PROTOS2-2 卷接机压纸轮装置结构改进

2020-03-05陈生平

设备管理与维修 2020年3期

陈生平，林斌

（红塔烟草集团有限责任公司玉溪卷烟厂，云南玉溪 653100）

0 引言

设备的改进升级是设备管理和维修工作中的一项重要内容，其可明显降低设备故障发生频次，提升设备的可靠性和稳定性，提高产品质量，使设备保持较高的有效作业率。在生产中，PRO原TOS2-2 卷接机组生产的卷烟出现搭口胶位宽窄不一、接装纸长短等质量缺陷的频次较高，接装纸压纸轮装置维修频繁，通过分析发现，在运行过程中压纸轮与供纸辊间的压力波动大，弹簧刚度衰减引起压纸轮压力变化及弹簧产生的极限弹力较小是导致以上问题的主要原因。较高的质量缺陷频次和维修频次使产品质量得不到保障，设备效率较低，需对压纸轮装置的结构进行改进。

1 接装纸压纸轮装置的结构

接装纸供给系统主要由第1 供纸辊、接装纸平衡箱、拉力调节器、卷曲器和压纸轮装置等组成（图1），其作用是按一定的速度和拉力连续不断地向机器提供接装纸，同时由涂胶装置在纸的一面均匀涂上一层符合工艺标准的胶水，然后被切割装置切成一片片等长接装纸片，在鼓轮与搓板的搓接过程中对滤嘴和烟支进行包裹。

图1 接装纸供纸系统结构示意

接装纸压纸轮装置是接装纸供给系统重要组成部分（图2），由紧固螺栓、锁紧手柄、压纸轮支架、压纸轮、供纸辊、压缩弹簧等组成。接装纸绕过供纸辊并被压纸轮压紧，供纸辊与接装纸之间的摩擦力带动接装纸输送，实现连续匀速供纸。两个橡胶压纸轮装在支架上，支架中有一个偏心轴，转动手柄，即可将两个压纸轮抬起脱离供纸辊。在供纸辊上部装有微动开关，监控压纸轮的位置，若压纸轮被升起，机器不能启动。供纸辊的两个压纸轮靠弹簧压力压在供纸辊上。

图2 压纸轮装置结构示意

2 存在问题及原因分析

2.1 存在问题

在生产维护中，PROTOS 2-2 卷接机组生产的卷烟出现搭口胶位宽窄不一、接装纸长短等质量缺陷的频次较高。搭口胶位宽窄不一、接装纸长短通常是由接装纸供给系统故障导致的，对产生以上卷烟质量缺陷的故障原因及维修频次进一步调查发现，接装纸压纸轮装置维修频次较高，压纸轮装置故障导致接装纸搭口胶位宽窄不一、接装纸长短。

2.2 原因分析

从接装纸压纸轮装置的结构可知，压纸轮是被弹簧施加的弹力压紧在供纸辊上，压纸轮和供纸辊间对接装纸的摩擦力拖动接装纸运行，摩擦力的大小和波动决定接装纸运行的稳定性，进而影响接装纸的接装质量，而弹簧施加的压纸轮对供纸辊的压力决定着摩擦力的大小和波动。

对弹簧及压纸轮的受力进行分析。弹簧是一种利用弹性来工作的机械标准零件，因其结构简单、制造方便、价格低廉，被广泛用于各种场合。弹簧在使用中也存在振动、失稳，使用一定时间后，其刚度、强度会衰减而不断降低，影响其工作性能。压纸轮采用圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧通过一定的压缩对压轮支架施加持续的力，要计算弹簧产生的力，需要先计算弹簧的刚度，圆柱螺旋压缩弹簧的刚度可通过公式计算：

式中：K是弹簧的刚度，N/m；G 是弹簧材料切变模量，弹簧钢的切变模量G=80 GPa=81010Pa；d 是弹簧的线径，m；D 是弹簧的中径，m；n 是弹簧的有效圈数。

通过对生产中使用的弹簧进行测量，可获取以上参数的数值，其中d=2.3 mm；D=15.9 mm；n=12。把以上数值代入公式可得弹簧刚度：K=5.8103N/m=5.8 N/mm。

压纸轮弹簧在工作时，当弹簧不受压缩，即弹簧为自由长度时，弹簧产生的弹力Ftmin=0；当弹簧达到压缩极限，此时弹簧的弹力最大，弹簧工作中达到压缩极限时弹簧的压缩量l=30 mm，则压纸轮弹簧的最大弹力Ftmax=Kl=174 N。压纸轮在工作时，弹簧对压纸轮支架施加弹力Ft，供纸辊与两压纸轮接触，在他们之间存在接触压力，接触压力均匀分布在接触线上，接触压力可简化为作用于压纸轮长度方向中点的压力Fn，压纸轮支架受力如图3 左图所示。

