儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李鵬超，吳國(guó)忠，邵文池，沈 科，林俊棟，黃紹先

廈門(mén)煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門(mén)市海滄區(qū)新陽(yáng)路1號(hào) 361022

制絲生產(chǎn)線的儲(chǔ)柜或喂料機(jī)主要起儲(chǔ)存物料以及平衡煙絲含水率和溫度等作用［1-3］。為確保儲(chǔ)柜或喂料機(jī)出料連續(xù)且流量均勻一致，洪凱強(qiáng)等［4］改進(jìn)了喂料機(jī)提升帶的速度控制模式，有效提高了制絲生產(chǎn)線恒流量系統(tǒng)的控制水平；劉賜德等［5］建立了預(yù)混柜出料流量與片煙加料需求流量匹配模型，降低了儲(chǔ)柜啟停次數(shù)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，儲(chǔ)柜料頭和料尾階段的出料流量遠(yuǎn)低于料中階段，尤其是料尾階段撥料輥向外撥料時(shí)物料容易翻滾打滑，造成物料無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致進(jìn)入下游設(shè)備的物料流量偏小且不連續(xù)［6］，容易造成回潮機(jī)片煙出口含水率不合格、切絲機(jī)待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，影響卷煙工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性。針對(duì)此，巫海鷹［7］利用分段控制方法優(yōu)化了料頭和料尾控制方式；彭敏［8］從片煙來(lái)料、撥料輥、底帶輸送裝置3個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)柜進(jìn)行改造，降低了料尾對(duì)葉片工藝質(zhì)量的影響，但仍未能解決料尾出料時(shí)間長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題。為此，對(duì)儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期減少出料時(shí)間，提高料頭和料尾階段出料流量穩(wěn)定性。

1 問(wèn)題分析

如圖1所示，儲(chǔ)柜出料過(guò)程分為料頭1、料中2、料尾3三個(gè)階段。出料時(shí)物料隨底帶5被輸送至出料口，通過(guò)自上而下排列的撥料輥6撥向下游設(shè)備，采用接近開(kāi)關(guān)4檢測(cè)的底鏈鏈節(jié)累計(jì)量代表出料量。一個(gè)完整批次的出料長(zhǎng)度L包括3部分：從開(kāi)始出料至物料堆積坡度接近0°時(shí)為料頭階段，即長(zhǎng)度x所包括范圍；出料量達(dá)到90%時(shí)，儲(chǔ)柜內(nèi)剩余物料在撥料輥?zhàn)饔孟孪蚝蠓瓭L，容易在底帶上產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致物料無(wú)法及時(shí)排出，此時(shí)至出料結(jié)束為料尾階段，即長(zhǎng)度y所包括范圍；除去料頭和料尾的中間部分即為料中階段。在實(shí)際生產(chǎn)中，料中階段出料流量可以滿足生產(chǎn)需求，但料頭和料尾階段因物料堆積呈斜坡?tīng)?，?dǎo)致出料流量過(guò)低甚至斷斷續(xù)續(xù)，對(duì)下游回潮機(jī)、切絲機(jī)等設(shè)備的正常生產(chǎn)造成了較大的影響。

圖1 儲(chǔ)柜出料過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge process of tobacco silo

2 改進(jìn)方法

通過(guò)設(shè)計(jì)料頭檢測(cè)及控制裝置、撥料輥?zhàn)詣?dòng)平移系統(tǒng)，結(jié)合底帶運(yùn)行速度優(yōu)化出料運(yùn)行模式，以提高料頭和料尾階段出料流量穩(wěn)定性。

2.1 料頭檢測(cè)及控制裝置設(shè)計(jì)

料頭階段底帶承載整個(gè)批次的物料，傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載較大，若通過(guò)增加底帶運(yùn)行速度的方法提高出料流量會(huì)導(dǎo)致能耗升高并加劇傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗。因此，在底帶運(yùn)行速度不變的情況下，在儲(chǔ)柜下游皮帶輸送機(jī)3入口處增加料頭檢測(cè)及控制裝置。該裝置由漫反射式光電管4和PLC組成，見(jiàn)圖2a。根據(jù)光電管4監(jiān)測(cè)到的輸送機(jī)3入口處物料的堆積高度，采用控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)整輸送機(jī)3的運(yùn)行狀態(tài)，控制流程見(jiàn)圖2b?？梢?jiàn)：①當(dāng)輸送機(jī)3入口處物料堆積高度不滿足要求時(shí)，光電管4將料空信號(hào)傳送給PLC，由PLC控制輸送機(jī)3進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，輸送機(jī)2繼續(xù)運(yùn)行并在輸送機(jī)3入口處堆積物料；當(dāng)輸送機(jī)3入口處物料堆積高度滿足要求時(shí)，光電管4將有料信號(hào)傳送給PLC，由PLC控制啟動(dòng)輸送機(jī)3向前送料。②輸送機(jī)3進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)的同時(shí)，PLC啟動(dòng)定時(shí)器T，用于計(jì)算輸送機(jī)3本次待機(jī)時(shí)長(zhǎng)t；當(dāng)輸送機(jī)3再次啟動(dòng)時(shí)，定時(shí)器T停止，將本次待機(jī)時(shí)長(zhǎng)t與預(yù)設(shè)待機(jī)時(shí)長(zhǎng)t0比較；若t＜t0，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)過(guò)短次數(shù)k增加1，重復(fù)步驟①和②，直至k達(dá)到預(yù)設(shè)值n時(shí)，認(rèn)為后續(xù)來(lái)料充足，退出料頭控制模式，轉(zhuǎn)入料中生產(chǎn)模式，輸送機(jī)3恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)送料。

