龔道平

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一種廢煙條切碎裝置的設(shè)計及應(yīng)用

龔道平*

(常德煙草機械有限責(zé)任公司 研究所, 湖南 常德, 415000)

為解決ZJ17卷接機組采用人工處理啟動和停機階段產(chǎn)生的廢煙條和廢煙紙的問題, 設(shè)計了一種廢煙條切碎裝置, 其能自動對廢煙條和廢煙紙進行在線切碎處理. 通過對裝置的功能和工況進行分析, 采用滾動剪切的方式, 將煙條和煙紙切碎成大致均勻的小段, 以便廢煙輸送帶能自動完成廢煙收集工作. 根據(jù)設(shè)計方案制作了樣機, 并進行了實驗驗證. 用戶試用結(jié)果表明, 該裝置能在線有效地切碎廢煙條和廢煙紙, 有效地提高了卷接機組的自動化水平.

卷接機組;切碎裝置;旋轉(zhuǎn)切刀;固定切刀

目前在煙草行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的主力機型ZJ17卷接機組是上世紀90年代初引進的產(chǎn)品, 其引進型號為PROTOS 70卷接機組. 該機組國產(chǎn)化成功后, 其部分功能已經(jīng)進行了一些改進, 如水松紙的切割采用剪切方式[1], 消除布帶紋以改善煙支外觀[2], 蜘蛛手采用潤滑油潤滑[3], PLC技術(shù)的應(yīng)用推廣[4]等. 但在提高其自動化方面進行的研究較少, 如仍需手動處理啟動和停機階段產(chǎn)生的廢煙條和廢煙紙. 因此, 設(shè)計一種自動處理廢煙條的裝置, 提高ZJ17等國產(chǎn)卷接機組的自動化水平, 是在日益加劇的國內(nèi)外市場競爭中取勝的重要手段之一[5].

1 問題的提出

在研發(fā)8 000支/min卷接機組的過程中, 對ZJ17卷接機組等國產(chǎn)機型存在的問題進行研究表明: 該機型在生產(chǎn)運行過程中, 其啟動和停機階段產(chǎn)生的廢煙條和廢煙紙是采用人工掐斷, 然后將其放入機組前的廢煙桶中, 再安排專人定時對各機組前的廢煙桶進行統(tǒng)一收集的方式處理. 這種原始處理方式不僅費力費時, 效率低下, 而且機組前擺放的廢煙桶也使生產(chǎn)現(xiàn)場顯得比較凌亂.

基于這些問題, 設(shè)計了一種廢煙條切碎裝置, 該裝置可以很好地替代人工自動完成切碎廢煙條和廢煙紙的工作. 由于采用模塊化設(shè)計, 該裝置具有運行穩(wěn)定可靠、安裝調(diào)試方便和維護保養(yǎng)便利等特點. 它采用在線處理的方式, 有效地將卷煙機煙條打條器送來的廢煙條和廢煙紙切碎成大致均勻的小段, 再交給下游的廢煙帶自動將廢煙輸送到接嘴機身后的廢煙箱中, 提高機組的自動化程度, 減輕操作者的勞動強度.

2 設(shè)計方案

2.1 布局及工藝流程

廢煙條切碎裝置的作用是將卷煙機啟動和停機產(chǎn)生的廢煙支與廢煙紙切碎為長度大致相等的小段, 然后將其放在廢煙輸送帶上, 和廢煙絲一起被送至接嘴機背后的廢煙箱中. 廢煙條切碎裝置在卷接機組上的布局位置如圖1所示.

圖1 廢煙條切碎裝置布局示意圖.

1—煙條打條器; 2—卷煙機煙槍; 3—廢煙導(dǎo)向通道; 4—廢煙條切碎裝置; 5—廢煙輸送帶; 6—卷煙機左箱體.

