YP11A型装封箱机入箱推进变频调速装置的设计

陈荣林，陈 杰

（江苏中烟工业有限责任公司 徐州卷烟厂，江苏徐州 221000）

0 引言

YP11A型装封箱机是国内烟草行业的主流机型，主要完成卷烟包装生产的最后一道工序，即条烟装箱工作，该机型是在YP11型装封箱机基础上广泛吸收国外同类产品的先进技术而研发的，额定生产能力由4箱/min提升到5.6箱/min[1]。在烟垛入箱推进过程中，由于回用纸箱形变[2]、推烟板速度提升等原因，易造成条烟错位、挤压变形等引起的停机，严重影响装箱效率及质量[3-4]。目前对于改善YP11型、YP11A型装封箱机装箱质量问题已有较多研究。孙涛等[5]通过设计一种压缩装置，将箱皮压到理想尺寸，并与整垛推送同时进行，防止第一次推送的烟垛上层烟倒垛现象。蒋辉等[6]设计一种条烟装箱压紧防倒垛装置，提高烟垛中的条烟与烟箱、条烟之间的摩擦力。刘江等[7]设计一种柔性压缩箱体辅助装置，通过压缩烟箱上壁内部空间减小条烟惯性滑动量。现有技术大多采用在烟箱外加装压紧装置，或减小烟箱尺寸以增大烟箱与条烟的摩擦力，这种方式虽然能防止烟垛倒塌，但是实际应用中容易发生压坏烟箱和条烟的情况，导致内部的香烟受损[8]。因此基于变频控制技术，设计入箱推进变频调速装置，以期提高YP11A型装封箱机入箱推进工艺的质量水平[9]。

1 问题分析

1.1 新烟箱与回用烟箱的差异性分析

在生产过程中条烟通过输送皮带进入装封箱机，每次输送5条烟，由提升器将5条烟提升至堆垛位置，后续条烟继续输入直至形成5×5的条烟堆垛，再由推板将堆垛推入烟箱，装封箱机重复上述操作，经过2次推垛后完成一件烟的装箱工序。推烟电机的输出链轮通过链条与推烟机构的传动链轮连接，推烟电机通过接触器直接与三相工频电源连接。在装箱过程中，烟箱上壁与最上层条烟不接触，每层条烟受到的作用力和摩擦力均不相同，条烟到达烟箱预定位置的滑动距离也不相同。设定5×5条烟堆垛由上至下分别为第1层至第5层，每条烟的质量为m，条烟间摩擦系数为μ[10]，每层条烟视为一个整体，则第1层至第5层条烟下表面受到的摩擦力分别为 5，10，15，20，25 μ mg（g为重力加速度）。第1层条烟受到的摩擦力最小，所以容易产生滑动。

在第一烟垛推入后，通过直尺测量条烟的推进位置，新烟箱和回用烟箱分别取10组数据，统计第一层条烟的滑动量，结果见表1。由于回用烟箱物理性能不如新烟箱好且稳定，回用烟箱普遍存在变形、折叠盖变软等现象，导致在YP11A型装封箱机中，使用回用烟箱时条烟第1层因惯性产生的滑动量，均大于使用新烟箱时产生的平均滑动量（41.9 mm）。

表1 新烟箱与回用烟箱的滑动量对比Tab.1 Comparison of sliding amount between new and recycled cigarette case 单位：mm

1.2 推烟频率与条烟滑动量的相关性分析

推垛装置将条烟推入纸箱时，将第一层5条烟视为整体，其动能为E动，条烟的动能将转化为条烟滑动摩擦力做功E摩。在使用回用烟箱时，由于烟箱内壁间隙较大，因此暂认为，第一层条烟与烟箱内上壁及侧壁不接触。

根据能量守恒定律：

由动力学公式代入：

由公式：

将式（3）代入式（2），可得条烟滑动量的计算公式：

式中 s ——条烟理论滑动量，mm；

π ——圆周率；

f ——推烟电机频率，Hz；

d ——齿轮外径，mm；

μ ——条烟透明纸之间的滑动摩擦系数[11]；

g ——重力加速度，103mm/s2；

i ——齿轮箱减速比；

p ——电机磁极对数。

由式（4）可知，在不考虑其他因素影响的情况下，条烟滑动量与电机运行频率的二次方成正比。将装封箱机参数：推烟电机频率f=50 Hz，齿轮外径d=150 mm，透明纸滑动摩擦系数μ=0.25，齿轮箱减速比i=16.2，电机磁极对数p=2，代入公式（4），得第一层条烟理论滑动量s=107.9 mm。

2 系统设计

2.1 系统组成

入箱推进变频调速装置主要由推烟电机、变频器、使能继电器、频率选择继电器和脉冲计数盘等部件组成，见图1。推烟电机通过变频器及总开关Q1与工频电源连接，变频器对推烟电机的转速进行控制，继电器KA1、KA2、KA3的电磁线圈分别与数据处理装置（PLC）的3个电平输出端连接；继电器 KA1、KA2、KA3的常开触点一端与 24 V直流电源连接；继电器KA1的常开触点另一端与变频器的使能端口连接，继电器KA2的常开触点另一端与变频器的第一频率选择端口连接，继电器KA3的常开触点另一端与变频器的第二频率选择端口连接。

图1 多工位变频推烟系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of multi-station variable frequency cigarette case pushing system

PLC根据脉冲检测器反馈的高电平进行计数，在达到各个设定的计数值后[12]，通过3个电平输出端分别对继电器KA1、KA2、KA3的电磁线圈进行通电，控制继电器 KA1、KA2、KA3的常开触点开闭，进而对变频器的输出频率进行多段控制。推烟电机在推垛时首先以中速运行，在烟垛即将推入烟箱时降低推烟速度，以减少条烟滑动量，在返回阶段以高速运行，保证装箱推烟的整体效率，推板到达原点时由外部抱闸制动。

