烟梗开包机倒料过程的分析与实践

徐荣华　张国平　方利梅　高雪峰　安浩　杨浩

摘 要：在卷烟生产企业制梗丝生产线投料端，越来越多的企业采用了自动化设备-烟梗开包机代替了传统的人工上包、开口、倒料的投料模式，并获得了良好的现场环境、很低的劳动强度等效果。但是，由于各企业采用的生产配方不同，原料的产地也不相同，造成原料包装不同且包装形式杂乱，部分产地原料包装情况使得烟梗开包机出现了倒料动作的失败，失去了自动化的意义。该文针对烟梗开包机倒料过程中所采用的机械结构、自动化控制方式，结合气缸的工作原理，对产生倒料动作失败的原因进行分析，并将分析后的方法应用于对设备的调整，得出一种适应不同包装形态原料的控制方式。

关键词：烟梗投料 烟梗开包机 气缸 气缸原理 气缸匀速运动

中图分类号：TS4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0072-03

在卷烟生产企业制梗丝生产线中，烟梗原料多采用麻袋进行包装，每袋重25～50 kg不等。当需要将原料投入生产线时，需要由人工进行搬运、开口并将麻袋的烟梗倒进第一级设备。相比传统的烟梗人工喂料方式带来的工人劳动强度过大和对现场环境粉尘污染严重的情况，采用烟梗开包机将烟梗向生产线投料的方式，可自动完成麻袋的搬运、开口、倒料过程，从而有效避免以上问题，并使生产现场工作流程更加有序、生产线自动化程度得到一定的提高。但是，国家行业相关标准并没有将包装烟梗用麻袋像制叶丝线包装片烟用烟箱进行尺寸、外形、包装方式等方面的统一规定，各复烤企业在现阶段向卷烟生产企业提供的原料包装形态并不相同。由于生产采用的配方不同，使得不同产地、不同等级的梗包在同一批次生产流程内进入了烟梗开包机进行处理，导致烟梗开包机出现了整包掉落、空麻袋掉落等问题，不能满足功能要求，也因此需要人工进行干涉，从而影响了生产的连续性和自动化程度。

1 状况描述

该文主要就浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂的制梗丝原料的包装情况，对烟梗开包机在倒料过程出现的掉落状况进行描述和分析。制梗丝原料共来自4个产地，此称为A、B、C、D4个产地，均采用麻袋进行包装，包装情况统计如表1所示。

从表1内可看出，各产地原料的包装尺寸、外形、封口方式均不相同，同一产地的原料在包装时也存在了不同的情况。在生产过程中，除B产地原料生产连续稳定外，其余3个产地的原料都产生了不同程度的生产中断。

2 分析与实践

2.1 倒料原理

如图1所示，2-输送带将开口后的7-等待倒料的梗包向前输送，经1-勾包检测光电管检测后延时停止在待倒料位置，部分8-洒落烟梗会提前从包装内落下，以减少倒料负载。倒料机构由4-插包臂、5-驱动气缸、6-支撑主轴组成，5-驱动气缸的气缸杆在初始状态为伸出状态，4-插包臂回绕6-支撑主轴旋转抬起等待梗包通过；当气缸杆缩回时，插包臂沿图示弧线运动，插包臂头端进入麻袋内部勾住麻袋，插包臂将麻袋提起，同时2-输送带在插包臂头端进入梗包后启动辅助气缸动作。

2.2 分析调整

由于前端的自动开口机械机构无法完全模拟人工的割断绳头、抽绳解口、解开扎口团的动作，采用的是旋转切割方式。如果切割封口端，会产生麻袋碎片、麻绳等杂物，同时由于封口时卷叠的麻袋层较厚会导致开口不连续影响卸料和扎口团缠绕导致的开口部件故障等问题，带有扎口团的封口端也因此成为了倒料时插包臂进入的部位。由于梗包停止位置由光电管从接收信号到失去信号控制，所以梗包的长短并不影响勾包气缸动作的时间。经观察发现，A、C、D3个产地的原料主要由于不同长度的扎口团干扰了光电管，使得光电管在包装本体通过后，仍判断梗包未完全通过，导致梗包停止位置不在同一位置范围，出现了当停留在较远位置时插包臂头端进入麻袋较少和勾到了较厚的麻袋层卷叠部位的情况，从而导致当输送带启动后出现了插包臂头端进入量减少甚至脱落的情况，从而导致了麻袋的掉落。

由于输送带采用的是直插式减速机驱动、无变频控制，输送速度无法降低，只能增加插包臂头端进入麻袋内的深度，因此我们将气缸杆缩回的速度进行了提高。当速度提高后，出现了麻袋从输送带上被推落的情况。按图1内运动轨迹，我们发现掉落梗包的停留位置出现在了插包臂运动弧线的最低点附近。综合考虑表1内统计的麻袋外形状况，我们决定将麻袋停止时间提前，使插包臂头端从包装贴进尾端的上表面进入。此种方法改善了A、C、D产地原料在倒料过程中的掉袋情况，但仍有大部分麻袋出现了在完全提起后空麻袋从插包臂头端脱落的情况以及B产地包在原料在提起的过程中从插包臂头端脱落的情况。对此，我们调整了气缸终位时的缓冲，以求减小气缸杆完全缩回时产生的冲击，结果由于速度较快，气缸杆在到达终位前出现了抖动，仍出现了速度的下降，空麻袋仍从插包臂头端脱落；而且，B产地原料仍在提起倒料过程中脱落麻袋。

