手卷雪茄內(nèi)胚器電動化改進

李俊瑤 黃紫祥 王 劍 郭群陵 簡 蓉 陳 濤 施友志

(1. 湖北中煙工業(yè)有限責任公司，湖北 武漢 430040；2. 湖北中煙工業(yè)有限責任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

手卷雪茄內(nèi)胚是茄芯與直接包裹茄芯的茄套卷制而成的組合體[1]27。雪茄內(nèi)胚卷制是手卷雪茄卷制的核心過程，手卷雪茄卷制效率在一定程度上取決于手卷雪茄內(nèi)胚卷制效率。當前中國手卷雪茄卷制效率約60支/(人·班)，為了提高手卷雪茄卷制過程機械化和卷制效率，國內(nèi)雪茄煙生產(chǎn)企業(yè)大多使用一種全葉卷雪茄手工卷煙機[2-3](以下簡稱內(nèi)胚器)部分替代手工作業(yè)，將卷制效率從約60支/(人·班)提升到了90支/(人·班)。但內(nèi)胚器缺少機械動力，卷制工連續(xù)工作勞動強度大，容易引發(fā)卷制工的職業(yè)健康風險[1]130-132。

內(nèi)胚器結(jié)構(gòu)見圖1，其中卷煙軌道、搖臂支撐架與框架連接為一體形成固定支架，鉸軸穿過搖臂下端軸孔與搖臂支撐架連接，滾動輥安裝在兩搖臂之間的上端，控制搖臂行程的定位塊固定在框架上端，弧板固定在卷煙軌道的前端凹槽內(nèi)，卷煙布帶蓋過滾動輥，其兩端分別固定在卷煙軌道的后端面及布帶長度控制軸上，布帶長度控制軸安裝在與框架相固定的軸座上。操作時手動推動手柄帶動滾動輥繞鉸軸在卷煙軌道上滑動，使卷煙布帶中的茄套包裹茄芯，完成內(nèi)胚卷制。

1. 手柄 2. 搖臂 3. 卷煙軌道 4. 弧板 5. 搖臂支撐架 6. 框架 7. 定位塊 8. 軸座 9. 滾動輥 10. 布帶長度控制軸 11. 鉸軸

雖然內(nèi)胚器卷制較手工卷制有諸多優(yōu)點(如吸阻均勻、卷制效率較高等)，但仍存在一定的操作困難。為研究內(nèi)胚器在實際卷制過程中有何種缺陷，對全車間所有使用過內(nèi)胚器的54名卷制工進行調(diào)查，依據(jù)生產(chǎn)過程反饋的突出問題設(shè)置多個內(nèi)胚器使用缺陷選項(勞動強度大、力度掌控不均、皮帶位移造成質(zhì)量缺陷、卷制工位設(shè)計不便、煙葉消耗大、其他)，對卷制工選擇結(jié)果繪制排列圖[4]，如圖2所示。

由圖2可知，前3項的累積頻率達到77.8%，即勞動強度大、力度掌控不均和皮帶位移造成質(zhì)量缺陷是內(nèi)胚器使用過程的主要缺陷。其中針對勞動強度大進行分析，由該設(shè)備工作原理可知，該設(shè)備未配置動力系統(tǒng)，卷制過程依賴人工推動內(nèi)胚器手柄完成卷制過程，當卷制工長期、連續(xù)重復勞動，肩部負荷大易引發(fā)肩部不適，為后續(xù)進一步提升卷制效率增加難度。

圖2 內(nèi)胚器使用缺陷排列圖Figure 2 Using defect pareto of hand-made cigar machine

1 結(jié)構(gòu)及原理

針對前期調(diào)研內(nèi)胚器存在的設(shè)計和使用缺陷，增加現(xiàn)用內(nèi)胚器機械動力，通過電機驅(qū)動搖臂制胚，實現(xiàn)內(nèi)胚器平穩(wěn)運行，最大程度降低卷制工勞動強度。

1.1 電動內(nèi)胚器結(jié)構(gòu)

