YP11A型裝封箱機(jī)入箱推進(jìn)變頻調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)

陳榮林，陳 杰

（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 徐州卷煙廠，江蘇徐州 221000）

0 引言

YP11A型裝封箱機(jī)是國內(nèi)煙草行業(yè)的主流機(jī)型，主要完成卷煙包裝生產(chǎn)的最后一道工序，即條煙裝箱工作，該機(jī)型是在YP11型裝封箱機(jī)基礎(chǔ)上廣泛吸收國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)而研發(fā)的，額定生產(chǎn)能力由4箱/min提升到5.6箱/min[1]。在煙垛入箱推進(jìn)過程中，由于回用紙箱形變[2]、推煙板速度提升等原因，易造成條煙錯(cuò)位、擠壓變形等引起的停機(jī)，嚴(yán)重影響裝箱效率及質(zhì)量[3-4]。目前對(duì)于改善YP11型、YP11A型裝封箱機(jī)裝箱質(zhì)量問題已有較多研究。孫濤等[5]通過設(shè)計(jì)一種壓縮裝置，將箱皮壓到理想尺寸，并與整垛推送同時(shí)進(jìn)行，防止第一次推送的煙垛上層煙倒垛現(xiàn)象。蔣輝等[6]設(shè)計(jì)一種條煙裝箱壓緊防倒垛裝置，提高煙垛中的條煙與煙箱、條煙之間的摩擦力。劉江等[7]設(shè)計(jì)一種柔性壓縮箱體輔助裝置，通過壓縮煙箱上壁內(nèi)部空間減小條煙慣性滑動(dòng)量。現(xiàn)有技術(shù)大多采用在煙箱外加裝壓緊裝置，或減小煙箱尺寸以增大煙箱與條煙的摩擦力，這種方式雖然能防止煙垛倒塌，但是實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生壓壞煙箱和條煙的情況，導(dǎo)致內(nèi)部的香煙受損[8]。因此基于變頻控制技術(shù)，設(shè)計(jì)入箱推進(jìn)變頻調(diào)速裝置，以期提高YP11A型裝封箱機(jī)入箱推進(jìn)工藝的質(zhì)量水平[9]。

1 問題分析

1.1 新煙箱與回用煙箱的差異性分析

在生產(chǎn)過程中條煙通過輸送皮帶進(jìn)入裝封箱機(jī)，每次輸送5條煙，由提升器將5條煙提升至堆垛位置，后續(xù)條煙繼續(xù)輸入直至形成5×5的條煙堆垛，再由推板將堆垛推入煙箱，裝封箱機(jī)重復(fù)上述操作，經(jīng)過2次推垛后完成一件煙的裝箱工序。推煙電機(jī)的輸出鏈輪通過鏈條與推煙機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈輪連接，推煙電機(jī)通過接觸器直接與三相工頻電源連接。在裝箱過程中，煙箱上壁與最上層條煙不接觸，每層條煙受到的作用力和摩擦力均不相同，條煙到達(dá)煙箱預(yù)定位置的滑動(dòng)距離也不相同。設(shè)定5×5條煙堆垛由上至下分別為第1層至第5層，每條煙的質(zhì)量為m，條煙間摩擦系數(shù)為μ[10]，每層條煙視為一個(gè)整體，則第1層至第5層條煙下表面受到的摩擦力分別為 5，10，15，20，25 μ mg（g為重力加速度）。第1層條煙受到的摩擦力最小，所以容易產(chǎn)生滑動(dòng)。

在第一煙垛推入后，通過直尺測(cè)量條煙的推進(jìn)位置，新煙箱和回用煙箱分別取10組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)第一層條煙的滑動(dòng)量，結(jié)果見表1。由于回用煙箱物理性能不如新煙箱好且穩(wěn)定，回用煙箱普遍存在變形、折疊蓋變軟等現(xiàn)象，導(dǎo)致在YP11A型裝封箱機(jī)中，使用回用煙箱時(shí)條煙第1層因慣性產(chǎn)生的滑動(dòng)量，均大于使用新煙箱時(shí)產(chǎn)生的平均滑動(dòng)量（41.9 mm）。

表1 新煙箱與回用煙箱的滑動(dòng)量對(duì)比Tab.1 Comparison of sliding amount between new and recycled cigarette case 單位：mm

1.2 推煙頻率與條煙滑動(dòng)量的相關(guān)性分析

推垛裝置將條煙推入紙箱時(shí)，將第一層5條煙視為整體，其動(dòng)能為E動(dòng)，條煙的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為條煙滑動(dòng)摩擦力做功E摩。在使用回用煙箱時(shí)，由于煙箱內(nèi)壁間隙較大，因此暫認(rèn)為，第一層條煙與煙箱內(nèi)上壁及側(cè)壁不接觸。

