在后續(xù)的二片式、三片式、環(huán)腰褲等上面應(yīng)用，效果佳，換卷速度快，料尾損耗少，得到廠家的認(rèn)可，具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值。