ZJ17卷接機組自動處理廢煙條的工藝流程為: 在啟動或停機時, 煙條打條器(1)自動將來自卷煙機煙槍(2)的廢煙條或廢煙紙導(dǎo)入廢煙導(dǎo)向通道(3), 該通道將廢煙條和廢煙紙導(dǎo)進廢煙條切碎裝置(4), 廢煙條和廢煙紙被切碎裝置剪切成小段, 然后從該裝置的底部落到廢煙輸送帶(5)上.

2.2 工況分析

廢煙條切碎裝置處理的對象為廢煙條和廢煙紙, 而廢煙紙平均厚度僅為0.043 mm, 因此該裝置的剪切副必須進行無間隙剪切, 并將廢煙條及廢煙紙切成長度為60～80 mm的大致均勻的小段, 以利于對它們進行后續(xù)處理. 經(jīng)分析, 廢煙條切碎裝置的工況有以下2種:

啟動階段: 煙條打條器打條之前, 機器點動或自動運行時, 其速度為500～1 000 支/min. 當(dāng)無嘴煙長為60 mm時, 對應(yīng)的煙條速度為30～60 m/min, 切碎裝置的切碎刀輥轉(zhuǎn)速為200～400 min-1.

停機階段:故障停機或人工停機后, 煙條打條器自動將廢煙條導(dǎo)向廢煙通道, 機器從7 000支/min工作速度, 在大約3 s左右減速到停止運行. 煙條速度從420 m/min降到0. 此時切碎裝置的旋轉(zhuǎn)刀輥轉(zhuǎn)速從2 800 min-1大致同步地降到低速運行(需根據(jù)實際情況進行設(shè)定)比較合理.

根據(jù)以上工況可知, 其廢煙條的速度是一個變量, 為達到均勻切碎的目的, 廢煙條切碎裝置的速度需滿足與卷接機組速度同步的要求.

另外, 煙條切碎裝置的啟動應(yīng)及時, 在廢煙條到達切刀時, 既已處于設(shè)計要求的速度運行狀態(tài). 停機時, 應(yīng)避免停在旋轉(zhuǎn)切刀與固定切刀接觸的位置, 以免損壞切刀. 因此旋轉(zhuǎn)切刀的起始(或停機)位置需要約束, 以確保安全.

2.3 組成與工作原理

廢煙條切碎裝置主要由機架、旋轉(zhuǎn)刀輥、伺服電機和電控部分組成(圖2). 廢煙條切碎裝置的工作原理為: 該裝置在機組的啟動或停機階段運行. 安裝在旋轉(zhuǎn)刀輥“3”上的兩把旋轉(zhuǎn)切刀“7”順時針轉(zhuǎn)動, 與安裝在機架“2”上的固定切刀“8”形成剪切副, 旋轉(zhuǎn)切刀以輕微的壓力緊靠在固定切刀上, 以實現(xiàn)無間隙剪切. 煙條打條器將廢煙條或煙紙送進剪切副后, 即被剪切成小段, 落到廢料輸送皮帶上. 旋轉(zhuǎn)刀輥由伺服電機“6”通過帶輪和同步帶“4”驅(qū)動. 可以用手輪“1”順時針方向轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)刀輥, 以檢查其與固定切刀接觸是否良好. 接近式開關(guān)“5”用于監(jiān)測旋轉(zhuǎn)刀輥的停機位置.

圖2 廢煙條切碎裝置組成示意圖.

1—手輪; 2—機架; 3—旋轉(zhuǎn)刀輥; 4—帶輪與同步帶; 5—接近式開關(guān); 6—伺服電機; 7—旋轉(zhuǎn)切刀; 8—固定切刀.

