FY117型废烟支处理机排序装置的改进

刘仁瑞，戴团结，马存国，刘长胜，李 涛，练孔辉，张可洲*

1.厦门烟草工业有限责任公司，福建省厦门市海沧新阳工业区新阳路1 号 361026

2.常德瑞华制造有限公司，湖南省常德市工业新区2 号路518 号 415000

FY117型废烟支处理机是将杂乱的废烟支进行分选、整理、排序、调头汇流和搓揉后，基于气吹式原理从烟支滤嘴端喷射高压气流，将烟丝从烟支段中分离出来。其中，排序工序是利用排序装置将烟库中不同朝向的烟支呈单支状态分离后送入调头汇流工序，但在烟支分离过程中容易出现下烟机构被折断的废烟支堵塞、各运动件动作不平稳等问题。近年来，针对废烟处理设备已有较多改进研究。王俊等［1］基于ZJ116 型卷接机组设计了一种新型废烟支提升输送装置，解决了输送带易磨损、维护保养周期短等问题；汤治国［2］对FY36型废烟支处理机工作腔落料口处的导流风扇进行改进，解决了废烟支在进料口处被反复击打、剪断和遗漏拍打等问题；朱建新［3］通过在FY115型废烟支处理机中增加手动切刀刃口磨削装置、安装永磁磁板并更换切刀隔套材料，提高了废烟支的整丝率；陈浩等［4］针对ZJ118型卷接机组的废烟提升装置设计了链轮装配工装，提高了链轮装配质量；普学文［5］通过对FY113 型废烟支处理机切刀、隔轮与轴的装配固定方式和切刀轴联接方式进行改进，提高了烟丝回收利用率；张冬芹等［6］对FY37型废烟支处理机的陡角带输送频率、蒸汽流量、分离机频率、增湿机频率和高频振筛网孔径等工艺参数进行优化，提高了废烟支的出丝率；叶松涛［7］针对FY36 型废烟支处理机设计了一种柔性螺旋物料分离系统，降低烟丝造碎率的同时提高了烟丝回收率和纯净率；何海鹏［8］采取模块化、结构化编程方式对FY113 型废烟支处理机的控制系统进行改进，增强了控制程序的功能独立性和接口通用性。但对于FY117型废烟支处理机排序装置的改进研究则鲜见报道。为此，通过分析FY117型废烟支处理机排序装置中烟支堵塞下烟机构和各运动件发生干涉的原因，对下烟机构及其传动系统进行改进，以期减少设备停机故障次数，提高废烟支处理效率。

1 问题分析

如图1所示，废烟支排序装置由烟库（1）、下烟机构（2）、双面齿形带输送机构（3）、烟支存储机构（4）、烟支识别机构（5）、烟支排序机构（6）、烟支定位机构（7）和烟支转接机构（8）等部分组成。其中，下烟机构设置在烟库下方，由拨烟杆组件（9）、推烟杆组件（10）、下烟槽组件（11）等部分组成。废烟处理机启动后，不同朝向的废烟支被收集在烟库中并在拨烟杆的扰动作用下落入下烟槽，下烟槽底部的废烟支被推烟杆推出后落入双面齿形带（12）（以下简称齿形带）的凹槽中，使烟支呈单支分离状态。由于下烟槽中的废烟支朝向不同，推烟杆从烟支滤嘴端推出废烟支时过程顺利，烟支杂乱概率较低；而从燃烧端推出废烟支时，烟支容易折断并卡在下烟槽中，进而影响设备运行效率。此外，推烟杆和齿形带等运动件之间的配合采用气缸驱动，排序装置长时间运行后，受气源波动、密封件老化等因素影响，气动执行件容易出现输出力不足、动作不平稳等问题，导致烟支落入下烟槽、烟支从下烟槽间歇移出和输送皮带间歇动作，三者之间因不同步而产生干涉，从而造成故障停机。

图1 废烟支排序装置结构图Fig.1 Structure of collation device

2 改进方法

2.1 系统设计

为避免因烟支朝向不同而造成下烟机构烟支堵塞，以烟支柱面为受力区域，设计一种适应于不同朝向烟支的开关式下烟机构，见图2。开关式下烟机构可上下移动且下烟槽（2）底部安装有开关板（6），为配合改进后下烟机构运动及烟支释放方式，将齿形带（3）调整至下烟槽正下方。废烟支释放至齿形带凹槽前，开关式下烟机构向下运动至最低点（下烟槽底面距离齿形带顶面1～2 mm）并打开开关板，避免烟支下落时散乱；下烟槽中最底层烟支下落至齿形带凹槽后，开关板关闭同时下烟机构向上运动，避免下烟机构干扰凹槽中烟支随齿形带向前运动；下烟机构上升至最高点后停止，等待齿形带凹槽中烟支被输送至下一工序，同时空凹槽运动至下烟机构下方，开始新一批次烟支单独释放过程。下烟过程中，齿形带的间歇运动、下烟机构的上下运动以及开关板的开合运动需要相互配合才能避免发生干涉行为。为此，采用凸轮传动机构代替气缸驱动控制下烟机构、开关板；采用平行凸轮分割器驱动齿形带做间歇运动，各运动件的运动方式及时序控制见图3。

图2 开关式下烟机构结构图Fig.2 Structure of flapper-type cigarette hopper

图3 下烟机构、开关板、齿形带运动方式及时序控制图Fig.3 Movement modes and sequential control of cigarette hopper,flapper and tooth timing belt