圖2 料頭檢測(cè)及控制裝置結(jié)構(gòu)與控制流程圖Fig.2 Structure and control flow of head tobacco monitoring and control device

2.2 撥料輥?zhàn)詣?dòng)平移系統(tǒng)設(shè)計(jì)

料尾階段物料在撥料輥?zhàn)饔孟码y以快速出料，為此設(shè)計(jì)了撥料輥?zhàn)詣?dòng)平移系統(tǒng)，通過(guò)將撥料輥外移，增大撥料輥與底帶之間的間隙，減小撥料輥對(duì)物料的作用力，進(jìn)而使物料快速下落和排出。該系統(tǒng)包括撥料輥轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)兩大部分，見(jiàn)圖3。其中，撥料輥轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由撥料輥1、可滑動(dòng)軸承座2、減速機(jī)3等組成；平移機(jī)構(gòu)由滑槽4、絲桿5、牽引鉸支座6、電機(jī)7、蝸輪蝸桿組件8、聯(lián)軸器9、連桿10等組成。平移機(jī)構(gòu)通過(guò)牽引軸承座2使轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在滑槽4上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)7、組件8、支座6、絲桿5、軸承座2依次連接，且兩個(gè)蝸輪蝸桿組件通過(guò)聯(lián)軸器9和連桿10實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，保證撥料輥1始終與其他兩個(gè)撥料輥平行運(yùn)行。為使3個(gè)撥料輥具有相同撥料狀態(tài)，撥料輥1的轉(zhuǎn)速與其他兩個(gè)撥料輥的轉(zhuǎn)速保持一致。蝸輪蝸桿組件具有自鎖性，且能夠承載撥料輥撥散物料時(shí)所產(chǎn)生的作用力，以保證轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在平移機(jī)構(gòu)的作用下運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。

圖3 撥料輥?zhàn)詣?dòng)平移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of automatic translation system for picker roller

2.2.1 蝸桿平移速度計(jì)算

SWL系列蝸輪絲桿升降機(jī)符合JB/T 8809—1998行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工等領(lǐng)域［9］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了型號(hào)SWL2.5T蝸輪蝸桿，則絲桿輸出線速度為［10］：

式中：v輸出為絲桿輸出線速度，mm/s；n輸入為蝸桿輸入轉(zhuǎn)速（即電機(jī)轉(zhuǎn)速），取1 400 r/min；p為絲桿螺距，取6 mm；i為傳動(dòng)比。

SWL2.5T蝸輪蝸桿有6∶1、12∶1和24∶1共3種傳動(dòng)比，根據(jù)公式（1）計(jì)算出的相應(yīng)絲桿輸出線速度分別為23.3、11.7和5.8 mm/s。

2.2.2 底帶運(yùn)行速度計(jì)算

底帶傳動(dòng)系統(tǒng)由底帶減速機(jī)1、主動(dòng)鏈輪2、被動(dòng)鏈輪3、底帶大鏈輪4組成，見(jiàn)圖4。底帶減速機(jī)1與主動(dòng)鏈輪2共軸，被動(dòng)鏈輪3與底帶大鏈輪4共軸。根據(jù)文獻(xiàn)［11］和底帶傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行原理可得到底帶運(yùn)行速度：式中：v為底帶運(yùn)行速度，m/s；n為底帶減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，r/min；z1、z2、z3分別為主動(dòng)鏈輪、被動(dòng)鏈輪和底帶大鏈輪的齒數(shù)；p為底鏈節(jié)距，mm。

圖4 底帶傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of transmission system of bottom belt

以GPT15D儲(chǔ)葉柜（秦皇島煙機(jī)設(shè)備集團(tuán)有限公司）為例，底帶傳動(dòng)系統(tǒng)中主動(dòng)鏈輪、被動(dòng)鏈輪、底鏈大鏈輪的齒數(shù)分別為z1=19、z2=26、z3=6，底帶減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n1=0.45 r/min，底鏈節(jié)距p=200 mm。底帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)由變頻器控制，在最高頻率50 Hz下根據(jù)公式（2）計(jì)算可得底帶運(yùn)行速度v=0.006 6 m/s（6.6 mm/s）。料尾階段撥料輥向外平移速度（即絲桿平移速度）應(yīng)大于物料隨底帶運(yùn)行速度，否則物料會(huì)受到較大作用力向后翻滾。因此，選用傳動(dòng)比為12∶1的蝸輪蝸桿，可滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2.3 撥料輥平移距離的確定

