用于维修ZL45型复合滤棒成型机组的平台设计

刘东亚 窦武阳

（许昌烟草机械有限责任公司，河南 许昌 461000）

0 引言

近年来，卷烟滤嘴的功能已由单功能向多功能的方向发展。烟草行业对具有降焦减害、增香保润等功能的复合滤棒越来越重视。复合滤棒是由不同基棒通过分切、拼接，卷制而成的，两元和三元复合滤棒较为常见［1-2］。我国先后自主研发了生产速度为200 m/min的YL43型复合滤棒成型机组和生产速度为400 m/min的ZL41型复合滤棒成型机组，二者均为两元复合［3-4］，但其已无法较好地满足市场对多元复合滤棒的需求。因此，许昌烟草机械有限责任公司与荷兰ITM公司采用“平台+模块”的方式，成功地研发出ZL45型复合滤棒成型机组。ZL45型复合滤棒成型机组属多元线性复合滤棒成型机组，最大生产速度为500 m/min，可生产两元和三元复合滤棒。该机组配套有一台装盘机、三台卸盘机以及一套大流量供料装置。大流量供料装置在将基棒输送到相应的高级小棒模块后，将其切分成不同长度的小棒，最后进入成型模块，从而生产出相应的复合滤棒。

1 存在问题

ZL45型复合滤棒成型机组所配备的大流量供料装置安装在成型机组高级小棒模块的上方，距离地面较高，最高处可达4.5 m，大流量供料装置如图1所示。由于大流量供料装置的位置偏高，导致设备在维修维护时存在较大的安全隐患。因供料装置及支架的结构限制，导致供料装置的落料头处一旦发生乱棒现象，将无法及时处理，严重时会导致设备停机，从而影响生产效率。因此，要对ZL45型复合滤棒成型机组进行优化设计，通过加装维修平台可解决上述问题。

图1 大流量供料装置

2 结构设计

通常情况下，出于对安全性的考虑，应将机器的维修平台固定在机器上方或固定在地面上。由于ZL45型复合滤棒成型机组所配备的大流量供料装置前方的安装位置有限，下料装置门与复合模块门的距离仅为500 mm，而复合模块门在开启时的动作是垂直向上提升的，若将维修平台固定在机组上，将会发生干涉事件。考虑到将维修平台固定在地面上会影响后期换规格时复合模块的更换，显然采用固定式维修平台不是最佳方案。

针对上述问题，本研究为ZL45型复合滤棒成型机组的大流量输送装置设计了如图2所示的可移动式维修平台，其是由支撑板、加强支架、滑轨、滑轨底板、平台支撑架、维修平台、登高梯等组成。可移动维修平台安装在机组的三个高级小棒模块的前方。由于空间有限，对显示屏的安装方式进行变更，由原来的可滑动式显示屏支架，更换为固定式旋转支臂，而旋转支臂通过固定架及加强支架安装在落料头支撑梁的中间位置上。在原有显示屏支架滑轨的基础上，新加装可移动式维修平台，三个支撑板均匀分布在落料头支撑梁的上方，滑轨底板通过三个加强支架安装在支撑板上，然后将滑轨用螺栓锁紧在滑轨底板上。通过直线轴承使维修平台与滑轨相连，使维修平台能在滑轨上平稳滑动。平台支撑架和支撑板起到支撑维修平台的作用，平台支撑架下方设有两个滚轮，方便维修平台的移动。在使用维修平台时，可将其推至相应位置后，再将登高梯从平台支撑架上放下。在维修或维护工作完成后，将登高梯挂在平台支撑架上。维修平台主要对高级小棒模块上方的落料头进行维修维护。转运模块通常不使用维修平台，因此转运模块上方不设置滑轨，滑轨在机组最右侧向外延伸。高级小棒模块玻璃门开启时将会与维修平台产生干涉，因此维修平台只能在高级小棒模块玻璃门关闭时使用，不使用维修平台时，将其移动至机组的最右侧位置。