2.2 变频器选型

YP11A型装封箱机的推烟电机三相绕组采用星型连接，其主要铭牌参数：额定频率f=50 Hz，额定功率 P=0.37 kW，额定电压 U=380 V，额定电流 I=0.95 A，齿轮传动转矩 M2=39 Nm，减速比i=16.2，功率因素cosφ=0.77。

由铭牌参数可知，推烟电机为恒转矩负载，应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器[13-14]，采用加大通用变频器容量的方法能实现大调速比的恒转矩调速。为保证装箱效率，推烟电机需频繁启停工作，大电流反复流过变频器的晶体管元件将导致寿命缩短，减小启动电流可以延长寿命，但由于电流不足可能引起转矩不足，从而导致无法启动的情况发生，应放大2档左右选择变频器的功率，因此选择0.75 kW。额定电流是反映变频器负载能力的关键参数，变频器额定电流应大于电动机额定电流0.95 A。综合以上因素，选择EMERSON三相380 V恒转矩变频器，具体型号为SK-4T0007G，额定功率0.75 kW，额定电流 2.1 A。

2.3 电机低速段频率

由于第一层5条烟之间存在间隙，受烟箱尺寸及摩擦系数等因素影响，条烟实际滑动量无法精确计算，因此通过试验统计不同频率下第一层条烟的实际滑动量。图2为推烟频率与第一层条烟实际滑动量的拟合曲线。图中可见，条烟滑动量（y）随推烟频率（x）的提升逐渐增大，回归方程：y=-2.939+1.015x-0.053 42x2+0.000 994x3，为兼顾装箱效率，选定低速段电机频率为25 Hz，此时第一层条烟滑动量为6.7 mm，能够完全满足设计要求。

图2 推烟频率与第一层条烟滑动量拟合曲线Fig.2 Fitting curve of pushing frequency and sliding amount of first layer of cigarette cartons

2.4 工作原理

推烟周期内脉冲检测器发出的高电平总数为20，设定推烟电机降速值为7，加速值为11。为实现精确控制，应尽可能减小变频器加/减速率，根据电机实际负载特性，设定变频器的加速率为0.3 S/100Hz，减速率为 0.5 S/100Hz。为满足装箱效率，变频器的使能端口接通时，变频器的输出频率为25 Hz；变频器的使能端口和第一频率选择端口均接通时，变频器的输出频率为45 Hz；变频器的使能端口、第一频率选择端口和第二频率选择端口均接通时，变频器的输出频率为65 Hz。

图3为YP11A型装封箱机推烟装置示意，多工位变频推烟的具体工作步骤：

图3 YP11A型装封箱机推烟装置示意图Fig.3 Schematic diagram of carton pushing device of YP11A case filling and sealing machine

（1）开始进行推烟工作时，变频器的使能端口和第一频率选择端口均接通，变频器的输出频率为45 Hz，控制推烟机构上的推烟板推动烟垛向烟箱移动，同时脉冲检测器实时检测脉冲计数盘并计数。

（2）当计数值达到，推烟电机降速值7，仅继电器KA1的常开触点一端闭合，变频器的输出频率变为25 Hz，控制推烟电机转动，降低推烟板推动烟垛向烟箱移动的速度，数据处理装置继续对反馈的高电平进行计数。

（3）当计数值达到，推烟电机加速值11，继电器 KA1、KA2、KA3的常开触点一端均闭合，变频器的输出频率为65 Hz，控制推烟电机加速转动，使推烟板随循环驱动带快速返回初始位置，数据处理装置继续对反馈的高电平进行计数。

（4）当计数值达到高电平总数20，继电器KA1、KA2、KA3的常开触点一端均断开。此时变频器停止输出频率，外部抱闸启动，推烟电机停止转动，推烟板回到初始位置，完成一个烟垛的推烟周期，同时数据处理装置对当前计数清零。

（5）重复步骤（1）-（4），进行下一个烟垛的推烟周期，直至完成所有烟垛的装箱过程。

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“苏烟五星红杉树”牌卷烟；回用烟箱，长 555 mm，宽 452 mm，高 240 mm。

设备：YP11A型装封箱机5台，分别编号3#～7#（颐中烟草（青岛）实业有限公司机械厂）。

方法：将入箱推进变频调速装置应用在YP11A型装封箱机上，记录改进前后在条烟推送过程中因条烟错位、挤压变形引起的停机次数，测试周期5个月。

3.2 数据分析

由表2可见，改进后单台装封箱机停机次数由改进前的约31次/月减少为0，有效提高卷烟产品外观质量和设备生产效率。

表2 改进前后装封箱机停机数据统计Tab.2 Statistics of shutdown data of case filling and sealing machine before and after improvement 单位：次

4 结语

（1）基于YP11A型装封箱机，试验得出新烟箱与回用烟箱对条烟入箱推进工艺的影响差异显著，理论分析推烟频率与条烟滑动量的相关性，结合拟合曲线，确定低速段电机频率为25 Hz。通过变频器选型及相关参数设置，设计一种入箱推进变频调速装置，在保证现有装烟效率的前提下，烟垛装箱时的惯性滑动量降低至6.7 mm。

（2）与现有技术相比，无需设置额外的压紧机构，防止装烟过程中发生压坏烟箱和条烟的情况。应用结果表明：单台装封箱机因条烟错位、挤压变形引起的停机次数由改进前的约31次/月减少为0，有效提高回用烟箱在YP11A型装封箱机的可适用性，提高设备运行效率，可在YP11A型装封箱机上推广应用。