2.2 传动系统设计

2.2.1 结构组成

驱动齿形带、下烟机构以及开关板运动的传动系统由电机、左右凸轮及其从动件、上下凸轮及其从动件、平行凸轮分割器等部分组成，见图4。上下凸轮（5）和左右凸轮（4）通过传动轴（3）串联，由电机（1）通过同步带（10）和传动轴组成的连接机构完成不间断旋转运动；随着上下凸轮和左右凸轮同步转动一周，下烟机构在上下凸轮从动件（7）的带动下完成“降-停-回-停”周期运动，开关板（9）在左右凸轮从动件（6）以及连杆（8）的带动下完成“闭-开”周期运动。齿形带由电机驱动平行凸轮分割器（2）完成“运动-停止”间歇运动，一个运动周期与凸轮转动一周时间相同。如图4b所示，凸轮组件采用槽凸轮结构，从动件上通过轴承安装的滚子（11）置于凸轮凹槽中，依靠凹槽两侧的轮廓曲线与凸轮始终保持接触。为延长凸轮使用寿命，凸轮及从动件滚子采用工具钢20CrMnTi材质，工件接触表面采用渗碳淬火至洛氏硬度56～62 HRC，渗碳层深度为0.8～1.5 mm。

图4 传动系统及凸轮组件结构图Fig.4 Structure of drive system and cam component

2.2.2 凸轮凹槽轮廓曲线设计

根据下烟机构和开关板的运动位置和时间要求，分析上下和左右两组凸轮在一个运动周期内（一个运动周期时间为T）的运动行程，从而确定凸轮凹槽轮廓曲线［9-11］。①上下凸轮。如图5a所示，在启动位置开始时，凸轮带动下烟机构整体下降，下降持续时间为T/12（凸轮转动角度30°），在最低点停留时间为T/3（120°）；然后凸轮带动下烟机构整体上升，上升持续时间为T/12（30°），在最高点停留时间为T/2（180°）。②左右凸轮。如图5b所示，在启动位置时，开关板保持关闭状态，凸轮转动T/18（20°）后带动开关板打开，打开动作持续时间为T/12（30°），打开状态保持时间为2T/9（80°）；然后凸轮带动开关板关闭，关闭动作持续时间为T/12（30°），关闭状态保持时间为5T/9（200°）。

图5 凸轮转动角度（φ）与从动件位移（S）对应图Fig.5 Corresponding diagram between cam rotation angle and follower displacement

根据凸轮转动角度与从动件运动规律，利用Solidworks软件（法国达索公司）的凸轮生成工具建立凸轮模型，并根据凸轮运动行程设计运动角度，利用轴孔键槽确定运动启动位置，凸轮3D模型见图6。凸轮从动件的运动规律有等速运动（直线运动）、等加速等减速运动（抛物线运动）、简谐运动（余弦加速度运动）、摆线运动（正弦加速度运动）、五次多项式运动等。为防止凸轮过度磨损而影响使用寿命，应避免出现加速度突变和柔性冲击等问题。因此，根据下烟机构“降-停-回-停”的运动规律采用摆线运动方式，使凸轮及其从动件的运动更加平稳。凸轮凹槽轮廓曲线见图7。

图6 凸轮3D模型图Fig.6 Three dimensional models of cams

图7 凸轮凹槽轮廓曲线Fig.7 Profile curves of grooves of cams

2.3 运动仿真分析

利用Soldworks 软件的Motion 模块对凸轮机构进行仿真分析，输出上下凸轮滚子质心点的运动性能（位移、速度、加速度）曲线［12-14］，见图8。可见，滚子质心点的运动曲线均较为平滑，对凸轮工作面的冲击力较小，说明凸轮轮廓线符合设计要求。利用相同方法分析左右凸轮滚子质心点的运动性能曲线，同样验证了所设计的凸轮轮廓线符合要求。

图8 上下凸轮滚子的运动参数曲线Fig.8 Motion parameter curves of upper and lower cam rollers

3 应用效果

3.1 实验设计

材料：“七匹狼（纯境）”牌卷烟生产过程中产生的废烟支（厦门烟草工业有限责任公司提供）。

设备：FY117型废烟支处理机（常德瑞华制造有限责任公司）。

方法：FY117型废烟支处理机运行速度为1 333支/min，运行时间6 h/班次。排序装置改进前后，各统计6班次下烟机构烟支堵塞次数和废烟支处理量，根据公式（1）计算设备运行效率，取平均值。

3.2 数据分析

由表1可见，排序装置改进后FY117型废烟支处理机下烟机构烟支堵塞次数由10次/班次降低至0.5次/班次，设备运行效率由75%上升至90%，有效提高了设备运行稳定性。

表1 排序装置改进前后FY117型废烟支处理机运行数据①Tab.1 Operation data of FY117 waste cigarette processor before and after modification

4 结论

基于FY117型废烟支处理机设计了一种开关式下烟机构，解决了排序装置中因烟支朝向不同而导致的下烟槽堵塞问题；为避免设备运行过程中下烟机构、开关板和齿形带等发生干涉，采用凸轮传动方式代替气缸传动方式驱动各运动件按时序控制要求运动。以厦门烟草工业有限责任公司生产的“七匹狼（纯境）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：排序装置改进后下烟机构烟支堵塞次数由10 次/班次降低至0.5 次/班次，设备运行效率由75%提高至90%，有效提高了废烟支处理机的运行稳定性。