ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)水平輸送裝置的設(shè)計

陳 超，吳小超，鄢紅章，蘭志超，孫昊寧

1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽卷煙廠，湖北省襄陽市樊城區(qū)大慶西路55 號 441000

2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造中心，武漢市東西湖區(qū)?？诙? 號 430040

3.武漢納莫電子控制技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢市東湖高新區(qū)光谷大道62 號 430074

ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)是位于卷接機組與包裝機組之間的連接輸送設(shè)備，主要完成煙支自動輸送、存儲和緩沖調(diào)節(jié)等任務(wù)，實現(xiàn)卷接包生產(chǎn)線的高速自動化［1］。ZF12B 一般先將煙支提升到一定高度，再將煙支輸送到位于包裝機組煙庫上方的落料頭內(nèi)，然后煙支垂直下落到包裝機組煙庫中用于包裝生產(chǎn)。由于ZF12B 的轉(zhuǎn)角提升和落料頭結(jié)構(gòu)對煙支流產(chǎn)生較大擠壓力，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中存在煙支下墜、煙支歪斜、皺紋煙支等問題，增加了煙支空頭率和不合格品剔除率。針對此，盧新潤［2］設(shè)計了一種煙支輸送通道中煙支歪斜檢測裝置，減少了因煙支歪斜導(dǎo)致的包裝機組故障停機次數(shù)。此外，針對大流量輸送裝置近年來也有較多研究和改進(jìn)，主要包括在轉(zhuǎn)角提升處采用擺臂式柔性輸送裝置［3］、減小導(dǎo)向座摩擦力［4］、采用半月牙形輸送鏈板［5］等方法改進(jìn)垂直提升結(jié)構(gòu)；采用斜提升代替垂直提升［6］；在包裝機組煙庫中對分離器［7］、下煙通道［8-9］、攪動塊［10］等裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。湯達(dá)偉等［11］采用離散元仿真軟件EDEM 對包裝機組煙庫中煙支流動規(guī)律進(jìn)行仿真分析，為優(yōu)化設(shè)計煙庫提供了參考。因煙支提升結(jié)構(gòu)存在自身局限性，上述改進(jìn)或設(shè)計未能從根本上解決大流量輸送裝置生產(chǎn)效率低和材料損耗大等問題。為此，設(shè)計了一種新型煙支水平輸送裝置，采用水平輸送方式取代ZF12B 的轉(zhuǎn)角提升方式，以期提高卷煙包裝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 問題分析

在原ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)中，煙支堆疊后進(jìn)入裝盤及輸送通道。標(biāo)準(zhǔn)卷煙的堆疊層數(shù)為7～8 層，堆疊厚度約為60 mm；中細(xì)支卷煙的堆疊層數(shù)為8～9 層，堆疊厚度約為50 mm。而在轉(zhuǎn)角提升和包裝機組煙庫上方落料頭處，通道內(nèi)煙支堆疊厚度通常大于500 mm，此時通道及落料頭中的下層單支卷煙會受到自身重力、相鄰煙支的法向壓力和切向摩擦力的共同作用，其中法向壓力為所有煙支重力分量的疊加，見圖1。因此，煙支堆疊厚度越厚，下層單支煙支所受壓力越大，煙支越容易產(chǎn)生皺紋和傾斜等現(xiàn)象。

圖1 煙支受力示意圖Fig.1 Stress analysis of cigarette

由圖2 可見，轉(zhuǎn)角提升和落料頭結(jié)構(gòu)不合理也會對煙支輸送質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。主要原因在于：①煙支在轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)角半徑不同，使得煙支間存在相互搓動和擠壓，同時因轉(zhuǎn)角處輸入流量存在波動，煙支在提升過程中會下墜以彌補輸入流量不足，由此煙支在輸送鏈板或輸送帶上產(chǎn)生搓動，進(jìn)而產(chǎn)生皺紋煙支甚至煙支歪斜；②在落料頭處設(shè)有一個弧形壓板，通過弧形壓板對落料頭中煙支施加了較大壓力，用于壓緊煙支避免煙支散亂，但該壓力也容易使煙支產(chǎn)生擠壓變形。

圖2 改進(jìn)前ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of ZF12B cigarette reservoir and transfer system before modification

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)和包裝機組的結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計了一種新型煙支水平輸送裝置，以替代ZF12B 從匯流口到包裝機組的連接部分。該裝置主要由水平輸送帶、中間皮帶、煙庫、導(dǎo)流塊、左右導(dǎo)流板、料位傳感器等部分組成，見圖3。在生產(chǎn)中，采用水平輸送帶1 將煙支從匯流口水平輸送到包裝機組下煙通道上方，水平輸送帶由電機2 驅(qū)動。在包裝機組下煙通道上方設(shè)置了煙庫3 用于接收儲存煙支，并向下輸送煙支到包裝機組。煙庫中部有一條中間皮帶4 輔助將煙支從煙庫右邊輸送到左邊，中間皮帶由電機5 驅(qū)動。煙庫中部設(shè)有導(dǎo)流塊6，兩邊設(shè)有左導(dǎo)流板7 和右導(dǎo)流板8，用于將煙支順利導(dǎo)入包裝機組下煙通道；左邊導(dǎo)流板上設(shè)有3 個料位傳感器9、10、11 用于檢測煙庫料位，分別對應(yīng)低位、正常、高位3 個料位高度。

