超高速YB48型硬盒包裝機(jī)商標(biāo)紙噴膠裝置的研究及改進(jìn)

楊忠泮， 謝黎明

(1.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 蘭州卷煙廠，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

ZB48型硬盒包裝機(jī)組是在消化吸收德國FOCKE公司FC800包裝機(jī)組專用技術(shù)基礎(chǔ)上，首組實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的超高速卷煙包裝設(shè)備，其額定生產(chǎn)能力為800包/min，并已在國內(nèi)煙草工業(yè)企業(yè)中廣泛采用[1]。機(jī)組中的主機(jī)YB48型硬盒包裝機(jī)運(yùn)用了FOCKE 700S 包裝機(jī)的直包技術(shù)，主要完成硬盒煙包的包裝工序，其雙路包裝的技術(shù)具有結(jié)構(gòu)可靠、易于操作和生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)。YB48型硬盒包裝機(jī)商標(biāo)紙的上膠工序，采用的是機(jī)械旋轉(zhuǎn)接觸式涂膠與壓力自動(dòng)間歇式噴膠相結(jié)合的方式，其中噴膠執(zhí)行單元部件作為整機(jī)中價(jià)值較為高昂的關(guān)鍵部件，噴膠頭總成的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行，是保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的核心因素之一。但在生產(chǎn)過程中，噴膠頭總成經(jīng)常出現(xiàn)噴嘴堵塞、膠點(diǎn)缺失等現(xiàn)象，并且也面臨著故障率高和維修成本高等問題。喻樹洪等[2]對(duì)FOCKE 701商標(biāo)紙噴嘴堵塞原因進(jìn)行分析，提出5條相應(yīng)維保方法建議，蔡培良等[3]設(shè)計(jì)了C800-BV包裝機(jī)條盒紙膠點(diǎn)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)與剔除系統(tǒng)，均獲得了一定的效果，但對(duì)于超高速YB48型硬盒包裝機(jī)噴膠裝置的分析與研究尚未見報(bào)道，而且上述改進(jìn)方法對(duì)解決原型噴膠裝置故障率高、維修率高與維修費(fèi)用高等問題借鑒意義也十分有限。近年來，隨著FOCKE F8以及FOCKE F3等更為先進(jìn)的包裝機(jī)組投入使用，特別是新型商標(biāo)紙噴膠裝置在實(shí)際生產(chǎn)中顯現(xiàn)出更高的性能可靠性、維護(hù)便捷性以及零組件的成本經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。為此，本文在對(duì)原裝噴膠裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過改裝和調(diào)整噴膠裝置關(guān)鍵部件，對(duì)YB48型硬盒包裝機(jī)商標(biāo)紙?jiān)瓏娔z裝置進(jìn)行改進(jìn)，以提高商標(biāo)紙噴膠工序的質(zhì)量穩(wěn)定性和設(shè)備可靠性，同時(shí)達(dá)到降低設(shè)備維護(hù)成本的目的。

1 噴膠裝置結(jié)構(gòu)

1.1 噴膠裝置組成及運(yùn)動(dòng)分析

1.右側(cè)氣缸, 2.左側(cè)氣缸, 3.回轉(zhuǎn)軸, 4.擺臂,5.噴膠頭總成, 6.膠水回收槽。

YB48型硬盒包裝機(jī)商標(biāo)紙噴膠裝置分為供膠單元和噴膠單元兩部分[4]。商標(biāo)紙噴膠裝置使用的冷膠水來自于儲(chǔ)膠罐，并與商標(biāo)紙機(jī)械式涂膠裝置共享同一供膠單元。其中噴膠裝置組成見圖1。根據(jù)噴膠頭總成停止工位的不同，噴膠裝置主要有3種工作位置，分別為工作位、測(cè)試位和保養(yǎng)清潔位。設(shè)備在開機(jī)前或停車超過5 s時(shí)，噴膠執(zhí)行單元處于保養(yǎng)清潔位，此時(shí)雙作用氣缸左右兩端均處于伸出狀態(tài)，使噴膠頭總成前端的噴嘴浸沒于轉(zhuǎn)動(dòng)的濕潤(rùn)海綿輥內(nèi)1～2 mm，起到清潔和保濕的作用；當(dāng)復(fù)位啟動(dòng)設(shè)備后，雙作用氣缸處于左端伸出右端縮回狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)入到測(cè)試位，噴嘴正對(duì)著膠水回收槽并持續(xù)2 s，以確保商標(biāo)紙上的涂膠量均勻，該狀態(tài)是一種中間過渡位置；然后，噴膠執(zhí)行單元進(jìn)入到工作位，雙作用氣缸左右兩端均處于縮回狀態(tài)，對(duì)商標(biāo)紙輸送輥輸送的商標(biāo)紙上膠。另外，可在設(shè)備停機(jī)時(shí)，通過箱體右側(cè)的按鈕對(duì)噴膠裝置進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)切換工作位與測(cè)試位。