压纸轮支架所受的力Ft、Fn1和Fn2是平面汇交力系，根据刚体内部力的可传性，可将各力沿其作用线移动汇交于一点，如图3 右图所示，根据力的平衡原理，可得

当弹簧的弹力Ft=Ftmax=174 N 时，压纸轮对供纸辊的最大压力Fnmax=98 N。

弹簧工作一定时间后，其刚度和强度会发生衰减，设弹簧的初始刚度为Ko，工作一定时间后的刚度为K1，则相应的压纸轮对供纸辊的压力Fno和Fn为

由上式可得弹簧刚度变化引起的压纸轮对供纸辊压力的变化。

由以上公式可知，弹簧刚度衰减会引起压纸轮压力较大的变化。

图3 压纸轮支架受力示意

同时，设备在运行中，供纸辊高速转动，通过摩擦带动接装纸输送和压纸轮转动，供纸辊和压纸轮的高速转动使压纸轮支架产生振动，使供纸辊和压纸轮间的压力产生波动，供纸辊与接装纸间的摩擦力改变。

压纸轮与供纸轮间压力的变化使供纸辊与接装纸间的摩擦力发生变化，进而改变接装纸的拉力，若压纸轮与供纸辊间压力过低，接装纸会打滑，引起搭口胶位宽窄不一、接装纸长短等质量缺陷。使用弹簧存在的这些问题会引起接装纸运行和搓接相关的故障，为降低接装纸供纸装置的故障维修频次，提高产品质量，降低备件消耗，需要对压纸轮装置进行改进。

3 接装纸压纸轮装置结构改进

3.1 改进技术方案

针对采用弹簧压紧的压纸轮机构存在的问题，对压纸轮装置进行改进，提出采用气动装置施加压纸轮对供纸辊压力的新技术方案。气动装置比弹簧振动小，不存在失稳问题，气体压力恒定，不会因使用时间太久而发生较大变化，具有较长的使用寿命。在气缸气压不变的情况下，气缸施加的压纸轮对供纸辊的压力将保持恒定，压力波动较小。同时，通过调整气缸气压，可快速方便地根据需要改变压纸轮对供纸辊的压力。

卷烟机压缩空气气源最大压力为Pmax=0.6 MPa，若气缸缸径为25 mm，则气缸加载到压纸轮支架上的最大压力

可见，使用气缸时产生的压力远高于使用弹簧时的极限弹力Ftmax=174 N。

弹簧由于刚度和长度受限，产生的极限力较小，使用一段时间后弹簧刚度会衰减，压纸轮提供的最大供纸拉力降低。因不同规格的接装纸摩擦系数不同，所需的供纸拉力也不同，若压纸轮提供的供纸拉力不足，会导致接装纸输送过程打滑或内外飘移；接装纸供纸不同步，造成烟支搭口胶位宽窄不一、接装纸长短等烟支质量缺陷或故障。

而气缸式压纸装置产生的极限压力更大，压纸轮压力可调范围较大，压纸轮能提供足够的供纸拉力适应具有不同摩擦系数的接装纸输送，采用气缸式压纸轮装置更适用，更可靠。

3.2 气缸式压纸轮装置结构

新的压纸轮装置采用气缸代替弹簧，需对压纸轮装置结构进行改进，使新的压纸轮装置连续稳定输送接装纸，满足工作要求。改进后的气缸式压纸轮装置（图4），采用双作用气缸，气缸通过螺钉固定在气缸支架上，气缸的活塞安装有一个向心关节轴承，向心关节轴承安装在压纸轮支架的台阶孔中，上方用压板压住，压板通过螺钉固定在压纸轮支架上。

4 结论

在生产中，PROTOS2-2卷接机组生产的卷烟出现搭口胶位宽窄不一、接装纸长短等质量缺陷的频次较高，接装纸压纸轮装置维修频繁，通过分析可知，此问题是以下原因导致：弹簧刚度的衰减引起压纸轮压力变化较大，进而改变供纸辊的供纸拉力；弹簧式压纸轮装置在运行过程中压纸轮与供纸辊间的压力波动较大；弹簧产生的极限弹力较小，使压纸轮提供的供纸拉力不足。

相对弹簧，气缸式压纸轮装置具有以下优点：振动较小，气体压力恒定，不会因使用时间太久而发生较大变化，具有较长的使用寿命；气缸施压的压纸轮对供纸辊的压力波动较小；通过调整气缸气压，可快速方便地根据需要改变压纸轮对供纸辊的压力；气缸式压纸装置产生的极限压力更大，压纸轮压力可调范围较大，压纸轮能提供足够的供纸拉力适应不同摩擦系数的接装纸输送。因此，采用气缸式压纸轮装置更适用、更可靠。