如圖3所示，改進后內(nèi)胚器由框架、卷制機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)3部分組成。卷制機構(gòu)包括卷煙軌道、制胚搖臂、搖臂支撐架、光電檢測開關(guān)、卷煙布帶、滾動輥。卷煙軌道的兩端固定在框架上，框架兩側(cè)設(shè)置搖臂支撐架，搖臂支撐架通過鉸軸連接，制胚搖臂的一端可繞鉸軸旋轉(zhuǎn)，另一端設(shè)有限位孔，左右制胚搖臂通過滾動輥連接。卷煙布帶兩端分別與框架的兩端固定，框架上設(shè)置光電檢測開關(guān)。驅(qū)動機構(gòu)包括電機、曲柄、連桿和支架，支架的一端固定在制胚搖臂上，另一端通過連桿、曲柄與驅(qū)動電機連接。

1. 電機 2. 曲柄 3. 連桿 4. 支架 5. 制胚搖臂 6. 搖臂支撐架 7. 光電檢測開關(guān) 8. 卷煙布帶 9. 框架 10. 滾動輥 11. 手柄 12. 填料凹槽 13. 出料凹槽 14. 負壓孔 15. 搖臂支撐軸 16. 限位孔

在卷煙軌道填料凹槽和出料凹槽之間設(shè)置負壓孔，用以吸附卷煙布帶，減少卷煙布帶因褶皺對煙支外觀質(zhì)量的影響。機構(gòu)增設(shè)腳踏開關(guān)，控制電機啟停。

1.2 電動內(nèi)胚器工作原理

如圖4所示，電動內(nèi)胚器啟動前，搖臂停留在填料凹槽處。設(shè)備啟動時光電開關(guān)檢測到搖臂處于填料凹槽處時，光電開關(guān)檢測值置0，此時接觸線圈失電，減速電機停止工作，防止搖臂由于慣性或者人工操作失誤造成打手或者停止位置位移，導致質(zhì)量不合格或安全事故。

1. 電機 2. 曲柄 3. 連桿 4. 支架 5. 制胚搖臂 6. 光電檢測開關(guān) 7. 框架 8. 填料凹槽 9. 出料凹槽 10. 負壓孔 11. 卷煙軌道

卷制工在填料凹槽的卷煙布帶上添加所需的雪茄煙葉，踩下腳踏開關(guān)，光電檢測開關(guān)檢測值置1，減速電機啟動，驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)，通過連桿驅(qū)動搖臂由填料凹槽向出料凹槽運動，到達出料凹槽時，卷制完成的雪茄內(nèi)胚落入出料凹槽后，搖臂反向運動，由出料凹槽向填料凹槽運動，直到觸碰到光電檢測開關(guān)，光電檢測開關(guān)檢測值置0，電源斷開，電機停止工作，完成一個卷制周期。

2 電動內(nèi)胚器驅(qū)動機構(gòu)改進

2.1 內(nèi)胚器驅(qū)動機構(gòu)

根據(jù)空間布局，傳動機構(gòu)選擇曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)由轉(zhuǎn)動副盤形凸輪、連桿、連桿支架等組成。

2.2 曲柄搖桿機構(gòu)的受力分析

2.2.1 盤形凸輪 盤形凸輪的功能是將減速電機產(chǎn)生的動力傳給連桿，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檫B桿隨曲柄平移和繞偏心銷轉(zhuǎn)動的往復運動。

2.2.2 連桿 連桿和連桿支架由銷連接，中間為連桿桿身，下端通過銷軸與盤形凸輪連接。由于連桿作平面往復運動，桿身受拉力、壓力和彎矩三者共同影響，要求連桿質(zhì)量輕、抗彎性能強。

2.2.3 曲柄搖桿機構(gòu)上的作用力 作用于曲柄搖桿機構(gòu)上的力包括主動力(盤形凸輪推力)、負載阻力(機構(gòu)運動慣性力、摩擦阻力)。由于摩擦力數(shù)值較小，變化規(guī)律復雜，受力分析予以忽略[5]，只研究減速電機的驅(qū)動力和運動質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對機構(gòu)的作用，選擇減速電機的合適型號。