根據(jù)能量守恒定律：

由動(dòng)力學(xué)公式代入：

由公式：

將式（3）代入式（2），可得條煙滑動(dòng)量的計(jì)算公式：

式中 s ——條煙理論滑動(dòng)量，mm；

π ——圓周率；

f ——推煙電機(jī)頻率，Hz；

d ——齒輪外徑，mm；

μ ——條煙透明紙之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)[11]；

g ——重力加速度，103mm/s2；

i ——齒輪箱減速比；

p ——電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

由式（4）可知，在不考慮其他因素影響的情況下，條煙滑動(dòng)量與電機(jī)運(yùn)行頻率的二次方成正比。將裝封箱機(jī)參數(shù)：推煙電機(jī)頻率f=50 Hz，齒輪外徑d=150 mm，透明紙滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.25，齒輪箱減速比i=16.2，電機(jī)磁極對(duì)數(shù)p=2，代入公式（4），得第一層條煙理論滑動(dòng)量s=107.9 mm。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

入箱推進(jìn)變頻調(diào)速裝置主要由推煙電機(jī)、變頻器、使能繼電器、頻率選擇繼電器和脈沖計(jì)數(shù)盤等部件組成，見圖1。推煙電機(jī)通過變頻器及總開關(guān)Q1與工頻電源連接，變頻器對(duì)推煙電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，繼電器KA1、KA2、KA3的電磁線圈分別與數(shù)據(jù)處理裝置（PLC）的3個(gè)電平輸出端連接；繼電器 KA1、KA2、KA3的常開觸點(diǎn)一端與 24 V直流電源連接；繼電器KA1的常開觸點(diǎn)另一端與變頻器的使能端口連接，繼電器KA2的常開觸點(diǎn)另一端與變頻器的第一頻率選擇端口連接，繼電器KA3的常開觸點(diǎn)另一端與變頻器的第二頻率選擇端口連接。

圖1 多工位變頻推煙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of multi-station variable frequency cigarette case pushing system

PLC根據(jù)脈沖檢測(cè)器反饋的高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)，在達(dá)到各個(gè)設(shè)定的計(jì)數(shù)值后[12]，通過3個(gè)電平輸出端分別對(duì)繼電器KA1、KA2、KA3的電磁線圈進(jìn)行通電，控制繼電器 KA1、KA2、KA3的常開觸點(diǎn)開閉，進(jìn)而對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行多段控制。推煙電機(jī)在推垛時(shí)首先以中速運(yùn)行，在煙垛即將推入煙箱時(shí)降低推煙速度，以減少條煙滑動(dòng)量，在返回階段以高速運(yùn)行，保證裝箱推煙的整體效率，推板到達(dá)原點(diǎn)時(shí)由外部抱閘制動(dòng)。

2.2 變頻器選型

YP11A型裝封箱機(jī)的推煙電機(jī)三相繞組采用星型連接，其主要銘牌參數(shù)：額定頻率f=50 Hz，額定功率 P=0.37 kW，額定電壓 U=380 V，額定電流 I=0.95 A，齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩 M2=39 Nm，減速比i=16.2，功率因素cosφ=0.77。

由銘牌參數(shù)可知，推煙電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，應(yīng)選用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型通用變頻器[13-14]，采用加大通用變頻器容量的方法能實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。為保證裝箱效率，推煙電機(jī)需頻繁啟停工作，大電流反復(fù)流過變頻器的晶體管元件將導(dǎo)致壽命縮短，減小啟動(dòng)電流可以延長(zhǎng)壽命，但由于電流不足可能引起轉(zhuǎn)矩不足，從而導(dǎo)致無法啟動(dòng)的情況發(fā)生，應(yīng)放大2檔左右選擇變頻器的功率，因此選擇0.75 kW。額定電流是反映變頻器負(fù)載能力的關(guān)鍵參數(shù)，變頻器額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)額定電流0.95 A。綜合以上因素，選擇EMERSON三相380 V恒轉(zhuǎn)矩變頻器，具體型號(hào)為SK-4T0007G，額定功率0.75 kW，額定電流 2.1 A。

2.3 電機(jī)低速段頻率

由于第一層5條煙之間存在間隙，受煙箱尺寸及摩擦系數(shù)等因素影響，條煙實(shí)際滑動(dòng)量無法精確計(jì)算，因此通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)不同頻率下第一層條煙的實(shí)際滑動(dòng)量。圖2為推煙頻率與第一層條煙實(shí)際滑動(dòng)量的擬合曲線。圖中可見，條煙滑動(dòng)量（y）隨推煙頻率（x）的提升逐漸增大，回歸方程：y=-2.939+1.015x-0.053 42x2+0.000 994x3，為兼顧裝箱效率，選定低速段電機(jī)頻率為25 Hz，此時(shí)第一層條煙滑動(dòng)量為6.7 mm，能夠完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 推煙頻率與第一層條煙滑動(dòng)量擬合曲線Fig.2 Fitting curve of pushing frequency and sliding amount of first layer of cigarette cartons