作為噴膠裝置核心部件的噴膠頭總成，主要由8個(gè)并聯(lián)冷膠噴槍頭單元組成[5]，使用粘度值為330 mPa· s的132-484A冷膠水。如圖2所示，當(dāng)噴槍頭處于非工作狀態(tài)時(shí)，由于彈簧封閉針與噴嘴之間無間隙從而使膠路處于封閉狀態(tài)；當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，由控制器發(fā)送的高頻電脈沖信號(hào)與電磁線圈的作用，彈簧封閉針最快可在0.001 6 s內(nèi)完成一次往復(fù)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴嘴處膠水的通斷轉(zhuǎn)換。通過座體上每個(gè)噴槍頂端的調(diào)節(jié)螺桿，可以調(diào)節(jié)噴嘴在開啟時(shí)彈簧封閉針與噴嘴的間隙，作用是控制噴射出的膠流束的聚中性，避免膠水量過小而引起的掛壁或者膠流分散而產(chǎn)生過多的衛(wèi)星膠，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的雙通道商標(biāo)紙背面4列點(diǎn)狀膠點(diǎn)的正確噴涂。

圖2 噴膠頭總成及其工作原理圖

1.2 噴膠裝置存在的工作弊端

目前YB48使用的原裝噴膠頭總成型號(hào)為Baumer HHS公司的V4-814-SP2-F，其原裝的噴膠頭總成在實(shí)際工作中的短板日益凸顯，主要存在以下問題：

(1)維修時(shí)間較長(zhǎng)，在對(duì)噴膠頭總成進(jìn)行修復(fù)時(shí)，需要拆裝較多零部件，而且外部防護(hù)罩并不是密封，內(nèi)部極易存留污漬進(jìn)而影響其可靠性；

(2)噴槍內(nèi)的彈簧封閉針易附著固體膠漬引起噴嘴堵塞，而且當(dāng)復(fù)位彈簧由于金屬疲勞發(fā)生彈簧失效時(shí)會(huì)引起密封不嚴(yán)，進(jìn)而產(chǎn)生噴嘴漏膠現(xiàn)象；

(3)噴嘴的凸臺(tái)與凹槽復(fù)合結(jié)構(gòu)外形，使得膠漬不易清潔；

(4)原裝噴膠頭總成價(jià)格高昂，單套裝置采購費(fèi)用為34萬余元，更換單個(gè)冷膠噴槍頭單元零件費(fèi)用7400余元。

綜上所述，當(dāng)噴膠裝置頻繁發(fā)生膠點(diǎn)缺失或膠量不正常時(shí)，一方面直接影響硬盒包裝質(zhì)量，另一方面造成頻繁停機(jī)降低有限作業(yè)率，而且使得維護(hù)成本大大增加。

2 噴膠裝置的改進(jìn)

2.1 新型噴膠頭總成原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

隨著以FOCKE K701S0040型噴膠頭總成為代表的新型噴膠裝置技術(shù)的不斷成熟以及應(yīng)用，使得商標(biāo)紙噴膠環(huán)節(jié)可靠性進(jìn)一步提高。新型噴膠頭總成外觀及噴槍單元內(nèi)部如圖3所示，兩種噴膠頭總成結(jié)構(gòu)功能及數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