3 關(guān)鍵參數(shù)的確定

3.1 旋轉(zhuǎn)切刀、固定切刀的安裝位置參數(shù)

圖3 旋轉(zhuǎn)切刀刃線位置示意圖

旋轉(zhuǎn)切刀的安裝位置參數(shù)是指其刀刃在刀輥圓周上的位置, 固定切刀的安裝位置參數(shù)是指刀刃與機架水平及垂直方向的相對位置. 在滾動式切碎裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 旋轉(zhuǎn)切刀與固定切刀位置參數(shù)是切碎裝置的關(guān)鍵, 它決定了切碎裝置的性能, 其數(shù)學(xué)模型示意圖如圖3所示. 旋轉(zhuǎn)刀輥工作時, 其旋轉(zhuǎn)切刀的直刃邊可以抽象成一條空間直線, 該直線繞旋轉(zhuǎn)刀輥的軸線旋轉(zhuǎn), 該直線的運動軌跡為旋轉(zhuǎn)單頁雙曲面. 為便于工程上實現(xiàn), 假設(shè)直線位于與平行的平面內(nèi). 令=, 空間直線與平面的夾角為, 該角即刀片刃線相對于回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)角, 稱為傾斜角. 則旋轉(zhuǎn)單頁雙曲面的方程為:

根據(jù)旋轉(zhuǎn)單頁雙曲面的性質(zhì), 過點必存在一對異族的直母線, 此時=, 則單頁雙曲面的方程變?yōu)?

2-2×tan2= 0. (2)

該方程有2個解:+×tan= 0和-×tan= 0. 這樣便得到了旋轉(zhuǎn)單頁雙曲面的一對異族直母線:

旋轉(zhuǎn)刀刃和固定刀刃分別與經(jīng)過點的這一對異族直母線重合, 它們的夾角= 2, 也就是該剪切副在點的剪切角. 根據(jù)方程(3)和(4), 用Pro/Engineer 繪圖軟件中的“from equation”曲線功能, 可以準(zhǔn)確地確定旋轉(zhuǎn)切刀刃和固定切刀刃的位置參數(shù).

由于受直刃切刀旋轉(zhuǎn)刀輥的結(jié)構(gòu)限制, 傾斜角一般取4°～7°, 試驗驗證取值= 5°. 根據(jù)工況分析, 刀輥圓周上設(shè)計安裝2把旋轉(zhuǎn)切刀即可滿足要求.

特殊地, 當(dāng)=0°時,= 0°, 這時旋轉(zhuǎn)單頁雙曲面的方程變?yōu)?

2+2=2. (5)

顯然, 這是一個圓柱面, 表示此時旋轉(zhuǎn)切刀和固定切刀之間的剪切變?yōu)榭城? 即在切割過程中, 旋轉(zhuǎn)刀刃和固定刀刃的刃線不再是點接觸, 而是2條刃線同時進入切割, 變?yōu)榫€接觸. 此時, 切碎裝置的設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試都更加簡單, 當(dāng)被切割材料的切割阻力很小的時候, 也可以考慮這種結(jié)構(gòu).

3.2 切割回轉(zhuǎn)角

圖4 切割回轉(zhuǎn)角示意圖

令∠=, 則根據(jù)余弦定理, 切割回轉(zhuǎn)角為:

式中:為旋轉(zhuǎn)切刀端點繞刀棍回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑;為旋轉(zhuǎn)刀輥的長度.

切割回轉(zhuǎn)角表示剪切副工作角度的大小. 為確保安全, 廢煙條切碎裝置啟動或停機時, 應(yīng)根據(jù)切割回轉(zhuǎn)角確定的范圍, 使旋轉(zhuǎn)切刀和固定切刀脫離接觸, 以免損壞刀刃.

切割回轉(zhuǎn)角的大小還與切割阻力矩的均勻性有密切關(guān)系. 理想工作狀態(tài)是: 廢煙條切碎裝置的旋轉(zhuǎn)刀輥回轉(zhuǎn)一整圈, 都有刀刃進行剪切, 這樣能保證切割阻力矩均勻. 根據(jù)前面的分析, 廢煙條切碎裝置的旋轉(zhuǎn)刀輥由于直刃切刀結(jié)構(gòu)上的限制, 圓周上只設(shè)計安裝2把旋轉(zhuǎn)切刀, 因此, 其切割阻力矩呈周期性變化. 實驗表明, 由于被切割材料——廢煙條和廢煙紙的切割阻力不大, 這種切割阻力矩的周期性變化對廢煙條切碎裝置的正常工作幾乎沒有影響.