2.4 工作原理

推煙周期內(nèi)脈沖檢測(cè)器發(fā)出的高電平總數(shù)為20，設(shè)定推煙電機(jī)降速值為7，加速值為11。為實(shí)現(xiàn)精確控制，應(yīng)盡可能減小變頻器加/減速率，根據(jù)電機(jī)實(shí)際負(fù)載特性，設(shè)定變頻器的加速率為0.3 S/100Hz，減速率為 0.5 S/100Hz。為滿足裝箱效率，變頻器的使能端口接通時(shí)，變頻器的輸出頻率為25 Hz；變頻器的使能端口和第一頻率選擇端口均接通時(shí)，變頻器的輸出頻率為45 Hz；變頻器的使能端口、第一頻率選擇端口和第二頻率選擇端口均接通時(shí)，變頻器的輸出頻率為65 Hz。

圖3為YP11A型裝封箱機(jī)推煙裝置示意，多工位變頻推煙的具體工作步驟：

圖3 YP11A型裝封箱機(jī)推煙裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of carton pushing device of YP11A case filling and sealing machine

（1）開始進(jìn)行推煙工作時(shí)，變頻器的使能端口和第一頻率選擇端口均接通，變頻器的輸出頻率為45 Hz，控制推煙機(jī)構(gòu)上的推煙板推動(dòng)煙垛向煙箱移動(dòng)，同時(shí)脈沖檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)脈沖計(jì)數(shù)盤并計(jì)數(shù)。

（2）當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到，推煙電機(jī)降速值7，僅繼電器KA1的常開觸點(diǎn)一端閉合，變頻器的輸出頻率變?yōu)?5 Hz，控制推煙電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，降低推煙板推動(dòng)煙垛向煙箱移動(dòng)的速度，數(shù)據(jù)處理裝置繼續(xù)對(duì)反饋的高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（3）當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到，推煙電機(jī)加速值11，繼電器 KA1、KA2、KA3的常開觸點(diǎn)一端均閉合，變頻器的輸出頻率為65 Hz，控制推煙電機(jī)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，使推煙板隨循環(huán)驅(qū)動(dòng)帶快速返回初始位置，數(shù)據(jù)處理裝置繼續(xù)對(duì)反饋的高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（4）當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到高電平總數(shù)20，繼電器KA1、KA2、KA3的常開觸點(diǎn)一端均斷開。此時(shí)變頻器停止輸出頻率，外部抱閘啟動(dòng)，推煙電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，推煙板回到初始位置，完成一個(gè)煙垛的推煙周期，同時(shí)數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)當(dāng)前計(jì)數(shù)清零。

（5）重復(fù)步驟（1）-（4），進(jìn)行下一個(gè)煙垛的推煙周期，直至完成所有煙垛的裝箱過程。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“蘇煙五星紅杉樹”牌卷煙；回用煙箱，長(zhǎng) 555 mm，寬 452 mm，高 240 mm。

設(shè)備：YP11A型裝封箱機(jī)5臺(tái)，分別編號(hào)3#～7#（頤中煙草（青島）實(shí)業(yè)有限公司機(jī)械廠）。

方法：將入箱推進(jìn)變頻調(diào)速裝置應(yīng)用在YP11A型裝封箱機(jī)上，記錄改進(jìn)前后在條煙推送過程中因條煙錯(cuò)位、擠壓變形引起的停機(jī)次數(shù)，測(cè)試周期5個(gè)月。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見，改進(jìn)后單臺(tái)裝封箱機(jī)停機(jī)次數(shù)由改進(jìn)前的約31次/月減少為0，有效提高卷煙產(chǎn)品外觀質(zhì)量和設(shè)備生產(chǎn)效率。

表2 改進(jìn)前后裝封箱機(jī)停機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of shutdown data of case filling and sealing machine before and after improvement 單位：次

4 結(jié)語

（1）基于YP11A型裝封箱機(jī)，試驗(yàn)得出新煙箱與回用煙箱對(duì)條煙入箱推進(jìn)工藝的影響差異顯著，理論分析推煙頻率與條煙滑動(dòng)量的相關(guān)性，結(jié)合擬合曲線，確定低速段電機(jī)頻率為25 Hz。通過變頻器選型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)一種入箱推進(jìn)變頻調(diào)速裝置，在保證現(xiàn)有裝煙效率的前提下，煙垛裝箱時(shí)的慣性滑動(dòng)量降低至6.7 mm。

（2）與現(xiàn)有技術(shù)相比，無需設(shè)置額外的壓緊機(jī)構(gòu)，防止裝煙過程中發(fā)生壓壞煙箱和條煙的情況。應(yīng)用結(jié)果表明：?jiǎn)闻_(tái)裝封箱機(jī)因條煙錯(cuò)位、擠壓變形引起的停機(jī)次數(shù)由改進(jìn)前的約31次/月減少為0，有效提高回用煙箱在YP11A型裝封箱機(jī)的可適用性，提高設(shè)備運(yùn)行效率，可在YP11A型裝封箱機(jī)上推廣應(yīng)用。