圖3 新型噴膠頭總成及噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 兩種噴膠頭總成功能及數(shù)據(jù)對(duì)比表

在設(shè)備管理方面，新型噴膠頭總成及其配件通用性更好，單個(gè)噴槍組件的零件數(shù)量及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，縮短了維修時(shí)間。另外新型噴膠頭總成單套價(jià)格僅為原裝型號(hào)價(jià)格1/4，使得裝置維護(hù)費(fèi)用顯著降低。綜合考慮新型噴膠頭總成與原裝的噴膠頭總成原理相似性、新噴膠頭總成的更換，改裝配套連接件并調(diào)整執(zhí)行裝置的安裝參數(shù)是必不可少的環(huán)節(jié)。

2.2 擺臂結(jié)構(gòu)工作載荷與靜力學(xué)分析

2.2.1 擺臂工作載荷理論

原裝噴膠頭總成在座體頂部采用凹槽嵌入的方式懸掛于擺臂下端，改裝的新型噴膠頭總成通過延伸臂從側(cè)面連接于擺臂下端。而且兩種噴膠頭總成的噴嘴到座體上部連接處的距離不同，決定了改裝擺臂的結(jié)構(gòu)尺寸以及承受載荷的力學(xué)效果不同。所以，對(duì)改裝前后的擺臂進(jìn)行載荷及靜力學(xué)分析是非常必要的。當(dāng)噴膠執(zhí)行單元處于清潔保養(yǎng)位時(shí)，此時(shí)的擺臂是一個(gè)典型的懸臂梁受力方式，擺臂下端主要承受噴膠頭總成重力F噴膠頭重力，是3個(gè)工作位置中承受力矩的最大值；在進(jìn)行工作位置切換時(shí)，由于氣缸推力作用，在擺臂末端還將承受由噴膠頭質(zhì)量m噴膠頭引起的慣性作用力F作用力，加速度方向?yàn)檠刂⌒芜\(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向，如圖 4所示為原裝噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)，圖5為執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

圖4 原裝噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖5 原裝噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

在最大工作載荷狀態(tài)時(shí)，擺臂承受載荷具體計(jì)算如下。

氣缸推力計(jì)算:

(1)

其中F推力為理論氣缸輸出力，P為壓縮空氣壓力，d為氣缸內(nèi)徑。

擺桿下端承受的作用力:

(2)

其中F作用力為擺臂在停動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)下端承受的慣性力，m噴膠頭為噴膠頭總成質(zhì)量，m擺臂為擺臂質(zhì)量。

噴膠頭重力：

F噴膠頭重力=m噴膠頭·g,

(3)

其中g(shù)為重力加速度。

將氣缸規(guī)格及各部件質(zhì)量參數(shù)代入上述式子，得到改裝前后擺臂承受的工作載荷如表2所示。

表2 改進(jìn)前后擺臂承受的工作載荷

2.2.2 有限元靜力分析

建立原裝與改裝兩種擺臂的有限模型，以噴膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于清潔保養(yǎng)位，并在氣缸動(dòng)作后的瞬間位置為擺臂受到最大工作載荷狀態(tài)，載荷加載位置如圖5所示，加載力為F平均作用力。擺臂上端采用固定約束，在擺臂下端連接處施加最大工作載荷，材料為鋁合金2017A-T4，采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸為1 mm，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖6、圖7所示，擺臂靜力學(xué)中的各參數(shù)變化見表3。

(a)改進(jìn)前擺臂 (b)改進(jìn)后擺臂

(a)改進(jìn)前擺臂 (b)改進(jìn)后擺臂

表3 擺臂靜力學(xué)分析結(jié)果

靜力學(xué)仿真結(jié)果結(jié)合表3分析，首先，改裝擺臂最大應(yīng)力值比原裝擺臂小17%，兩種擺臂加載后最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料鋁合金的條件屈服強(qiáng)度215 MPa。其次，最大變形位置均發(fā)生在擺桿下端的外側(cè)，雖然改裝擺臂比原裝擺臂最大變形增加了27%，但擺臂質(zhì)量由原來的0.54 kg減小到0.20 kg，減重達(dá)63%，比剛度效能提高112%。所以，說明改裝擺臂的靜力學(xué)性能較原裝擺臂靜力學(xué)性能更為優(yōu)異，并滿足設(shè)備功能需求。

