郭蒙飛 杜江恒

摘 要：【目的】為了解決棒料填裝過(guò)程中填裝裝置適用性差、填裝速度慢、棒料損傷率較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全的棒料填裝裝置。【方法】新型棒料填裝裝置由上推送單元和下推送單元兩部分組成，上推送單元包括上支撐板、上連接推板、上連接板、上推板、上導(dǎo)軌、線性驅(qū)動(dòng)單元一，下推送單元包括下支撐板、線性驅(qū)動(dòng)單元二、下導(dǎo)軌、下連接推板、下連接板、下推板一、下推板二、下推板三。該裝置實(shí)現(xiàn)了將料庫(kù)中存儲(chǔ)的棒料一次性推送填裝至空容器內(nèi)的功能。【結(jié)果】經(jīng)過(guò)濾棒生產(chǎn)線聯(lián)機(jī)調(diào)試，達(dá)到了棒料填裝過(guò)程速度快、填裝速度高和棒料損傷率低等效果?！窘Y(jié)論】試驗(yàn)結(jié)果表明：新型濾棒填裝裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便；填裝速度和精度大幅提高；滿足多種長(zhǎng)度規(guī)格濾棒的填裝需求；填裝后的棒料堆疊規(guī)則、排列整齊，降低了濾棒的損傷率。

關(guān)鍵詞：濾棒填裝裝置；推送單元；濾棒規(guī)格；損傷率

中圖分類(lèi)號(hào)：TS43? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）04-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.010

Design of a New Type of Bar Filling Device

GUO Mengfei? ? DU Jiangheng

（Xuchang Tobacco Mschinery Co.， Ltd.， Xuchang? 461000， China）

Abstract： [Purposes] To solve the problems of poor applicability， slow filling speed and high bar damage rate of the filling device in the production process of filter rods， the filling device with simple structure and complete functions is designed. [Methods] The new filter rod filling device is composed of an upper pushing unit and a lower pushing unit. The upper pushing unit includes an upper support plate， an upper connecting push plate，an upper connecting plate，an upper push plate，an upper guide rail and a linear driving unit1. The lower pushing unit includes a lower support plate，a linear driving unit 2， a lower guide rail，a lower push plate，a lower connecting push plate，a lower push plate 1， a lower push plate 2 and a lower push plate 3. This device realizes the function of pushing and filling the filter rod in the materrial warehouse into the empty container. [Findings] After online debugging of the filter rod production line， the effects of fast rod filling process， high filling speed and low rod damage rate are realized. [Conclusions] The test results show that： the new filter rod filling device has simple structure and convenient operation; filling speed and accuracy are both greatly improved ; the device meets the filling requirements of filter rods of various length specifications ;? the rods filled are stacked regularly and arranged neatly， which reduces the damage rate of the filter rod.

Keywords： filter rod filling device; pushing unit; filter rod specification; damage rate

0 引言

在濾棒生產(chǎn)加工過(guò)程中，為了解決設(shè)備生產(chǎn)線上、下游設(shè)備不配套的問(wèn)題，需要配置用于存儲(chǔ)或接收棒料的設(shè)備或裝置，用于棒料的緩存，收納后的容器可運(yùn)轉(zhuǎn)到下游的存儲(chǔ)庫(kù)或生產(chǎn)線上。由于國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)超高速卷包生產(chǎn)線的推廣應(yīng)用和高速輔聯(lián)類(lèi)設(shè)備的普及，以及市場(chǎng)對(duì)個(gè)性化需求的增加，對(duì)收納類(lèi)容器的數(shù)量和規(guī)格需求日益劇增，對(duì)于棒料的損傷率控制情況也提出了更高要求［1］。但目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)填裝裝置由于設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)限制，不能根據(jù)容器規(guī)格大小進(jìn)行靈活變化，需要一種規(guī)格容器對(duì)應(yīng)一種相應(yīng)設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備種類(lèi)增多，生產(chǎn)、存放、管理成本增加。傳統(tǒng)填裝裝置的填裝速度低、濾棒損傷率高也制約了設(shè)備的繼續(xù)使用［2］。為此，通過(guò)設(shè)計(jì)一種全新結(jié)構(gòu)的濾棒填裝裝置，以期提高濾棒裝填效率，降低濾棒的損傷率以及降低生產(chǎn)線上人工工作強(qiáng)度。