综合上述考虑，我们决定将气缸速度降低，以解决A、C、D产地原料终点位置时的速度下降过多导致的空麻袋掉落问题和B产地在提起过程中的脱落情况。因此，保证气缸速度降低后插包臂头端进入麻袋内的深度是需要解决的问题。鉴于此种结构内使用的驱动源为双作用单杆气缸，我们对气缸的工作过程进行了探讨，其结构如图2所示。

当插包臂头端需要进入麻袋时，气缸杆进行缩回动作。压缩空气从2-头端进排气口进入3-气缸头腔，缸体内原有压缩空气经5—尾端进排气口流出，3-气缸头腔和4-气缸尾腔产生了压力差，产生了拉力，并推动1-活塞杆移动。忽略活塞杆的直径，产生的拉力F=P1S-P2S，其中P1为气缸头腔内的空气压力，P2为气缸尾腔内的空气压力，S为活塞面积。产生的拉力又可表述为F=ma，其中m为负载质量，a为使负载产生的加速度。由上述公式来看，随着气缸尾腔的空气排出，压力下降，气缸活塞杆会对物料产生拉力，当拉力大于负载后，气缸活塞杆会产生变加速运动。由于在提起倒料过程中，烟梗会从麻袋内倒出，相对于气缸杆的负载会大幅减少，气缸活塞杆的加速度会进一步增大，这也导致了在提起倒料的终点位置时速度很大。上述也可佐证，当B产地原料相对其他3个产地原料停止位置靠前时，相比其他3个产地原料会提前接触插包臂，从而阻碍了插包臂的运动，使得此时气缸尾腔的压力下降较多；当插包臂的运动轨迹不再受到阻碍时，启动速度较大，导致在提起倒料过程中的脱落。

由于气体具有可压缩性，气缸尾腔内的压缩空气在连接大气后出现的压力下降，可由气缸活塞向尾端的移动进行压缩后再次上升，从而减慢对活塞杆拉力的变化速度。但当前采用的通过排气调速提高气缸速度的方法，气缸尾腔内的压缩空气顺利排出并不能很好地保证气缸头腔和尾腔的压力差。

综上所述，为避免扎口团对插包臂头端进入包装内的影响，将全部原料停止时间提前，在插包臂受到阻碍的位置进行动作保持，将气缸尾端排气头减小，但留给足够时间排气形成压力差，从而使插包臂头端获得一定的进入深度。但是需要考虑气缸活塞杆受到阻碍时，尾端压力对麻袋提起速度的影响，即能否对后端气体进行压缩，不产生加速度的大幅增加。由于没有收集到相关资料，笔者并没有计算出准确结果，此处提出的计算过程仅供参考和指正。我们认为，当插包臂运动轨迹受到梗包的阻碍后，气缸活塞杆停止运动，气缸头腔压缩空气压力应为0.6 MPa（供应压力），由于插包臂本身结构，只要产生压差，插包臂就会产生运动，可假设运动过程中对气缸后腔空气进行了压缩，在插包臂被梗包阻碍停止后，气缸尾腔内的压力也为0.6 MPa。根据伯努力方程应用公式P=0.5ρv2（P为空气动压力，v为气体流动速度）计算出气缸后腔向外排出的空气流速，再使用Q=vs（v为气体流动速度，s为排出口截面积）计算出空气流量，接着根据气体体积的减少计算质量的减少，最后根据P/m=C（P为实际压力，m为气缸后腔体积内的空气质量，C为常数）。由于气缸后腔内的压力和空气密度随着空气的排出在下降，排出的速度也随之下降，笔者未能计算出后腔内的压力与时间和排出口截面积的关系。另外，当气缸运动后，由于压缩空气流动速度很快，假设气缸头腔内的压力很快达到即保持0.6 MPa，根据玻意耳-马略特定律公式计算一定的运动距离对气体的压缩情况，但由于压缩空气同时在排出且随内部压力变化排出速度也在变化，并不符合玻意耳-马略特定律对一定质量理想气体的前提条件要求。

对此，我们只能采用实验的方法，先将气缸速度调至较低工况。在较低速度的情况下，需保持较长时间才能使插包臂头端进入包装内一定深度，同时在输送带启动后由于输送带和插包臂运动的速度差，插包臂头端会从包装内脱落。经过多次调整气缸速度和停止时间，我们确定的最终控制方式为将输送带停止时间提前，即麻袋停止等待倒料的位置提前使插包臂进入点避开尾部位置而从尾端上表面进入，延迟时间启动输送带使插包臂头端进入一定深度后，采用步进输送带的控制方式保证插包臂头端在提起倒料前仍保持一定的进入深度。

3 结语

综上所述，针对包装形式杂乱的制梗丝线原料，通过对控制方式的调整，利用气缸前后腔压力差，在不改动当前结构的基础上成功地完成了烟梗开包机的倒料动作。但是，气缸内部的压力变化过程较为复杂，使用气缸作为驱动源并不是最合适的选择，使用带有变频控制的电机控制插包臂的效果应会优于气缸。

参考文献

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