通過(guò)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近端檢測(cè)開(kāi)關(guān)的位置，檢測(cè)不同平移距離下料尾階段的出料情況，見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，平移距離為4 cm時(shí)，撥料輥明顯阻礙物料，瞬時(shí)出料量偏小；平移距離為7 cm時(shí)，物料向后翻滾量較少，瞬時(shí)出料量基本保持恒定；平移距離為10 cm時(shí)，撥料輥不接觸物料，物料未受到撥料輥?zhàn)饔枚鴮?dǎo)致瞬時(shí)出料量偏多。因此，撥料輥平移距離（即遠(yuǎn)近端檢測(cè)開(kāi)關(guān)的距離）選用7 cm。

表1 不同撥料輥平移距離下物料狀態(tài)Tab.1 Material states at different translation distances of picker roller

2.3 儲(chǔ)柜出料運(yùn)行模式改進(jìn)

儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)改進(jìn)前，出料過(guò)程中底帶電機(jī)頻率恒定為27 Hz，改進(jìn)后底帶電機(jī)頻率及出料運(yùn)行模式見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)：①在料頭階段，3個(gè)撥料輥同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)向下?lián)芩臀锪希隽狭恐鸩皆龆?。?dāng)料頭檢測(cè)及控制裝置開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，PLC控制輸送機(jī)以步進(jìn)的形式堆積暫存物料；當(dāng)算法判斷后續(xù)來(lái)料充足時(shí)，系統(tǒng)退出料頭控制模式，由輸送機(jī)將暫存物料與后續(xù)來(lái)料合并送入下游設(shè)備。②在料中階段，保持3個(gè)撥料輥同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，將物料松散并均勻撥下，出料量基本恒定。③在料尾階段，保持3個(gè)撥料輥同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平移機(jī)構(gòu)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將撥料輥向外平移7 cm后靜止，撥料輥與底帶之間保留適當(dāng)空隙，此時(shí)底帶傳動(dòng)系統(tǒng)因物料較少而負(fù)載相對(duì)較低。按預(yù)設(shè)程序提高電機(jī)頻率至50 Hz，底帶加速運(yùn)行，料尾順暢下落直至出料結(jié)束。撥料輥?zhàn)詣?dòng)平移系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在出料過(guò)程中保持轉(zhuǎn)速恒定。

圖5 改進(jìn)前后儲(chǔ)柜運(yùn)行模式Fig.5 Running modes of tobacco silo before and after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（金砂）”“七匹狼（豪情）”“七匹狼（豪邁）”“七匹狼（豪運(yùn)）”“七匹狼（平安）”“七匹狼（藍(lán)）”牌卷煙（廈門(mén)煙草工業(yè)有限責(zé)任公司）。

設(shè)備：廈門(mén)煙草工業(yè)有限責(zé)任公司3 000 kg/h制絲生產(chǎn)線，包含GPT15D儲(chǔ)柜（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）、WQ311型滾筒式片煙回潮機(jī)（云南昆船第二機(jī)械有限公司）和A1切絲機(jī)（意大利COMAS公司）。

方法：儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)改進(jìn)前后，統(tǒng)計(jì)料尾排出時(shí)間、回潮機(jī)片煙出口含水率不合格時(shí)間以及切絲機(jī)運(yùn)行時(shí)間。測(cè)試時(shí)間為3個(gè)月，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見(jiàn)，改進(jìn)后儲(chǔ)柜料尾排出時(shí)間平均減少178 s/批次，降幅為38.1%；料頭和料尾階段回潮機(jī)片煙出口含水率不合格時(shí)間分別減少118和241 s/批次，降幅分別為45.7%和59.2%；切絲機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少422 s/批次，降幅為12.0%。出口含水率不合格片煙數(shù)量大幅降低，生產(chǎn)耗時(shí)顯著減少。

表2 儲(chǔ)柜出料系統(tǒng)改進(jìn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)①Tab.2 Test data of discharge system of tobacco silo before and after modification （s·批次-1）

4 結(jié)論

通過(guò)增設(shè)料頭檢測(cè)及控制裝置、設(shè)計(jì)撥料輥?zhàn)詣?dòng)平移系統(tǒng)、優(yōu)化出料運(yùn)行模式等方式，提高了儲(chǔ)柜料頭和料尾階段的出料效率，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，減少了對(duì)下游設(shè)備工藝參數(shù)的影響。以秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的GPT15D儲(chǔ)柜為對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)和測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后儲(chǔ)柜料尾時(shí)間縮短178 s/批次，料頭和料尾階段回潮機(jī)片煙出口含水率不合格時(shí)間分別降低45.7%和59.2%，切絲機(jī)運(yùn)行時(shí)間縮短422 s/批次，減少了出口含水率不合格片煙數(shù)量，提升了儲(chǔ)柜出料流量穩(wěn)定性。