1 問(wèn)題分析

目前，國(guó)內(nèi)濾棒生產(chǎn)企業(yè)使用的棒料裝盤(pán)設(shè)備主要有兩種：日本生產(chǎn)的FF30裝盒機(jī)類(lèi)和COMFLEX系列產(chǎn)品。YJ36型裝盤(pán)機(jī)、日本SANJO公司生產(chǎn)的FF30裝盤(pán)機(jī)、韓國(guó)JK公司的裝盒機(jī)，其工作原理及結(jié)構(gòu)形式均相同，都屬于FF30裝盒機(jī)類(lèi)，均為通過(guò)推板一次推送填裝三排棒料，棒料并非直接裝入盤(pán)盒，而是通過(guò)棒料的慣性進(jìn)入盤(pán)盒內(nèi)，這類(lèi)推送填裝方式要求推板必須以一定速度碰撞棒料，才能實(shí)現(xiàn)填裝，棒料會(huì)受到一定的沖擊力［3］。這種填裝結(jié)構(gòu)在裝填棒料過(guò)程中存在以下問(wèn)題：推送裝置不能直接把濾棒推送到盤(pán)盒內(nèi)，濾棒需要依靠慣性滑行一段距離才能進(jìn)入盤(pán)盒內(nèi)，造成濾棒在盤(pán)盒內(nèi)存在亂棒、空洞多等現(xiàn)象；盤(pán)盒內(nèi)填裝的濾棒在填裝時(shí)受到的沖擊力較大，使濾棒受損率增高；推板一次只能推送三排棒料，裝盤(pán)速度較低；上述裝盤(pán)機(jī)在填裝過(guò)程中，填裝機(jī)構(gòu)對(duì)上游棒狀制品流的節(jié)流均采用相應(yīng)規(guī)格輥?zhàn)訉?duì)的變距對(duì)棒料進(jìn)行攔截，這種截流方式會(huì)出現(xiàn)夾棒、掉棒和擠棒等現(xiàn)象。

2 改進(jìn)方法

2.1 新設(shè)計(jì)填裝裝置結(jié)構(gòu)

新型濾棒填裝裝置主要由上推送單元和下推送單元兩部分組成，如圖1所示［4］。上推送單元由線性驅(qū)動(dòng)單元一5、上支撐板6、上導(dǎo)軌7、上連接推板8、上連接板9、上推板10組成，線性驅(qū)動(dòng)單元一5固定在支撐板4上、上導(dǎo)軌7固定在上支撐板6上，上連接推板8、上連接板9、上推板10組成第一組合推板，第一組合推板固定在線性驅(qū)動(dòng)單元一5的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行塊上，并與上導(dǎo)軌7的滑塊連接，線性驅(qū)動(dòng)單元一5驅(qū)動(dòng)第一組合推板實(shí)現(xiàn)前移或退回功能；下推送單元由下支撐板1、線性驅(qū)動(dòng)單元二2、下導(dǎo)軌3、下推板一11、下推板二12、下連接板13、下連接推板14、下推板三15組成，線性驅(qū)動(dòng)單元二2和下導(dǎo)軌3固定在下支撐板1上，下推板一11、下推板二12、下連接板13、下連接推板14、下推板三15組成第二組合推板，第二組合推板固定在線性驅(qū)動(dòng)單元二2的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行塊上，并與下導(dǎo)軌3的滑塊連接，線性驅(qū)動(dòng)單元二2驅(qū)動(dòng)第二組合推板實(shí)現(xiàn)前移和后退等功能。

2.2 上推送單元伺服電機(jī)及電缸的設(shè)計(jì)選型

已知工作負(fù)載重量M=10 kg，根據(jù)需求，對(duì)伺服電缸選型，初選ELGC-BS-KF-80-200-16P，機(jī)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1［5-6］。

2.2.1 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

計(jì)算重物作用在電機(jī)輸出軸上的負(fù)載慣量：

[Jm=M×P24π2=10×0.12524π2=0.004 kg?m2]

式中：Jm為重物作用在電機(jī)輸出軸上的負(fù)載慣量，kg·m2；M為負(fù)載重量，kg；P為進(jìn)給常數(shù)，m/rev。

計(jì)算電機(jī)輸出軸上的總慣量：

J = Jm + J0 + Jc = 0.004 + 0.000 147 + 0.000 05 = 0.004 kg·m2

式中：J為折算到電機(jī)輸出軸上的總負(fù)載慣量，kg·m2；Jm重物作用在電機(jī)輸出軸上的負(fù)載慣量，kg·m2；J0為ELGA型電缸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Jc為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

2.2.2 計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

[N=VP=240125×60=115.2 r/min]

式中：N為轉(zhuǎn)速，r/s；V為工件速度，m/s；P為進(jìn)給常數(shù)，m/rev。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需扭矩。

重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：

[Ta1=MaP2πη=10×9.8×0.1252×3.14×0.9=2.16 N·m]

式中：Ta1為轉(zhuǎn)矩，N·m；P為進(jìn)給常數(shù)，m/r；η為效率；a為重力加速度；M為工件重量，kg。

電缸減速時(shí)所需扭矩：

[]

[Ta2=J0αη=J02πNt2η=0.149 08×10-3×115.2×2×3.140.30.9=0.399 N·m]

式中：Ta2為轉(zhuǎn)矩，N·m；J0為ELGA型電缸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；N為轉(zhuǎn)速，r/s；η為效率；t2為減速時(shí)間，s。

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩：

Tf=[Mg=擦力所需轉(zhuǎn)矩]=10[×]10[×]0.2[×]0.016/6.28/0.9 =0.058 N·m

總扭矩：

[T=Ta1+Ta2+Tf=2.16+0.399+0.058=2.617 N·m]