(1) 機構(gòu)的慣性力：曲柄搖桿機構(gòu)的慣性力是由于運動不均勻產(chǎn)生的，為了確定機構(gòu)的慣性力，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的曲柄搖桿機構(gòu)質(zhì)量離散成用往復運動質(zhì)量mj和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量mr的動力學等效的當量系統(tǒng)來代換[6]，簡化后整個曲柄搖桿機構(gòu)變?yōu)橛芍挥袆傂远鵁o質(zhì)量的桿件連接的兩個集中質(zhì)量。

往復質(zhì)量：mj=mp+m1，

(1)

旋轉(zhuǎn)質(zhì)量：mr=mcr+m2，

(2)

式中：

mj——搖桿中心點的總質(zhì)量，g；

mr——曲柄中心點的總質(zhì)量，g。

綜合以上分析，曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)化后集中到搖桿銷中心點。如圖5所示，A的總質(zhì)量mj為mj=mp+m1集中到曲柄銷中心點B的總質(zhì)量mr為mr=mcr+m2，其中mcr為曲柄銷質(zhì)量，m2為曲柄質(zhì)量，其中，α為Fj(往復慣性力)與y軸的夾角，即摩擦角α，ωA為A點的角速度，ωB為B點的角速度。

曲柄搖桿機構(gòu)的慣性力等于質(zhì)量與加速度的乘積[7]，方向與加速度方向相反，曲柄搖桿機構(gòu)運動時，有兩種慣性力：往復運動的慣性力和旋轉(zhuǎn)運動的慣性力，二者可由上述運動分析及質(zhì)量轉(zhuǎn)化求出。

往復運動的慣性力：

(3)

式中：

Fj——往復慣性力，N；

1. 曲柄 2. 搖桿銷軸 3. 搖桿 4. 連桿銷軸 5. 連桿圖5 曲柄搖桿機構(gòu)運動示意圖Figure 5 Motion diagram of crank rocker mechanism

mj——往復質(zhì)量，g；

j——加速度，m/s2；

ωA——A點的角速度，rad/s；

α——摩擦角，°。

旋轉(zhuǎn)運動的慣性力：

(4)

式中：

Fr——旋轉(zhuǎn)慣性力，N；

mr——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，g；

jr——向心加速度，m/s2；

ωB——B點的角速度，rad/s。

旋轉(zhuǎn)慣性力的方向始終沿著曲柄半徑方向，并隨著曲柄位置而變化。

(2) 減速電機的驅(qū)動力：對于內(nèi)胚器制胚過程中所需驅(qū)動力矩的計算，涉及到摩擦阻力、制胚所需最大推力和慣性力。

制胚時的慣性力是機構(gòu)受力不均勻產(chǎn)生的[8]，與上文慣性力分析相似。而制胚所需最大推力通過用彈簧秤實測得出一組數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可得，制胚時所需最大驅(qū)動力為7 kg，所選減速電機驅(qū)動力適宜范圍為略大于制胚最大驅(qū)動力[9]，若減速電機驅(qū)動力遠大于制胚最大驅(qū)動力，會產(chǎn)生較大的沖擊力，不利于與卷制工手動操作配合。

根據(jù)曲柄搖桿機構(gòu)受力分析以及彈簧秤測試計算，初步選擇型號為SA/TDR63M4的減速電機。

2.3 減速電機(SA/TDR63M4)效果驗證

SA/TDR63M4減速電機是轉(zhuǎn)速為60 r/min，電壓為380 V的星型接法，功率0.18 kW。為準確驗證所選減速電機是否滿足電動內(nèi)胚器的需要，進行以下驗證：

T=9 550P/n，

(5)

式中：

T——扭矩，N·m；

9 550——常數(shù)；

P——電機的功率，kW；

n——輸出的轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)計算T=14.32 N·m。

電動機的轉(zhuǎn)矩T=電動機軸拖動盤形凸輪的力×盤形凸輪的半徑，經(jīng)轉(zhuǎn)換得

(6)