圖3 煙支水平輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of horizontal conveying device of cigarettes

如圖4 所示，采用新型煙支水平輸送裝置后，取消了煙支提升過程，避免了煙支在此過程中產(chǎn)出下墜、搓動和擠壓現(xiàn)象。此外，改進(jìn)后在包裝機組上方增設(shè)了一個開放式煙庫，用于消除落料頭中弧形壓板對煙支產(chǎn)生的壓力。當(dāng)煙庫料位為空時，包裝機組不允許啟動，水平輸送帶以設(shè)定速度向煙庫中填充煙支，直至煙庫達(dá)到正常料位。此時包裝機組啟動，水平輸送帶的輸入流量與包裝機組實際生產(chǎn)速度相匹配，并可根據(jù)煙庫料位對輸入流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸入煙庫中的煙支一部分下落到煙庫右邊，另一部分通過中間皮帶輸送至煙庫左邊，通過中間皮帶控制流量分配，使煙庫中煙支流的上平面保持平整。

圖4 改進(jìn)后ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of ZF12B cigarette reservoir and transfer system after modification

2.2 料位監(jiān)測

通過設(shè)置在左導(dǎo)流板上的3 個料位傳感器來監(jiān)測煙庫料位。由圖3 可見，低位傳感器露出時表示煙庫空閑，此時包裝機組不允許啟動；高位傳感器被遮擋時表示煙庫充滿，此時輸送帶停止輸送；中間傳感器作為煙庫理想料位用于控制煙支輸入流量，被遮擋時減少輸入量，露出時增加輸入量。圖5 中，料位高度H 表示中間皮帶上煙支流的厚度，3 個料位傳感器的安裝位置分別對應(yīng)的料位高度H 為25、85 和110 mm。生產(chǎn)中通過分析3 個料位傳感器狀態(tài)以及計算流量速度積分，可以確定實際料位高度。

圖5 煙庫料位示意圖Fig.5 Schematic diagram of cigarette flow level in cigarette hopper

2.3 流量分配

如圖6 所示，輸入煙庫中的煙支流量分為兩部分，一部分用于包裝機組生產(chǎn)消耗，從煙庫兩邊直接導(dǎo)入包裝機組，消耗流量由包裝機組生產(chǎn)速度確定，左右兩邊按比例1∶1 分配；另一部分用于煙庫存儲，由水平輸送帶輸入流量與包裝機組消耗流量的差值確定，這部分流量以中間皮帶最右端為分界線進(jìn)行劃分，左右兩邊寬度比例約為7∶3，即流量分配比例為7∶3。因此，中間皮帶輸送流量L 與水平輸送帶輸入流量Lin滿足以下關(guān)系：

圖6 煙支流量分配示意圖Fig.6 Schematic diagram of distribution of cigarette flow

式中：Lp為包裝機組生產(chǎn)速度，支/min；L 為中間皮帶輸送流量，支/min；Lin為水平輸送帶輸入流量，支/min。

生產(chǎn)中通常會根據(jù)煙庫料位和包裝機組生產(chǎn)速度設(shè)置輸入流量基本值′，即輸入流量的最小需求量。包裝機組停止運行時若煙庫未達(dá)到中間傳感器對應(yīng)的正常料位，則設(shè)定為3 000支/min。取料位調(diào)節(jié)系數(shù)為1.85，在不同煙庫料位和包裝機組生產(chǎn)速度下設(shè)定：

式中：H 為煙庫料位高度，mm；Lp為包裝機組生產(chǎn)速度，支/min。

2.4 運動分析

由于煙支流由獨立的煙支組成，其物理性質(zhì)介于固體與液體之間，具有流動性，且能承受較大的壓力和剪力，因此可以通過定性分析列出其運動計算公式，再采用實驗方法確定參數(shù)。通常情況下，煙庫中煙支越多煙支承受的壓力越大，而包裝機組生產(chǎn)時煙支向下流動，流動速度越快煙支壓力越小。通過實驗可知，相同受力條件下，中間皮帶速度越快，煙支水平位移越大；在相同中間皮帶速度下，煙支壓力越大，水平位移越小。設(shè)置不同的中間皮帶速度V01、V02、V03，使其滿足V01＞V02＞V03，觀察煙庫中煙支流形態(tài)，見圖7。根據(jù)圖7，可以認(rèn)為中間皮帶存在最小初速度V0min，當(dāng)中間皮帶速度接近最小初速度V0min時煙支流上平面基本平整；隨著中間皮帶速度增大，超過最小初速度V0min時，煙支流上平面的平整度變化較??；隨著中間皮帶速度減小，小于最小初速度V0min時，煙支流上平面的平整度變化較大?？梢姡钚〕跛俣萔0min主要取決于煙支流內(nèi)部壓力。根據(jù)實驗結(jié)果，取中間皮帶速度為300 mm/min，料位調(diào)節(jié)系數(shù)為0.017，包裝機組速度調(diào)節(jié)系數(shù)為0.012，利用煙庫料位高度H 和包裝機組速度Lp可確定V0min：