3.3 刃面角

刃面角指旋轉(zhuǎn)切刀前面與背面的磨刃面的夾角. 刃面角對旋轉(zhuǎn)刀輥的切割扭矩(切割廢煙條所消耗的功率)有決定性的影響. 研究證明: 隨著刃面角的加大, 其切割扭矩也變大; 而當(dāng)刃面角偏小時, 則其耐磨性變?nèi)? 一般地, 旋轉(zhuǎn)切刀的刃面角都不太大, 常取為[6]23°～25°. 為兼顧旋轉(zhuǎn)刀輥的切割扭矩與刀刃的耐磨性, 經(jīng)過試驗研究, 旋轉(zhuǎn)切刀選用的刃面角修正后取值為30°.

4 電氣設(shè)計

由于廢煙條切碎裝置的速度需滿足與機器速度同步的要求, 故選擇伺服電機進行驅(qū)動. 具體要求: ①伺服電機需有足夠的啟動扭矩, 以滿足卷煙機啟動或停機后, 在盡可能短的時間內(nèi)使旋轉(zhuǎn)刀輥達到設(shè)計要求的工作速度. ②伺服電機接線須留意該切碎裝置只能順時針方向旋轉(zhuǎn). 反向轉(zhuǎn)動會使切刀受損. ③旋轉(zhuǎn)切刀的起始(或停機)位置需要根據(jù)切割回轉(zhuǎn)角的大小進行監(jiān)控和約束, 避免剪切副的刀刃啟動或停機后互相接觸, 造成損壞. 切刀的起始位置可選用接近式開關(guān)進行監(jiān)控.

5 結(jié)論

根據(jù)本文設(shè)計方案制作了廢煙條切碎裝置樣機, 并進行了實驗驗證和用戶試用. 結(jié)果表明, 該裝置能在線有效地切碎廢煙條和廢煙紙, 其切碎長度大約為50～80 mm. 裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、切刀制造方便和安裝維護簡單等特點, 提高了卷接機組的自動化程度, 具有推廣應(yīng)用價值.

[1] 李小平. 剪切式切紙在ZJ17機組上的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 煙草科技, 2003(12): 17—18.

[2] 覃仕輝. 消除ZJ17卷接機組布帶紋的改進設(shè)計[J]. 湖南文理學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2008, 20(4): 63—64.

[3] 段偉. PROTOS蜘蛛手機構(gòu)傳送臂漏油問題的解決[J]. 煙草科技, 2008(3): 25—26.

[4] 李延增. 淺談PROTOS70卷煙機組的PLC控制系統(tǒng)[J]. 裝備制造技術(shù), 2010(12): 149—151.

[5] 周立強. 淺談我國機械自動化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代企業(yè)教育, 2011(11月下期): 147—148.

[6] GB/T 1209.3-2009. 農(nóng)業(yè)機械 切割器 第3部分：動切刀、定切刀和刀桿[S].

The design and application of a chopper for endless cigarette rods

GONG DaoPing

(Changde Tobacco Machinery Co, Ltd., Changde 415000, China)

To avoid the disadvantages that endless cigarette rods produced during the start and stop phases must be broken artificially in ZJ17 cigarette making and filter assembling group, a chopper was designed to shred automatically endless cigarette rods on line. First, according to analyzing the functions and working conditions, by the method of rolling shearing, endless cigarette rods and cigarette paper were coarsely shred in the chopper and collected automatically by a conveyor; Then, a prototype was made and amenable to experimental verification. Practical operation effect showed that device can effectively shred the endless cigarette rods and cigarette paper on line, the automation level of the system was improved.

cigarette making and filter assembling group; chopper; rotary knife; fixed knife

TS 43

1672-6146(2014)01-0082-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.01.020

通訊作者email: danzel_g@163.com.

2013-12-27

(責(zé)任編校: 江 河)