式中：

F驅(qū)——減速電動機的驅(qū)動力，N；

T——電動機的轉(zhuǎn)矩，N·m；

R——盤形凸輪的半徑，m。

現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)矩已求得為14.32 N·m，盤形凸輪的半徑已知為0.03 m，經(jīng)計算F驅(qū)≈477 N。

由彈簧秤測得制胚阻力7 kg(最大值)，計算其阻力值F阻：

F阻=7 kg×9.8 N/kg≈70 N。

顯然，在考慮摩擦力、力傳動的效率等因素的情況下，F(xiàn)驅(qū)>F阻，所選電機型號能夠滿足工作需求。

2.4 電機驅(qū)動及控制

電動內(nèi)胚器控制系統(tǒng)由S7200.CN PLC處理器、S7電源、光電檢測開關(guān)、中間繼電器、腳踏接觸式開關(guān)和線纜組成。

光電檢測開關(guān)的選型根據(jù)生產(chǎn)實際和工作環(huán)境，選擇體積小、壽命長、精度高、響應速度快的omron(歐姆龍)E3Z-R61回歸反射型(4M/DC10-30V)光電開關(guān)。

電動內(nèi)胚器控制系統(tǒng)的工作原理是：S7200內(nèi)部程序采集到檢測開關(guān)及腳踏接觸式開關(guān)的信號轉(zhuǎn)換后，依據(jù)程序自動調(diào)節(jié)算法將輸出控制信號發(fā)送給中間繼電器，控制接觸器線圈得電(或失電)，從而控制驅(qū)動電機的啟動(或停止)[10-11]。

該方案采用西門子控制程序?qū)?nèi)胚器的驅(qū)動機構(gòu)進行精準控制，保證了內(nèi)胚器良好的動態(tài)響應特性。

3 應用效果

電動內(nèi)胚器投入生產(chǎn)使用后，卷制工反映肩部不適的次數(shù)明顯降低，因為勞動強度過大而請假的次數(shù)也明顯降低，連續(xù)跟蹤一周某卷制工使用改進后電動內(nèi)胚器的卷制產(chǎn)量，與改進前該卷制工卷制同一品規(guī)煙支的卷制產(chǎn)量進行對比，結(jié)果見表2。

表2 電動內(nèi)胚器改進前后產(chǎn)量對比表

由表2可知，改進前該卷制工日均產(chǎn)量118.67支，改進為電動內(nèi)胚器后日均產(chǎn)量為142.17支，單人平均增產(chǎn)23.5支，達到超過20%的增長率，說明電動內(nèi)胚器的改進可以增加卷制工的卷制效率。

隨機抽取改進前后各30支內(nèi)胚樣品進行檢測，每支樣品重復檢測3次，從吸阻穩(wěn)定性、圓周穩(wěn)定性兩個方面驗證質(zhì)量一致性，如表3所示。

表3 電動內(nèi)胚器卷制質(zhì)量對比表

由表3可知，改進后吸阻標準差由109.816 kPa降至73.542 kPa，圓周標準差由0.613 mm降至0.370 mm，說明為內(nèi)胚器增加機械動力，對煙支質(zhì)量無不良影響，而且還可以使煙支質(zhì)量更加穩(wěn)定，降低次品率。

4 結(jié)論

對傳統(tǒng)手卷雪茄內(nèi)胚器進行電動化改進，增添機械動能，將現(xiàn)代工業(yè)中常用的曲柄搖桿機構(gòu)、光電感應裝置等應用于傳統(tǒng)手卷雪茄的生產(chǎn)中，并證實了其可行性。

電動內(nèi)胚器的應用能夠提升手卷雪茄卷制效率，突破目前中國圓頭平尾手卷雪茄卷制效率瓶頸，但試驗只驗證了單人卷制效率的提升，后期可對電動內(nèi)胚器卷制效率進行長期驗證，開展其他影響因子分析。