2.3 下推送單元伺服電機(jī)及電缸的設(shè)計(jì)選型

下推送單元伺服電機(jī)及電缸的設(shè)計(jì)選型方法同上。

2.4 伺服電機(jī)選型

根據(jù)伺服電機(jī)選型原則：連續(xù)工作扭矩<伺服電機(jī)的額定扭矩；瞬時(shí)最大扭矩<伺服電最大扭矩（加速時(shí)）；負(fù)載慣量<3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量；連續(xù)工作速度<電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

綜合以上計(jì)算結(jié)果得出，上下推送單元選擇：伺服電缸：ELGC-BS-KF-80-200-16P（FESTO）；伺服電機(jī)：EAMM-U-65-T42-80P-87（Siemens）。

3 工作原理

選擇物料填裝裝置的一次推送物料填裝滿容器的模式，即第一組合推板和第二組合推板同步前移，將存儲(chǔ)料庫(kù)中的棒料料推送至后面的空容器內(nèi)，第一組合推板保持不動(dòng)，用于截流上游機(jī)構(gòu)輸送的棒形制品流，第二組合推板后退至初始位，實(shí)現(xiàn)一次推送物料即可填裝滿容器的功能。

4 應(yīng)用效果

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：選擇長(zhǎng)度L=120 mm，直徑Φ=7.7 mm的濾棒，選擇規(guī)格710 mm×130 mm×670 mm的塑料煙盤(pán)。棒料由山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青州卷煙廠提供，煙盤(pán)由山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青州卷煙廠提供。

設(shè)備：2組成型機(jī)組。1組由ZL26與YJ35D裝盤(pán)機(jī)聯(lián)機(jī)，此組沒(méi)有設(shè)計(jì)改進(jìn)后的填裝裝置；第2組由ZL26F與YJ36B裝盤(pán)機(jī)聯(lián)機(jī)，裝有新設(shè)計(jì)改進(jìn)的填裝裝置。機(jī)組由許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司提供。

方法：設(shè)定2組成型機(jī)組的生產(chǎn)速度為5 000支/min，統(tǒng)計(jì)5 min內(nèi)，每次填裝一盤(pán)濾棒所需時(shí)間；每次填裝完成后對(duì)每盤(pán)棒料的空洞數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照《卷煙第3部分：包裝、卷制技術(shù)要求及貯運(yùn)》（GB/T 5606.3—2005）的要求對(duì)每盤(pán)濾棒的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算填裝時(shí)每盤(pán)棒料的受損率。

4.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見(jiàn)，設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，2組的裝盤(pán)速度明顯高于1組，有效提高了設(shè)備作業(yè)率［7］。

由表3可見(jiàn)，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，2組每盤(pán)濾棒的空洞數(shù)量是遠(yuǎn)小于1組，2組裝盤(pán)的整齊度和美觀度提高，每盤(pán)濾棒數(shù)量的統(tǒng)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單高效。

由表4可見(jiàn)，2組每盤(pán)濾棒的受損率由之前的0.65%降低到0.16%，降低了75.4%。通過(guò)對(duì)填裝裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，降低了填裝過(guò)程中棒料與填裝裝置的接觸次數(shù)，從而有效降低了棒料的受損率，提高了濾棒產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)濾棒填裝板、填裝驅(qū)動(dòng)裝置和推送單元組合等部分進(jìn)行重新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了濾棒裝盤(pán)時(shí)速度慢、盤(pán)內(nèi)空洞數(shù)多、濾棒損傷率高等問(wèn)題。本研究以青州卷煙廠濾棒成型車(chē)間的2組ZL26F機(jī)組（2組對(duì)應(yīng)不同裝盤(pán)機(jī)）為測(cè)試對(duì)象，對(duì)濾棒填裝情況進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)多次裝盤(pán)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算。結(jié)果表明：使用新型棒料填裝裝置之后，濾棒裝盤(pán)機(jī)的裝盤(pán)速度顯著提升，裝盤(pán)后的濾棒在盤(pán)內(nèi)排列更加整齊，每盤(pán)濾棒空洞數(shù)量明顯減少，每盤(pán)濾棒的受損率由之前的0.65%降低到0.16%，降低了75.4%，該裝置有效提高了濾棒填裝質(zhì)量，提高了設(shè)備作業(yè)率，降低了設(shè)備維修工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

［1］湯治國(guó)，李德法，馬學(xué)成，等.煙支快速裝盤(pán)裝置：CN201320572767.2［P］.2014-02-26.

［2］張利軍.YJ36濾棒裝盒機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.數(shù)控技術(shù)與應(yīng)用，2017（11）：14-16.

［3］倪敏，堵俊，吳曉，等.基于伺服精密驅(qū)動(dòng)的濾棒裝盒控制系統(tǒng)［J］.煙草科技，2017，50（1）：87-92.

［4］王玉蘭，殷昌貴.機(jī)械制圖［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［5］楊小娟.數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)選型［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2019（4）：189-190.

［6］王軍鋒，唐宏.伺服電機(jī)選型的原則和需要注意的問(wèn)題［J］.裝備制造技術(shù)，2009（11）：129-131，133.

［7］湯治國(guó).一種超高速柔性裝盤(pán)系統(tǒng)的裝盤(pán)速度分析及改進(jìn)［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（1）：87-90.