图2 可移动式维修平台

3 有限元分析

在新产品研发过程中，尤其是机械结构较为复杂时，为保证机械结构的安全性和经济性，通常使用有限元分析法对其进行受力分析。利用有限元软件对所设计的机械结构等进行离散化处理，根据其受力情况，在划分网格后的三维模型上施加载荷，然后依靠相关求解器对应力和位移进行求解［5］。

先对维修平台的三维模型进行网格划分，将三维模型导入到有限元软件中进行分析。由于维修平台的结构较为复杂，对其进行网格划分较为费时，且结果误差较大。考虑到模型计算的可行性，在对维修平台进行三维模型划分前，删除对结果影响较小的零部件，尽可能简化模型，同时又能反映出所设计结构的实际特点［6-7］。此次建模便于网格的划分以及确保计算的可行性，在对维修平台进行有限元分析时，忽略安装用的螺纹孔，并删除模型中的登高梯等对计算结果影响较小的非承载零部件。维修平台的三个支撑板是由7075铝合金制成的，滑轨和滑轨底板的材料为20钢，维修平台及护栏均采用强度高、质量轻的铝合金型材。所划分网格共有718 340个节点以及271 890个单元。维修平台的网格划分结果如图3所示。

图3 维修平台的网格划分（单位：mm）

对维修平台进行静态分析时，先对已划分好网格的平台支撑板、滑轨、滑轨底板及维修平台模型施加相应的约束，再对其进行力的加载。此平台仅用于ZL45型复合滤棒成型机组的大流量输送装置的维修维护，以及落料头发生乱棒时能及时清理乱棒，以免造成设备停机，单人即可完成操作。平台的支撑架通过滚轮与地面接触，其能承受一部分载荷。该维修平台可简化为四点支撑，即两处滑杠连接处和两个轮子。设计操作承重载荷为100 kg，在机械设计中，通过引入安全系数来保证机械结构在使用过程中的稳定性及安全性，该维修平台的安全系数取1.5。维修平台自身重量约为120 kg，则设计载荷为270 kg。故在维修平台上加载2 700 N的向下作用力。由于作用在滑杠上的推力较小，为了便于计算，假设滑杠只受垂直向下的作用力。简化模型后，通过有限元求解得到维修平台的应力、应变云图，如图4、图5所示。

图4 维修平台的应力云图（单位：mm）

图5 维修平台的应变云图（单位：mm）

由维修平台的应力云图可知，维修平台的最大应力为87.555 MPa，发生在维修平台与滑杠连接处，主要是维修平台与支撑板对滑杠及其底板产生的剪切应力，其余部分的应力较小。维修平台的最大应力（87.555 MPa）小于滑杠的屈服强度（245 MPa）。由于最大应力值小于材料的许用应力，安全因数为2.8，具有一定的强度储备。因此，维修平台能满足使用要求。由维修平台的应变云图可知，维修平台的最大变形量为0.393 35 mm，变形主要发生在维修平台的连接板处。维修平台仅在连接板处发生较小的变形，对维修平台的正常使用影响不大。滑杠及其底板的变形量很小，不会影响维修平台的左右滑动。

4 结语

本研究设计出一种用于ZL45型复合滤棒成型机组大流量供料装置的维修平台，在ZL45型复合滤棒成型机组原有结构的基础上进行改造优化，并将维修平台与先前显示屏支架基座进行结合。该可移动式维修平台的设计对ZL45型复合滤棒成型机组原有结构的改变较少，方便客户安装。通过对维修平台的部分主要承载零部件进行有限元分析，并对其应力、应变云图进行分析，可知该维修平台的设计结构合理，能较好地满足使用要求。本研究通过对可移动式维修平台进行设计，为客户进行设备的维护维修提供强有力的帮助，同时增加维护维修的安全性。