圖7 不同中間皮帶速度下煙支流形態(tài)示意圖Fig.7 Schematic diagram of cigarette flow forms at different initial velocities

式中：H 為煙庫料位高度，mm；Lp為包裝機組生產(chǎn)速度，支/min。

2.5 電機控制算法

生產(chǎn)中通常根據(jù)不同的應(yīng)用場景控制水平輸送帶電機轉(zhuǎn)速V1和中間皮帶電機轉(zhuǎn)速V2。在包裝機組停止且煙庫料位高于中間料位傳感器或高料位傳感器時不輸送煙支，此時V1=V2=0。在系統(tǒng)需要輸送煙支時，應(yīng)同時滿足流量最低和速度最低要求。由式（4）可得到中間皮帶最小初速度V0min，故對應(yīng)的中間皮帶輸送流量最小值Lmin為：

根據(jù)式（2）可得到中間皮帶最小初速度V0min對應(yīng)的水平輸送帶輸入流量Lin1：

取Lin1和′兩者中的最大值作為最終輸入流量設(shè)定值L1：

由于水平輸送帶上的煙支厚度固定為80 mm，故控制程序中設(shè)定水平輸送帶電機轉(zhuǎn)速V1：

根據(jù)式（1）可得到最終中間皮帶輸送流量設(shè)定值L2：

故控制程序中設(shè)定中間皮帶電機轉(zhuǎn)速V2：

式中：Lmin為中間皮帶輸送流量最小值，支/min；V0min為中間皮帶最小初速度，mm/min；H 為煙庫料位高度，mm；Lin1為最小初速度下水平輸送帶輸入流量，支/min；Lp為包裝機組生產(chǎn)速度，支/min；Lin′為輸入流量基本值，支/min；L1為最終輸入流量設(shè)定值，支/min；L2為最終中間皮帶輸送流量設(shè)定值，支/min；V1為水平輸送帶電機轉(zhuǎn)速，r/min；V2為中間皮帶電機轉(zhuǎn)速，r/min。

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：“黃鶴樓（硬藍(lán)）”牌中支煙，長度90 mm；“黃鶴樓（天下名樓）”牌細(xì)支煙，長度84 mm（均由湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽卷煙廠生產(chǎn)）。

設(shè)備：ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)2 組（許昌煙草機械設(shè)備有限責(zé)任公司）；ZB45 型包裝機組（上海煙草機械設(shè)備有限責(zé)任公司）。

方法：兩組ZF12B 分別對應(yīng)生產(chǎn)90 mm 長中支煙和84 mm 長細(xì)支煙，對改進(jìn)前后設(shè)備進(jìn)行測試。每天測試1 個班次，連續(xù)測試3 d，記錄煙支歪斜次數(shù)和包裝機組因煙庫故障停機次數(shù)，并每隔1 h 在煙庫中取樣1 000 支煙進(jìn)行抽檢，統(tǒng)計皺紋煙支數(shù)量，測試數(shù)據(jù)取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，ZF12B 改進(jìn)后中支煙機組的煙支歪斜次數(shù)和皺紋煙支數(shù)量每班次分別減少12 次和16 支，降幅分別為86%和84%；包裝機組因煙庫故障停機次數(shù)減少11 次/班次，降幅為58%。細(xì)支煙機組的煙支歪斜次數(shù)和皺紋煙支數(shù)量每班次分別減少14 次和22 支，降幅分別為88%和85%，包裝機組停機次數(shù)減少14 次/班次，降幅為61%?？梢?，ZF12B 改進(jìn)后有效改善了卷煙產(chǎn)品品質(zhì)，提高了設(shè)備運行效率。

表1 ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)改進(jìn)前后測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of ZF12B cigarette reservoir and transfer system before and after modification

4 結(jié)論

設(shè)計了一種新型煙支水平輸送裝置，利用水平輸送方式替換了ZF12B 煙支儲存輸送系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角提升方式，并在包裝機組上方增設(shè)一個開放式煙庫取代原落料頭結(jié)構(gòu)，用于減少煙支流內(nèi)部壓力，進(jìn)而有效解決了生產(chǎn)中產(chǎn)生皺紋煙支、煙支歪斜等問題。以襄陽卷煙廠使用的兩組ZF12B 設(shè)備為對象，對90 mm 長中支煙和84 mm 長細(xì)支煙分別進(jìn)行測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后煙支歪斜次數(shù)和皺紋煙支數(shù)量的平均降幅分別達(dá)到86.7%和84.5%，包裝機組故障停機次數(shù)的平均降幅達(dá)到59.5%，有效提高了ZF12B 設(shè)備的運行效率和生產(chǎn)質(zhì)量。