2.3 噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及改裝調(diào)整參數(shù)

通過分析原執(zhí)行結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，以改裝后執(zhí)行結(jié)構(gòu)的各部件有效尺寸為依據(jù)，重新調(diào)整氣缸有效行程安裝參數(shù)，使得改裝后噴膠裝置滿足設(shè)備的3種工作位置，使得噴膠頭的弧形運(yùn)功軌跡滿足要求，即要求：①在工作位噴嘴在商標(biāo)紙運(yùn)行軌跡正上方距離(3±1)mm位置；②在測(cè)試位，保證膠水流應(yīng)噴在膠水收集盤的斜壁上，并從斜壁流入收集盤；③在保養(yǎng)清潔位，使得噴嘴應(yīng)略微壓入清潔輥的深度1～2 mm。如圖8所示為改進(jìn)后噴膠裝置實(shí)物圖，圖9是改進(jìn)后機(jī)構(gòu)工作運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。在經(jīng)過測(cè)量、試驗(yàn)、安裝及調(diào)整后，確定了如表4所示的改進(jìn)前后各零件固定有效尺寸參數(shù)，以及改進(jìn)前后氣缸有效行程調(diào)整參數(shù)如表5所示。

圖8 改進(jìn)后的噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖9 改進(jìn)后噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

表4 改進(jìn)前、后零件固定有效尺寸

表5 改進(jìn)前、后氣缸有效行程調(diào)整尺寸 mm

3 改進(jìn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)效果，對(duì)蘭州卷煙廠2#和10#兩組ZB48包裝機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)，選用“蘭州硬精品”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格卷煙，包裝速度為700包/min，運(yùn)行時(shí)間為2班次/天，數(shù)據(jù)采集周期為30天，對(duì)改進(jìn)前、后主機(jī)YB48噴膠裝置每班次發(fā)生故障頻次、同一生產(chǎn)班組小盒商標(biāo)紙的單箱消耗量、噴膠頭總成周維保單次平均時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表6。

表6 改進(jìn)前、后噴膠裝置故障次數(shù)及維保數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

生產(chǎn)機(jī)組改進(jìn)前每班次故障頻次/次小盒商標(biāo)紙的單箱消耗量/張周維保單次平均時(shí)間/min改進(jìn)后每班次故障頻次/次小盒商標(biāo)紙的單箱消耗量/張周維保單次平均時(shí)間/min2#ZB48機(jī)組42504.40790.52502.906610#ZB48機(jī)組62504.70880.72503.7068平均值52504.5583.50.62503.3067

結(jié)果表明，改進(jìn)后主機(jī)YB48噴膠裝置故障停機(jī)次數(shù)減少4.4次/班，降幅為88%；小盒商標(biāo)紙的單箱消耗量減少了1.25張/箱，周維保時(shí)噴膠裝置清潔保養(yǎng)時(shí)間縮短了16.5 min/次，降幅為19.7%。單套改裝新型噴膠頭總成價(jià)格比原裝節(jié)省257 970元，且維修更換單個(gè)冷膠噴槍頭單元比原裝節(jié)省1400元。達(dá)到了預(yù)期的良好效果。

4 結(jié)論

在分析原有YB48噴膠裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成與噴膠工作原理的基礎(chǔ)上，以FOCKE K701S0040型八頭噴膠頭總成改裝了HHS V4-814-SP2-F型八頭噴膠頭總成，對(duì)配套的改裝前后擺臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工作載荷分析及靜力學(xué)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了改裝的關(guān)鍵連接擺臂的可靠性。通過改裝后的試驗(yàn)獲得了氣缸有效行程調(diào)整參數(shù)。應(yīng)用效果表明，改進(jìn)后噴膠裝置故障頻次減少了88%，小盒商標(biāo)紙的單箱消耗量減少了1.25張/箱，維保時(shí)間縮短了16.5 min/次，將噴膠頭總成的成本節(jié)約了75.7%，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。